[发明专利]基于发热碳纤维的光伏电池板自融冰装置及控制方法

权利要求书

1.一种基于发热碳纤维的光伏电池板自融冰装置，其特征在于：包括MCU模块(16)，MCU模块(16)分别与电源控制转换模块(17)、传感器模块(18)、产热模块(19)、储能蓄电池(20)连接；传感器模块(18)包括叉指电容式覆冰传感器(10)和温湿度传感器(21)，产热模块(19)由多个碳纤维发热丝(7)组成；同时，MCU模块(16)与光伏电池板(11)的输出电压(22)及输出电流(23)的输出信号线连接，MCU模块(16)与储能蓄电池(20)的剩余容量(24)及电池电压(25)的输出信号线连接，

所述的光伏电池板(11)的结构是，包括固定在铝框(3)中的EVA膜(2)，EVA膜(2)上表面覆盖有玻璃面板(1)，EVA膜(2)中包裹嵌有多组太阳能电池片(4)，所有的太阳能电池片(4)通过电池片连接线(5)接入接线盒(6)中，EVA膜(2)中靠近上表面设置有多条碳纤维发热丝(7)，所有的碳纤维发热丝(7)通过碳纤维连接线(8)与自融冰控制盒(9)中的MCU模块(16)连接，

所述的叉指电容式覆冰传感器(10)设置在光伏电池板(11)的下侧，叉指电容式覆冰传感器(10)的结构是，包括上下相对交错排列的激励电极(12)和感应电极(13)，激励电极(12)和感应电极(13)相对伸出的叉指之间保持有介质空隙(14)，激励电极(12)和感应电极(13)各自对外连接有电极引线(15)。

2.一种光伏电池板的自融冰控制方法，其特征在于，利用权利要求1所述的光伏电池板自融冰装置，按照以下步骤实施：

步骤1、利用传感器模块(18)收集覆冰的信息，

结合叉指电容式覆冰传感器(10)及温湿度传感器(21)采集的数据，综合判定当前天气状况及覆冰程度，为MCU模块(16)提供判断依据，

具体过程是，

1.1)收集气象数据，

设叉指的宽度为w，相邻两叉指边缘间距为g，规定叉指宽度w和相邻两叉指边缘间距g之和为一个基本叉指单元宽度C，并用极板覆盖率τ表征叉指宽度w在基本叉指单元中所占的比例，即τ＝w/(w+g)；

1.2)判定覆冰的情况，

在叉指电容式覆冰传感器(10)判断结果的基础上，对光伏电池板(11)周围温湿度利用温湿度传感器(21)进行监测，当空气相对湿度大于70％且气温及设备表面温度在0℃以下时，判定光伏电池板(11)表面发生了覆冰情况；

步骤2、启动产热模块(19)发热融冰并监测融冰过程及状态，

储能蓄电池(20)首先为产热模块(19)供电，启动碳纤维发热融冰，在融冰过程中根据叉指电容式覆冰传感器(10)对光伏电池板(11)表面的冰层状态变化持续进行监测，防止融冰不足或过度融冰的情况发生，

具体过程是，

当光伏电池板(11)表面温度稍高于零摄氏度时，碳纤维发热丝(7)产生的热交换融化沉积的覆冰，融化所消耗的热量为：

ΔQ_m＝L_mα(1-γ)βRφ (2)

其中，L_m＝335kJ/kg，α为覆冰融化率，γ为初始液态水含量，β为积聚系数，当雪花穿过光伏电池板(11)安装位置上空时，只有一部分雪花因空气动力学和机械原因会落在玻璃面板(1)并增长，R为降水通过玻璃面板(1)的气流表面S的流量，P是在地面降水成分的水当量，单位是mm/h，U是水平风速，单位是m/s，W是雪花垂直下降速度，平均值取1m/s，函数关系为：

对应地，有电流通过的碳纤维发热丝(7)在与冰雪的界面上会因焦耳效应产生热交换，单位长度碳纤维发热丝(7)在通过强度为I的电流时释放热量为：

ΔQ_热＝R_热I² (4)

其中，R_热为产热模块(19)的单位电阻，单位是Ω，其电阻由碳纤维发热丝(7)的型号确定；由辐射效应产生的热交换及冰晶到冰晶颗粒转变释放的能量均忽略不计，因此只要控制碳纤维发热丝(7)产生的热量与融冰需要的热量大致相等，即能够持续融冰；

步骤3、控制转换供电电源，防止储能蓄电池(20)的过放电；

光伏电池板(11)在覆冰状态下处于无输出或极低输出的情况，因此前期融冰装置需要储能蓄电池(20)进行供电，在融冰过程中MCU模块(16)需对储能蓄电池(20)的荷电状态进行预警监测，荷电状态SOC是描述蓄电池状态的一个重要参数，定义如下：

其中，C_(t)为某时刻储能蓄电池(20)的剩余电量，C_r为储能蓄电池(20)的总容量，单位均为Ah，SOC＝100％表示储能蓄电池(20)处于满电状态，SOC＝0％表示储能蓄电池(20)处于全放电状态，首先评估储能蓄电池(20)的剩余容量(24)，

MCU模块(16)对光伏电池板(11)的输出电压(22)及输出电流(23)进行监控，当其输出电流(23)能较为稳定地达到碳纤维融冰需要的电流值时，电源控制转换模块(17)将碳纤维发热丝(7)的供电电源切换为光伏电池板(11)；

步骤4、融冰结束，切断产热模块(19)的供电，整体装置转为低功耗监测状态。