CN104488190A - 作为红外信号接收器和处理器的太阳能板 - Google Patents

Abstract

本发明是使用太阳能模块中的太阳能单元作为传入光信号的接收器通过光通信来控制和监测太阳能模块。该光通信是通过将太阳能模块中的太阳能单元作为传感器和/或接收器，并将太阳能模块的汇流排作为导管来将传入的信号传送至控制电路。这样的控制包括但不限于来自太阳能模块的电力输出的接通/关断控制，并且这样的监测包括但不限于读取、数据保持和显示太阳能模块的当前操作性能状态。通过该发明，能够在不需要物理地断开和重新连接导线的情况下关断和接通太阳能模块。这样的控制和监测使得任何尺寸的太阳能发电系统的更高效和准确的操作及维护成为可能。

Description

作为红外信号接收器和处理器的太阳能板

技术领域

所公开的技术总体上涉及一种用于接收编码的红外信号的方法。更具体地，该技术涉及将红外信号接收至一排太阳能板并解释所发送的红外信号。

背景技术

太阳能单元(cell)(也称为光伏单元)是通过光伏效应将光能转换成电能的电装置。太阳能模块(也称为太阳能板、光伏模块或光伏板)是光伏单元的封装的连接部件(assembly)。太阳能模块能够被用作更大的光伏系统中的组件，以产生和供应在商业和住宅应用中的电。

在该行业中，每个(太阳能)板在标准试验条件下由其DC(直流)输出功率定额(rated)，并且通常具有100至450瓦特的范围。因为单个太阳能板只能够产生有限量的电力(power)，所以大多数安装包含作为太阳能电力阵列的一部分的多个太阳能模块。单个或多个这样的阵列通过电连接在一起变成太阳能电力系统。集中控制板控制由这样的系统产生的电力(尽管在现有技术中没有这样的系统为发明人所知晓)，这使得一个人能够控制和/或监测各个太阳能组件。当太阳能电力系统的操作者出于操作和/或维护目的而需要关闭来自该系统中的各个太阳能模块的电力输出时，这变得有问题。目前，为了做到这一点，一个人必须从特定太阳能模块物理地断开接线。然而，太阳能模块被相互非常紧密地安装，使得最大数目的太阳能模块能够被安装在最小的表面积中。这种紧密的安装往往使得维修介入(service access)非常困难。

太阳能板往往更是难以接触到。在大型的太阳能系统中，数千个太阳能模块被安装在宽的面积上，由于距离，这使得对于太阳能模块的维修介入更加困难。在某些情况下，尽管太阳能模块由中心公司所拥有，但是太阳能模块也被安装在个人房屋和建筑物上。在这样的情况下，介入到每个太阳能模块、每个板或一组板需要获得对于私人财产的介入权，每个财产由不同的个体所拥有。获得物理介入权是繁琐的，有时是不可能的；然而，在可能的地方，根据房屋的性质和介入屋顶的类型，这有可能是危险的。

在太阳能板的领域中，另一需求是监测太阳能板系统及其中的各个模块的操作。然而，为发明人所知晓的太阳能模块都没有提供关于每个单独模块的数据。因此，操作者无法检测哪些模块出故障或者无法知道任何模块是否出故障。目前，一个人通常从系统中将被认为是出故障的模块取出，并且在其它地方对其进行测试。

因此，存在对使得一个人能够在没有物理地断开电线的情况下诊断各个太阳能模块的长期需要。存在对允许太阳能板性能的诊断以及针对更好的操作和维护的操作状态的进一步未解决的需要。

发明内容

本发明的目的是使用各个太阳能模块中的太阳能单元作为信号传感器、天线和/或接收器以能够从远处通过光通信控制和监测各个太阳能模块。

通过在太阳能模块上增加执行信号接收、处理的控制电路和继电器装置，本发明实现了太阳能模块控制的多种功能(诸如输出电力接通/关断)。本发明还使得能够监测太阳能模块的性能和状态并显示这样的监测结果，以使操作者能够看见并理解。

在所公开的技术的方法中，通过光通信控制和/或监测太阳能模块。这通过以下操作来执行：从发送器发送光信号，以及在太阳能板中的至少一个太阳能单元处接收所述光信号。所述太阳能单元和所述太阳能板同时电连接以向电力阱(sink)(诸如任何种类的换能器、电池、光源(light)、电器等)提供电流。所接收的光信号通过汇流排传播至处理器，所述汇流排与所述太阳能单元和所述电力阱电接合。对所接收的光信号进行处理，以执行太阳能板上的命令(诸如所提供的输出的读数或统计、或者开启/关闭太阳能板的操作和/或接通/关断提供至电力阱的电流)。

在所公开的技术的实施方式中，在电连接到太阳能板的存储装置(诸如存储器存储装置)处，记录太阳能板的电力输出。此外，处理器可以被用来确定一段时间(诸如通过光信号指定的时间、一天、一周、一月或任何其它时间帧)上的平均电力输出，而存储该平均电力输出或不同时间段的多个平均值，直到要求基于从发送器传送的命令输出该存储的信息为止。

在所公开的技术的实施方式中，来自汇流排的电流在传送到适于对所发送的光信号进行解码的电路之前通过带通滤波器。此外，可以与带通滤波器相联结地(inline)设置阻塞电容器，以消除从汇流排接收的DC(直流)电流。

处理器可以由电池供电，并且命令被存储在非易失性存储器中，仅在太阳能板产生高于执行所述命令所需的阈值水平的电流输出之后执行所述命令。所述“阈值水平”被限定为具有足够的电力(电流、电压和电阻的任何组合)，以安全地并可预见地使得命令被执行，如按照通过命令和/或发送器所控制、改变或指导的设备的操作者或设计者完全预期的一样。

在所公开的技术的进一步的实施方式中，光发送器和接收器套件(kit)具有光发送器，所述光发送器被配置为发送光的编码脉冲(诸如在红外和/或可见光光谱上的脉冲)。太阳能板被配置为将光能转换成电能，并且电动装置被配置(电连接)为接收电能并基于所接收的电能操作。位于太阳能板和电动装置之间的至少一个金属导管将电流传送至电动装置。被配置为从太阳能板通过金属导管接收电能的至少一部分的解码器检测所发送的光的编码脉冲，并且确定在其中编码的代码。通过从解码器接收数据的处理器来执行命令。

太阳能板可以接收所发送的光的编码脉冲，所述光在被发送至解码器之前通过带通滤波器传送(作为电能)。使用由太阳能板接收的电流的电动装置的操作与对所发送的光的编码脉冲的接收和对所发送的光的编码脉冲的解码二者是同时进行的。“同时”被限定为具有基于由太阳能板接收的电流的相同流动彼此同时操作的两项(items)。

如上所述，命令可以是使得电动装置变得不能操作的“断电”命令、使得电连接的装置被供电的“通电”命令、或者将关于一个或更多个电连接的太阳能板的状态信息输出到接收所发送的具有编码命令的信号的太阳能板的命令。“可操作的(Operational)”被限定为执行需要连接到电源(诸如电池(通常太阳能模块连接到将DC电力转换为AC电力并将其发送至主电路板的逆变器(inverter)，而不是电池))的预定功能，当电池不再能够被充电时，电池被充电的预定功能变成“不可操作的(non-operative)”，因为与太阳能板连接的预定功能是要被充电的(与电池放电的另一预定功能相反，这与电池的从光伏单元传送到电池中的电流的预定使用无关)。此外，电动装置可以是具有发出光(光子)的预定电功能的光源，其需要来自太阳能板的电输入。

此外，在所公开的技术的实施方式中，当从太阳能板输出的电能低于阈值时，命令被存储在非易失性存储器中，直到电输出在之后的时间高于该阈值为止。一旦达到该阈值(如以上所限定的)，就执行命令。

附图说明

图1A示出了现有技术的太阳能模块的前侧。

图1B示出了现有技术的太阳能模块的后侧。

图2是用于执行所公开的技术的实施方式的装置的高级框图。

图3是用于执行所公开的技术的实施方式的控制电路的高级框图。

图4示出了在所公开的技术的实施方式中的用于通过太阳能板接收和存储光信号的方法的流程图。

图5示出了在从发送器接收到的光信号时执行的步骤。

图6示出了可以被用于执行所公开的技术的装置的高级框图。

具体实施方式

所公开的技术的实施方式使得一个人能够使用太阳能模块中的太阳能单元作为传入(incoming)光信号的接收器通过光通信来控制和监测该太阳能模块。一旦太阳能单元接收到传入光信号(诸如红外信号)，太阳能模块的汇流排就变成导管以将传入信号传输至控制电路。该控制电路对光信号进行解码，并且执行操作(诸如使得能够发送远程接收到的监测信息，或者打开和关闭单个太阳能模块和/或整个太阳能板或阵列)。为了所公开的技术的目的，远程地被限定为经由无线电或者数据的红外传输或者通过除太阳能板以外的广域网(在不同地址处)的至少一个网关接收。

为了本公开的目的，使用下面的限定。汇流排被限定为金属导管，该金属导管将由光伏单元接收的电传导至电力阱(汇流排是如101所示的太阳能模块中的太阳能单元当中的金属连接的通用名称。如104所示的接线盒的电力线缆是将由光伏单元接收的电传导至电力阱的金属线)。电力阱被限定为用电设备(电向另一种能量形式的转换)或储电设备。光伏被限定为光能向电能的转换。光伏或太阳能单元被限定为从光能产生电能的装置。太阳能板被限定为太阳能单元的直接电耦合分组，单独地使用汇流排实现这样的耦合。太阳能阵列被限定为太阳能板的电连接分组，每两个太阳能板之间的电耦合包括电连接到不同的太阳能板的至少一个控制器或电力阱。光信号被限定为数据经由被接收器解码的光的编码传输。

所公开的技术的实施方式将考虑到图的以下描述而变得更清楚。

图1A示出了现有技术的太阳能模块的前侧。图1B示出了现有技术的太阳能模块的后侧。前侧是引导至太阳的侧，或者其包括能够接收光能的光伏单元(或光伏单元中的大多数)的侧，使得所述单元将光能转换成电能。这样的太阳能模块具有用于传导从太阳能单元102接收的电流的汇流排101。接线盒103收集经由汇流排传送的能量，并进一步经由线缆104向其它装置(诸如电力阱)传送能量。框架105起到物理地支承太阳能板的作用。

图2是用于执行所公开的技术的实施方式的装置的高级框图。发送器202将光信号(诸如在红外波段中的光或甚至诸如激光这样的可见光)在编码模式下发送至太阳能板或太阳能阵列的光伏单元201。还示出了输入装置215，其可以是带有处理器的计算装置，该处理器具有用于编程或配置发送器202的输出。类似地，在所公开的技术的实施方式中，可以利用这样的输入装置215对连接到太阳能板/光伏单元201的控制模块进行编程。这样的编程可以使得或允许发送器202仅发出与特定太阳能板、阵列或选择的太阳能板和阵列相对应的特定控制信号。通过示例的方式，传输代码可以由在接收端上的控制器解释为信号，以将太阳能模块、太阳能阵列或单个板打开或关闭，或者从单个太阳能板、太阳能阵列或太阳能阵列的分组接收状态信息。在聚集由发送器202发送的光能之后，太阳能板201在代码中将光能传送至控制电路220。在图3中更详细地示出该控制电路。

图3是用于执行所公开的技术的实施方式的控制电路的高级框图。(图3中的控制电路的布局与如图2中所示的布局相同。)这样的控制电路220可以被设置在太阳能模块接线盒(参见图1中的103)内，在太阳能模块内，或者在太阳能模块外，但与该太阳能模块电连接。首先，在所公开的技术的实施方式中，所接收的传入信号通过带通滤波器203以按波长对所接收的电信号进行滤波。

低通滤波器209接收低波段电流/允许低波段电流在此通过通路，该低波段电流是从光伏单元接收的电流中的绝大多数。在所公开的技术的实施方式中，通过低通滤波器的DC电力的一部分对备用电源211进行充电。当来自太阳能单元的输出太小而无法驱动电路220时，备用电源211是用于控制电路220的电源或备用电源。如将在下面描述的，低通滤波器还可以经由总线200与处理器207通信。

返过来参照带通滤波器203，其中，来自发送器的信号通过，随后使用与带通滤波器204相联结的阻塞电容器204，以从可以通过带通滤波器的信号载波消除DC电流。随后，在块230中将传入光信号处理成电信号。载波解调器205处理传入信号载波以收集编码命令，并且一旦这些编码命令被解调，代码解码器206就处理这些编码命令并将他们发送至微处理器207，微处理器207执行关于编码命令的操作并向其它装置发送指令。这样的编码和解码增强了光学通信的安全性。这可以通过在编码和解码处理中使用数据加密算法来实现。

微处理器207处理编码信号并执行命令。处理器还通过嵌入式模数转换器测量操作状态(诸如太阳能模块的电流和电压)，并且将这些数据存储到诸如易失性或非易失性存储器208这样的存储器(例如，EEPROM(电可擦除/可编程只读存储器))。这些数据随后可以通过电或无线方式(例如，红外传输或无线传输，诸如经由802.11网络)被输出到显示器212或数据终端213。

仍然参照图3，继电器210经由低通滤波器209接收电，并且从处理器207接收命令。除了打开或关闭以外，继电器还允许电通过电力阱214，电力阱214可以是另一个太阳能板/太阳能阵列、逆变器、控制器、用于存储能量的电池、或使用能源的装置(诸如光源或器具)。

图4示出了在所公开的技术的实施方式中的用于通过太阳能板接收和存储光信号的方法的流程图。在低功率状态(限定为来自太阳能单元或电池的电力不足以为块220中的一个或更多个通信装置供电)或满功率状态(限定为电力充足以操作图3的块220中的所有通信装置)下执行图4中所示的步骤。将参照图5进一步讨论功率状态。

一经在步骤320中接收到光传输(其在步骤311中被解释为代码的接收(限定为在用于在待执行的编码消息中的指令的光信号中编码的消息))，微处理器207就启动图4中所示的步骤。当处理器207从代码解码器206接收到信号代码时，执行步骤311，由此确定接收到了被理解的代码。该代码可以用于使装置断电(对此，其确定可以在步骤312中做出)，或者可以用作针对待输出的状态数据的请求(如在步骤314中确定的)。在步骤313或步骤315中将该代码记录到EEPROM或其它存储器存储装置。(在满功率状态下，因为使用向处理器发送代码的易失性存储器可以立即按照该代码执行，所以可能没有必要存储到EEPROM。)

当操作者想要将发送器与太阳能模块配对时，他/她能够通过发送器202发送所选择的主代码(master code)。随后，发送器202向给定主代码发送主代码写入请求。主代码是用于使太阳能模块201和发送器202配对所需要的必需的编码标识符(参见图2)。也就是说，在待执行的命令被接受之前，必须通过处理器对主代码进行验证。通过这种方式，能够对于许多太阳能板中的一个使用一组代码，只要发送器以对于太阳能板/接收器和相关联的装置(如图中所示的)来接受指令并执行来自发送器的命令所需要的代码的形式发送恰当的认证数据即可。基于发送主代码，发送器变得与接收装置配对。如果传入代码是针对主代码写入请求的，则微处理器207向EEPROM写入传入主代码，如在步骤313或步骤315中一样。此后，在所公开的技术的实施方式中，每当发送器与太阳能模块通信时，发送器发送具有这种主代码的控制码。在这样的实施方式中，每当微处理器207接收到控制码时，它将读取传入主代码并将其与在EEPROM中记录的主代码进行比较。如果这些主代码不匹配，或者如果在EEPROM中没有记录主代码，则微处理器在不执行命令的情况下结束处理。

图5示出了在从发送器接收到光信号时执行的步骤。在步骤301中，确定是否存在存储的代码。可以定期地(通过示例的方式，每个处理器周期、每秒或每分钟)或者在从低功率状态返回到满功率状态以足以操作块220中的每个装置时来执行这样的确定。例如，这可能发生在太阳能模块连接到电源或者从光伏过程获得更多的电力(诸如当存在更多的光源时)时。所存储的代码可以是在易失性存储器或非易失性存储器中。如果存在存储的代码，则它在步骤342中被读取。如果不存在存储的代码，则执行用于存储代码的步骤，如参照图4所描述的。在任何情况下，一旦按照所接收的代码执行，就可以报告图5中所示的步骤中的任一个。这些步骤(其每当存在足够的电力时发生，并且在接收到针对随后的输出的编码请求之后针对这些随后的输出被存储)包括：从光伏单元读出当前的电压和当前的输出(步骤302)；计算来自步骤302的电压或电流在某个时间段上的最小值、最大值和平均值(在步骤303中)；存储与步骤302和步骤303中的数据相关联的时间戳(在步骤304中)；读取状态数据(步骤305)等等。

在步骤306中，如果接收到指示这些状态数据输出是待上报(诸如至显示器或经由传输返回至发送器)的代码，则在步骤307中在如事先指定的时间段上连续地显示这些状态数据或者在代码被处理的时间中的瞬时时刻显示这些状态数据。类似地，在步骤308中，如果接收到指示光伏单元应当停止将电力输出至电网或以待存储的代码，则在步骤309中，通过按照这样的断电命令执行而使上述情况发生。继电器在步骤310中打开，并且从光伏单元输出的电力被禁用。如果电力已经关闭并且接收到这样的命令，则在步骤316中，反而通过打开继电器来启用电力输出。

图6示出了可以被用于执行所公开的技术的装置的高级框图。装置700包括处理器750，处理器750通过执行限定计算机的整体操作的测量装置的程序指令来控制计算机的整体操作。当要求执行测量装置的程序指令时，测量装置的程序指令可以被存储在存储装置720(例如，磁盘、闪存盘、数据库)中并加载到存储器730中。因此，测量装置的操作将由存储在存储器730和/或存储装置720中的测量装置的程序指令来限定，并且测量装置将由执行测量装置的程序指令的处理器750来控制。装置700还包括一个或多个输入网络接口，用于经由网络(例如，互联网)与其它装置通信。装置700还包括一个或更多个输出网络接口710，用于与其它装置通信。装置700还包括表示装置允许用户与计算机700(例如，显示器、键盘、鼠标、扬声器、按键等)交互的输入/输出740。本领域技术人员将认识到，实际装置的实现将包含其它组件，并且将认识到图7是用于示例性目的的这种测量装置的组件中的某些的高级表示。本领域技术人员还应当理解的是，图1至图5中所描述的方法和装置可以在如图6中所示的装置上实现。

虽然已经具体参照上述实施方式教导了所公开的技术，但是本领域普通技术人员将认识到能够在不脱离所公开的技术的精神和范围的情况下在形式和细节上做出变化。所描述的实施方式被认为在所有方面仅是示例性的而不是限制性的。在权利要求的含义和等同范围内做出的所有改变都将包含在它们的范围内。在上文所描述的方法、系统和装置的任何的组合也被考虑并在本发明的范围内。

Claims (18)

1.一种用于通过光通信来控制和监测太阳能模块的方法，该方法包括以下步骤：

从发送器发送光信号；

在太阳能板中的至少一个太阳能单元处接收所述光信号，所述太阳能单元和所述太阳能板同时电连接以向电力阱提供电流；

将所接收的光信号通过与所述太阳能单元和所述电力阱电接合的汇流排传播至处理器；

对所接收的光信号进行处理以执行所述太阳能板上的命令。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，从由以下项构成的组中选择所述命令：对所述太阳能板通电；对所述太阳能板断电；以及输出与所述太阳能板有关的状态信息。

3.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括以下步骤：

在电连接到所述太阳能板的存储装置处记录所述太阳能板的电力输出；

通过所述处理器确定一段时间上的平均电力输出，并将所述平均电力输出存储到所述存储装置；以及

在从所述发送器接收到命令时，将来自所述记录和确定的步骤的存储的信息输出到显示器。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，来自所述汇流排的电流在传送到用于对所发送的光信号进行解码的电路之前通过带通滤波器。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，与所述带通滤波器相联结地设置阻塞电容器，所述阻塞滤波器消除从所述汇流排接收的直流电流。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述处理器由电池供电，并且所述命令被存储在非易失性存储器中，所述命令仅在所述太阳能板产生高于执行所述命令所需的阈值水平的电流输出之后被执行。

7.一种光发送器和接收器套件，该光发送器和接收器套件包括：

光发送器，其被配置为发送光的编码脉冲；

太阳能板，其被配置为将光能转换成电能；

电动装置，其被配置为接收所述电能并能够基于所接收的电能进行操作；

至少一个金属导管，其位于所述太阳能板和所述电动装置之间；

解码器，其被配置为从所述太阳能板通过所述金属导管接收所述电能的至少一部分，检测所发送的光的编码脉冲，以及确定在光的所述编码脉冲中包括的代码；

其中，通过从所述解码器接收数据的处理器来执行命令。

8.根据权利要求7所述的光发送器和接收器套件，其中，所述太阳能板接收所述所发送的光的编码脉冲，所述光在被转换为电能之后以及在被发送至所述解码器之前通过带通滤波器。

9.根据权利要求8所述的光发送器和接收器套件，其中，使用由所述太阳能板接收的电流的所述电动装置的操作与对所述所发送的光的编码脉冲的所述接收和对所述所发送的光的编码脉冲的解码二者同时进行。

10.根据权利要求9所述的光发送器和接收器套件，其中，所述命令是断电命令，并且所述电动装置变得不能操作。

11.根据权利要求10所述的光发送器和接收器套件，其中，操作被限定为执行需要连接到电源的预定功能。

12.根据权利要求11所述的光发送器和接收器套件，其中，所述电动装置是电池，并且需要连接到电源的所述预定功能是所述电池的充电。

13.根据权利要求11所述的光发送器和接收器套件，其中，所述电动装置是光源，并且需要连接到电源的所述预定功能是发出光子。

14.根据权利要求9所述的光发送器和接收器套件，其中，所述命令是通电命令，并且所述电动装置变得能够操作。

15.根据权利要求9所述的光发送器和接收器套件，其中，所述命令是状态报告命令，并且关于所述太阳能板的状态信息被显示在显示器上。

16.根据权利要求7所述的光发送器和接收器套件，其中，当从所述太阳能板输出的电能低于阈值时，所述命令被存储在非易失性存储器中，直到电输出在之后的时间高于所述阈值为止。

17.根据权利要求16所述的光发送器和接收器，其中，所述阈值被限定为具有来自所述太阳能板的足够的电输出以操作对于正确执行所述命令所需的所有控制电路。

18.根据权利要求7所述的光发送器和接收器，其中，在待执行的命令被接受之前，所述发送器发送必须通过所述处理器来验证的主代码。