CN105591614B - 太阳能电池阵列的监测系统及其监测方法 - Google Patents

太阳能电池阵列的监测系统及其监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明关于一种太阳能电池阵列的监测系统及其监测方法，该监测系统包含有复数电性监测盒及一云端服务器，各电性监测盒分别具有一电性监测模组及一通讯模组，其中各电性监测模组分别与该通讯模组及一太阳能电池阵列中的一太阳能电池构成电连接，初次运作时，各电性监测模组记录其对应的太阳能电池的电性信息，并通过该通讯模组将复数电性信息传输予该云端服务器，当发生电性信息异常时，该云端服务器传输一诊断指令予对应异常太阳能电池的电性监测模组，以通过该电性监测电路诊断并评估各异常太阳能电池的寿命与对策，达到方便维护太阳能电池阵列的目的。

Description

太阳能电池阵列的监测系统及其监测方法
技术领域
本发明关于一种监测装置及其监测方法，尤指一种应用于太阳能电池阵列的一种监测装置及其监测方法。
背景技术
太阳能发电是一种倚靠太阳的辐射能量转换为电能的一种发电方式，而借以发电的工具之一即是太阳能电池。根据1905年爱因斯坦所提出的光电效应(PhotoelectricEffect)，其引入了当时被古典物理学家极为抗拒的光子(Photon)概念，爱因斯坦发现借由高能光子照射于导电材料上时，可以使该导电材料上的束缚电子获得足够能量而激发出可自由漂移以形成电流的光电子，达成辐射能量转换为电能的程序。太阳能电池的发展始于1949年W.Shockley解释了P-N接面的原理。接着1954年美国贝尔实验室(Bell Tele.Lab.)的D.M.Chapin等人、与RCA公司的J.J.Loferski于同年同月发表了世界最早的太阳能电池。至今，太阳能终于在环保议题与石油存量疑虑受到高度关切的现代，成为一个新兴产业，由于太阳能相较于水力或风力发电没有机械运动的耗损问题，且发电机具的安装较不受地理位置限制等优点，相较其他绿能发电方式，太阳能电池在未来将更具有发展潜力。
但现有技术的太阳能电池其受限于使用的材料与其能量转换效率，使得单一片的太阳能电池所产出的电能相当有限，无法达到一般市电的标准，因此一般所采行的方式是将复数太阳能电池串接成一具有较大受光面积的太阳能电池阵列，各太阳能电池阵列也可彼此串接，以达到更为庞大的受光面积，并维持较高的总输出电压。然而，现有技术的太阳能电池阵列的监测与维护，一般仅针对最终总输出端进行监测，一旦发现数据异常或其他故障现象，则无法及时发现出现异常的是众多太阳能电池中的哪一片或哪几片太阳能电池，特别是在大型的太阳能发电站或发电厂，寻找故障的太阳能电池犹如大海捞针，不仅造成维修时间的增加而影响发电效率，也增加了多余的人事成本在寻找并汰换故障或效能低落的太阳能电池上，对于从事太阳能发电的业主而言，造成营运上极大的困扰。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种太阳能电池阵列的监测系统及其监测方法，通过对于一太阳能电池阵列的每一片太阳能电池进行监测，以及对于每一片太阳能电池的个别诊断与寿命预测，能够达到自动化即时检知故障的太阳能电池是哪一片或哪几片，增进太阳能电池阵列的维护效率并降低营运成本。
为达到上述的发明目的，本发明所采用的主要技术手段为令该太阳能电池阵列的监测系统包含有：
复数电性监测盒，各电性监测盒分别具有一微处理器、一电性监测模组及一通讯模组，该微处理器分别电连接该电性监测模组及该通讯模组，且各电性监测模组与一太阳能电池阵列中的一太阳能电池构成电连接；
一云端服务器，通过一通讯介面分别与各通讯模组连接。
本发明的优点在于，各电性监测盒分别对于每一片太阳能电池进行监测，其中该电性监测盒中的微处理器将该电性监测模组于监测期间所得的电性监测结果通过该通讯模组及该通讯介面传输予该云端服务器，通过该云端服务器可自动化即时检知故障的太阳能电池是哪一片或哪几片，以及对于每一片太阳能电池的个别诊断与寿命预测，复数使用者能通过存取该云端服务器而即时得知该太阳能电池阵列中的各太阳能电池的现况，因此本发明能够增进太阳能电池阵列的维护效率，并降低营运成本。
为达到上述的发明目的，本发明所采用的另一主要技术手段为提供一太阳能电池阵列的监测系统的监测方法，主要令一电性监测盒与一太阳能电池阵列中的一太阳能电池连接，并由该电性监测盒执行下列步骤：
判断太阳能电池阵列是否为初次使用；
若判断结果为是，即记录该太阳能电池的一初始电性信息；
将该初始电性信息传输予一云端服务器；
若判断结果为否，则持续地监测该太阳能电池的一即时电性信息；
将该即时电性信息传输予该云端服务器；
判断是否接收到该云端服务器送出的一诊断指令；
若判断结果为是，则将该太阳能电池与该太阳能电池阵列中的其他太阳能电池电性隔离；
对该隔离的太阳能电池进行单独的电性诊断；
产生一电性诊断信息并将其传输予该云端服务器。
本发明于第一次使用太阳能电池阵列时，由该电性监测盒开始为该太阳能电池阵列中的一太阳能电池记录初始电性信息，并将该初始电性信息储存于该云端服务器，用于之后作为对于各太阳能电池的效能的评估，于第一次使用该太阳能电池阵列之后，该电性监测盒持续性地监测该太阳能电池的即时电性信息，且将该即时电性信息传输予该云端服务器，此时若该太阳能电池的初始电性信息与即时电性信息出现差异过大或不合逻辑等异常时，该电性监测盒会接收到该云端服务器的一诊断指令，并根据该诊断指令将该太阳能电池电性隔离于该太阳能电池阵列中的其他太阳能电池之外，并单独对该太阳能电池进行电性诊断，以排除其他电性正常的太阳能电池的影响，当电性诊断完成，该电性监测盒产生该电性诊断信息并将其传输予该云端服务器，供该云端服务器评估该太阳能电池的建议处理对策、以及该太阳能电池本身的寿命预测，并让复数使用者能通过存取该云端服务器而即时得知该太阳能电池阵列的现况，因此本发明能够更具效率地维护太阳能电池阵列，并以自动化的监测方式降低太阳能电池阵列的营运成本。
附图说明
图1：为本发明的一较佳实施例的电路方块图。
图2：为本发明的一较佳实施例的使用示例图。
图3：为二极管接面太阳能电池的等效电路。
图4：为太阳能电池的电流与电压特性曲线图。
图5：为本发明的太阳能电池阵列的监测系统的监测方法流程图。
图6及图7：为本发明的一较佳实施例的诊断动作图。
附图符号说明：
10 电性监测盒 11 微处理器
12 电性监测模组 121 电压量测器
122 电流量测器 123 第一开关
124 第二开关 13 通讯模组
131 天线 132 网络线
20 云端服务器
具体实施方式
以下配合图式，进一步阐述本发明为达成发明目的所采取的技术手段。
请参阅图1所示，为本发明的一较佳实施例，其包含有复数电性监测盒10及一云端服务器20，其中各电性监测盒10用以分别连接且监测一太阳能电池阵列中的各太阳能电池，并产生对应各太阳能电池的电性信息，而各电性监测盒10分别具有一微处理器11、一电性监测模组12及一通讯模组13，该微处理器11分别电连接该电性监测模组12及该通讯模组13，且各电性监测模组12与一太阳能电池阵列中一对应的太阳能电池构成电连接。该云端服务器20通过一通讯介面分别与各电性监测盒10的通讯模组13连接，用以接收并比对复数电性监测盒10所产生的复数电性信息。在本实施例中，该通讯介面可为有线通讯介面或/及无线通讯介面。
请参阅图2所示，该电性监测盒10中的电性监测模组12包含有一电压量测器121、一电流量测器122、一第一开关123及二个第二开关124，其中该电压量测器121用以量测该太阳能电池阵列中一对应太阳能电池的电压值，并传输将该电压值传输予该微处理器11；该电流量测器122用以量测该太阳能电池阵列中对应该电性监测盒10的该太阳能电池的电流值，并传输该电流值予该微处理器11，该第一开关123、二个第二开关124受该微处理器11控制；其中，该第一开关123跨接于太阳能电池的两端且分别与该电压量测器121及电流量测器122连接；二个第二开关124分别串接于该太阳能电池的两端与太阳能电池阵列的其他太阳能电池之间。在本实施例中，该电性监测盒10中的通讯模组13可为一天线131或/及一网络线132，该微处理器11接收到该电压量测器121及该电流量测器122所传输的电压值与电流值之后，通过该通讯模组13可以利用有线的以太网(Ethernet)通讯介面或/及无线的Wi-Fi、3G、NFC(Near Field Communication)等通讯介面将电压值与电流值传输予该云端服务器20，以供该云端服务器20进行储存、统计或分析作业。
最典型的太阳能电池为二极管太阳能电池，其为一空穴为多数载子的P型半导体及一电子为多数载子的N型半导体所堆叠而成，以硅基半导体为例，P型半导体于硅晶材料中掺杂硼离子杂质，而N型半导体于硅晶材料中掺杂磷离子杂质。在二极管太阳能电池的P型与N型半导体的接面处会因为有多数载子的浓度扩散而造成电子-空穴对(Electron-Hole Pair)复合(Recombination)而形成所谓的耗尽区(Depletion Region)，然而这样的复合效应会使得邻近接面处的P型与N型半导体本体(Bulk)区域的电中性受到破坏，故产生所谓的内建电场(Built-in Electric Field)，该内建电场的方向是从N型半导体指向P型半导体。当具有足够能量的光子入射该二极管太阳能电池后，受耗尽区中受光子能量激发所产生的多余电子-空穴对会在复合之前，被内建电场分离造成N型半导体区域向外输出电子(亦即P型半导体区域向外输出空穴)，而使二极管太阳能电池产生光电流开始发电。但在现实状态下的太阳能电池皆具有两种寄生电阻(Parasitic Resistance)，依据于太阳能电池学界执牛耳的澳洲新南威尔斯大学Martin Green教授的分析，其中一寄生电阻为串联电阻(Series Resistance,Rs)，另一寄生电阻为并联电阻(Shunt Resistance,Rsh或Parallel Resistance,Rp)。该串联电阻Rs主要为接触电阻所导致，造成串联电阻Rs的可能原因包括：P型与N型半导体的接面深度、P型与N型半导体的掺杂浓度、太阳能电池上层交趾状电极的形状及金属半导体接触(Metal-Semiconductor Contact)电阻等所致。而并联电阻Rsh主要为缺陷的复合效应所导致，造成并联电阻Rsh的可能原因包括：P型与N型半导体的接面边缘电性隔绝不佳造成漏电流、半导体本体中的晶界缺陷复合、耗尽区缺陷复合、表面缺陷复合等所致。
请参阅图3所示，为典型太阳能电池接上一负载RL的等效电路，在假设照射该太阳能电池的光源为一稳定光源的条件之下，可将太阳能电池视为一稳定产生光电流IL的电流源，与之并联的有一代表内建电场的二极管及一个并联电阻Rsh，通过该二极管的暗电流为二极管于未受光照时的暗特性所致，Ish为元件漏电流所造成，剩余的光电流再通过串联电阻Rs之后输出至负载RL，其中η为理想因子(ideal factor)。由等效电路推算，当流入负载RL的电流为I且电压V时可得：
V＝IRL (1-2)
在考虑当V→0(即V趋近于0)时上述(1-1)式的渐进行为，对于一般情况下满足下述条件：
分别考虑当V→0及V→Voc时，上述(1-1)式可借由微分计算分别产生：
由(1-4)式及(1-5)式可知，并联电阻Rsh与串联电阻Rs的数值分别为太阳能电池的电流与电压(I-V Characteristic Curves)特性曲线于V→0及V→Voc时的切线斜率倒数的绝对值。
当前述图3中的负载RL自0变化到无穷大时，即可绘制出太阳能电池的电流与电压特性曲线。请参阅图4所示，曲线上的每一点称之为太阳能电池的工作点(OperatingPoint)，工作点的横坐标和纵坐标即为相应的工作电压和工作电流，若在特性曲线上得到一工作点其对应的工作电流与电压的乘积有最大值Pmax＝Imax×Vmax，则称该工作点为最大功率点。而电压坐标轴V趋近于0时工作点所测得的电流值为短路电流(Short CircuitCurrent,Isc)，电流坐标轴I趋近于0时工作点所测得的电压值为开路电压(Open CircuitVoltage,Voc)。由前述的(1-4)式及(1-5)式可知，并联电阻Rsh为图4特性曲线中短路电流Isc工作点的切线斜率倒数的绝对值，当并联电阻Rsh不够大时，会压缩开路电压Voc的数值，且拉大短路电流Isc与最大工作电流Imax的数值差距；而串联电阻Rs为图4特性曲线中开路电压Voc工作点的切线斜率倒数的绝对值，当串联电阻Rs不够小时，会压缩短路电流Isc的数值，且拉大开路电压Voc与最大工作电压Vmax的数值。
因此并联电阻Rsh与串联电阻Rs会分别影响开路电压Voc及短路电流Isc的数值，并连带影响该太阳能电池的最大功率点，使太阳能电池的光电转换效率产生变化，故并联电阻Rsh与串联电阻Rs为判断太阳能电池运作状况良莠的重要依据之一。
请参阅图5至图7所示，本发明提供一太阳能电池阵列的监测系统的监测方法，主要令一电性监测盒10与该太阳能电池阵列中的一太阳能电池连接，并由该电性监测盒10执行下列步骤：
该电性监测盒10的该微处理器11判断太阳能电池阵列是否为初次使用(S1)；请参阅图6所示，在本实施例中，该微处理器令二个第二开关124接通，使该太阳能电池与该太阳能电池阵列中的其他太阳能电池形成串联；
若判断该太阳能电池阵列是否为初次使用的结果为是，则该微处理器11令该电性监测盒10的电压量测器121及电流量测器122记录该太阳能电池的初始电性信息(S11)；在本实施例中，该初始电性信息包含有初始电流值以及初始电压值；
接着将该初始电性信息传输予一云端服务器20(S12)；在本实施例中，该初始电性信息可借由有线或/及无线的方式传输予该云端服务器；
若判断该太阳能电池阵列是否为初次使用的结果为否，则代表该太阳能电池非初次使用，并持续地以该电压量测器121及该电流量测器122分别监测该太阳能电池的即时电性信息(S13)；在本实施例中，该即时电性信息包含有即时电流值以及即时电压值；
将该即时电性信息传输予该云端服务器20(S14)；在本实施例中，该云端服务器20在接收到该太阳能电池的初始电性信息及该即时电性信息之后，开始比对该初始电性信息及该即时电性信息是否差异过大而出现异常，并以持续接收到的即时电性信息不断地与该初始电性信息做比较。若该云端服务器20发现有即时电性信息出现异常时，则会通过通讯介面输出一诊断指令予该微处理器11；
由该微处理器11判断是否接收到该云端服务器20送出的该诊断指令(S2)；
若判断结果为是，则将该太阳能电池与该太阳能电池阵列中的其他太阳能电池电性隔离(S21)；请参阅图7所示，在本实施例中，该微处理器11于接收该诊断指令之后，令二个第二开关124开路，将该太阳能电池与太阳能电池阵列中的其他太阳能电池隔离，以排除其他电性正常的太阳能电池的影响，且该微处理器11令该第一开关123接通，让其他正常的太阳能电池继续串联发电；
接着对该隔离的太阳能电池进行单独的电性诊断(S22)；在本实施例中，该微处理器11令该第一开关123接通，以单独对该太阳能电池进行电性诊断；
该微处理器11通过该电压量测器121及该电流量测器122产生一电性诊断信息并将其传输予该云端服务器20(S23)；在本实施例中，该电性诊断信息包含有该太阳能电池的开路电压Voc及串联电阻Rs等数值资料，由于太阳能电池使用了一段时间之后，会因太阳能电池的耗尽区中电子-空穴对的产生与流动而产生越来越多的晶格缺陷，随着该太阳能电池的使用时间的累积，会使该并联电阻Rsh逐渐降低，进一步使该开路电压Voc逐渐衰退而降低数值，故在本实施例中，该云端服务器20借由该开路电压Voc来进行对于该太阳能电池的寿命预测。而前述该串联电阻Rs主要为接触电阻所导致，故在本实施例中，该云端服务器20借由电流与电压特性曲线于该开路电压Voc处的切线斜率(即为前述的(1-5)式)推算出并联电阻Rs，且借该串联电阻Rs来判断该太阳能电池是否有其他异常现象。
进一步而言，在本实施例中的各电性监测盒10于该云端服务器20中各有一与其对应的编码或编号，且各电性监测盒10实体外观亦有可分辨的编码或编号，借以于该云端服务器20进行分析、诊断或统计时，能够明确于该云端服务器20上标示出现异常或正常的太阳能电池各对应到哪几个电性监测盒10，且可依据该云端服务器20所显示的编码或编号，能够对照到各电性监测盒10实体外观的编码或编号而迅速搜寻到异常或正常的太阳能电池分别是哪一片或哪几片，进而能够节省许多作业时间。
最后，该云端服务器20借由上述的该电性诊断信息进行搜集、分析及统计，并依据寿命预测与异常现象的分析结果发出警讯，而让从事太阳能发电的业主或相关使用者可借由存取该云端服务器20而即时得知该太阳能电池阵列的现况，因此本发明能够更具效率地维护太阳能电池阵列，并以自动化的监测方式降低太阳能电池阵列的营运成本。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种太阳能电池阵列的监测系统，其特征在于，其包含有：
一个以上的电性监测盒，具有一微处理器、一电性监测模组及一通讯模组，该微处理器分别电连接该电性监测模组及该通讯模组，该电性监测模组与一太阳能电池阵列中的一太阳能电池构成电连接；
一云端服务器，通过一通讯介面分别与该电性监测盒的通讯模组连接；
由该电性监测盒的该微处理器判断该太阳能电池阵列是否为初次使用，若判断结果为是，由该电性监测模组记录该太阳能电池的一初始电性信息，并通过该通讯模组将该初始电性信息传输予该云端服务器；若判断结果为否，持续地以该电性监测模组监测该太阳能电池的即时电性信息，并通过该通讯模组将该即时电性信息传输予该云端服务器，由该云端服务器比对该初始电性信息及该即时电性信息，若该即时电性信息出现异常，则通过该通讯介面输出一诊断指令予该微处理器；
该微处理器于接收该诊断指令后，将该太阳能电池与太阳能电池阵列中的其他太阳能电池隔离，以单独对该太阳能电池进行电性诊断，并产生一电性诊断信息传输予该云端服务器。
2.如权利要求1所述的太阳能电池阵列的监测系统，其特征在于，该电性监测模组具有一电压量测器及一电流量测器，该电压量测器及该电流量测器分别电连接该微处理器；其中，该电压量测器跨接于该太阳能电池的两端，该电流量测器连接于太阳能电池的其中一端。
3.如权利要求2所述的太阳能电池阵列的监测系统，其特征在于，该电性监测模组进一步具有一第一开关及二个第二开关，该第一开关、二个第二开关受该微处理器控制；其中，该第一开关跨接于太阳能电池的两端且分别与该电压量测器及电流量测器连接，二个第二开关分别串接于该太阳能电池的两端与太阳能电池阵列的其他太阳能电池之间。
4.如权利要求1至3中任一项所述的太阳能电池阵列的监测系统，其特征在于，该通讯模组可为一天线或/及一网络线。
5.如权利要求4所述的太阳能电池阵列的监测系统，其特征在于，该通讯介面可为有线介面或/及无线介面。
6.一种太阳能电池阵列的监测系统的监测方法，其特征在于，主要令一电性监测盒与一太阳能电池阵列中的一太阳能电池连接，并由该电性监测盒执行下列步骤：
判断太阳能电池阵列是否为初次使用；
若判断结果为是，即记录该太阳能电池的一初始电性信息；
将该初始电性信息传输予一云端服务器；
若判断结果为否，则持续地监测该太阳能电池的一即时电性信息；
将该即时电性信息传输予该云端服务器；
判断是否接收到该云端服务器送出的一诊断指令；
若判断结果为是，则将该太阳能电池与该太阳能电池阵列中的其他太阳能电池电性隔离；
对该隔离的太阳能电池进行单独的电性诊断；
产生一电性诊断信息并将其传输予该云端服务器。
7.如权利要求6所述的太阳能电池阵列的监测系统的监测方法，其特征在于，于判断太阳能电池阵列是否为初次使用时，进一步使该太阳能电池与该太阳能电池阵列中的其他太阳能电池形成串联。
8.如权利要求6所述的太阳能电池阵列的监测系统的监测方法，其特征在于，于记录该太阳能电池的初始电性信息时，进一步记录该太阳能电池的初始电流值以及初始电压值；于记录该太阳能电池的即时电性信息时，进一步记录该太阳能电池的即时电流值以及即时电压值。
9.如权利要求8所述的太阳能电池阵列的监测系统的监测方法，其特征在于，于将该初始电性信息传输予一云端服务器时，进一步借由有线或/及无线的方式将该初始电性信息传输予该云端服务器。
10.如权利要求9所述的太阳能电池阵列的监测系统的监测方法，其特征在于，于产生一电性诊断信息并将其传输予该云端服务器时，进一步产生有该太阳能电池的开路电压及串联电阻。
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