JP2006522492A - 光電池電源のための性能監視装置 - Google Patents

Abstract

建物に取り付けられた光電池のアレイを含む、ソーラー電力が与えられる電源の性能を監視するための方法および装置が開示されている。一実施形態においては、この装置は、ソーラー放射照度を表す信号を生成するためのデバイスと、少なくともこの放射照度信号、およびこのアレイからこの負荷に対して供給される電力の測定値を使用することにより、稼働中の性能信号を計算するための回路と、この性能信号をブロードキャストするための無線と、この無線からこの性能信号を受け取り、この性能信号、発電量、および電気的ユーティリティの使用を視覚的に表示するための携帯型ユニットとを含む。

Description

本発明は、太陽光を電気に変換するための方法および装置の全般的な主題に関し、詳細には光電池電源の性能を表示するために使用される方法および装置に関する。

これは、２００３年４月４日に出願の「PV Performance Monitor」という名称の米国特許仮出願第６０／４６０５０２号の優先権を主張する特許出願である。
ＰＶ（photovoltaic光電池）モジュールは、ＰＶ電気システムの基本的なビルディングブロックである。ＰＶモジュールは、ガラスカバーと耐候性基材の間にカプセル化された相互接続されたセルから構成される。これらのモジュールは、一般的に取り付けるのに適したアルミニウムフレーム内に組み立てられる。用語「ソーラーパネル（solar panel）」は、しばしばＰＶモジュールについて言及するために使用されることもある。しかし、この同じ表現は、ソーラー温水システムに関しても使用されており、したがって混乱を避けるためには、「光電池モジュール」の方が好ましい。

ソーラー電力システムの出力に影響を及ぼすファクタを理解して、その結果ユーザが、長い間にわたって様々な気象条件の下で、全体的なシステム出力と経済的な利点を現実的に予測できるようにすべきである。ＰＶモジュールが発電する有効な電気の量は、変換区域上に降り注ぐ光エネルギー強度に対して直接生成される。したがって、利用可能なソーラー光源が多くなればなるほど、この発電の可能性も大きくなる。例えば、熱帯地方は、高緯度における利用可能な光源に比べて発電のためのより良好な光源をもたらす。ＰＶシステムは、夜には発電しないことにもなり、モジュールが影にならないようにすることが重要である。電気が日中以外に必要な場合、または悪天候期間が続くことが予想される場合には、何らかの形態の蓄電システムが必須である。

材料
とりわけ、ＰＶモジュールの性能はそのセル材料に依存する。アモルファスシリコンモジュールの変換効率は、６％から８％の間で変化する。多結晶シリコンセルのモジュールは、約１５％の変換効率を有する。単結晶シリコンモジュールは最も効率の良いモジュールである。すなわちその変換効率は、約１６％である。典型的なモジュールサイズは、約３６個のＰＶセルから構成され、０．５×１．０ｍ^２および０．３３×１．３ｍ^２である。

標準的なテスト条件
ソーラーモジュールは、ＤＣ電力を生成する。このソーラーモジュールのＤＣ出力は、ＳＴＣ（Standard Test Condition標準テスト条件）下で製造業者によって格付けされる。これらの条件は、工場で簡単に再現され、製品の一貫した比較が可能になるが、一般的な屋外の動作条件下の出力を見積もるためには変更する必要がある。ＳＴＣ条件は、ソーラーセル温度＝２５°Ｃ、ソーラー放射照度（強度）＝１０００Ｗ／ｍ^２（しばしば、ピーク太陽光強度とも呼ばれ、晴れた夏の日の正午の強度に匹敵する強度）、および大気の１．５倍の厚みを通過することによってフィルタされるソーラースペクトル（ＡＳＴＭ標準スペクトル）である。製造業者は、ＳＴＣ下の１００ワットの電力における特定のソーラーモジュール出力を格付けし、この製品を「１００ワットのソーラーモジュール」と呼ぶこともある。このモジュールは、しばしばこの定格の＋／−５％の製造許容度を有することになり、これは、このモジュールが９５ワットの発電しか行わないが、依然として「１００ワットモジュール」と呼ばれる可能性があることを意味する。堅実にするためには、出発点としてこの電力出力スペクトルの最低値（１００ワットモジュールについては９５ワット）を使用することが最良である。図１は、この負荷が短絡回路（負荷のない）状態から開回路（最大電圧）状態まで増加させられるときの、光電池からの電流対電圧のグラフ表現（Ｉ−Ｖ曲線）である。この曲線の形状は、セル性能を特徴づける。したがって、これは、理想条件下におけるＰＶセルの「工場性能」または性能と呼ぶことができる。

スペクトル
光電池デバイスが生成する電流は、太陽光のスペクトル分布（スペクトル）による影響も受ける。太陽光のスペクトル分布は、一日の間に変化し、日の出や日没時には、「より赤く」なり、真昼には「より青く」なることも一般に理解されている。この変化するスペクトルが性能に及ぼす影響の大きさは、考慮している光電池技術に応じて著しく変化する可能性がある。いずれにせよ、スペクトル変化は、日時に依存する、性能に対する系統的な影響を導入する。同様に、光電池モジュールまたは全天日射計の光学特性は、ソーラー入射角に関連したその性能に系統的な影響をもたらす可能性がある。

温度
モジュール温度が上昇するにつれて、モジュール出力電力は減少する。屋根の上で動作するときに、ソーラーモジュールは、内部温度が５０度Ｃから７５度Ｃに達するまで熱くなる。結晶モジュールでは、ＣＥＣが推奨する典型的な温度による低下ファクタは、８９％、すなわち０．８９である。したがって、この「１００ワット」モジュールは一般的に、十分な太陽光条件の下で春または秋の日の日中において約８５ワット（９５ワット×０．８９＝８５ワット）で動作することになる。ＰＶモジュールがオーバーヒートしないようにするためには、空気がその周囲を自由に移動できるようにこれらのＰＶモジュールを取り付けることが必須になる。非常に熱い真昼の温度になる傾向のある場所においては、これを考慮することが特に重要である。その理想的なＰＶ発電条件は、寒い明るく太陽が輝いている日である。

汚れとほこり
汚れとほこりがソーラーモジュールの表面に蓄積し、太陽光の一部を遮り出力を低下させる可能性がある。カリフォルニア州の多くでは、雨季と渇水期がある。典型的な汚れとほこりは、雨季ごとにその間にきれいになるが、この渇水期中のほこりの蓄積による低下を考慮に入れてシステム出力を見積もることがより現実的である。使用すべき典型的な年間のほこりによる低下ファクタは、９３％、すなわち０．９３である。したがって、この何らかの蓄積されたほこりを伴って動作する「１００ワットモジュール」は、平均して約７９ワット（８５ワット×０．９３＝７９ワット）で動作することもある。

不整合および配線損失
全体のＰＶアレイの最大電力出力は、個々のモジュールの最大出力の合計よりも常に少ない。この差は、モジュールごとの性能のわずかな不一致の結果であり、「モジュール不整合」と呼ばれ、総計でシステム電力の少なくとも２％の損失に達する可能性がある。電力はまた、このシステム配線中の抵抗により失われる。これらの損失は最小に保つべきであるが、これらの損失をこのシステムについて３％未満に保つことはしばしば難しいことがある。これらの損失についての妥当な低下ファクタは、９５％、すなわち０．９５である。

ＤＣ−ＡＣ変換損失
ソーラーモジュールによって発電されたＤＣ電力は、インバータを使用して一般的な家庭用ＡＣ電力に変換される必要がある。一部の電力は、変換プロセス中に失われ、屋上のアレイからこのインバータに至り、また住宅パネルへ出力されるまでの配線中で追加の損失がある。住宅用ＰＶ電力システム中において一般的に使用される現代のインバータは、製造業者によって示される９２％から９４％のピーク効率を有するが、この場合にもこれらは良く制御された工場条件下で測定される。実際のフィールド条件では通常、９０％、すなわち０．９０と妥当に折衷される約８８％から９２％の全般的なＤＣ−ＡＣ変換効率がもたらされる。したがって「１００ワットモジュール」出力は、製造許容度、熱、ほこり、配線、ＡＣ変換および他の損失によって低下させられて、晴れた日の昼の間にこの住宅パネルに供給される約６８ワットのＡＣ電力へと変換されるはずである（１００ワット×０．９５×０．８９×０．９３×０．９５×０．９０＝６７ワット）。

システムエネルギー出力の見積もり
ソーラーエネルギーをできる限り取り込むために、この光電池は太陽の方向に向けられる必要がある。この光電池が固定した位置を有する場合、南方に対する方向（北半球）、および水平面に対する傾斜角は、最適化されるべきである。この最適な傾斜角は、その緯度の約１５度の範囲内に存在する。例えば、西ヨーロッパにおけるグリッド接続された（grid-connected）ＰＶシステムでは、この最適傾斜角は、約３５度である。赤道により近い地域では、この傾斜角はより小さくなり、極により近い地域ではこの傾斜角はより大きくなる。この最適角からの３０度の傾斜角の偏差は、最大効率の１０％未満の損失をもたらすことになる。一日の経過の間に、このソーラーモジュールに当たる太陽光の角度は、変化することになり、それはこの電力出力に影響を及ぼすことになる。この「１００ワットモジュール」からの出力は、夜明け時間の間にゼロから徐々に立ち上がり、この太陽の角度と共に正午にそのピーク出力まで増大し、次いで午後になると徐々に減少し、夜にゼロになるまで逆に低下する。この変化は、一部には太陽の光強度が変化することに起因するが、（このモジュールに対する）太陽の角度が変化することも影響を及ぼす。

この屋根の勾配（pitch）は、この屋根の東西の方向と同様にこのモジュール表面上のこの太陽角に影響を及ぼすことになる。これらの影響については、表１にまとめられており、この表１は、南カリフォルニアにおけるちょうど南向きの７：１２−勾配の屋根上のアレイは、例えば最大出力（補正ファクタ１．００）を提供するが、この同じ勾配の東向きの屋根は、この南向きの屋根の年間エネルギーの約８４％（表１から０．８４の補正ファクタ）をもたらすはずであることを示している。

水平 4:12 7:12 12:12 21:12 垂直
南 0.89 0.97 1.00 0.97 0.89 0.58
南南東、南南西 0.89 0.97 0.99 0.96 0.88 0.59
南東、南西 0.89 0.95 0.96 0.93 0.85 0.60
東南東、西南西 0.89 0.92 0.91 0.87 0.79 0.57
東、西 0.89 0.88 0.84 0.78 0.70 0.52
表１：様々な屋根の勾配および方向についての方向ファクタ
都市 kWh/kWstc（範囲）
アーケータ 1092-1365
シャスタ 1345-1681
サンフランシスコ 1379-1724
サクラメント 1455-1819
フレズノ 1505-1881
サンタマリア 1422-1778
バーストー 1646-2058
ロサンゼルス 1406-1758
サンディエゴ 1406-1758
表２：ｋＷ ＳＴＣアレイ定格当たりの都市ごとの年間エネルギー発電量
表２は、前述の様々なファクタを考慮に入れて、典型的なＰＶシステムから予想される年間エネルギーの堅実な推定値を与えることを意図している。これらの値は、簡単で容易な指針として、１キロワット（１ｋＷ）ＳＴＣ ＤＣアレイから発電される年間のｋＷｈについての値である。

実施例
ロサンゼルス区域に４：１２の勾配で南東に向かって配置された（ＳＴＣ条件下で指定される）４ｋＷのＷＳＴＣソーラーアレイは、年間に少なくとも５３４３ｋＷｈ（１４０６ｋＷｈ／ｋＷ×０．９５×４ｋＷ＝５３４３ｋＷｈ）の電気エネルギーを生成するはずである。この区域における典型的な居住顧客は、年間約７３００ｋＷｈを使用し、これは、かかるＰＶシステムでは、かかる典型的な家庭が必要とする全体エネルギーの少なくとも７５％を発電できることを意味している。さらに、所有者によって全体的な家庭の電気消費量を低下させるようにエネルギー効率化対策が取られている場合、このパーセンテージは、１００％に近づく可能性もある。この範囲の最低値を使用して実際の節約について計算していることに留意されたい。性能要求を行うときには堅実にすることが賢明である。

最も適するように設置されたＰＶシステムの最大電力出力は、春および秋の晴れた日の正午近くに発生する。この所有者がこの特性を十分に理解している場合には、所有者は、真冬における避けることのできない低出力に失望することはないはずである。計量は、この装置が適切に設置されていることをこの所有者に証明する１つの方法である。しばしば、これらの所有者がこのシステムが適切に動作していると感じるか否かを示す所有者にとっての主要な表示が、これらの所有者の毎月の電気料金請求書である場合もある。所有者が、突然に電気をより多く使用し始める場合には、これらの所有者は、彼らの請求書における料金の減少があまり分からず、このＰＶシステムは性能不足であると思い込んでしまうこともある。計量は、このシステムが広告通りに機能していることを示すことにより、この設置者とこの所有者の間の言い争いを回避する助けになる可能性がある。ＰＶシステムの魅力的な属性の１つは、低い保守費である。しかし、電気システムでさえ、折に触れて保守する必要がある。適切な計量を用いれば、通知を受けた所有者は、彼らのシステムが、適切に動作しているか否かを簡単に判定することができる。

このモジュールおよびシステム性能を検査する以前の方法（図１を参照）では、しばしば、通常ｄＩ_ＳＣ／ｄＴ、ｄＶ_ＯＣ／ｄＴ、およびｄＰ_ｍａｘ／ｄＴの線形係数を使用し、光レベルに対する線形依存性を仮定することにより、測定時の電力からＳＴＣへの「補正して戻すこと」を利用していることがある。しかし、ＰＶアレイが、低い光レベルの期間（例えば、冬期）中に、または極端な温度中で、あるいは高い太陽入射角中に設置され使用されるときには、この場合には温度および放射照度における最大補正が行われるときにエラーが最大になるので、これらのモジュールについてＳＴＣに補正して戻すことは難しくなる。また、このアレイが予想通りに設定され機能していたかどうかを検査することも難しかった。

この問題は、かねてより存在してきている。この問題を解決するためにかなりの努力が行われ、かなりの金額が費やされてきている。それにもかかわらず、この問題は依然として存在している。実際に、ソーラー電力システムは、より一般的なものになりつつあり、微妙なソーラーエンジニアリング設計ファクタを知らない消費者によって所有されるようになりつつあるので、この問題は、時が経つにつれて深刻化したものになってきている。

本発明によれば、建物に取り付けられ、所定の性能を有する光電池のアレイを備える、電気的負荷についてのソーラー電力が与えられる電源の性能を監視するための方法および装置が開示されている。一実施形態においては、この装置は、ソーラー放射照度を表す信号を生成するための放射照度センサと、少なくともこの放射照度信号、およびこのアレイからこの負荷に対して供給される電力の測定値を使用することにより、稼働中の性能信号を導き出すための回路と、この性能信号をブロードキャストするための無線と、この無線からの性能信号を受信し、このソーラー電気システムの性能を視覚的に表示するための携帯型ユニットとを備える。

一実施形態においては、この携帯型ユニットは、ソーラー放射照度、温度、時刻、光電池電力生成量、ユーティリティが与えられる電力に対する光電池電力、時間スケール上の光電池電力、合計光電池電力生成量、毎日の電力生成量、ユーティリティ電力消費量に対する電力生成量、および最大可能生成量に対する毎日のソーラー電力生成量を含めて複数のインジケータを備えている。

本発明では、電気的グリッド接続されたＰＶシステム性能をリアルタイムに解析して、このシステムが正しく動作しているかどうかが調べられる。性能を制限する障害の場合には、このシステムは、このユーザに通知する信号を送信することができる。

別の実施形態においては、このアレイは、戸外の温度によって特徴づけられ、この回路は、この放射照度信号と、このアレイの所定の性能定格と、このアレイからこの負荷に対して供給される電力の測定値を使用することにより、稼働中の性能信号を導き出す。

本発明は、ソーラー電力システムの所有者が、何が起きており、所有者のシステムがどのように機能しているかを理解するための、改善され効率の良い方法および装置を提供するものである。本発明の非常に多くの他の利点および特徴は、本発明の以下の詳細な説明、そこに説明されている実施形態から、特許請求の範囲から、また添付図面から簡単に明らかになろう。

本発明は、多数の異なる形態の実施形態が可能であるが、本発明のいくつかの特定の実施形態を図面に示し、本明細書中で詳細に説明している。しかし、本開示は、本発明の原理の例証と考えるべきであり、そのように説明しているどの特定の実施形態だけにも本発明を限定する意図はないことを理解されたい。

本発明を詳細に説明する前に、本発明の環境について説明することにする。
典型的なシステム構成要素
典型的なソーラー電力システム（図２参照）は、ＰＶアレイ、システム装置バランス、ＤＣ−ＡＣインバータ、および他の構成要素を備える。

ＰＶアレイ：一般的なＰＶモジュールは、サイズが０．４６５から２．３３平方メートル（５から２５平方フィート）であり、重さが約１４．６から１９．５ｋｇ／ｍ^２（３から４ポンド／フィート^２）である。しばしば、４個またはそれより少ないジモュールの組がパネルと呼ばれるものの中に、ストラットによってフレーム化され、または一緒に取り付けられる。このパネルは、一般的に屋根の上で簡単に取り扱えるようにするために、面積が約１．８６から３．２６平方メートル（２０から３５平方フィート）である。これにより、この設置方法説明書で必要になる場合には、一部のアセンブリ機能および配線機能を地上で完了することができるようになる。

ＤＣ−ＡＣインバータ：これは、このＰＶアレイからＤＣ電力を取り出し、このＤＣ電力を家庭電気製品で使用される標準的なＡＣ電力に変換するデバイスである。
ＢＯＳ（Balance of System Equipmentシステム装置バランス）：これは、家庭の構造システムおよび電気システム中にこのソーラーモジュールを一体化するために使用される取付けシステムおよび配線システムを意味する。これらの配線システムは、このインバータのＤＣ側およびＡＣ側についての絶縁、漏電保護、およびこれらのソーラーモジュール用の過電流保護を含んでいる。たいていのモジュールが各モジュール電源回路用のフューズを必要とするので、たいていのシステムは、何らかの種類の結合器ボードを含んでいる。一部のインバータは、そのインバータエンクロージャ（inverter enclosure）内にこのフューズ機能および結合機能を含んでいる。

他の構成要素：これは、このローカルユーティリティに依存することもあり、ユーティリティスイッチを含むこともある。
概要
本発明、「ＰＶ検査機構（PV-Verifier）」すなわち「ＰＶ^２」は、ＰＶアレイ性能を検査して、以下のことを行う新しい方法を定義している。すなわち、
● システムの最高ｋＷｈ出力を取得する助けをすること、
● この有用性を最大化すること、および
● ｋＷｈ当たりのコストを低下させることである。
本発明は、ＰＶシステム性能を監視し表示することを意図している。本発明は、ＲＦ（radio-frequency無線周波数）リンクによってインターフェースされる以下の２つの個別ユニットから構成される。

● データ収集ユニット１６は、データの測定、処理、記憶、およびＲＦリンクを介したデータディスプレイユニットへの伝送を実施する。図４を参照すると、本発明のデータフローが示されている。建物または他の構造の電気的負荷１０は、外部電源１２（例えば、電気ユーティリティ、発電機、電池など）から、またソーラーＰＶ電源１４からそれに供給される電力を有する。データ収集ユニット１６は、（例えば、電源１４、他の電源１２、このアレイの工場性能特性などからの）信号および情報を取得し、比較的短距離の無線１８によってブロードキャストするための形式にこの情報を処理／変換する。電圧、電流、および電力を取得し、さらに処理し伝送するために適した形式でこの情報を送信する回路は、当業者に知られている。この固定されたデータ収集ユニット１６はまた、信号処理回路２０、メモリ２２、時計２４、および内部電源（すなわち、簡単にするために図には示していない電池）も含んでいる。

● データディスプレイユニット３０は、このデータ収集ユニットからそれに伝送される情報を視覚的に示す。データディスプレイユニット３０は、この無線１８からブロードキャストされた情報を受信し、この情報を視覚的ディスプレイ３２用のフォーマットに変換する（図３、６、および７を参照）。この携帯型データディスプレイユニット３０は、内部電源（すなわち、簡単にするために図には示していない電池）も含んでいる。

● このＲＦインターフェースは、この住宅の外壁および／または内壁を介して、またＦＣＣおよび個々の建物または構造の物理構成によって課される制約条件によって制限される距離において確実に機能するように設計される。

次に、データ収集ユニット１６およびデータディスプレイユニット３０についてさらに詳細に説明することにする。
データ収集ユニット
このユニット１６は、これら以下の機能を有する。すなわち、
●ＰＶシステムの真のＡＣ電力出力を測定する。一般的に、１２０Ｖの電気的サービスは、電気的ユーティリティサービス出入口エンクロージャに配置された１つの電流トランスデューサを使用する。

●このサービス出入口における家庭へのまたは家庭からの真のＡＣ電力を測定する。標準の２００アンペア（Ａ）のエジソン３線２４０Ｖａｃ住宅ユーティリティサービスでは、一般的に２つの電流トランスデューサが必要になる。

●このソーラーＰＶアレイのそばに配置されたアナログセンサを使用してソーラー放射照度を測定する。
●このＰＶアレイの近くのエンクロージャに収容された温度センサを使用して周囲温度を測定する。

このサンプリングレートは、ディスプレイユニット上のリフレッシュレートと一致していることが好ましい。電圧トランスデューサが、電力測定のために使用される（すなわち、線間の２４０Ｖａｃまたは１つの１２０Ｖａｃレッグを監視する）。家庭電力測定用の電流トランスデューサは、設置を簡単にするために「スプリット型」とすることもできる。

データ収集ユニット１６には、ＲＳ２３２ポートを設けてセットアップ／キャリブレーションをスムーズに実行することができる。使用可能なメモリに応じて、平均化されたデータを毎時に数回記憶することもできる。オンボードメモリは、３０日までデータを保持し、このデータには、日時スタンプが押され、キャリブレーション設定、データ設定および時計設定が不揮発性メモリに記憶されることが好ましい。

データ収集ユニット１６は、オンボードモデムなしに機能するように設計されることが好ましい。モデムが順次インストールされる場合に、このユニットでは、スペースと機能を設けること（すなわち、基本設計においてソケットを設けることにより、製品の再設計をすることなく、モデム機能を採用すること）ができる。使用される場合には、以下のことを考慮することができる。すなわち、
●データは、サイトコードによって識別される。

●データをホストデータベースにアップロードするためにプリセット番号またはＩＳＰに毎日ダイアル出力する。
●所望のダイアル出力スケジュールが、ホストによって設定される。

●モデム伝送速度およびデータ伝送速度が、短い伝送時間と矛盾しない。
●住宅所有者が、受話器を取り上げて電話をかける場合に、ダイアル出力送信は、脱落するはずである。

●脱落した送信は、ダイアルトーンが検出された後に、再試行されるべきである。
●電話の問題または他の中断の場合におけるデータの記憶。
●ユニット時計は、ダイアル出力送信中にホストによってリセットされる。

データ収集ユニット１６の仕様は、以下を含むことになるのが好ましい。すなわち、
●戸外定格、および非金属性である。
●外観が、他の住宅サービス出入口エンクロージャと一貫している。

●戸外環境で長寿命であることと矛盾しない耐食性仕上げ。
●機械的構成により、１つのコンジットを介して家庭サービス出入口からすべての電力測定入力およびユニット電源を経路指定できるようにする。

●改ざん防止策。
●内部コンポーネントが、結露および／または内部発熱から保護されている。
●インバータから独立している。

●複数の導電ケーブルおよびケーブル貫通金物を介して屋根から転送される温度入力および放射照度入力。
●オプションのモデム用のオプションの電話ケーブルが、ケーブル貫通金物を介して経路指定される。

●このユニットを動作させる電力は、ユーティリティサービス出入口におけるＡＣ電源から供給される。機能は、電力測定に必要な電圧トランスデューサと結合することができる。

●その地理的区域の予想される温度範囲にわたって動作する。
●その地理的区域の予想される相対湿度範囲にわたって動作する。
●入力が、電気的／光学的−誘導サージに対して保護される。

●アンテナが、別の方法で機械的損傷から保護される。
●高寿命精度を有し、エンクロージャを開けることなく設定可能なバッテリバックアップされたリアルタイムの時計／カレンダを含んでいる。

ディスプレイユニット
データディスプレイユニット３０は、データ収集ユニット１６から無線でデータを受信する。この無線機能は、従来の無線周波数、セル電話周波数、無線ネットワーキング、ブルートゥース（Bluetooth）（登録商標）無線技術、テキストメッセージングおよび光学的赤外線を使用することにより、達成することができる。このユニットは、以下の特徴を有することが好ましい。

●アンテナが見えないこと。
●携帯型。
●建物の内部に設置される（例えば、壁に掛ける）。

●少なくとも数ヶ月の最小電池寿命が予想される電池電源（外部配線接続なし）。
●ユーザがアクセス可能なスイッチや制御がないこと。
●図３および／または図６についてのディスプレイレイアウト。

●射出成形されたエンクロージャ（図７参照）。
●頻度の多いリフレッシュ間隔。
●約５．０８ｃｍ×１７．７８ｃｍ（２インチ×７インチ）の閲覧可能なディスプレイ寸法。

データディスプレイユニット３０は、「太陽光強度アイコン」５０を含んでいることが好ましい。これは、ソーラー放射照度のディスプレイである。太陽光強度アイコンは、このアレイに当たる太陽光の近似強度である。これらの図面に示すように、４つの異なるサイズの「太陽」が最小のものから最大のものまで左から右に配列され、右の方に離れて強度がパーセンテージとして示される。

０％から１５％：ブランク、
１５％から２５％：第１の太陽（最小）、
２５％から５０％：第２の太陽、
５０％から７５％：第３の太陽、および
７５％から１００％：第４の太陽（最大または最高の放射照度）。
夜または曇りの日には「太陽」はどれも表示されず、十分な太陽光強度においては、すべての太陽が示される。図６は、ソーラー放射照度の代替ディスプレイである。ここでは、ソーラー放射照度は、最大に対するパーセンテージ５１として表示され、また「太陽アイコン」の形態でも表示される。

データ処理、記憶および伝送：
データディスプレイユニット３０へのデータ伝送は、無線で実施される。図３を参照すると、表示されるデータは、以下のデータを含んでいる。

ソーラー発電量：これは、このソーラー電気システムが現在発電している電力量（ｋＷ）の表示５２である。
家庭使用量：これは、この住宅がちょうど今使用している電力量（ｋＷ）の表示５４（すなわち、ＰＶサービス出入口測定値および電気ユーティリティサービス出入口測定値の合計）である。

ソーラー発電が満たす需要：これは、このソーラー電気システムが発電する、家庭の電気のパーセンテージの表示５６である。
戸外温度：これは、度Ｆまたは度Ｃ（ソフトウェア設定可能が好ましい）の形式の表示５８である。

１日のソーラー発電量：現暦日（０時から０時の２４時間）にこのソーラー電気システムが発電したエネルギー量（ｋＷｈ）の表示５９である。
ソーラー発電が満たす１日の需要：これは、当日の午前１２：０１以来に消費された電気エネルギー（すなわち、家庭消費量）のうちのこのソーラー電気システムが発電したエネルギーのパーセンテージの表示６０である。この需要は、深夜直後に０％から出発し、その日が経過するにつれて増大する。太陽が沈むと、電力が家庭で使用される間、この値は減少することになる。

発電能力バーグラフ：これは、１時間ごとの本日のソーラー発電量のグラフ表現６２である。この実施形態において、この日のエネルギー生成は、午前６時から午後６時までグラフで示されている。このバーグラフは、その日の間にエネルギーが発電されたことをユーザが知るのを助ける。

時刻：これは、午前／午後または２４時間表示（ソフトウェア設定可能なことが好ましい）における現地時間の表示６４である。
合計ソーラー発電量：これは、ソーラー電気システムが設置されて以来のこのソーラー電気システムが発電した累計エネルギー（ｋＷｈ）の表示６６である。

システムステータス（System Status）：データディスプレイユニット３２が、データ収集ユニット１６の伝送範囲外にある場合、またはソーラー発電量が、予想に比べて低い場合には、「システムを検査しなさい」の光６８が現れるようになる。通常は、システム「ＯＫ」が表示されることになる。この目的は、このＰＶ電源からの電気出力が、太陽（放射照度）の強度が考慮されるときに予想される出力と矛盾していないかどうかを検出することにある。

全般的な好み（preference）
アメリカ合衆国においては、この装置が以下の特徴を有していることが好ましい。
●ＵＬ（Underwriters Laboratory）がリストされ、または認識されている。

●ＦＣＣ要件を満たす。
●設計が、他の家庭電子デバイスと関係なしに家庭環境中で適切に動作するようにテストおよび／または評価されている。

●現地の電気コードに準拠して設置されている。
●長寿命を有するように設計され、構築される。
●購入日から材料、仕上がり、および機能の欠陥がない。

動作および性能
起動するとすぐに、このＰＶ^２は、メモリからＰｍａｘ．ｓｔｃ（および、使用可能な場合には）、Ｖｍａｘ．ｓｔｃ、Ｉｍａｘ．ｓｔｃなどのＰＶパラメータ値（図１参照）と、以下のようなシステム定数を読み取る。すなわち、このシステム定数は、
●このシステムステータステストに合格するために、このシステムが達成する必要がある計算された電力のパーセンテージ（すなわち、５０％）、
●信頼できる動作を実現するためにこのディスプレイユニットが受信する必要がある最小信号（すなわち、無線）強度、
●それ以下では合格／不合格判断基準が検査されないようになるしきい値光強度などである。

次に、このＰＶ^２は、瞬間的な放射照度の関数として同様なアレイ出力を決定するための典型的な経験計数をロードする。このアレイ上の予想される最大晴天放射照度は、Ｔ_周囲（Ｔ_{ａｍｂｉｅｎｔ}）、時計時刻、このアレイの緯度および経度、およびアレイ方向（方位角および傾斜角度）から推測することができる。ＶｄｃおよびＩｄｃが知られている場合には、次いでこれらを入力制限および経験式に対して検査して、このシステムが適切に追跡していることを確認することができる。この放射照度が、所定のしきい値より大きい場合には、このシステムは、経験式から期待される出力電力を計算する。代わりに、より簡単に、瞬間的な放射照度信号だけを使用して、このソーラーアレイの測定された電力出力に対してこの信号を比較し、測定された電力と予想された出力の間の差が、所定の量（例えば、５０％）を超過する場合には、このシステムステータス光６８が点灯されることになる。これは、このアレイが適切に機能していないこと、またはデータ収集ユニット１６からデータディスプレイユニット３２への無線信号が、信頼可能なデータ転送のためには弱すぎることを示すことになる。

以下は、このアセスメントを実施するためのコーディングの一実施例である。
// 定数を定義する
Pmax = 10 // kWp
A = 0.8
B = 0.1
C = -0.0045
E = 1
Fail = 0.5 // ユーザは、少なくともこれを合格させる必要がある
Dark = 0.2// 太陽
Fails_in_a_row = 5
// 測定値ごとに
Get Gi // ソーラー放射照度
Get Tam // 周囲温度
Get Pac // 測定されたＡＣ電力出力Ｐａｃ
Ycalc = Gi * (A+ B * Gi + C * Tam) - E
//Check Ｇｉ、Ｔａｍ、Ｐａｃが有効であることを検査する
If Gi > Dark
If Pac / Pmax < Ycalc * Fail then
Fails++
Passes = 0
If Fails >> Fails_in_a_row then SYSTEM DOWN
else
Passes++
Fails = 0
If Passes >> Fails_in_a_row then SYSTEM BACK ON
これは、ちょうど数ｋＢのコードを占めるにすぎない。Ｃ＊Ｔａｍは、熱低減ファクタ（例えば、−０．５％／度Ｃ）と解釈することができる。「Ａ」は、この計算を支配する線形パラメータ（例えば、約０．８から１．０）である。「Ｂ」は、非線形パラメータである。「Ｅ」は、一定の損失を表す項である。風速についての項を追加することにより、さらに性能予測を改良することができる。

前述の説明から、非常に多くの変形形態、代替形態、および修正形態が当業者には明らかになるであろうことが確認されよう。したがって、この説明は、例証としてのみ解釈すべきであり、本発明を実行する方法を当業者に教示するためのものである。部品の形状、材料、サイズおよび構成において、様々な変更を行うことができる。例えば、図３には一般的に長方形の縦長のディスプレイが示されている。一般的に横型のディスプレイも同様に使用することができる。さらに、等価なエレメントを図に示す説明したエレメントの代わりに代用することもできる。部品は、逆にすることができ、本発明のある種の機能は、本発明の他の機能と独立に使用することもできる。他の実施例として、図５のより複雑な機能ブロック図を使用することもできる。この図において、このアレイの幾何学的配置（すなわち、傾斜角度および方位角）ならびにこのアレイおよび放射照度の幾何学的位置が、このソーラー電源の予想された出力を表す信号を導き出す際に、考慮に入れられる。さらに他の実施例として、この固定ユニット中の時計は、真の時刻から離れて行き、太陽時に正しく設定されていないこともある。毎日の放射照度曲線の形状を使用して、ソーラーの夜明け、正午、夕暮れを計算することができる。これらの値をメモリに記憶し、メモリに入れられた天文歴に基づいていつ夕暮れ、正午、夜明けが予想されるかと比較することができる。適宜、この時計を太陽時に合わせて調整することができる。代わりに、ユーザは、中央天文台に合わされた「原子時計」を使用することもできる。ユーザは、放射照度、周囲温度、およびＡＣ電力出力の日々の合計を記憶することもできる。これには、１ｋＢくらいのメモリしか必要としないはずであり、この場合には光レベルなどが低いことに悩むことなく、以上のような日々の性能を蓄積するはずである。ユーザは、十分なデータを所持した後に、何らかの線形回帰／曲線の当てはめを行うことができる。線形回帰は、あまり多くのメモリを必要としないはずである。最後の実施例として、ユーザは、１日分の１５分ごとのデータと１ヶ月分の毎日の合計データを記憶することもできる。ユーザは、あらゆるものに１００を乗算し、整数として記憶して、コード要件およびメモリ要件を低下させることができる。このシステムは、毎日の平均を計算し、これらを中央サイトに送信し、または１ヶ月の平均を記憶してモデム回線を介してデータの問合せを可能にするように設定することもできる。シャドーイングの影響または朝のインバータ起動などの問題は、このシステム解析、すなわち放射照度の（日時、月）の形状、およびアレイ収率（日時、月）によって決定することができる。このシステムが機能していた場合には、あらかじめ定義された一連の不合格は、エンジニアにたいして送信されることになるエラー信号にフラグ付けすることになる。同様に、このアレイが再びオンラインになる場合には、一連の合格測定が、合格信号を送信させることになる。本発明は、実際の測定データからのモデルを提供している。ユーザは、妥当性検査のために同様なハードウェアを使用するシステムからのデータを使用することから出発することができるが、このシステムそれ自体からの過去のデータを使用して性能を検査することにすぐに切り換えることができる。したがって、この添付の特許請求の範囲において定義される本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、様々な修正形態、代替形態、変形形態、および変更形態を行うことができることが理解されよう。例えば、本発明は、ソーラーの文脈で説明しているが、この基本的な原理は、電気的ユーティリティを補強する代替的な電源システム（例えば、風力発電、および超小型水力発電）の他の形態にも適用することができる。もちろん、添付の特許請求の範囲により、これらの特許請求の範囲の範囲内に含まれるすべての変更形態を包含することを意図している。

負荷が増大されるときの、ＰＶセルからの電流対電圧の関係を示すグラフ図である。 典型的なソーラー電力システムのブロック図である。 本発明の一部分であるデータディスプレイユニットの概略図である。 本発明の一実施形態の構成要素のブロック図である。 本発明の一実施形態の構成要素のブロック図である。 図３のソーラー放射照度ディスプレイの代替ディスプレイを示す図である。 ベゼルと液晶ディスプレイボードが、一緒になるのを示す、データディスプレイユニットの部分的なアセンブリを示す図である。

Claims (24)

1. 電気的負荷を有し、所定の工場性能定格を有する光電池のアレイを含むソーラー電力が与えられる電源を保持する建物において、
   （ａ）ソーラー放射照度を表す信号を生成する、このアレイとソーラー通信する放射照度手段と、
   （ｂ）前記建物によって保持され、時計を有する回路であって、少なくとも前記所定の性能定格および前記放射照度信号と、前記アレイから前記負荷に供給される前記電力の尺度を使用することにより、稼働中の性能信号を計算する該回路と、
   （ｃ）前記性能信号をブロードキャストするための無線と、
   （ｄ）前記無線からの前記性能信号を受信し、前記性能信号を視覚的に表示するための一般的に携帯型のユニットと
   を備える装置。
2. 前記ソーラー電力が与えられる電源が、戸外温度によって特徴づけられ、前記回路が、前記放射照度信号、前記所定の性能定格、および戸外温度を使用することにより、前記稼働中の性能信号を計算する、請求項１に記載の装置。
3. 前記稼働中の性能信号は、所定の数と、値がソーラー放射照度を表す信号から導き出される数との間の前記差の関数である、請求項１に記載の装置。
4. 前記差が、５０％よりも大きい、請求項３に記載の装置。
5. 太陽光が予想される前記時間中に前記差が所定の量よりも大きいときに、前記携帯型ユニットが光を放射する、請求項３に記載の装置。
6. 前記光が、液晶ディスプレイによって放射される、請求項５に記載の装置。
7. 前記放射照度手段が、所定の電気出力をその温度の関数として有するソーラーセルを備え、前記放射照度信号が、前記無線によって伝送され、前記携帯型ユニットが、前記放射照度信号の関数である点灯されるディスプレイを備える、請求項１に記載の装置。
8. 前記稼働中の性能信号が、
   （ａ）前記アレイから前記負荷に供給される電力を表す信号と、
   （ｂ）前記アレイが時間、前記所定の工場光電池性能定格、および放射照度の関数として生成すべき前記電力の計算値を表す信号と
   の間の前記差の関数である、請求項１に記載の装置。
9. 前記放射照度手段が、シリコン光ダイオード、全天日射計、および光電池からなる群から選択される、請求項１に記載の装置。
10. 前記稼働中の性能信号が、
    （ａ）前記アレイから前記負荷に供給される電力と、前記アレイが現在の時刻、前記所定の工場光電池性能定格、および前記放射照度の関数として生成されるべき電力との差と、
    （ｂ）所定の最大差信号と
    の関数である、請求項１に記載の装置。
11. 前記差が所定の量以下であるかどうかを示す液晶ディスプレイを用いて、前記性能信号が前記携帯型ユニット上に表示される、請求項１に記載の装置。
12. 前記性能信号が、昼間の間に少なくとも１５分ごとに計算される、請求項１に記載の装置。
13. 前記稼働中の性能信号は、値が、前記アレイから前記負荷に供給される電力を表す信号から導き出される数と、値が、ソーラー放射照度を表す信号、および周囲温度を表す信号から導き出される数との間の前記差の関数である、請求項１に記載の装置。
14. 前記稼働中の性能信号は、値が、ソーラー放射照度を表す信号、および周囲温度を表す信号から導き出される数の関数である、請求項１に記載の装置。
15. 前記無線が、前記アレイから前記負荷に供給される前記電力の前記尺度を表す電力信号をブロードキャストし、前記電力信号に応答して動作し、前記携帯型ユニット上に配置される、前記アレイからの電力のディスプレイをさらに含む、請求項１に記載の装置。
16. 前記無線が、前記放射照度信号をブロードキャストし、前記携帯型ユニットが、ソーラー放射照度を表示する、請求項１に記載の装置。
17. 前記負荷、電気サービス電源に接続され、更に、前記サービス電源により、前記負荷に供給される電力の測定手段を含み、前記無線が、前記サービス電源により、前記負荷に供給される電力の前記測定をブロードキャストし、前記電気サービスからの前記負荷によって消費される電力の前記携帯型ユニット上のディスプレイをさらに含む、請求項１５に記載の装置。
18. 前記回路が、前記負荷によって消費され、前記電気サービスによって提供される電力に対する、前記負荷によって消費され、前記アレイによって提供される電力の前記パーセンテージを導き出す、請求項１７に記載の装置。
19. ソーラー放射照度の前記表示が、最大ソーラー放射照度に対する測定されたソーラー放射照度の前記パーセントの描写である、請求項１６に記載の装置。
20. ソーラー放射照度の前記表示が、Ｎ個のアイコンによって示され、「Ｎ」が、総数であり、各アイコンが、最大ソーラー放射照度の約（１００％）／Ｎを表す、請求項１６に記載の装置。
21. 前記アレイによって提供される前記電力が、時間の関数として表示される、請求項１８に記載の装置。
22. 前記アレイによって提供される前記電力が、消費された総ワット時として示される、請求項１８に記載の装置。
23. 前記アレイによって提供される前記電力が、前記現在の日の間に生成された総ワット時として示される、請求項１８に記載の装置。
24. 前記アレイによって提供される電力が、最大アレイ発電能力のパーセントとして示される、請求項２２に記載の装置。

Images