JP2010512139A - Ｄｃ電源を用いた分散型電力ハーベストシステムの監視システム及び方法 - Google Patents

Abstract

分散型電源システム内の個別の電源の性能を監視するシステム及び方法を提供する。各電源、あるいはこれらの電源を直列接続した各ストリングに監視モジュールを結合して、当該電源における電流、電圧、温度及び他の環境要因に関するデータを監視して収集する。収集したデータは電力線上で中央分析ステーションに送信して分析する。各電源から収集したデータは、当該電源における故障または劣化を示す。隣接する電源から収集したデータどうしの比較は、太陽電池パネルにとっての曇りの日のような隣接する複数電源に影響を与える環境要因を除去する。同じ電源から異なる時刻に収集したデータの比較は、時間に伴う電源の汚れまたは劣化、あるいは隣接する建物の影の動きのような周期的事象を示す。

Description

（関連出願のクロスリファレンス）
本願は、次の米国特許仮出願に基づいて優先権を主張し、その全内容を参考文献として本明細書に含める：
米国特許仮出願第60/868,851号、2006年12月6日出願、発明の名称”Distributed Solar Array Monitoring, management and Maintenance”、
米国特許仮出願第60/868,893号、2006年12月6日出願、発明の名称”Distributed Power Harvesting System for Distributed Power Sources”、
米国特許仮出願第60/868,962号、2006年12月7日出願、発明の名称”System, Method and Apparatus for Chemically Independent Battery”
米国特許仮出願第60/908,095号、2007年3月26日出願、発明の名称”System and Method for Power Harvesting from Distributed Power Source”、
米国特許仮出願第60/916,815号、2007年3月9日出願、発明の名称”Harvesting Power from Direct Current Power Sources”。
さらに、本願は次の米国特許通常出願に関連し、その全内容を参考文献として本明細書に含める：
米国特許出願第11/950,224号、2007年12月4日出願、発明の名称”Current Bypass for Distributed Power Harvesting Systems”、
米国特許出願第11/950,271号、2007年12月4日出願、発明の名称”Distributed Power Harvesting Systems Using DC Power Sources”、
米国特許出願第11/950,307号、2007年12月4日出願、発明の名称”A Method for Distributed Power Harvesting Using DC Power Sources”。

（１．発明の分野）
本発明の分野は一般に、分散型ＤＣ電源の管理に関するものであり、特に、太陽電池（ソーラー）セル、燃料電池、バッテリ、及びこれと類似の応用のような分散型ＤＣ電源の監視に関するものである。

（２．関連技術）
近年の再生可能エネルギーへの関心の増加は、太陽電池（ＰＶ）、燃料電池、（例えばハイブリッドカー用の）バッテリ、等のような分散型エネルギー発生システムの研究の増加をもたらした。電圧／電流の要求、動作条件、信頼性、安全性、コスト、等の種々のパラメータを考慮してこれらの電源を接続するための種々のトポロジ（接続形態）が提案されている。例えば、これらの電源の大部分は低電圧出力（通常は３ボルト以下）を供給し、このため、これらの電源の多くは、必要な動作電圧を達成するために直列接続する必要がある。逆に、直列接続は必要な電流を供給し損なうことがあり、このため直列接続の何列かを並列接続して必要な電流を供給する必要があり得る。

これらの電源の各々からの電力発生は、製造条件、動作条件、及び環境条件に依存することも知られている。例えば、製造中の種々の不一致が、２つの同一電源が異なる出力特性を提供することを生じさせ得る。同様に、２つの同一電源が、負荷、温度、等のような動作条件及び／または環境条件に対して異なるように反応し得る。実際の設備では、異なる電源が異なる環境条件を経験することがあり、例えば太陽光発電（ソーラーパワー）設備では、一部のパネルは十分な太陽光が当たるのに対し、他のパネルは陰になり、これにより異なる出力電力を供給する。これらの問題、及び本発明によって提供される解決法はあらゆる分散型電力システムに適用可能であるが、以下の説明は太陽（ソーラー）エネルギーに向き、具体例としてより良い理解を与える。

従来の太陽光発電システムの設備を図１に例示する。個別の太陽電池パネル１０１が供給する電圧が低いので、いくつかのパネルを直列接続してパネルのストリング（列）１０３を形成している。大規模な設備については、より大きい電流が必要である際に、いくつかのストリング１０３を並列接続して全体システム１０を形成することができる。太陽電池パネルは屋外に装着され、これらのリード線は最大電力点追尾（ＭＰＰＴ：Maximum Power Point Tracking）モジュール１０７に接続され、そしてインバータ１０４に接続されている。ＭＰＰＴ１０７は一般に、インバータ１０４の一部として実現される。

ＤＣ電源から獲得された電力はインバータ１０４に供給され、インバータ１０４は変動する直流（ＤＣ）を所望の電圧及び周波数を有する交流（ＡＣ）に変換し、この電圧、周波数は通常、住宅電気機器では１１０Ｖまたは２２０Ｖ、６０Ｈｚ、あるいは２２０Ｖ、５０Ｈｚである。そしてインバータ１０４からのＡＣ電流を用いて、電気器具を動作させるか電力網に給電することができる。あるいはまた、設備が電力網に結合されていない場合は、インバータから抽出した電力を変換兼充電／放電回路に指向させて、生成された過剰電力を電荷としてバッテリに蓄電することができる。バッテリに結合された応用の場合は、インバータ段全体を省略し、ＭＰＰＴ段１０７のＤＣ出力を充電／放電回路に供給することができる。

図２に、ＭＰＰＴ回路２０７及びインバータ２０４に接続されたＤＣ電源の１つの直列ストリング、例えば太陽電池パネル２０１ａ〜２０１ｄを例示する。ＤＣ電源２０１毎に、出力電圧が増加する共に電流が減少する。ある電圧値で電流が０になり、一部の応用では負の値をとることがあり、このことは電源がシンク（受電装置）になることを意味する。バイパスダイオードを用いて電源がシンクになることを防止している。各電源２０１の出力電力は電流と電圧の積に等しく（Ｐ＝Ｉ×Ｖ）、当該電源から取り出される電圧に応じて変化する。特定の電流及び電圧で電力が最大値に達する。発電セルを最大電力点で動作させることが望ましい。ＭＰＰＴの目的は、この最大電力点を見出し、この最大電力点でシステムを動作させて最大電力を電源から取り出すことにある。

種々の環境条件及び動作条件がＤＣ電源の出力電力に影響を与える。例えば、種々のパネルに入射する太陽エネルギー、周囲温度、及び他の要因が各パネルから取り出される電力に影響を与える。使用するパネルの数及び種類に応じて、取り出される電力は、その電圧及び電流が広く変化し得る。温度、日射照度、及び木のような近くの物体または雲のような遠くの物体による陰りの変化が電力喪失を生じさせ得る。所有者、さらには専門の設置業者も、システムの適正な動作を検証することは困難であることは困難であると感じる。時間と共に、経年変化、ほこり及び汚れの集積、及びモジュールの劣化のようなずっと多くの要因が太陽電池アレイの性能に悪影響する。

インバータ１０４において収集したデータは、システムの動作の適切な監視を提供するには不十分である。さらに、システムに電力喪失が生じる際に、この電力喪失が環境条件によるものか、あるいは太陽電池アレイの構成要素の故障及び／または下手な保守によるものかを究明することが望ましい。さらに、この電力喪失の原因であり得る特定の太陽電池パネルの箇所を容易に特定することが望ましい。しかし、各パネルからの情報を収集することは、中央データ収集システムへの何らかの通信手段を必要とする。このデータ収集システムは、データ送信を制御し、送信衝突を回避し、そして各データ送信者を突き止めることができる必要がある。こうした要求は、二重伝送法用いれば最も容易に達成することができる。しかし、二重伝送法は追加的伝送線を必要とし、システムを複雑化する。他方では、一方向伝送は衝突が生じやすく、種々の送信源から送信されたデータを比較することを困難にする。

従って、太陽電池監視の分野における従来の方法は、太陽電池アレイ全体からの出力パラメータの収集に焦点を当てている。こうしたシステムの多種多様な出力電力、及び出力電力に影響する広範囲の環境条件により、システム全体からの出力パラメータは、太陽電池アレイがピーク電力生産で動作しているか否かを検証するには不十分である。誤った設置、不適切な保守、信頼性の問題、及び障害物のような局所的障害が、局所的電力消失を生じさせ得る。この電力喪失は、全体の監視パラメータから検出することは困難である。

分散型電源及び太陽電池パネルに関する上述した問題のさらなる説明は、次の文献を調査されたい。これらの文献は従来技術となり得るものもなり得ないものもある。

G. R. Walker and P. C. Sernia, "Cascade DC-DC Converter Connection of Photovoltaic Modules", Power Electronics Specialists Conference, 2002 (PESC02), Vol.1, IEEE, Cairns, Australia, pp. 24-29 Bjorn Lindren, "Topology for Distributed Solar Energy Inverters with a Low Voltage AC-Bus" Johan H. R. Enslin et al., "Integrated Photovoltaic Maximum Power Point Tracking Converter", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.44, No.6, December 1997 R. Alonso et al., "A New Distributed Converter interface for PV Panels", 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 6-10 June 2005, Barcelona, Spain Eduardo Roman, et al., "Intelligent PV Module for Grid-Connected PV Systems", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol,53, No.4, August 2006 L. Palma and P. Enjeti, "A Modular Fuel Cell, Modular DC-DC Converter Concept for High Performance and Enhanced Reliability", Power Electronics Specialists Conference, 2007, PESC2007, IEEE Volume, Issue, 12-21 June 2007, page 2633-2638, Digital Object Identifier 10.1109/PESC.2007.4342432 R. Alonso et al., "Experimental Results of Intelligent PV Module for Grid-Connected PV Systems", Proceedings of the International Conference held in Dresden, Germany, 4-8 September 2006 G. R. Walker and P. C. Sernia, "Cascaded DC-DC Converter Connection of Photovoltaic Modules", IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.19, No.4, July 2004 Quashning, V.; Piske, R.; Hanitsch, R., "Cost Effectiveness of Shadow Tolerant Photovoltaic Systems", Euronsun 96, Freiburg, September 16-19, 1996 R. Orduz and M. A. Egido, "Evaluation Test Results of a New Distributed MPPT Converter", 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, 3-7 September 2007, Milan, Italy S. Uriarte et al., "Energy Integrated Management System for PV Applications", 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 6-10 June 2005, Barcelona, Spain

米国特許出願公開第２００６／０１８５７２７号明細書 米国特許出願公開第２００６／０１６２７７２号明細書

以下の本発明の概要は、本発明のいくつかの態様及び特徴の基本的理解を与えるために提供する。この概要は本発明の広い概要ではなく、それ自体は、本発明の主要または重要な要素を特に識別すること、あるいは本発明の範囲を線引きすることを意図したものではない。その唯一の目的は、本発明のいくつかの概念を、以下に提示するより詳細な説明への前置きとして簡略化した形式で提示することにある。

本発明の態様によれば、一方向伝送を用いた監視システムが提供される。衝突は、新規の送信タイミング方式によって回避または最小化される。この新規の送信方法は、データの送信を同期させる必要性も回避する。本発明の態様によれば、各送信がデータ源（データソース）の一意的ＩＤを搬送する。データは中央分析システムで収集及び記憶され、これらのデータに対して種々の分析を実行して、各送信源及びシステム全体の動作パラメータを解明する。本発明の他の態様によれば、割込メッセージを送信するメカニズムが提供される。いずれかの電源において故障を検出すると、他のすべてのメッセージに優先する割込メッセージを送信することができ、これにより、この故障を即座に検出することができる。本発明の態様によれば、すべてのデータ伝送を、電力線通信（ＰＬＣ：Power Line Communication）を用いて行う。あるいはまた、イーサネット（登録商標）、ＲＳ−２３２、ＲＳ−４８５、等のような無線または専用伝送線のような他の伝送モードを用いることができる。

本発明の態様によれば、分散型ＤＣ電力設備が提供され、この分散型電源設備は、複数の電源と；各々がこれらの電源の１つに関連し、関連する電源の性能データを収集する複数の監視モジュールと；各々がこれらの監視モジュールの１つに関連し、性能データを送信する送信機と；各々がこれらの送信機の１つに関連し、タイマー初期化からの経過時間に応じて送信イベント（事象）を制御する複数のコントローラとを具えている。各電源は電力線に接続することができ、各送信機はこの伝送線上で性能データを送信する。各監視モジュールは、電流データを収集する電流測定モジュールと；電圧データを収集する電圧測定モジュールとを具えている。各監視モジュールはさらに、電源における温度データを検出する温度センサモジュールを備えることができる。各監視モジュールはさらに、電源におけるアーク放電を検出するアーク検出モジュールを具えることができる。各監視モジュールはさらに、タイマーを具えることができ、各コントローラは、これに関連する電源が電力を発生し始める際にいつも、このタイマーを初期化する。各監視モジュールはさらに、送信イベントを制御するための時間増分を変化させるための乱数発生器を具えることができる。この監視システムはさらに、タイマーの初期化以後に累積した性能データを記憶するメモリを具えることができる。この監視システムはさらに：中央分析ステーションと；監視モジュールから性能データを受信し、この監視データを中央分析ステーションに送信する通信変換器を具えることができる。中央分析ステーションは故障検出を分析することができる。中央分析ステーションは、測定した電力を、外部データに基づいて決まる予想電力と比較することができる。各電源は太陽電池パネルを具えることができる。各電源は、直列接続した太陽電池パネルのストリングを具えることができる。各監視モジュールは、電流データを収集する電流測定モジュールを具えることができる。上記監視システムはさらに：直列接続した太陽電池パネルのストリングのすべてを並列結合するための接続ボックスと；この並列結合の電圧を測定する電圧測定モジュールとを具えることができる。上記監視システムはさらに：直列接続した太陽電池パネルのストリングのすべてを並列結合するための接続ボックスと；この並列結合の全電流を測定する電流測定モジュールを具えることができる。上記監視システムは、全電流測定モジュールからの出力を、各監視モジュールの電流測定モジュールの出力の合計値と比較することによって、電流漏洩を検出することができる。

本発明の態様によれば、ＤＣ電源を含む分散型電力ハーベストシステムを監視する方法が提供され、この方法は：各電源における電力発生を個別に監視し、電源の１つにおける電力発生がしきい値を超えると、次のステップを実行する：この電源用のタイマーを初期化するステップ；この電源の性能データを収集するステップ；タイマーの計時期間の経過を監視し、この計時期間が設定時間に達すると、収集した性能データを中央分析ステーションに送信するステップ。性能データを収集するステップはさらに、この性能データをメモリに記憶することを含むことができ、収集した性能データを送信するステップは、タイマーの初期化以後に収集して累積した性能データを送信することを含む。性能データを収集するステップは、ＤＣ電源の出力電圧と出力電流の少なくとも一方を測定することを含むことができる。この方法はさらに、少なくとも１つのＤＣ電源の性能データを、異なる時間における同じＤＣ電源からの性能データと比較することを含むことができる。この方法はさらに、少なくとも１つのＤＣ電源の性能データを、このＤＣ電源に隣接するＤＣ電源からの性能データと比較することを含むことができる。この方法はさらに、少なくとも１つのＤＣ電源の性能データを、外部パラメータに基づく予想性能データと比較することを含むことができる。計時期間の経過を監視するステップはさらに、上記設定時間にランダム性を導入することを含むことができる。この方法はさらに、複数の太陽電池パネルを直列接続して各ＤＣ電源を形成するステップを具えることができる。収集した性能データを送信するステップは、収集した性能データを電力線上で送信することを含むことができる。

本発明の態様によれば、分散型ＤＣ電力ハーベストシステムが提供され、このシステムは、直列接続されてパネルのストリングを形成する複数の太陽電池パネルであって、このパネルのストリングが電力線に結合されている複数の太陽電池パネルと；このパネルのストリングに接続された少なくとも１つの監視モジュールとを具え、この監視モジュールは：性能データを電力線上で送信する送信機と；タイマーの初期化からの経過時間に応じて送信機の送信イベントを制御するコントローラと；電力線に結合され、送信機からの性能データを受信する受信ステーションとを具えている。この受信ステーションはさらに、電圧センサと電流センサの少なくとも一方を具えている。この受信ステーションはさらに、少なくとも上記電力線から受信した性能データを中継する送信機を具えることができる。上記送信機は無線送信機を具えることができる。上記監視モジュールは：少なくとも１つの太陽電池パネルから電流データを収集する電流測定モジュール；及び、少なくとも１つの太陽電池パネルから電圧データを収集する電圧測定モジュール；の少なくとも一方を具えることができる。上記監視モジュールはさらに、温度センサを具えることができる。上記監視モジュールはさらに、タイマーを具えることができ、上記コントローラは、当該コントローラに関連するパネルが電力を発生し始めるといつも、このタイマーを初期化する。上記監視モジュールはさらに、送信イベントを制御するための時間増分を変化させるための乱数発生器を具えることができる。上記システムはさらに、タイマーの初期化以後に累積した性能データを記憶するメモリを具えることができる。上記システムはさらに：１つ以上の追加的なパネルのストリング；上記パネルのストリングと１つ以上の追加的なパネルのストリングとを並列結合するための接続ボックス；及びこの並列結合の電圧を測定する電圧測定モジュールを具えることができる。

本明細書に含まれその一部を構成する図面は、その説明と共に本発明の実施例を例示し、本発明の原理を説明し例示する働きをする。これらの図面は好適な実施例の主な特徴を図式的方法で例示することを意図したものである。これらの図面は、実際の実施例のすべての特徴を表現することを意図したものではなく、図示した要素の相対寸法を表現することを意図したものでもなく、図示した要素は原寸に比例して描いたものではない。

従来の太陽電池パネルシステムを例示する図である。 ＤＣ電源の１つの直列ストリング、及びこれらの太陽電池パネルの電流対電圧特性を例示する図である。 本発明の態様による監視モジュールを例示する図である。 図３Ａの監視モジュールに関連する、本発明の態様による通信兼分析システムを示す図である。 本発明の態様による、監視モジュールを含む分散型電力ハーベストシステムを示す図である。 本発明の他の実施例による太陽電池システムを例示する図である。 本発明の態様による電力コンバータを例示する図である。 一般的な太陽光発電フィールド設備を示す図である。 本発明の実施例による監視を実現する太陽光発電フィールド設備を例示する図である。 本発明の他の実施例による太陽光発電フィールド設備を例示する図である。

本発明の態様は、太陽電池パネルシステム用の監視システムを提供する。この監視システムは、太陽電池パネルシステムの各太陽電池パネルに取り付けることのできるモジュールを含む。この監視モジュールは、パネル電圧、パネル電流、パネル温度、照射条件、空間的配向（例えば傾斜）及び他のパラメータを含むいくつかのパラメータを監視する。各監視モジュールからの情報は、一意的ＩＤと共に中央管理装置に送信することができる。この送信は電力線上で、無線形式で、あるいはイーサネット、ＲＳ−２３２、ＲＳ−４８５、その他のような専用配線で行うことができる。本発明の１つの態様では、送信は電力線通信の一方向の実現として行うことができる。衝突は、一意的伝送タイミング・メカニズムを用いることによって回避または最小化することができる。

中央管理装置は、すべての太陽電池パネルからのデータを分析することができる。上記監視システムは、ストリングレベル、パネルレベル、さらにはセルレベルで実現することができる。パネルレベルの監視に適用可能な原理は、ストリングレベル及びセルレベルに適用することができる。さらに、本発明の監視システムは、住宅用太陽電池パネル設備のような小型設備、及び大型太陽電池パネルフィールドの電力プラントのような大型設備に用いることができる。

データの分析は、太陽電池アレイの電力喪失に関連する通常の故障の大部分の検出及び特定を可能にすることができる。さらに、電流及び履歴データの高性能な分析を用いて、太陽電池アレイの特定部分の洗浄または交換のような修正方策を提案することもできる。このシステムは、環境条件によって生じる通常の電力喪失を検出し、高価で困難な太陽電池アレイの試験を回避することもできる。これに加えて、データの分析は、環境修正行動の提案をもたらすことができる。例えば、データの分析は、特定パネルの傾斜または配置を変更すること、あるいは設置時には気付かなかった特定条件下で太陽光を阻害する障害物を除去することを提案することができる。

図３Ａに、本発明の態様による監視モジュールを示す。本発明の態様によれば、好適な監視モジュール３００を用いて、図１の太陽電池パネル１０１のような各太陽電池パネルからデータを収集して送信する。すべての監視モジュールからのデータは、通信システムを経由して中央分析ステーションに送信され、中央分析ステーションはこのデータを分析して太陽電池アレイの状態を表示する。

監視モジュール３００はいくつかのサブモジュールを含む。監視モジュール３００内のサブモジュールは、電流測定モジュール３０１、マイクロコントローラ３０２、通信モジュール３０３、電圧測定モジュール３０４、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）モジュール、不揮発性ＲＡＭまたはＮＶＲＡＭモジュール３０６、温度センサ３０７、及び１つ以上の外部センサインタフェース３０８を含む。

マイクロコントローラ・モジュール３０２は他のモジュールに結合され、これらの他のモジュールを制御する。図３Ａに示す１つの好適な態様によれば、電流測定モジュール３０１は監視モジュール３００の入力ポート及び出力ポートに直列に配置されている。電流測定モジュール３０１の位置は、モジュール内で使用する電流測定装置の種類に応じて変化し得る。図に示す好適な態様では、電圧測定モジュール３０４は監視モジュールの入力ポートの両端に並列に配置されている。電圧測定装置は通常、その電圧を測定する構成要素に並列に配置する。図に示す好適な態様では、通信モジュール３０３は、監視モジュール３００の出力ポートに並列に配置されているものとして示している。このモジュールを特定位置にする要求は存在せず、図に示す位置は任意のものである。センサモジュールはマイクロコントローラ・モジュール３０２に結合されているが、監視モジュール３００の入力及び出力ポートに結合されているものとして示していない。しかし、これらのセンサモジュールは、監視モジュール３００に接続されたパネルから電力を取り出すことができ、従って、監視モジュール３００の入力ポートから出力ポートまでの回路経路上に配置することができる。電源装置を用いて、監視モジュール３００に給電することができる。この電力は、バッテリ、あるいは他の場所からの引込み線のような多数の電源の１つから取り出すことができる。１つの実施例では、監視モジュール３００は、監視中の太陽電池パネルから獲得した電力から給電することができる。

本発明の種々の態様では、温度センサ３０７のような一部のモジュールを含めることは随意的である。

監視モジュール３００は、ディスクリート構成部品を用いて実現することができ、あるいは特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）が得られるように集積することができる。

測定モジュール３０１、３０４、及びセンサモジュール３０７、３０８は、これらに関連するフィルタ回路及びアナログ−デジタル変換回路を有することができる。図３Ａには、ローパス（低域通過）フィルタ（ＬＰＦ）及びアナログ−デジタル変換回路（ＡＤＣ）３１１、３１４、３１７、３１８を示し、各々が対応する測定モジュール及びセンサモジュールに関連する。

電流及び電圧測定モジュール３０１、３０４を用いて電流及び電圧データを収集する。収集したデータはマイクロコントローラ・モジュール３０２に転送する。マイクロプロセッサ・モジュール３０２はデジタル状態マシンとすることができる。マイクロコントローラ３０２は、収集した情報をそのローカルＲＡＭ３０５に記憶する。ＮＶＲＡＭモジュール３０６に記憶された所定データを用いて、マイクロコントローラ３０２の動作を制御することができる。

電流及び電圧モジュール３０１、３０４によって収集され、マイクロコントローラ３０２に転送されるデータはその後に中央分析ステーションに送信され、中央分析ステーションは図４に関して以下に説明する。通信モジュール３０３を用いて、マイクロプロセッサ３０２からのデータ、あるいはＲＡＭ３０５に記憶されたデータを監視モジュール３００の外部に送信する。

電流測定モジュール３０１は、電流を測定するために用いられる種々の技術によって実現することができる。本発明の１つの態様では、電流測定モジュール３０１は非常に低い値の抵抗を用いて実現される。この抵抗の両端の電圧は、この抵抗を通って流れる電流に比例する。本発明の他の態様では、電流測定モジュール３０１は電流プローブを用いて実現され、この電流プローブはホール効果を用いて、直列抵抗を追加する必要性なしに導体を通る電流を測定する。電流を電圧に変換した後に、データはローパスフィルタを通過してデジタル化される。電流測定モジュール３０１に関連するローパスフィルタ及びアナログ−デジタル変換器は、図３Ａにモジュール３１１として示している。電圧測定モジュールと同様に、アナログ−デジタル変換器の適正な分解能及びサンプルレート（標本化速度）を選定すべく注意を払わなければならない。電流検出技術は直列接続を必要としない場合は、監視モジュール３００はパネルに並列に接続することができる。パネル接続については、接続中にパネルを切り離す必要性は存在しない。

本発明の１つの態様では、電圧測定モジュール３０４は単純な並列電圧測定技術を用いて太陽電池パネルの出力電圧を測定する。アナログ電圧をローパスフィルタに通してエリアシングを最小化する。そして、アナログ−デジタル変換器を用いてデータをデジタル化する。電圧測定モジュール３０４に関連するローパスフィルタ及びアナログ−デジタル変換器は、図３Ａにモジュール３１４として示す。アナログ−デジタル変換器３１４は、太陽電池パネルからの電圧を適正に評価するのに十分な分解能を有する。ローパスフィルタは、パネルの状態を評価するのに低いサンプルレートで十分であることを可能にする。

随意的な温度測定モジュール３０７は、システムが分析プロセス中に温度データを用いることを可能にする。温度は、いくつかの種類の故障及び問題を示すことができる。さらに、パネル温度は、パネルからの出力電力、及び全体の電力生産の因子（ファクタ）である。

１つ以上の外部センサインタフェース３０８は、種々の外部センサを監視モジュール３００に接続することを可能にする。これらのセンサは随意的であり、太陽電池アレイの状態の拡張された分析を可能にする所で用いることができる。外部センサインタフェース３０８で用いることのできる外部センサの例は、周囲温度センサ、日射照度センサ、チルト（傾斜）センサのような空間的配向センサ、隣接パネルのセンサ、等を含む。センサの種類が通常用いるものである際は、このセンサは外部構成要素とする代わりに監視モジュール３００内に集積することができる。

マイクロコントローラ・モジュール３０２は監視プロセスを管理する。マイクロコントローラ・モジュール３０２によって実行されるタスクは、電流及び電圧測定モジュール３０１、３０４から情報を収集すること、この情報をローカルメモリ３０５、３０６に記憶すること、及び記憶している情報を監視モジュール３００の外部に送信することを含む。マイクロコントローラ・モジュール３０２は、メモリに記憶された情報を用いてその動作を制御する。この動作情報は、ＮＶＲＡＭモジュール３０６の不揮発性メモリに記憶して、電力喪失が発生した際にも情報を保存することができる。ＮＶＲＡＭ３０６内の情報は、製造番号、使用する通信バスの種類、状態更新レート、及びデータを送信する送信先の中央分析ステーションのＩＤのようなマイクロコントローラ・モジュール３０２についての情報を含むことができる。この情報は、監視モジュール３００外に送信する前に、測定モジュール３０１、３０４によって収集したパラメータに追加することができる。

監視モジュール３００の設置プロセスは、各監視モジュール３００を、図１の太陽電池パネル１０１または図５の太陽電池パネル５０５のようなパネルに接続することを含む。監視モジュール３００の測定機能を用いて、パネルと監視モジュールとが適切に接続されていることを保証し、監視モジュール３００または監視モジュール内のマイクロプロセッサの製造番号を記録することができる。測定機能３０１、３０４、及びＧＰＳ、傾斜センサ、等の他のセンサを用いて、上記接続の物理的位置及びアレイの接続トポロジを測定することもできる。これらのパラメータを、中央分析ステーション４０３にある分析ソフトウェアが用いて、太陽電池パネル及びアレイ内の問題を検出することができる。

監視モジュール３００は、太陽電池アレイの設置中に設置するか、あるいは既存の設備に組み込むことができる。両方の場合において、監視モジュールはパネルの接続ボックスに接続するか、あるいはパネル間のケーブルに接続することができる。監視モジュールには、容易な設置及びこれらのパネル及びケーブルへの容易な接続を可能にするために必要なコネクタ及びケーブル配線を設けることができる。

図３Ａに示す監視モジュール３００は、電流、電圧、及び他のいくつかの随意的な種類のデータを、分散型ＤＣ電力ハーベストシステム内の各パネルから収集する。各パネルからのデータはその後に、分析のために送信する。通信モジュール３０３は、マイクロコントローラ・モジュール３０２を通信バスに接続し、この通信バスは図４を参照して以下に説明する。各監視モジュール３００からの通信は、従来の電力線通信技術（電力線キャリアとしても知られている）を用いて実行する。しかし、一意的な送信タイミングを利用して衝突を回避または最小化する。この技術は太陽電池パネルに接続された監視装置の特定例を参照して説明する。

太陽電池パネルが「目覚める」と、即ち太陽光を受けて出力電力を発生し始めると、監視装置はタイマーを時刻ｔ₀に初期化する。監視装置は初期化時にデータを送信することもしないこともできる。そして、監視装置はデータを連続的に収集するが、収集したデータは、ｔ₀または最後の送信から所定期間が経過して初めて送信する。例えば、監視装置はデータを１５分毎に送信することができる。パネルは空間的に分離しているので、これらのパネルは大方、異なる時刻に「目覚め」（起動し）、送信時刻にランダム性を導入し、これにより各パネルはそれ自身のタイマーに従って送信する。即ち、各監視装置はデータを時刻：
ｔ₀＋ｘＣ
に送信し、ここにｘは自然数全体であり、Ｃは設定された定数、例えば１５分である。しかし、パネル毎に、ｔ₀は毎朝異なる時刻にすることができる。

以上からわかるように、パネルの起動時刻を用いてタイマーを起動することは、衝突を回避するランダム性の尺度を導入する。本発明の他の実施例によれば、ランダム性の他の尺度をカウンタに導入する。例えば、送信時刻をｔ₀＋ｘＣ＋εとして計算し、ここにεは乱数発生器等によって供給される乱数である。あるいはまた、送信時刻はｔ₀＋ｘ(Ｃ＋ε)として計算することができる。特に、乱数をモジュール毎に別個に発生して、２つのパネルが同時に起動しカウンタを同じ速度で増加させ、これにより各送信の試行時に衝突する機会を防止する。このランダム要素は、送信を行う毎に再導入することができる。ランダム性を導入する他の方法を用いることもできる。

図３Ｂは、図３Ａの監視装置３００によってデータを送信する方法を例示するフローチャートである。ステップ３４０では、パネルが起動しているか（即ち、光を受けて所定レベルの電力を発生しているか）否かをチェックする。起動していれば、プロセスはステップ３４２に進み、ここでタイマーを初期化してカウントを開始する。そしてステップ３４４では、電流、電圧、温度、照射、出力電力、等のデータを収集して、例えばＲＡＭ３０５に記憶し、このことは、タイマーが進行しておりパネルが「休眠」状態になっていない限り継続する。以上で説明したように、随意的に他のランダム化を導入し、これをステップ３４６で示す。そして、ステップ３４８では、データを送信する時刻に達したか否かを判定し、達していれば、ステップ３５０でデータを送信する。この特定例では、送信するデータは、タイマーの初期化以後に累積したデータである。しかし、他の方法を実現することができる。例えば、このデータは、最終の送信または現在のデータ読出し以後に累積したデータとすることができる。ステップ３５２では、パネルが「スリープ」（休眠、休止）モードにあるか否か、例えば照射または電力発生がしきい値以下であるか否かをチェックする。「スリープ」モードであれば、プロセスを終了する。さもなければ、データのカウント及び送信を継続する。

上述した方式は衝突を最小化または回避する。衝突が発生している場合は、送信は一方向のみであるので、中央システムはデータを得られず、どのデータが失われているかを知らず、送信側の監視装置も中央システムにデータが全く到着しないことを知る方法がない。その結果、中央システムはデータを分析して、１つのパネルからのデータを他のパネルからのデータと比較し、衝突により一部のデータ送信が失われている場合はエラーを導入する。例えば、中央装置が、午後１時と午後２時の間にいくつかのパネルが発生した電力を比較しようとする場合は、２つ以上のパネルからのデータが午後１時３０分に衝突して計算から欠落すれば、この比較が不正確になる。

この問題を回避するために、データを各監視装置に累積する方式を採用する。そして、各送信時に、累積したデータの合計値を送信する。例えば、時刻ｔ₁₅には、起動からこの起動に１５分を加えた時刻までに発生した電力を送信する。時刻ｔ₃₀には、起動からこの起動に３０分を加えた時刻までに発生した電力を送信し、等とする。このようにして、中央装置が１回以上の送信を受信しなかった場合でも、中央装置は、例えば受信したすべての送信から欠落したデータを外挿補間することによって、欠落したデータを再構成することができる。同様の外挿補間を用いて、異なるパネルから異なる時刻に到着したデータを順に並べて、統一した時刻ベースでパネル間の比較を行うことができる。例えば、監視装置からの電力生産の曲線を、到着したデータ点に基づいてパネル毎に外挿補間し、そしてこれらの曲線を比較して、電力の異常または他の問題及び現象を検出することができる。

本発明の他の態様によれば、他のすべてのメッセージに優先する割込メッセージを送信することができる。割込メッセージは、例えば至急の修正動作が要求され得る際にいつも、あらゆる監視モジュール３００によって送信することができる。このことは、故障により電力が突然低下した際、雹の嵐または他の原因によるパネルの破損の際、等であり得る。割込メッセージはカウンタの位置にかかわらず任意時刻に送信することができる。割込メッセージに関連して、本発明の態様によれば、広帯域のノイズ検出器をモジュール３００内に実現する。広帯域ノイズ検出器が特定しきい値以上のノイズを検出すると、ノイズ検出器は割込メッセージを送信する。特に、この機能は、システム内の接続開放により生じ得るアーク放電を識別するために実現される。即ち、システム電圧は比較的高く、例えば４００〜６００Ｖであり、接続が分離されれば、電位により空気を通ってアーク放電し得る。広帯域ノイズ検出器は、図３Ａに示すようにコントローラ１０２の一部として、あるいは別個の装置として実現することができる。

これに加えて、故障及び悪条件の箇所特定を助けるために、各監視装置は一意的ＩＤを有し、このＩＤはデータと共に送信される。このようにして、中央装置は容易に、各パネルを個別に監視することができ、そして各データストリームに対応するパネルの物理的位置を容易に究明することができる。従って、例えば、毎日午後２時に１つ以上のパネルに電力低下がある場合に、これらのパネルの物理的位置は、データと共に送信された一意的ＩＤを用いることによって容易に究明することができる。そして、これらのパネルの状態を評価して、毎日午後２時に太陽を覆い隠す障害物が存在するか否かを確かめることができる。さらに、（ＧＰＳのような）地理的情報センサを監視モジュールに取り付ければ、監視モジュールはその位置を直接送信することができ、従って障害物を発見し除去することができる。

中央分析装置はＩＤ情報を用いて、特定パネルからのデータを、外部データ源から得た予想データと比較することによってデータ分析を実行することもできる。即ち、中央分析ステーションが特定ＩＤを有するパネルの位置、温度、傾斜、等を知れば、中央分析ステーションは、現在の支配的条件におけるこのパネルからの予想電力を計算することができる。パネルから受信したデータが予想出力電力から大幅に外れている場合は、中央分析ステーションは、パネルが故障しているか、あるいは何らかの要因がパネルの電力を喪失させていることを判定することができる。このことは、本明細書で説明する実施例のトポロジにおいて特に有益な特徴である、というのは、最大電力点追尾を個別パネルのベースで実行し、従って得られる電力は予想電力に比例するからである。即ち、いくつかのパネルの平均値で最大電力点を追跡することにより導入される誤差が存在しないからである。

図４に、本発明の態様による通信兼分析システムを示し、このシステムは図３Ａの監視モジュールに関連する。図４は、分散型電力システム内の各パネルからデータを収集し、収集したデータをその後に分析するために用いるシステムを示す。図４のシステムは、電力を発生する複数のパネルを含む。各パネルは監視モジュール３００のような監視モジュールを含む。パネル４０２において監視モジュールによって収集したデータは、モジュール通信バス４０４によって通信変換器４０１に伝達される。通信変換器４０１は、このデータを通信リンク４０５経由で中央分析ステーション４０３に送信する。中央分析ステーション４０３は、通信バス４０４経由で送信されたデータを受信し、このデータを分析して、データを収集した時刻に対応するパネルの状態を表示する。

図４では、複数のパネル４０２からのデータを監視モジュール３００から送信する１つのモジュール通信バス４０４を示している。このデータは、単一バス上で、衝突を解消または最小化する上述した方法で送信することができる。しかし、他の送信方法を用いることができる。例えば、いくつかのパネルからのデータを同じモジュール通信バス上に多重化することができる。あるいはまた、各通信モジュール３００が別個のモジュール通信バス４０４を含む。異なる監視モジュールからのモジュール通信バス４０４は、各監視モジュール３００からのデータを通信変換器４０１に搬送する。

モジュール通信バス４０４は異なる方法で実現することができる。本発明の１つの態様では、イーサネット、ＲＳ−２３２、またはＲＳ−４８５のようなオフ・ザ・シェルフ通信バスを用いる。オフ・ザ・シェルフ通信バスを用いることは、監視モジュール３００の通信モジュール３０３を簡略化するが、別個のケーブルを必要とする。無線通信または電力線通信のような他の方法を用いることもできる。監視モジュール３００と通信変換器４０１との間に有線通信を用いる際は、通信変換器４０１をパネルの物理的近傍に配置して、モジュール通信バス４０４の長さを低減することができる。監視モジュール３００と通信変換器４０１との間に無線通信を用いる際は、通信変換器４０１はパネルの物理的近傍にある必要はない。

通信変換器４０１を用いて、モジュール通信バス４０４を標準的な通信プロトコル及び物理層に変換する。このことは、監視モジュール３００からのデータを、コンピュータまたはＰＤＡのような種々のデータ端末上で受信することを可能にする。従って中央分析ステーション４０３は、標準的なＰＣ上で実行されるソフトウェア、組み込みプラットフォーム、あるいは専用装置で実現することができる。

本発明の態様では、監視モジュール３００から中央分析ステーション４０３への単方向の電力線通信を用いる。単方向通信により、監視モジュール３００どうしの間のクロストークを防止するメカニズムを提供することができる。こうしたメカニズムは、図３Ｂに関して説明したように、事前設定された時刻に各監視モジュール３００からデータを送信する形で実現することができる。本発明の態様では、衝突検出アルゴリズムを用いて、中央分析ステーション４０３においてデータを衝突なしに受信することを保証することができる。

本発明の１つの態様では、中央分析ステーション４０３と監視モジュール３００との間の双方向通信を用いる。双方向通信により、中央分析ステーション４０３は、１つ以上の監視モジュール３００が収集したデータを積極的に要求することができる。

この収集したデータは、中央分析ステーション４０３において分析される。各監視モジュールからの情報を分析することによって、電力喪失の多くの原因を検出することができる。例えば、あるパネルからのエネルギー生産が１日の何時間かにおいて低いのに対し、隣接するパネルは２４時間同じ電力を生産している際は、この低性能のパネルは恐らくは生産の低い時間中に陰になっている。隣接するパネルに比べて少ししか電力を生産しないパネルは、絶えず陰になっているか、汚れているか、あるいは不適正に設置されている。各パネルの出力電力の、対応するパネルの１年前の出力電力との比較は、パネル上に集積したほこりまたは汚れにより出力が減少したことを示すことができる。追加的データを外部データ源から収集して、アレイの電力生産を監視して評価することができる。外部データ源は例えば、衛星からの放射照度データ、地上局、レーダーシステム、または衛星からの気象データ、あるいは履歴データまたはコンピュータ処理によるモデルに基づく気象及び放射照度予測、等である。より多くの経験則及びアルゴリズム的方法を用いて、問題を解決し、システムの所有者がアレイ内の問題を突き止めることを手助けすることができる。一意的ＩＤをデータと共に送信することは、パネル及びその物理的位置を識別することを手助けする。

図５に、本発明の態様による、監視モジュールを含む分散型電力ハーベストシステムを示す。構成５０は、複数の電源、例えば太陽電池パネル５０１の単一電源への接続を可能にする。すべての太陽電池パネルの直列接続をインバータ５０４に接続する。各太陽電池パネル５０１に結合された監視モジュール３００と通信している中央分析ステーション５００を示す。ステーション５００はインバータ５０４に内蔵することができ、あるいは独立装置とすることができる。

構成５０では、各太陽電池パネル５０１は別個の電力コンバータ回路５０５に接続されている。電力コンバータ回路５０５は、接続された太陽電池パネル５０１の電力特性に最適に適応し、電力を入力端子から出力端子に効率的に転送する。電力コンバータ５０５は、バック（降圧）コンバータ、ブースト（昇圧）コンバータ、バック／ブーストコンバータ、フライバックまたはフォワード・コンバータとすることができる。コンバータ５０５は複数のコンポーネント（構成要素）コンバータ、例えばバックコンバータとブーストコンバータとの直列接続を含むこともできる。

各コンバータ５０５は、出力電流または出力電圧からではなく太陽電池パネル５０１から来る入力からのフィードバック信号を受信する制御ループを含む。こうした制御ループの例は、太陽電池アレイの応用品内の最大電力点追尾（ＭＰＰＴ：Maximum Power point Tracking）ループである。コンバータ内のＭＰＰＴループは、各太陽電池パネル５０１からの入力電圧及び入力電流をその最適な電力点にロックする。コンバータ５０５のＭＰＰＴループは、最大電力点追尾を実行するように動作し、出力電流または出力電圧に制御を加えることなしに、入力電力をその出力端子に転送する。

各コンバータ５０５は、本発明の態様による監視モジュールを含むことができる。例えば、各コンバータ５０５は図３Ａの監視モジュールを含むことができる。監視モジュール３００と中央分析ステーション５００との間の通信リンクは無線にすることも有線にすることもできる。有線の場合は、各装置５０５への接続は個別に、あるいはインバータ５０４を経由して集中的に行うことができる。なお、電力コンバータ５０５の電力を追跡中のＭＰＰＴにパネルを結合すると、このパネルの出力を監視するに当たり追加的な値が存在する、というのは、このことは、監視される電力が最大電力点にあることを保証し、従って、低い電力の読取り値は、中央インバータから取り出される電流から生じた単なる偽警報ではなく現実の問題を表し、このことは各パネルにとって最適ではないことがある。コンバータ５０５は直列または並列に接続して、ストリング及びアレイを形成することができる。

従来のＤＣ−ＤＣコンバータは、太陽電池パネル側では広い入力電圧範囲を有し、設置時に所定かつ固定の出力電圧を有する。これらの従来のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータでは、コントローラが入力端子における電流または電圧、及び出力端子における電流または電圧を監視する。このコントローラは、適切なパルス幅変調（ＰＷＭ）のデューティサイクルを決定して入力電圧を所定値に固定し、入力端子から取り出される電流は変化させつつ、この入力電圧が低下する場合はデューティサイクルを減少させる。コンバータ５０５では、本発明の実施例によれば、コントローラがその入力端子における電圧及び電流を監視し、最大電力点を動的に追尾して最大電力が取り出されるようにＰＷＭを決定する。本発明の実施例では、従来のＤＣ−ＤＣ電圧コンバータで実行されるように出力電圧の所でフィードバックループを閉じるのではなく、入力電力の所でフィードバックループを閉じて最大電力を追尾する。

コンバータ５０５の出力端子を直列接続して、インバータ５０４への単一のＤＣ出力とし、インバータ５０４は直列接続されたＤＣ出力を交流電源に変換する。出力がＡＣである必要がない場合は、このインバータは省略することができ、あるいは中央ＤＣ−ＤＣコンバータまたはバッテリ充電器のような他の負荷を代わりに用いることができる。

図５の回路は、各太陽電池パネルの出力端子上でＭＰＰＴを連続的に実行して、個別の太陽電池パネル５０１の温度、太陽放射、陰りまたは他の性能劣化要因の変化に反応することによって、各太陽電池パネル５０１からの連続動作中に取得可能な最大電力を供給する。図１に示すように、電力を組み合わせる従来の解決法は、太陽電池パネル１０１のストリング１０３またはアレイに対してＭＰＰＴを実行する。各コンバータ５０５内に別個のＭＰＰＴ回路を有することの結果として、本発明の実施例では、図５に示す実施例における各ストリング５０３は、直列接続された異なる数のパネル５０１を有することができる。さらに、パネル５０１は異なる向きに設置することができる、というのは、太陽電池パネル５０１どうしは整合する必要はなく、部分的な陰りは陰ったパネルの性能しか劣化させないからである。本発明の実施例によれば、コンバータ５０５内のＭＰＰＴ回路はパネル５０１から最大可能な電力を獲得して、他の太陽電池パネル５０１のパラメータにかかわらず、この電力を出力として転送する。

図６に、本発明の他の実施例による太陽電池システムを例示する。図６の実施例は、パネル６０１が直列接続されてストリング６０３を形成する点で図５の実施例と同様である。そしてストリング６０３を並列にしてインバータ６０４に接続している。インバータ６０４は、コンバータ６０５内の報告モジュールからデータを受信する中央分析ステーション６００を含む。中央ステーション６００は報告モジュール６０６からもデータを受信し、報告モジュール６０６は、すべてのパネルから供給される全電力に関するデータを提供する。

図７に、本発明の態様による電力コンバータを例示する。図７はとりわけ、本発明の実施例によるＤＣ−ＤＣコンバータ７０５の監視及び制御機能を強調する。図にはＤＣ電圧源７０１も示す。簡略化したバック兼ブーストコンバータ回路の部分をコンバータ７０５として示す。図に示す部分は、スイッチングトランジスタ７２８、７３０、７４８及び７５０、及び共通インダクタ７０８を含む。各スイッチングトランジスタは電力変換コントローラ７０６によって制御される。

電力変換コントローラ７０６はパルス幅変調（ＰＷＭ）回路７３３、及び保護部７３７を含むデジタル制御マシン７３０を含む。電力変換コントローラ７０６はマイクロコントローラ７９０に結合され、マイクロコントローラ７９０はＭＰＰＴモジュール７１９を含み、そして随意的に通信モジュール７０９、監視兼記録モジュール７１１、及び保護モジュール７３５を含む。

電流センサ７０３は、ＤＣ電源７０１とコンバータ７０５との間に結合することができ、電流センサ７０３の出力は、これに関連するアナログ−デジタル・コンバータ７２３を通してデジタル制御マシン７３０に供給することができる。電圧センサ７０４は、ＤＣ電源７０１とコンバータ７０５との間に結合することができ、電圧センサ７０４の出力は、これに関連するアナログ−デジタル・コンバータ７２４を通してデジタル制御マシン７３０に供給することができる。電流センサ７０３及び電圧センサ７０４を用いて、ＤＣ電源、例えば太陽電池パネル７０１からの出力電流及び出力電圧を監視する。測定した電流及び電圧はデジタル制御マシン７３０に供給して、コンバータの入力電力を最大電力点に維持するために用いる。

ＰＷＭ回路７３３は、コンバータ回路のバック部及びブースト部のスイッチングトランジスタを制御する。このＰＷＭ回路は、デジタルパルス幅変調（ＤＰＷＭ）回路とすることができる。インダクタ７０８及びスイッチングトランジスタ７５０で取得したコンバータ７０５の出力は、ＰＷＭ回路７３３を制御するために、アナログ−デジタル・コンバータ７４１、７４２を通してデジタル制御マシン７３０に供給される。

ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）モジュール７１５及び不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＮＶＲＡＭ）モジュール７１３は、マイクロコントローラ７０６の外部に配置することができるが、マイクロコントローラ７０６に結合されている。一意的なＩＤ、及び製造番号、製造業者、製造日、等の他の関係データは、ＮＶＲＡＭに記憶することができる。温度センサ７７９、及び１つ以上の外部センサインタフェースをマイクロコントローラ７０６に結合することができる。温度センサ７７９を用いて、ＤＣ電源７０１の温度を測定することができる。物理インタフェース（ＰＨＹ）７１７をマイクロコントローラ７０６に結合し、これを用いてマイクロコントローラからのデータを標準的な通信プロトコル及び物理層に変換することができる。コンバータ内には内部電源装置７３９を含めることができる。

本発明の種々の態様では、電流センサ７０３は、電流を測定するために用いることのできる種々の技術によって実現することができる。本発明の１つの態様では、電流測定モジュール７０３は非常に低い値の抵抗を用いて実現される。この抵抗の両端の電圧は、この抵抗を通って流れる電流に比例する。本発明の他の態様では、電流測定モジュール７０３は電流プローブを用いて実現され、この電流プローブはホール効果を用いて、直列抵抗を追加することなしに導体を通る電流を測定する。電流を電圧に変換した後に、データをローパスフィルタに通し、そしてデジタル化することができる。電流センサ７０３に関連するアナログ−デジタル・コンバータは、図７にＡ／Ｄコンバータ７２３として示す。結果的なデータにおけるエリアシング効果は、アナログ−デジタル・コンバータの適切な分解能及びサンプルレートを選択することによって回避することができる。電流センシング技術が直列接続を必要としない場合は、電流センサ７０３はＤＣ電源７０１に並列に接続することができる。

本発明の１つの態様では、電圧センサ７０４が単純な電圧測定技術を用いて太陽電池パネルの出力電圧を測定する。アナログ電圧をローパスフィルタに通してエリアシングを最小化する。そして、アナログ−デジタル・コンバータを用いてデータをデジタル化する。電圧センサ７０４に関連するアナログ−デジタル・コンバータは、図７にＡ／Ｄコンバータ７２４として示す。Ａ／Ｄコンバータ７２４は、ＤＣ電源７０１で測定したアナログ電圧から適切にサンプリングしたデジタル信号を発生するために十分な分解能を有し、ＤＣ電源７０１は太陽電池パネルとすることができる。

最大電力点を追尾するためにコンバータの入力端子で収集した電流及び電圧は、監視目的で用いることもできる。十分な分解能を有するアナログ−デジタル・コンバータは、パネルの電圧及び電流を適正に評価することができる。しかし、パネルの状態を測定するためには、さらに低いサンプルレートでも十分なことがある。ローパスフィルタは、パネルの状態を評価するのに低いサンプルレートで十分であることを可能にする。電流及び電圧データは、分析のために監視兼記録装置に供給する。

温度センサ７７９は、システムが分析プロセスにおいて温度データを用いることを可能にする。温度は、一種の故障及び問題を示す。さらに、電源が太陽電池パネルである場合は、パネルの温度は出力電力生産の係数である。

１つ以上の外部センサインタフェース７０７は、種々の外部センサをコンバータ７０５に接続することを可能にする。外部センサを随意的に用いて、太陽電池パネル７０１、または太陽電池パネル７０１を接続することによって形成されるストリングまたはアレイの状態の分析を強化する。外部センサの例は、周囲温度センサ、太陽放射センサ、及び隣接するパネルからのセンサを含む。外部センサは外部に取り付ける代わりにコンバータ７０５内に集積することができる。

本発明の１つの態様では、電流及び電圧センサ７０３、７０４、及び随意的な温度センサ及び外部センサ７０５、７０７から取得した情報を、通信インタフェース７０９を用いて中央分析ステーションに送信して、監視、制御、及び分析を行うことができる。中央分析ステーションは図には示していない。通信インタフェース７０９はマイクロコントローラ７０６を通信バスに接続する。通信バスはいくつかの方法で実現することができる。本発明の１つの態様では、通信バスはイーサネットまたはＲＳ４２２のようなオフ・ザ・シェルフ通信バスを用いて実現される。無線通信または電力線通信のような他の方法も用いることができる。双方向通信を用いる場合には、中央分析ステーションはマイクロコントローラ７０６によって収集したデータを要求することができる。その代わりに、またはこれに加えて、センサ７０３、７０４、７０５、７０７から取得した情報を、監視兼記録モジュール７１１を用いて、ＲＡＭ７１５またはＮＶＲＡＭ７１３のようなローカルメモリにローカルに記憶することができる。

センサ７０３、７０４、７０５、７０７からの情報は、太陽電池アレイ内の電力喪失に関連する多種の故障の検出及び箇所特定を可能にする。高性能の分析を用いて、太陽電池アレイの特定部分を洗浄または交換するような修正措置を提案することもできる。センサ情報の分析により、環境条件によって生じる電力損失を検出し、高価で困難な太陽電池アレイの試験を回避することもできる。

その結果、本発明の１つの態様では、マイクロコントローラ７０６は、ＭＰＰＴモジュール７１９内のＭＰＰＴアルゴリズムに基づいて、コンバータ７０５に取り付けられたＤＣ電源からコンバータ７０５への入力電力の最大電力点を維持すると同時に、センサ７０３、７０４、７０５、７０７からの情報を収集する。収集した情報はローカルメモリ７１３、７１５に記憶して、外部の中央分析ステーションに送信することができる。本発明の１つの態様では、マイクロコントローラ７０６は、ＮＶＲＡＭ７１３に記憶された事前に定めたパラメータを用いて動作する。ＮＶＲＡＭ７１３に記憶された情報は、製造番号、使用する通信バスの種類、状態更新率、及び中央分析ステーションのＩＤのようなコンバータ７０５についての情報を含むことができる。この情報は、伝送の前に、センサによって収集したパラメータに追加することができる。

コンバータ７０５は、太陽電池アレイの設置中に設置するか、あるいは既存の設備に追設することができる。両方の場合において、コンバータ７０５はパネル接合用の接続ボックス、あるいはパネル７０１どうしを接続するケーブルに接続することができる。各コンバータ７０５には、容易な設置及び太陽電池パネル７０１及びパネルケーブルへの接続を可能にするためのコネクタ及びケーブル配線を設けることができる。

本発明の１つの態様では、物理インタフェース７１７を用いて、標準的な通信プロトコル及び物理層に変換し、これにより、設置及び保守中に、コンバータ７０５を、コンピュータまたはＰＤＡのような種々のデータ端末の１つに接続することができる。そして分析はソフトウェアとして実現し、このソフトウェアは標準的なコンピュータ、組込みプラットフォーム、あるいは専用装置上で実行される。

コンバータ７０５の設置プロセスは、各コンバータ７０５を太陽電池パネル７０１に接続することを含む。センサ７０３、７０４、７０５、７０７の１つ以上を用いて、太陽電池パネル７０１とコンバータ７０５とが適切に結合されていることを保証することができる。設置中に、製造番号のようなパラメータ、物理的箇所、及びアレイの接続トポロジーをＮＶＲＡＭ７１３に記憶することができる。分析ソフトウェアはこれらのパラメータを用いて、太陽電池パネル７０１及びアレイ内の将来の問題を検出することができる。

ＤＣ電源７０１が太陽電池パネルである場合は、太陽光発電の太陽電池パネルの設置者が直面する１つの問題は安全性である。太陽電池パネル７０１は、太陽光のある日中に直列接続される。従って、いくつかの太陽電池パネル７０１が直列接続されている設置の最終段階では、パネルのストリング両端の電圧が危険レベルに達し得る。家庭用の設置では６００Ｖもの電圧が普通である。従って、設置者は感電死の危険に直面する。パネル７０１に接続されたコンバータ７０５は、こうした危険を防止するためのビルトイン（内蔵）機能を用いることができる。例えば、コンバータ７０５は、所定の最小負荷を検出するまで出力電圧を安全レベルに制限することができる。この所定負荷を検出して初めて、マイクロコントローラ７０６はコンバータ７０５からの出力電圧を立ち上げる。

安全メカニズムを提供する他の方法は、コンバータ７０５とこれに関連するパネルのストリングまたはアレイ用のインバータとの間の通信を用いることである。この通信は例えば電力線通信とすることができ、大きな、あるいは潜在的に危険な電力レベルが取得可能になる前にハンドシェークを提供することができる。従って、コンバータ７０５は、インバータに電力を転送する前に、関連するアレイ内のインバータからのアナログまたはデジタルの解除信号を待機する。

上述したＤＣ電源７０１の監視、制御、及び分析の方法は、太陽電池パネル上、あるいは太陽電池パネルのストリングまたはアレイ上で、あるいはバッテリまたは燃料電池のような他の電源に対して実現することができる。

これまでに説明した本発明の監視装置は、あらゆる太陽電池パネル設備内で実現することができるが、住宅用で比較的小型の設備にとって特に有益である。他方では、例えば０．２５メガワットの太陽光発電フィールドまたはそれ以上のもののような大型設備については、各パネル上に監視装置を実現することは極めて高価であることが判明することがある。従って、本明細書で提供する監視装置の解決法は、こうした応用向けに修正することができる。

図８に、一般的な集中型太陽光発電フィールド設備を例示する。図８では、大型フィールド設備が、いくつかの太陽電池パネル８０５を直列接続してストリング８１０を形成することによって形成されている。通常、８〜２０個のパネル８０５を直列接続して１つのストリング８１０を形成する。そして、いくつかのストリング、例えば８個または１２個のストリングを並列接続してクラスタ８１５を形成する。そして、いくつかのクラスタを、スーパークラスタ接続ボックス８２０内で一緒に接続してスーパークラスタを形成する。このスーパークラスタは、中央インバータまたは他のスーパークラスタに接続することができる。従来技術によれば、こうしたシステムを監視することは、スーパークラスタの出力における電流及び電圧を測定することによって行っている。しかし、こうした監視は大きな故障しか検出せず、修正されればより高い効率をもたらし得るより小さい問題を検出し損なう。他方では、各パネルに監視装置を設けて、マスター−スレーブ構成を利用して各パネルから性能データを得ることが提案されている。しかし、こうした構成は、各パネル上の監視装置毎の追加コスト（大型のフィールド設備では通常、何百個から何万個ものパネルが存在する）と、そして送信要求の複雑性との両方の意味で高価である。さらなる背景情報については、特許文献２（米国特許出願公開第２００６／０１６２７７２号明細書）を参照されたい。

図９に、本発明の実施例による監視装置を実現する集中型太陽光発電フィールド設備を例示する。システム９００は、直列接続されてストリング９１０をなすパネル９０５で構成され、ストリング９１０は並列接続されてクラスタ９１５を形成し、クラスタ９１５はスーパークラスタ接続ボックス９２０に接続されている。図９の実施例では、直列接続されたパネル９０５のストリング９１０毎に１つの監視装置９２５が設置されている。監視装置９２５は図３Ａの監視装置３００と同じにすることができる。他方では、１つの実施例では、監視装置９２５が電流プローブ及び送信手段のみを具え、これらは監視装置３００のものと同様にすることができる。図９では、第１パネル９０５に接続された監視装置９２５を示しているが、監視装置９２５はストリング９１０内の直列接続されたパネルのいずれに接続することもできる。これに加えて、１つの電圧監視装置９３０をスーパークラスタ接続ボックスにおいて接続することができる。電源装置を用いて監視装置９２５及び９３０に給電することができる。電力は、バッテリまたは他の場所からの引込み線のような多数の電源の１つから取り出すことができる。１つの実施例では、監視装置９２５及び９３０は、これらを通るケーブルから獲得した電力から給電することができ、監視装置９２５の場合は監視する太陽電池パネルから、結合ボックス９２０の場合は１つ以上のクラスタ９１５の全体から獲得した電力から給電することができる。

図９の構成では、各ストリング９１０はスーパークラスタ接続ボックス９２０において他のすべてのストリングと並列に接続されているので、電圧監視装置９３０によって測定した電圧は各ストリング９１０の電圧を示す。電圧測定値はボックス９２０から、電流測定値は各ストリングから別個に、中央監視システム（図示せず）に送信される。あるいはまた、監視装置９２５はそのデータを電力線通信または他の手段で監視装置９３０に送信し、監視装置９３０はこれらのデータを統合して中央監視システムに送信する。監視装置９３０は、受信したデータを、自分自身が監視したあらゆるデータと共に、矢印９５５で示すように、イーサネット、無線通信（ＷｉＦｉ（登録商標）、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）、等）のような他の伝送方法を用いて、一方向通信または双方向通信によって中央監視ステーション（図示せず）に送信することができる。その結果、中央監視ステーションは各ストリングからの電力生産を計算することができる。こうした監視は、各ストリングにおける電力低下及び他の故障に対してより敏感である。このことは、各パネルに監視装置を設置する費用なしに、機能不全または故障しているパネルの改善された識別を可能にする。

これに加えて、複雑なマスター−スレーブ構成を利用するのではなく、この実施例では、図３Ａ及び３Ｂに関して説明したように、監視装置９２５が電力線通信を用いて単方向通信法によってデータを送信する。このようにして、専用バスが必要でなくなり、以上で説明したランダム化メカニズムを用いることによって衝突が回避される。太陽光発電フィールドは非常に大型にすることができ、かつ何千個もの送信する監視装置を含むので、フィールドの一部において送信されるデータがフィールドの他の部分において送信されるデータと干渉することを防止することが有益である。本発明の１つの態様では、こうした分離は、各スーパークラスタ結合ボックス９２０の出力端子どうしの間にコンデンサ９６０を導入することによって行うことができる。このコンデンサ９６０を用いて、スーパークラスタ内のＰＬＣ（電力線通信）信号伝達を減衰させ、他のスーパークラスタとの干渉を防止する。

図１０に、本発明の他の実施例による監視装置を実現する太陽光発電フィールド設備を例示する。図１０の実施例は、電流監視装置１０３５を追加して各クラスタ１０１０によって供給される全電流を測定すること以外は、図９の実施例と同様である。電流監視装置１０３５において測定した電流は、すべての監視装置１０２５において測定した電流測定値の合計値であるべきである。即ち、電流監視装置の読取り値は、すべての監視装置１０２５によって報告される読取り値の合計値（から伝送損失を差し引いた値）に比例すべきである。異常な相違を検出した場合は、この相違は、ストリング１０１０の少なくとも１つが電流供給に問題があることを意味する。この問題は、故障したコネクタ、ケーブルの絶縁不良、あるいは他の要因によるものであり得る。従って、この問題は検出され、そして容易に突き止めて修復することができる。

以上で説明したもののような本発明の実施例は、各太陽電池パネル５０１の、あるいは太陽電池パネルのストリング５０３の性能を監視、制御、記録、及び／または通信することによって、より大きな度合いのフォールト・トレランス（耐故障性）、保守性、及び有用性を提供する。コンバータ５０５のＭＰＰＴ回路内で使用されるマイクロコントローラは、図３Ａの監視モジュール３００を含むことができる。そして、このマイクロコントローラを用いて、監視、記録、及び通信機能を実行することもできる。これらの機能は、設置中の迅速かつ容易なトラブルシューティング（故障発見修理）を可能にし、これにより設置時間を大幅に低減する。これらの機能は、保守作業中の問題の迅速な検出にとっても有用である。さらに、システムの各部分の動作を監視することによって、予防的保守を適時（タイムリー）に実行してシステムの休止時間（ダウンタイム）を回避することができる。

本発明は、あらゆる点で限定的ではなく例示的であることを意図した特定例に関して説明してきた。本発明を実施するために、ハードウェア、ソフトウェア及びファームウェアの多種の組合せが適していることは、当業者にとって明らかである。さらに、明細書の考察及び明細書に開示した本発明の実施により、本発明の他の実現は当業者にとって明らかである。本明細書及び例は好適なものに過ぎないと考えるべきであり、本発明の真の範囲は請求項の記載及びこれと等価なものによって示されることを意図している。

Claims (36)

1. 複数の電源と；
   各々が前記電源の１つに関連し、前記関連する電源の性能データを収集する複数の監視モジュールと；
   各々が前記監視モジュールの１つに関連し、前記性能データを送信する複数の送信機と；
   各々が前記送信機の１つに関連し、タイマーの初期化からの経過時間に応じて送信イベントを制御する複数のコントローラと
   を具えていることを特徴とする分散型ＤＣ電力設備用監視システム。
2. 前記電源の各々が電力線に接続され、前記送信機の各々が前記性能データを前記電力線上で送信することを特徴とする請求項１に記載の監視システム。
3. 前記監視モジュールの各々が、
   電流データを収集する電流測定モジュールと；
   電圧データを収集する電圧測定モジュールと
   を具えていることを特徴とする請求項１に記載の監視システム。
4. 前記監視モジュールの各々がさらに、前記電源における温度データを検出するための温度センサモジュールを具えていることを特徴とする請求項１に記載の監視システム。
5. 前記監視モジュールの各々がさらに、前記電源におけるアーク放電を検出するためのアーク検出モジュールを具えていることを特徴とする請求項１に記載の監視システム。
6. 前記監視モジュールの各々がさらにタイマーを具え、前記コントローラの各々が、当該コントローラに関連する電源が電力を発生し始める際にいつも、前記タイマーを初期化することを特徴とする請求項１に記載の監視システム。
7. 前記監視モジュールの各々がさらに、送信イベントを制御するための時間増分を変化させるための乱数発生器を具えていることを特徴とする請求項６に記載の監視システム。
8. さらに、タイマーの初期化以後に累積した前記性能データを記憶するメモリを具えていることを特徴とする請求項１に記載の監視システム。
9. さらに、
   中央分析ステーションと；
   前記性能データを前記監視モジュールから受信し、前記性能データを前記中央分析ステーションに送信する通信変換器と
   を具えていることを特徴とする請求項８に記載の監視システム。
10. 前記中央分析ステーションが故障検出を分析することを特徴とする請求項９に記載の監視システム。
11. 前記中央分析ステーションが、測定した電力を、外部データに基づいて決定した予想電力と比較することを特徴とする請求項９に記載の監視システム。
12. 前記電源の各々が太陽電池パネルを具えていることを特徴とする請求項９に記載の監視システム。
13. 前記電源が、直列接続された太陽電池パネルのストリングを具えていることを特徴とする請求項９に記載の監視システム。
14. 前記監視モジュールの各々が、電流データを収集する電流測定モジュールを具えていることを特徴とする請求項１３に記載の監視システム。
15. さらに、
    前記直列接続された太陽電池パネルのストリングのすべてを並列結合するための接続ボックスと；
    前記並列結合の電圧を測定する電圧測定モジュールと
    を具えていることを特徴とする請求項１４に記載の監視システム。
16. さらに、
    前記直列接続された太陽電池パネルのストリングのすべてを並列結合するための接続ボックスと；
    前記並列結合の全電流を測定する全電流測定モジュールと
    を具えていることを特徴とする請求項１４に記載の監視システム。
17. 前記監視システムが、前記全電流測定モジュールの出力を、前記監視モジュールの各々の前記電流測定モジュールの出力の合計値と比較することによって、電流漏洩を検出することを特徴とする請求項１６に記載の監視システム。
18. ＤＣ電源を含む分散型電力ハーベストシステムを監視する方法において、
    前記ＤＣ電源の各々における電力発生を個別に監視し、前記ＤＣ電源の１つにおける電力発生がしきい値を超えると、
    当該ＤＣ電源用のタイマーを初期化するステップと；
    当該ＤＣ電源の性能データを収集するステップと；
    前記タイマーの計時期間の経過を監視し、前記計時期間が設定時間に達すると、前記収集した性能データを中央分析ステーションに送信するステップと
    を実行することを特徴とする監視方法。
19. 前記性能データを収集するステップがさらに、前記性能データをメモリに記憶することを含み、前記収集した性能データを送信するステップが、前記タイマーの初期化以後に累積した前記収集した性能データを送信することを含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記性能データを収集するステップが、前記ＤＣ電源の出力電圧及び出力電流の少なくとも一方を測定することを含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
21. さらに、前記ＤＣ電源の少なくとも１つの性能データを、同じ前記ＤＣ電源の異なる時刻における性能データと比較することを含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
22. さらに、前記ＤＣ電源の少なくとも１つの性能データを、当該ＤＣ電源に隣接する前記ＤＣ電源の性能データと比較することを含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
23. さらに、前記ＤＣ電源の少なくとも１つの性能データを、外部パラメータに基づく予想性能データと比較することを含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
24. 前記計時時間の経過を監視するステップがさらに、前記設定時間にランダム性を導入することを含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
25. さらに、複数の太陽電池パネルを直列接続して前記ＤＣ電源の各々を形成することを含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
26. 前記収集した性能データを送信するステップが、前記収集した性能データを電力線上で送信することを含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
27. 直列接続されてパネルのストリングを形成する複数の太陽電池パネルであって、このパネルのストリングが電力線に結合されている複数の太陽電池パネルと；
    前記パネルのストリングに接続され、前記太陽電池パネルの少なくとも１つの性能データを収集する少なくとも１つの監視モジュールとを具えた分散型ＤＣ電力ハーベストシステムであって、
    前記監視モジュールが、
    前記性能データを電力線上で送信する送信機と；
    タイマーの初期化からの経過時間に応じて前記送信機の送信イベントを制御するコントローラとを具え、
    前記分散型ＤＣ電力ハーベストシステムがさらに、
    前記電力線に結合され、前記送信機からの前記性能データを受信する受信ステーションを具えていることを特徴とする分散型ＤＣ電力ハーベストシステム。
28. 前記受信ステーションがさらに、電圧センサと電流センサの少なくとも一方を具えていることを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
29. 前記受信ステーションがさらに、少なくとも前記電力線から受信した前記性能データを中継する送信機を具えていることを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
30. 前記送信機が無線送信機を具えていることを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
31. 前記送信機が、
    前記太陽電池パネルの少なくとも１つの電流データを収集する電流測定モジュール、及び、
    前記太陽電池パネルの少なくとも１つの電圧データを収集する電圧測定モジュール
    の少なくとも一方を具えていることを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
32. 前記監視モジュールがさらに、温度センサを具えていることを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
33. 前記監視モジュールがさらにタイマーを具え、前記コントローラが、当該コントローラに関連するパネルが電力を発生し始めるといつも、前記タイマーを初期化することを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
34. 前記監視モジュールがさらに、送信イベントを制御するための時間増分を変化させるための乱数発生器を具えていることを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
35. さらに、前記タイマーの初期化以後に累積した前記性能データを記憶するメモリを具えていることを特徴とする請求項３３に記載のシステム。
36. さらに、
    １つ以上の追加的なパネルのストリングと；
    前記パネルのストリング及び前記追加的なパネルのストリングを並列結合するための接続ボックスと；
    前記並列結合の電圧を測定する電圧測定モジュールと
    を具えていることを特徴とする請求項２７に記載のシステム。

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