TWI519059B - Monitoring System of Solar Cell Array and Its Monitoring Method - Google Patents

Description

太陽能電池陣列之監測系統及其監測方法

本發明係關於一種監測系統及其監測方法，尤指一種應用於太陽能電池陣列的一種監測系統及其監測方法。

太陽能發電是一種倚靠太陽之輻射能量轉換為電能的一種發電方式，而藉以發電的工具之一即是太陽能電池。根據1905年愛因斯坦所提出的光電效應(Photoelectric Effect)，其引入了當時被古典物理學家極為抗拒的光子(Photon)概念，愛因斯坦發現藉由高能光子照射於導電材料上時，可以使該導電材料上的束縛電子獲得足夠能量而激發出可自由漂移以形成電流的光電子，達成輻射能量轉換為電能的程序。太陽能電池的發展始於1949年W.Shockley解釋了P-N接面的原理。接著1954年美國貝爾實驗室(Bell Tele.Lab.)的D.M.Chapin等人、與RCA公司的J.J.Loferski於同年同月發表了世界最早的太陽能電池。至今，太陽能終於在環保議題與石油存量疑慮受到高度關切的現代，成為一個新興產業，由於太陽能相較於水力或風力發電沒有機械運動的耗損問題，且發電機具之安裝較不受地理位置限制等優點，相較其他綠能發電方式，太陽能電池在未來將更具有發展潛力。

但現有技術之太陽能電池其受限於使用的材料與其能量轉換效率，使得單一片的太陽能電池所產出的電能相當有限，無法達到一般市電之標準，因此一般所採行的方式係將複數太陽能電池串接成一具有較大受光面積的太陽能電池陣列，各太陽能電池陣列亦可彼此串接，以達到更為龐大的受光面 積，並維持較高的總輸出電壓。然而，現有技術之太陽能電池陣列之監測與維護，一般僅針對最終總輸出端進行監測，一旦發現數據異常或其他故障現象，則無法及時發現出現異常的是眾多太陽能電池中的哪一片或哪幾片太陽能電池，特別是在大型的太陽能發電站或發電廠，尋找故障的太陽能電池猶如大海撈針，不僅造成維修時間的增加而影響發電效率，亦增加了多餘的人事成本在尋找並汰換故障或效能低落的太陽能電池上，對於從事太陽能發電的業主而言，造成營運上極大的困擾。

有鑑於此，本發明的主要目的係提供一種太陽能電池陣列之監測系統及其監測方法，係透過對於一太陽能電池陣列的每一片太陽能電池進行監測，以及對於每一片太陽能電池的個別診斷與壽命預測，能夠達到自動化即時檢知故障的太陽能電池是哪一片或哪幾片，增進太陽能電池陣列之維護效率並降低營運成本。

為達到上述之創作目的，本發明所採用的主要技術手段係令該太陽能電池陣列之監測系統包含有：複數電性監測盒，各電性監測盒分別具有一微處理器、一電性監測模組及一通訊模組，該微處理器係分別電連接該電性監測模組及該通訊模組，且各電性監測模組係與一太陽能電池陣列中之一太陽能電池構成電連接；一雲端伺服器，係透過一通訊介面分別與各通訊模組連接。

本發明的優點在於，各電性監測盒係分別對於每一片太陽能電池進行監測，其中該電性監測盒中的微處理器係將該電性監測模組於監測期間所得的電性監測結果透過該通訊模組及該通訊介面傳輸予該雲端伺服器，透過該雲端伺服器可自動化即時檢知故障的太陽能電池是哪一片或哪幾片，以及對 於每一片太陽能電池的個別診斷與壽命預測，複數使用者能透過存取該雲端伺服器而即時得知該太陽能電池陣列中之各太陽能電池的現況，因此本發明能夠增進太陽能電池陣列之維護效率，並降低營運成本。

為達到上述之創作目的，本發明所採用的另一主要技術手段係提供一太陽能電池陣列之監測系統的監測方法，主要係令一電性監測盒與一太陽能電池陣列中的一太陽能電池連接，並由該電性監測盒執行下列步驟：判斷太陽能電池陣列是否為初次使用；若判斷結果為是，即紀錄該太陽能電池的一初始電性資訊；將該初始電性資訊傳輸予一雲端伺服器；若判斷結果為否，則持續地監測該太陽能電池的一即時電性資訊；將該即時電性資訊傳輸予該雲端伺服器；判斷是否接收到該雲端伺服器送出的一診斷指令；若判斷結果為是，則將該太陽能電池與該太陽能電池陣列中的其他太陽能電池電性隔離；對該隔離的太陽能電池進行單獨的電性診斷，其中電性診斷包括量測太陽能電池之電性資訊；產生一電性診斷資訊並將其傳輸予該雲端伺服器。

本發明係於第一次使用太陽能電池陣列時，由該電性監測盒開始為該太陽能電池陣列中之一太陽能電池紀錄初始電性資訊，並將該初始電性資訊儲存於該雲端伺服器，用於之後作為對於各太陽能電池之效能的評估，於第一次使用該太陽能電池陣列之後，該電性監測盒係持續性地監測該太陽能電池的即時電性資訊，且將該即時電性資訊傳輸予該雲端伺服器，此時若該太陽能電池的初始電性資訊與即時電性資訊出現差異過大或不合邏輯等異常時，該電性監測盒會接收到該雲端伺服器的一診斷指令，並根據該診斷指令將該太陽 能電池電性隔離於該太陽能電池陣列中的其他太陽能電池之外，並單獨對該太陽能電池進行電性診斷，以排除其他電性正常之太陽能電池的影響，當電性診斷完成，該電性監測盒係產生該電性診斷資訊並將其傳輸予該雲端伺服器，供該雲端伺服器評估該太陽能電池的建議處理對策、以及該太陽能電池本身的壽命預測，並讓複數使用者能透過存取該雲端伺服器而即時得知該太陽能電池陣列之現況，因此本發明能夠更具效率地維護太陽能電池陣列，並以自動化的監測方式降低太陽能電池陣列的營運成本。

10‧‧‧電性監測盒

11‧‧‧微處理器

12‧‧‧電性監測模組

121‧‧‧電壓量測器

122‧‧‧電流量測器

123‧‧‧第一開關

124‧‧‧第二開關

13‧‧‧通訊模組

131‧‧‧天線

132‧‧‧網路線

20‧‧‧雲端伺服器

圖1：為本發明之一較佳實施例的電路方塊圖。

圖2：為本發明之一較佳實施例的使用示例圖。

圖3：為二極體接面太陽能電池的等效電路。

圖4：為太陽能電池的電流與電壓特性曲線圖。

圖5：為本發明之太陽能電池陣列之監測系統的監測方法流程圖。

圖6及7：為本發明之一較佳實施例的診斷動作圖。

以下配合圖式，進一步闡述本創作為達成創作目的所採取的技術手段。

請參閱圖1所示，為本發明之一較佳實施例，其包含有複數電性監測盒10及一雲端伺服器20，其中各電性監測盒10係用以分別連接且監測一太陽能電池陣列中之各太陽能電池，並產生對應各太陽能電池之電性資訊，而各電性監測盒10分別具有一微處理器11、一電性監測模組12及一通訊模組13，該 微處理器11係分別電連接該電性監測模組12及該通訊模組13，且各電性監測模組12係與一太陽能電池陣列中一對應的太陽能電池30構成電連接。該雲端伺服器20係透過一通訊介面分別與各電性監測盒10的通訊模組13連接，用以接收並比對複數電性監測盒10所產生的複數電性資訊。在本實施例中，該通訊介面可為有線通訊介面或/及無線通訊介面。

請參閱圖2所示，該電性監測盒10中的電性監測模組12係包含有一電壓量測器121、一電流量測器122、一第一開關123及二第二開關124，其中該電壓量測器121係用以量測該太陽能電池陣列中一對應太陽能電池的電壓值，並傳輸將該電壓值傳輸予該微處理器11；該電流量測器122係用以量測該太陽能電池陣列中對應該電性監測盒10之該太陽能電池的電流值，並傳輸該電流值予該微處理器11，該第一開關123、二第二開關124係受該微處理器11控制；其中，該第一開關123跨接於太陽能電池的兩端且分別與該電壓量測器121及電流量測器連接122；二第二開關124分別串接於該太陽能電池的兩端與太陽能電池陣列的其他太陽能電池之間。在本實施例中，該電性監測盒10中的通訊模組13可為一天線131或/及一網路線132，該微處理器11接收到該電壓偵測器121及該電流偵測器122所傳輸的電壓值與電流值之後，係透過該通訊模組13可以有線的乙太網(Ethernet)通訊介面或/及無線的Wi-Fi、3G、NFC(Near Field Communication)等通訊介面將電壓值與電流值傳輸予該雲端伺服器20，以供該雲端伺服器20進行儲存、統計或分析作業。

最典型的太陽能電池係為二極體太陽能電池，其為一電洞為多數載子的P型半導體及一電子為多數載子的N型半導體所堆疊而成，以矽基半導體為例，P型半導體係於矽晶材料中摻雜硼離子雜質，而N型半導體係於矽晶材料中摻雜磷離子雜質。在二極體太陽能電池之P型與N型半導體的接面處會因為有多數載子的濃度擴散而造成電子-電洞對(Electron-Hole Pair)復合 (Recombination)而形成所謂的空乏區(Depletion Region)，然而這樣的復合效應會使得鄰近接面處之P型與N型半導體本體(Bulk)區域的電中性受到破壞，故產生所謂的內建電場(Built-in Electric Field)，該內建電場的方向是從N型半導體指向P型半導體。當具有足夠能量的光子入射該二極體太陽能電池後，受空乏區中受光子能量激發所產生的多餘電子-電洞對會在復合之前，被內建電場分離造成N型半導體區域向外輸出電子(亦即P型半導體區域向外輸出電洞)，而使二極體太陽能電池產生光電流開始發電。但在現實狀態下的太陽能電池皆具有兩種寄生電阻(Parasitic Resistance)，依據於太陽能電池學界執牛耳的澳洲新南威爾斯大學Martin Green教授的分析，其中一寄生電阻為串聯電阻(Series Resistance,R_S)，另一寄生電阻為並聯電阻(Shunt Resistance,R_sh或Parallel Resistance,R_p)。該串聯電阻R_S主要為接觸電阻所導致，造成串聯電阻R_S的可能原因包括：P型與N型半導體的接面深度、P型與N型半導體的摻雜濃度、太陽能電池上層交趾狀電極的形狀及金半接觸(Metal-Semiconductor Contact)電阻等所致。而並聯電阻R_sh主要為缺陷的復合效應所導致，造成並聯電阻R_sh的可能原因包括：P型與N型半導體的接面邊緣電性隔絕不佳造成漏電流、半導體本體中的晶界缺陷復合、空乏區缺陷復合、表面缺陷復合等所致。

請參閱圖3所示，為典型太陽能電池接上一負載R_L之等效電路，在假設照射該太陽能電池之光源為一穩定光源的條件之下，可將太陽能電池視為一穩定產生光電流I_L的電流源，與之並聯的有一代表內建電場的二極體及一個並聯電阻R_sh，通過該二極體的暗電流為二極體於未受光照時的暗特性所致，I_sh為元件漏電流所造成，剩餘的光電流再通過串聯電阻R_S之後輸出至負載R_L，其中η為理想因子(ideal factor)。由等效電路推算，當流入負載R_L的電流為I且電壓V時可得：

V=IR_L (1-2)

在考慮當V→0(即V趨近於0)時上述(1-1)式的漸進行為，對於一般情況下滿足下述條件：

分別考慮當V→0及V→V_oc時，上述(1-1)式可藉由微分計算分別產生：

由(1-4)式及(1-5)式可知，並聯電阻R_sh與串聯電阻R_S的數值分別為太陽能電池之電流與電壓(I-V Characteristic Curves)特性曲線於V→0及V→V_oc時之切線斜率倒數的絕對值。

當前述圖3中的負載R_L自0變化到無窮大時，即可繪製出太陽能電池的電流與電壓特性曲線。請參閱圖4所示，曲線上的每一點稱之為太陽能電池的工作點(Operating Point)，工作點的橫座標和縱座標即為相應的工作電壓和工作電流，若在特性曲線上得到一工作點其對應的工作電流與電壓之乘積有最大值P_max=I_max×V_max，則稱該工作點為最大功率點。而電壓座標軸V趨近於0時工作點所測得的電流值為短路電流(Short Circuit Current,I_sc)，電流座標軸I趨近於0時工作點所測得的電壓值為開路電壓(Open Circuit Voltage,V_oc)。由前述之(1-4)式及(1-5)式可知，並聯電阻R_sh為圖4特性曲線中短路電流I_sc工作點 之切線斜率倒數的絕對值，當並聯電阻R_sh不夠大時，會壓縮開路電壓V_oc的數值，且拉大短路電流I_sc與最大工作電流I_max的數值差距；而串聯電阻R_S為圖4特性曲線中開路電壓V_oc工作點之切線斜率倒數的絕對值，當串聯電阻R_S不夠小時，會壓縮短路電流I_sc的數值，且拉大開路電壓V_oc與最大工作電壓V_max的數值。

因此並聯電阻R_sh與串聯電阻R_S會分別影響開路電壓V_oc及短路電流I_sc的數值，並連帶影響該太陽能電池的最大功率點，使太陽能電池的光電轉換效率產生變化，故並聯電阻R_sh與串聯電阻R_S為判斷太陽能電池運作狀況良莠的重要依據之一。

請參閱圖5至圖7所示，本發明係提供一太陽能電池陣列之監測系統的監測方法，主要係令一電性監測盒10與該太陽能電池陣列中的一太陽能電池連接，並由該電性監測盒10執行下列步驟：該電性監測盒10的該微處理器11判斷太陽能電池陣列是否為初次使用(S1)；請參閱圖6所示，在本實施例中，該微處理器係令二第二開關124接通，使該太陽能電池與該太陽能電池陣列中的其他太陽能電池形成串聯；若判斷該太陽能電池陣列是否為初次使用的結果為是，則該微處理器11令該電性監測盒10的電壓量測器121及電流量測器122紀錄該太陽能電池的初始電性資訊(S11)；在本實施例中，該初始電性資訊係包含有初始電流值以及初始電壓值；接著將該初始電性資訊傳輸予一雲端伺服器20(S12)；在本實施例中，該初始電性資訊係可藉由有線或/及無線的方式傳輸予該雲端伺服器；若判斷該太陽能電池陣列是否為初次使用的結果為否，則代表該太陽能電池非初次使用，並持續地以該電壓量測器121及該電流量測器122分別監測該太 陽能電池的即時電性資訊(S13)；在本實施例中，該即時電性資訊係包含有即時電流值以及即時電壓值；將該即時電性資訊傳輸予該雲端伺服器20(S14)；在本實施例中，該雲端伺服器20在接收到該太陽能電池的初始電性資訊及該即時電性資訊之後，係開始比對該初始電性資訊及該即時電性資訊是否差異過大而出現異常，並以持續接收到的即時電性資訊不斷地與該初始電性資訊做比較。若該雲端伺服器20發現有即時電性資訊出現異常時，則會透過通訊介面輸出一診斷指令予該微處理器11；由該微處理器11判斷是否接收到該雲端伺服器20送出的該診斷指令(S2)；若判斷結果為是，則將該太陽能電池與該太陽能電池陣列中的其他太陽能電池電性隔離(S21)；請參閱圖7所示，在本實施例中，該微處理器11於接收該診斷指令之後，係令二第二開關124開路，將該太陽能電池與太陽能電池陣列中的其他太陽能電池隔離，以排除其他電性正常之太陽能電池的影響，且該微處理器11令該第一開關123接通，讓其他正常的太陽能電池繼續串聯發電；接著對該隔離的太陽能電池進行單獨的電性診斷(S22)；在本實施例中，該微處理器11係令該第一開關123接通，以單獨對該太陽能電池進行電性診斷；該微處理器11係透過該電壓量測器121及該電流量測器122產生一電性診斷資訊並將其傳輸予該雲端伺服器20(S23)；在本實施例中，該電性診斷資訊係包含有該太陽能電池的開路電壓V_oc及串聯電阻R_S等數值資料，由於太陽能電池使用了一段時間之後，會因太陽能電池之空乏區中電子-電洞對的產生與流動而產生越來越多的晶格缺陷，隨著該太陽能電池之使用時間的累積，會使該並聯電阻R_sh逐漸降低，進一步使該開路電壓V_oc逐漸衰退而降低數值，故在 本實施例中，該雲端伺服器20係藉由該開路電壓V_oc來進行對於該太陽能電池的受壽命預測。而前述該串聯電阻R_S主要為接觸電阻所導致，故在本實施例中，該雲端伺服器20係藉由電流與電壓特性曲線於該開路電壓V_oc處的切線斜率(即為前述的(1-5)式)推算出並聯電阻R_S，且藉該串聯電阻R_S來判斷該太陽能電池是否有其他異常現象。

進一步而言，在本實施例中的各電性監測盒10係於該雲端伺服器20中各有一與其對應的編碼或編號，且各電性監測盒10實體外觀亦有可分辨的編碼或編號，藉以於該雲端伺服器20進行分析、診斷或統計時，能夠明確於該雲端伺服器20上標示出現異常或正常的太陽能電池各對應到哪幾個電性監測盒10，且可依據該雲端伺服器20所顯示的編碼或編號，能夠對照到各電性監測盒10實體外觀的編碼或編號而迅速搜尋到異常或正常的太陽能電池分別是哪一片或哪幾片，進而能夠節省許多作業時間。

最後，該雲端伺服器20係藉由上述之該電性診斷資訊進行蒐集、分析及統計，並依據壽命預測與異常現象的分析結果發出警訊，而讓從事太陽能發電的業主或相關使用者可藉由存取該雲端伺服器20而即時得知該太陽能電池陣列之現況，因此本發明能夠更具效率地維護太陽能電池陣列，並以自動化的監測方式降低太陽能電池陣列的營運成本。

以上所述僅是本創作的較佳實施例而已，並非對本創作做任何形式上的限制，雖然本創作已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本創作，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本創作技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容做出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本創作技術方案的內容，依據本創作的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本創作技術方案的範圍內。

10‧‧‧電性監測盒

11‧‧‧微處理器

12‧‧‧電性監測模組

13‧‧‧通訊模組

20‧‧‧雲端伺服器

Claims (10)

1. 一種太陽能電池陣列之監測系統，其包含有：一個以上的電性監測盒，具有一微處理器、一電性監測模組及一通訊模組，該微處理器係分別電連接該電性監測模組及該通訊模組，該電性監測模組係與一太陽能電池陣列中之一太陽能電池構成電連接；一雲端伺服器，係透過一通訊介面分別與該電性監測盒的通訊模組連接；其中，當該電性監測盒接收到該雲端伺服器送出的一診斷指令，則根據該診斷指令將該太陽能電池與該太陽能電池陣列中的其他太陽能電池電性隔離，並對該隔離的太陽能電池進行單獨的電性診斷，其中電性診斷係包括量測太陽能電池之電性資訊，以產生一電性診斷資訊並將其傳輸予該雲端伺服器。
2. 如請求項1所述之太陽能電池陣列之監測系統，其中該電性監測模組具有一電壓量測器及一電流量測器，該電壓量測器及該電流量測器係分別電連接該微處理器；其中，該電壓量測器係跨接於該太陽能電池的兩端，該電流量測器連接於太陽能電池之其中一端。
3. 如請求項2所述之太陽能電池陣列之監測系統，其中該電性監測模組進一步具有一第一開關及二第二開關，該第一開關、二第二開關係受該微處理器控制；其中，該第一開關跨接於太陽能電池的兩端且分別與該電壓量測器及電流量測器連接，二第二開關分別串接於該太陽能電池的兩端與太陽能電池陣列的其他太陽能電池之間。
4. 如請求項1至3中任一項所述之太陽能電池陣列之監測系統，其中該通訊模組可為一天線或/及一網路線。
5. 如請求項4所述之太陽能電池陣列之監測系統，其中該通訊介面可為有線介面或/及無線介面。
6. 一種太陽能電池陣列之監測系統的監測方法，主要係令一電性監測盒與一太陽能電池陣列中的一太陽能電池連接，並由該電性監測盒執行下列步驟：判斷太陽能電池陣列是否為初次使用；若判斷結果為是，即紀錄該太陽能電池的一初始電性資訊；將該初始電性資訊傳輸予一雲端伺服器；若判斷結果為否，則持續地監測該太陽能電池的一即時電性資訊；將該即時電性資訊傳輸予該雲端伺服器；判斷是否接收到該雲端伺服器送出的一診斷指令；若判斷結果為是，則將該太陽能電池與該太陽能電池陣列中的其他太陽能電池電性隔離；對該隔離的太陽能電池進行單獨的電性診斷，其中電性診斷係包括量測太陽能電池之電性資訊；產生一電性診斷資訊並將其傳輸予該雲端伺服器。
7. 如請求項6所述之太陽能電池陣列之監測系統的監測方法，其中於判斷太陽能電池陣列是否為初次使用時，進一步使該太陽能電池與該太陽能電池陣列中的其他太陽能電池形成串聯。
8. 如請求項6所述之太陽能電池陣列之監測系統的監測方法，其中於紀錄該太陽能電池的初始電性資訊時，係進一步紀錄該太陽能電池的初始電流值以及初始電壓值；於紀錄該太陽能電池的即時電性資訊時，係進一步紀錄該太陽能電池的即時電流值以及即時電壓值。
9. 如請求項8所述之太陽能電池陣列之監測系統的監測方法，其中於將該初始電性資訊傳輸予一雲端伺服器時，係進一步藉由有線或/及無線的方式將該初始電性資訊傳輸予該雲端伺服器。
10. 如請求項9所述之太陽能電池陣列之監測系統的監測方法，其中於產生一電性診斷資訊並將其傳輸予該雲端伺服器時，係進一步產生有該太陽能電池的開路電壓及串聯電阻。