TWI566514B - 太陽能發電模組之直流電功率的監測系統及方法 - Google Patents

Description

太陽能發電模組之直流電功率的監測系統及方法

本發明與一種發電模組的監測系統及方法有關，特別是與一種監測太陽能發電模組的直流電功率的系統及方法有關。

圖1為習知用於太陽能發電系統的監測裝置示意圖。習知的太陽能發電系統100包括一發電模組串列110、一直流接線箱120及一變流器(Inverter)130。發電模組串列110是由多個彼此串聯的太陽能發電模組111,112…11n(下文中簡稱為「發電模組」)所組成，發電模組串列110所產生的直流電通過直流接線箱120而傳送至變流器130的直流電輸入端131(又稱初級端或一次端)；直流電輸入變流器130後轉變為交流電，再由變流器130的交流電輸出端132(又稱次級端或二次端)輸出至一用電單元(未圖示)。習知的監測裝置200包括一內建在變流器130中的一監測器210及一通訊模組220，以及一監測主機230。在習知技術中，監測器210量測到的是變流器130所輸出的交流電的發電資訊，其利用通訊模組220將發電資訊傳輸至監測主機230。圖1的監測主機230利用集線器240與通訊模組220或網際網路連線。

然而，因為每個發電模組111,112…11n是彼此串聯的，導致每個發電模組111,112…11n所產生的直流電在輸入變流器130之前其電壓已經衰減，且變流過程亦有功率的消耗。習知的監測裝置200僅能監測到經過變流器130轉換後的交流電的發電功率，無法實際反映每個單一的發電模組111,112…11n或是整個發電模組串列110所產生直流電功率的變化，也無法獲得變流過程中的轉換功率消耗資訊，故其監測結果的可靠度及精密度有疑慮。

此外，若發電模組串列110中，有一個發電模組111,112…11n異常地開路或是斷路，則僅監督變流器130的輸出端132，無法立即得知異常位置所在而進行修復。

因此，若能獲得即時可靠的發電資訊，並立即得知太陽能發電模組的異常位置，則可有效維護發電品質，對發電效益及用電安全有重大貢獻。

本發明之一目的在於提出一種監測系統，可實際反映每個單一的發電模組所產生直流電功率的變化，也可獲得變流過程中的轉換功率消耗資訊，而立即得知異常的發電模組位置。

為了達到上述目的，本發明提供一種監測系統，應用於監測一太陽能發電系統中複數彼此電性連接的發電模組的直流電功率。每一發電模組輸出直流電至一變流器，變流器具有一直流電輸入端及一交流電輸出端。每一發電模組具有一直流電輸出端，其電性連接於變流器的直流電輸入端。本發明的監測系統包括複數發電功率擷取單元、一類比數位轉換裝置、一通訊模組、一韌體以及一顯示單元。

每一發電功率擷取單元電性連接於多個發電模組之其一，以擷取其所對應的發電模組的直流電輸出端之一直流電功率，而產生一類比電壓訊號。類比數位轉換裝置將每一發電功率擷取單元所產生的類比電壓訊號轉換為一直流數位訊號。通訊模組電性連接類比數位轉換裝置，對直流數位訊號進行處理使其符合一通訊協議，此通訊協議不限於一有線通訊協議或是一無線通訊協議。韌體接收通訊模組所傳來的直流數位訊號，並將其轉換為一文字資訊。此外，韌體並包括一異常判斷機制，依據每一直流數位訊號判斷其對應的發電模組的直流電功率是否符合一標準值。顯示單元用以顯示韌體所傳來的文字資訊。

在一實施例中， 上述的每一發電功率擷取單元例如是電磁感測器、分流器、電阻、霍爾元件或是這些元件的組合。

在一實施例中，上述監測系統還包括一直流電力傳輸線，電性連接發電模組之直流輸出端、發電功率擷取單元、類比數位轉換裝置、通訊模組及韌體，並且將直流數位訊號從類比數位轉換裝置傳輸至韌體。

在一實施例中，上述的監測系統更包括一串列監測器、一第二通訊模組及一交流電力傳輸線。串列監測器及第二通訊模組皆設置於變流器內部，其中串列監測器電性連接變流器的交流電輸出端，以擷取一交流電功率，並將交流電功率轉換成一交流數位訊號。第二通訊模組通過交流電力傳輸線而電性連接串列監測器及韌體，並將交流數位訊號傳輸至韌體。因此，韌體異常判斷機制還包括：依據變流器的交流電輸出端的交流電功率及每一發電模組的直流電功率，從太陽能發電系統中發現一異常的發電模組。

本發明提供一種太陽能發電模組之直流電功率的監測方法，包括：從每一發電模組的直流電輸出端擷取一直流電功率，而產生一類比電壓訊號；將每一直流電功率的類比電壓訊號轉換為一直流數位訊號；提供一通訊模組，對直流數位訊號進行處理使其符合一通訊協議；提供一韌體，依據通訊模組所傳來的每一直流數位訊號判斷其對應的發電模組的直流電功率是否符合一標準值；以及將每一直流數位訊號轉換為一文字資訊，並將文字資訊顯示於一顯示單元。

在一實施例中，上述的監測方法更包括：從變流器內部監測變流器的交流電輸出端，以擷取一交流電功率；將交流電功率轉換為一交流數位訊號；對交流數位訊號進行處理使其符合一通訊協議；以及利用一交流電力傳輸線將交流數位訊號傳輸至韌體。韌體依據變流器的交流電輸出端的交流電功率及每一發電模組的直流電功率，從太陽能發電系統中發現一異常的發電模組。

本監測系統從發電源頭開始監督直流電的發電狀態， 因此可以在不改變原有太陽能發電模組的電路結構的情形下，提前得知發電異常，並可分析變流器或太陽能發電系統的次級側所輸出的交流端的發電異常原因。因為本監測系統是對每一發電模組各別監測，所以可以進一步找出發電異常的發電模組。本監測系統可使用電磁感應的方式，例如霍爾效應等非侵入式方式，並直接利用太陽能發電系統原有傳輸直流電的電力傳輸線來傳輸發電資訊或故障資訊，可以降低成本並且避免增加其他的電磁干擾源。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是用於參照隨附圖式的方向。因此，該等方向用語僅是用於說明並非是用於限制本發明。

圖2A顯示一習知的太陽能發電系統100及本發明之一實施例的監測系統300。太陽能發電系統100的基本型態是由發電模組串列110、直流接線箱120及變流器130所構成的。發電模組串列110是由多個彼此電性連接的太陽能發電模組111,112…11n(以下說明中簡稱為「發電模組」)所構成的，用來將太陽能轉換成直流電。雖然本實施例的發電模組串列110是串聯形式的多個發電模組111,112…11n，但本發明的概念亦適用於並聯形式的多個發電模組。直流接線箱120設於發電模組串列110與變流器130之間，其包括一突波吸收器121、一保險絲122(Fuse)及一無熔絲開關123(No-Fuse Breaker, NFB)等組件。發電模組串列110輸出的直流電流經直流接線箱120而輸入變流器130。變流器130具有一直流電輸入端131及一交流電輸出端132。每一發電模組111,112…11n具有一直流電輸出端111a,112a…11na及一接地端111b,112b…11nb。在本實施例中，每一發電模組111,112…11n電性連接於變流器130的直流電輸入端131。換言之，發電模組串列110整體位於變流器130的一次端或初級端，若以太陽能發電系統100整體來觀察，發電模組111,112…11n可稱為太陽能發電系統100的初級側或一次側，而變流器130可稱為太陽能發電系統100的次級側或二次側。本發明的監測系統300主要是應用於監測位於太陽能發電系統100初級側的發電模組111,112…11n的直流電功率。

圖2A所示的監測系統300包括複數發電功率擷取單元311,312…31n、一類比數位轉換裝置320、一通訊模組330、一直流電力傳輸線340、一韌體350以及一顯示單元360。每一發電功率擷取單元311,312…31n可分別使用電磁感測器、分流器、電阻、霍爾元件或是這些元件的組合，並電性連接於多個發電模組111,112…11n之其一。例如：將一電磁感測器裝設於發電模組111,112…11n的外部，以感測其所對應的發電模組111,112…11n的直流電輸出端111a,112a…11na之一直流電功率，並進行取樣而產生一類比電壓訊號Sa1,Sa2…San。

接著，類比數位轉換裝置320將每一包含直流電功率資料的類比電壓訊號Sa1,Sa2…San轉換為一直流數位訊號Sd1,Sd2…Sdn。通訊模組330電性連接類比數位轉換裝置320，用以將直流數位訊號Sd1,Sd2…Sdn進行處理以符合一有線或無線的通訊協議，換言之，直流數位訊號Sd1,Sd2…Sdn能藉由一有線或無線通訊模組傳出。

在一較佳實施例中，若通訊模組330為一有線通訊模組，其可通過一直流電力傳輸線340電性連接類比數位轉換裝置320及複數發電模組111,112…11n之直流電輸出端111a,112a…11na，並且將直流數位訊號Sd1,Sd2…Sdn從數位轉換裝置320傳送至韌體350，同時提供直流電作為韌體350及顯示單元360之電源。韌體350接收直流電力傳輸線340所傳來的每一直流數位訊號Sd1,Sd2…Sdn，並將其編碼轉換為一文字資訊。此外，韌體350也包括一異常判斷機制，依據每一直流數位訊號Sd1,Sd2…Sdn判斷其對應的發電模組111,112…11n的直流電功率是否符合一標準值。顯示單元360用以顯示韌體350所傳來的文字資訊。

圖2B所示的是另一實施例的監測系統300a，與圖2A的實施例相較，監測系統300a還包括一串列監測器210a、一第二通訊模組220a及一交流電力傳輸線380。串列監測器210a及第二通訊模組220a皆設置於變流器130內部。串列監測器210a電性連接變流器130的交流電輸出端132，以擷取一交流電功率的類比訊號，並將此類比訊號轉換為一交流數位訊號Sad。第二通訊模組220a通過交流電力傳輸線380而電性連接串列監測器210a及韌體350a。第二通訊模組220a使交流數位訊號Sad符合一有線或無線的通訊協議，並通過交流電力傳輸線380將該交流數位訊號Sad傳輸至韌體350a。在此實施例中，監測系統300a的韌體350a的異常判斷機制同時接收交流電功率及直流電功率，並依據該交流電功率及每一發電模組111,112…11n的直流電功率，從太陽能發電系統100中發現一異常的發電模組。此外，監測主機370a可以選擇性地使用來自直流電力傳輸線340的直流電或是交流電力傳輸線380的交流電作為其電力來源。如圖2A及圖2B所示，韌體350, 350a及顯示單元360, 360a可設置於一遠端監測主機370, 370a中。

本發明之監測系統300, 300a是在太陽能發電系統100中的每一發電模組111,112…11n產生的直流電尚未輸入變流器130之前，即擷取每一發電模組111,112…11n產生的直流電功率。此外，本發明之監測系統300, 300a藉由太陽能發電系統100本身用來傳輸直流電的電力傳輸線340，來傳遞每一發電模組111,112…11n的直流電功率等發電狀態資料，以提供現場或是遠程監督者了解每一發電模組111,112…11n的發電資訊。

如圖3所示，本發明包含以下的監測方法：(步驟S10) 發電功率擷取單元311,312…31n可應用電磁場環繞在每一發電模組111,112…11n的直流電輸出端111a,112a…11na來感應其電位差，或是分流方式來擷取與直流電功率相關的訊號，並取樣出一類比電壓訊號Sa1,Sa2…San；(步驟S20)將類比數位轉換裝置320設置於每一發電模組111,112…11n傳輸直流電的電力傳輸線340上，用以將類比電壓訊號Sa1,Sa2…San轉換成一直流數位信號Sd1,Sd2…Sdn；(步驟S30)將通訊模組330設置於直流電力傳輸線340上，用來傳輸直流數位訊號Sd1,Sd2…Sdn；(步驟S40)由通訊模組330傳出的直流數位訊號Sd1,Sd2…Sdn經一軟體程式、一韌體、一嵌入式系統元件或一數位訊號處理器進行編碼處理後形成一顯示畫面，並判斷初級端的每一發電模組111,112…11n的狀態是否合乎一設計標準以執行發電任務，若超越該設計標準將立即進行維修。

值得強調的是，本實施例的監測系統可配合電磁感測方式，而非侵入式的元件來擷取位於太陽能發電系統100初級側的每一發電模組111,112…11n所產生的類比電壓訊號Sa1,Sa2…San，可以避免破壞已取得一認證標準的發電模組111,112…11n，故容易推廣使用。類比電壓訊號Sa1,Sa2…San被轉換為直流數位訊號Sd1,Sd2…Sdn之後，通過電力傳輸線340上的通訊模組330，再進行編碼處理，即可以文字形式顯示於畫面。在一實施例中，韌體或嵌入式系統元件提供一異常判斷機制，依據每一直流數位訊號Sd1,Sd2…Sdn判斷其對應的發電模組111,112…11n的直流電功率是否符合一標準值，因此適合進行現場或是遠端監督每一發電模組111,112…11n是否合乎標準值，執行發電任務。

如圖3所示，在另一實施例中，上述的監測方法更包括：(步驟S11)從變流器130內部監測變流器130的交流電輸出端132，以擷取一交流電功率資料，而形成一交流數位訊號Sad；(步驟S21) 交流數位訊號Sad通過第二通訊模組220a進行處理，以符合一通訊協議；以及(步驟S31)利用交流電力傳輸線380，將交流數位訊號Sad傳輸至韌體350a。韌體350a依據變流器130的交流電輸出端132交流電功率及每一發電模組111,112…11n的直流電功率，從太陽能發電系統110中發現一異常的發電模組。

在本發明的實施例中，直流電力傳輸線340除了作通訊之用外，其不經變流器130而直接供應「直流電」給後端監測主機370。如此，可避免經過變流器130轉換為交流電再進行監測所產生的衰減失真等問題，而不致造成誤判。

本監測系統300,300a可使用電磁感應的方式，例如霍爾效應等非侵入式方式，從發電源頭開始監督直流電的發電狀態， 因此可以在不改變原有太陽能發電系統100的電路結構的情形下，提前得知發電異常，並可分析變流器130或太陽能發電系統100的次級側所輸出的交流端的發電異常原因。因為本監測系統300,300a是對每一發電模組111,112…11n各別監測，所以可以進一步找出發電異常的發電模組，當串列的發電模組111,112…11n當中有一片異常開路或是斷路，可立即得知而進行故障排除。本監測系統300,300a可直接利用太陽能發電系統100原有傳輸直流電的電力傳輸線來傳輸發電資訊或故障資訊，可以降低成本並且避免增加其他的電磁干擾源。

值得一提的是，由於發電模組111,112…11n本身為低電壓低功率，故其對於電磁感應元件的電磁干擾程度甚低。本發明的實施例應用電磁感測直接擷取各別發電模組的直流電功率，並使用直流電為電磁感測元件的電力來源，可使其電磁干擾符合IEC930-2005等工程標準。

總結來說，本案太陽能發電模組的監測系統針對「單片」發電模組進行監測，不受限於串聯式或並聯式的太陽能發電系統，能從太陽能發電系統的初級側取得各個發電模組的直流電功率。電磁感測元件、類比數位轉換裝置及通訊模組不通過變流器而與發電模組及監測主機相連接，可與習知的變流器內建監測器共存。有別於過去由變流器的次級端監測才得知太陽能發電系統的總體發電狀況，本發明的監測方法可即時且實際反映發電源頭的發電模組產生的直流電功率，而立即得知發電源頭異常狀況，對發電效益及使用安全有重大貢獻。此外，監測不經變流器轉換後的發電功率，其相較於習知的監測變流器轉換後所產生交流功率的方法，本發明的可靠度及精密度較高。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

習知的太陽能發電系統100 發電模組串列110 太陽能發電模組111,112…11n 直流接線箱120 突波吸收器121 保險絲122 無熔絲開關123 變流器130 直流電輸入端131 交流電輸出端132 習知的監測裝置200 習知的串列監測器210 串列監測器210a 通訊模組220 第二通訊模組220a 監測主機230 集線器240 本發明的監測系統300, 300a 發電功率擷取單元311,312…31n 類比數位轉換裝置320 通訊模組330 直流電力傳輸線340 韌體350, 350a 顯示單元360 發電模組的直流電輸出端111a,112a…11na 發電模組的接地端111b,112b…11nb 類比電壓訊號Sa1,Sa2…San 直流數位訊號Sd1,Sd2…Sdn 交流數位訊號Sad 監測主機370, 370a 交流電力傳輸線380

圖1為習知用於太陽能發電系統的監測裝置示意圖。

圖2A為本發明之一實施例的監測系統示意圖。

圖2B為本發明之另一實施例的監測系統示意圖。

圖3為本發明之一實施例的監測方法流程示意圖。

無

無

太陽能發電系統100 發電模組串列110 發電模組111,112…11n 直流接線箱120 突波吸收器121 保險絲122 無熔絲開關123 變流器130 直流電輸入端131 交流電輸出端132 本發明的監測系統300 發電功率擷取單元311,312…31n 類比數位轉換裝置320 通訊模組330 直流電力傳輸線340 韌體350 顯示單元360 太陽能板的直流電輸出端111a,112a…11na 太陽能板的接地端111b,112b…11nb 類比電壓訊號Sa1,Sa2…San 直流數位訊號Sd1,Sd2…Sdn 監測主機370

Claims (8)

1. 一種太陽能發電模組之直流電功率的監測系統，應用於監測一太陽能發電系統中複數彼此電性連接的發電模組，該複數發電模組輸出直流電至一變流器，該變流器具有一直流電輸入端及一交流電輸出端，每一該發電模組具有一直流電輸出端，其電性連接於該變流器的該直流電輸入端，該監測系統包括：複數發電功率擷取單元，每一該發電功率擷取單元電性連接於該複數發電模組之其一，以擷取其所對應的該發電模組的該直流電輸出端之一直流電功率，而產生一類比電壓訊號；一類比數位轉換裝置，將每一該發電功率擷取單元所產生的該類比電壓訊號轉換為一直流數位訊號；一通訊模組，電性連接該類比數位轉換裝置，對該直流數位訊號進行處理以使其符合一通訊協議；一韌體，接收該通訊模組所傳來的該直流數位訊號，並將其轉換為一文字資訊，其中該韌體並包括一異常判斷機制，依據每一該直流數位訊號判斷其對應的該發電模組的該直流電功率是否符合一標準值；一顯示單元，顯示該韌體所傳來的該文字資訊；一串列監測器，設置於該變流器內部，其中該串列監測器電性連接該變流器的該交流電輸出端，以擷取一交流電功率，並將該交流電功率轉換成一交流數位訊號；一交流電力傳輸線，電性連接該串列監測器；以及 一第二通訊模組，設置於該變流器內部，其中該第二通訊模組通過該交流電力傳輸線而電性連接該串列監測器及該韌體，並將該交流數位訊號傳輸至該韌體。
2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能發電模組之直流電功率的監測系統，其中每一該發電功率擷取單元是選自於由電磁感測器、分流器、電阻、霍爾元件及其組合所構成的一族群中。
3. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能發電模組之直流電功率的監測系統，更包括一直流電力傳輸線，電性連接該複數發電模組之該直流輸出端、該複數發電功率擷取單元、該類比數位轉換裝置、該通訊模組及該韌體，並且將該直流數位訊號從該類比數位轉換裝置傳輸至該韌體。
4. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能發電模組之直流電功率的監測系統，其中該異常判斷機制包括：依據該變流器的該交流電輸出端的該交流電功率及每一該發電模組的該直流電功率，從該太陽能發電系統中發現一異常的發電模組。
5. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能發電模組之直流電功率的監測系統，其中該通訊模組之該通訊協議是選自於由有線通訊協議、無線通訊協議及其組合所構成的一族群中。
6. 一種太陽能發電模組之直流電功率的監測方法，應用於監測一太陽能發電系統中複數彼此電性連接的發電模組，該複數發電模組輸出直流電至一變流器，該變流器具有一直流電輸入端及一交流電輸出端，每一該發電模組具有一直流電輸出端，其電性連接於該變流器的該直流電輸入端，該監測方法包括： 從每一該發電模組的該直流電輸出端擷取一直流電功率，而產生一類比電壓訊號；將每一該直流電功率的該類比電壓訊號轉換為一直流數位訊號；提供一通訊模組，對該直流數位訊號進行處理以使其符合一通訊協議；提供一韌體，依據該通訊模組所傳來的該直流數位訊號判斷其對應的該發電模組的該直流電功率是否符合一標準值；將每一該直流數位訊號轉換為一文字資訊，並將該文字資訊顯示於一顯示單元；從該變流器內部監測該變流器的該交流電輸出端，以擷取一交流電功率；將該交流電功率轉換為一交流數位訊號；對該交流數位訊號進行處理使其符合一通訊協議；以及利用一交流電力傳輸線，將該交流數位訊號傳輸至該韌體。
7. 如申請專利範圍第6項所述之太陽能發電模組之直流電功率的監測方法，更包括：該通訊模組對該直流數位訊號進行處理後，通過一直流電力傳輸線而將該直流數位訊號傳輸至該韌體。
8. 如申請專利範圍第6項所述之太陽能發電模組之直流電功率的監測方法，更包括：該韌體依據該變流器的該交流電輸出端的該交流電功率及每一該發電模組的該直流電功率，從該太陽能發電系統中發現一異常的發電模組。