TWI586066B - Solar power generation monitoring method and the solar power generation monitoring system used in the method - Google Patents
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Description
本發明關於一種可即時監控太陽能電池陣列的發電損失以進行對應處理之太陽能發電監控方法及使用於該方法之太陽能發電監控系統。
近年來，隨著地球資源逐漸短缺與環保意識的抬頭，各國無不致力於替代型能源如太陽能、風能、地熱能、水力能等的開發，當中，又以太陽光發電最受到矚目。太陽光發電具有乾淨、不會產生環境污染、無能源耗盡問題、發電裝置可容易地與建築物結合等種種優點，再加上近年來半導體材料突飛猛進，使得太陽能發電裝置的光電轉換效率不斷提昇，此亦造就太陽能電池模組的廣泛應用。
太陽能發電系統與傳統之電力系統有相當大之差異，其係將太陽能電池經串、並聯後封裝製成太陽能電池模組(太陽能面板)，再依太陽能電池模組之額定發電功率、裝置的傾斜角度及具有最大功率點追蹤(Maximum Power Point Tracking；MPPT)功能之逆變器(Inverter)或電力調節器(Power Conditioner)來決定輸出電壓範圍，最後將太陽能電池模組串、並聯而組成適宜的太陽能電池陣列，以獲得最佳輸出功率。
目前，世界各國皆已相繼投入太陽能發電廠的建置，但由於太陽能發電的發電效率會受到發電廠的設置地點(例如發電廠所處之經緯度、高山或平地等)、天候條件(例如日照、溫度、天氣狀況等)、或太陽能電池模組的傾斜角度、方位等影響，甚
至太陽能發電系統中的電路元件(例如逆變器或電力傳送線路等)或太陽能發電系統之周邊硬體(例如日照計、溫度計、電壓電流計等)皆有可能影響發電效率。是以，必須有一套系統來監控太陽能發電廠的發電效率，以確切得知影響太陽能發電效率的因素，進而做出相對應的處理。
專利文獻台灣專利申請第98144588號揭示一種太陽能發電系統及其監控方法，該太陽能發電系統包含有複數個光伏模組所組成之光伏陣列、電壓感測傳輸單元、無線訊號接收裝置及診斷單元，藉由電壓感測傳輸單元感測各光伏模組所產生的輸出電壓，並將感測所得的資料轉換為無線訊號輸出，而由無線訊號接收裝置接收無線訊號，並將該無線訊號轉換為傳輸資料，且藉由診斷單元分析無線訊號接收裝置所產生的傳輸資料以產生分析資料。藉此，可藉由無線網路傳輸的方式，迅速地反應各個光伏模組的運作狀況，以供診斷出不良或效率不佳的模組來即時對其進行更換，以避免損壞的光伏模組造成整體系統效率不佳。
該專利文獻所揭示之太陽能發電系統及其監控方法雖可檢測出光伏模組的發電異常，然而如上所述地，其僅可針對各個光伏模組進行異常診斷，以判斷各個光伏模組功能是否有異常來針對異常的光伏模組進行更換。
然而，如上所述地，太陽能發電系統中的其他電性元件(例如逆變器或電力傳送線路等)或太陽能發電系統之周邊硬體(例如日照計、溫度計、電壓電流計等)皆有可能影響發電效率的判斷，但上述專利文獻卻未揭露此相關電性元件或周邊硬體之判斷方式。是以，目前為止並未存在有能夠有效地得知影響太陽能發電效率的確切因素之方法。
此外，大型太陽能發電系統通常藉由PR值(Performance Ratio；功率比)來評估系統的發電效能，此PR值為評估系統的發電效能之指標，其意義為模組自太陽光吸收的能量轉換成發
電量的比例，數值越高效能越佳，表示太陽能發電系統能夠將越多的太陽能轉換為電能。但單就PR值並無法精確地了解太陽能發電系統的實際運作狀況，必須藉由PR值與發電損失各因素的綜合判斷，才能正確地進行太陽能發電系統的維修與營運管理。
本發明人有鑒於上述習知結構無法有效地得知影響太陽能發電系統的發電效率的確切因素之課題，乃著手從事研究開發，以期能解決上述課題。
本發明其中一目的係提供一種太陽能發電監控方法，可針對不同太陽能電池陣列間的相關硬體(例如逆變器、電力傳送線路、或各式感測器(例如日照計、溫度計、電壓電流計、功率計等)進行比較，藉以判斷其工作效能或進而發現異常。此外，透過各種即時資料的整理及分析，亦可確認用於資料收集之軟體的運作情形，藉以確認其準確度或發現異常。
本發明另一目的係提供一種太陽能發電監控系統，可監控太陽能發電系統中所使用之太陽能電池模組的發電效能並檢測異常。透過太陽能電池模組損失的即時計算，可對太陽能發電系統中所使用之太陽能電池模組的實際發電效能進行監測，以確認是否發生效能劣化。
本發明第一樣態提供一種太陽能發電監控方法，係監控由太陽能電池陣列及各式感測器所構成的太陽能發電系統中之各種發電損失並檢測異常，其包含以下步驟：測定線路損失之步驟，係依據該太陽能發電系統中不同DC功率計之數值差異，或依據線路電阻與DC功率計的數值進行演算，來測定線路損失；測定最大功率追蹤損失之步驟，係依據該太陽能發電系統中DC功率計與電壓電流感測器的數值差異，或依據該太陽能發電系統中日照計之數值與DC功率計之數值進行演算，來測
定最大功率追蹤損失；測定逆變器損失之步驟，係依據DC功率計與AC功率計的數值差異，來求得逆變器損失；測定功率比之步驟；測定模組溫度損失之步驟，係依據該太陽能電池陣列的額定發電功率、該太陽能電池陣列的溫度係數、電壓電流感測器的數值、日照計的數值、溫度計的數值以及功率計的數值進行綜合演算，來求得模組溫度損失；測定模組損失之步驟，係依據上述步驟所測得的該線路損失、該最大功率追蹤損失、該逆變器損失、該功率比、該模組溫度損失進行綜合演算，來求得模組損失；以及顯示並監控各種發電損失之步驟，係顯示上述各步驟所測得之該線路損失、該最大功率追蹤損失、該逆變器損失、該模組溫度損失以及該模組損失並進行監控。
本發明第二樣態提供一種太陽能發電監控系統，係使用如申請專利範圍第1至15項中任一項之太陽能發電監控方法來監控太陽能發電系統之發電損失，其具備：複數個太陽能電池陣列，係由複數個太陽能電池模組經由串聯或並聯方式連接成太陽能電池陣列單元，再由該太陽能電池陣列單元構成複數個太陽能電池陣列；逆變器，係將該太陽能電池陣列輸出的直流電轉換成交流電；資料收集器，係用以收集該太陽能發電監控系統中用於各種發電損失的計算之資料；演算裝置，係連接於該資料收集器，而依據該資料收集器所傳送而來之各種發電損失之資料，來計算該太陽能電池陣列之各種發電損失；顯示監控裝置，係連接於該演算裝置，可顯示該演算裝置所計算出之各種發電損失並進行監控；以及警訊建議裝置，係連接於該顯示監控裝置，而依據該顯示監控裝置所顯示之各種發電損失的監控結果，發出警示或建議。
依據本發明，可提供能夠監視太陽能發電系統中之各種發電損失並檢測異常之太陽能發電監控方法以及使用於該方法之太陽能發電監控系統。
100‧‧‧太陽能發電監控系統
1‧‧‧太陽能電池陣列
2‧‧‧逆變器
3‧‧‧資料收集器
4‧‧‧演算裝置
5‧‧‧即時顯示監控裝置
6‧‧‧警訊建議裝置
201‧‧‧陣列端DC功率計
202‧‧‧電壓電流感測器
203‧‧‧日照計
204‧‧‧溫度計
205‧‧‧日照計
206‧‧‧太陽光譜儀
301‧‧‧逆變器端DC功率計
302‧‧‧AC功率計
303‧‧‧直流配線
A‧‧‧線路損失
B‧‧‧最大功率追蹤損失
C‧‧‧逆變器損失
D‧‧‧功率比
E‧‧‧模組溫度損失
F‧‧‧模組損失
G‧‧‧日照值水準補正值
H‧‧‧日照AM補正值
a1‧‧‧線路電阻
a2‧‧‧額定發電功率
a3‧‧‧溫度係數
a4‧‧‧實際光電轉換效率
a5‧‧‧模組緯度與傾角資訊
b1‧‧‧陣列端DC功率計的數值
b2‧‧‧電壓電流感測器的數值
b3‧‧‧日照計203的數值
b4‧‧‧溫度計的數值
b5‧‧‧日照計205的數值
b6‧‧‧太陽光譜儀的數值
c1‧‧‧逆變器端DC功率計的數值
c2‧‧‧AC功率計的數值
圖1係顯示太陽能發電監控系統中用於監控發電損失之各式資料的傳送流程之示意圖。
圖2係顯示即時顯示監控裝置之資料更新的時間點之示意圖。
圖3係顯示本發明太陽能發電監控系統的主要部份之結構圖。
圖4係顯示針對不同太陽能電池陣列在特定時間區間內對線路損失進行監控的結果之圖表。
圖5係顯示針對不同太陽能電池陣列在特定時間區間內對逆變器損失進行監控的結果之圖表。
圖6係顯示針對不同太陽能電池陣列在特定時間區間內溫度計的測量結果之圖表。
圖7係顯示針對不同太陽能電池陣列所計算出之功率比、線路損失、模組溫度損失、逆變器損失、最大功率追蹤損失、模組損失的分析結果之圖表。
圖8係顯示在特定時間區間內日照計的測量結果之圖表。
圖9係顯示針對不同太陽能電池陣列在特定時間區間內的模組損失計算結果之圖表。
以下，參閱圖式說明本發明之實施形態。
本發明之太陽能發電監控方法可分別計算影響太陽能電池陣列的發電量之線路損失(Cable Loss)A、最大功率追蹤損失(MPPT Loss)B、逆變器損失(Inverter Loss)C、模組溫度損失(Temperature Loss)E、以及功率比(Performance Ratio)D，再進一步由所計算出之上述各種發電損失A、B、C、E配合功率比D來求得模組損失(Module Loss)F。
模組損失廣義來說，還包括有表面髒污、模組之串聯或並
聯造成的發電不匹配、以及不同日照條件下的光電轉換效率變化等所造成的損失。由於上述損失與太陽能電池模組的狀態相關程度高，故在此統稱模組損失。因此，針對所求得之上述模組損失F，亦可藉由計算日照值水準補正值(Irradiance Level Correction)G、日照AM補正值(Irradiation Air Mass Correction)H，來對模組損失F進行補正，以提高模組損失F的準確度。其最終目的，係用以長期監控太陽能電池模組的發電效能，以作為模組是否劣化的參考依據。上述各項損失A、B、C、F以及補正值G、F的表現方式可為%、W、kWh、kWh/kWp或其它瞬間或是累積之能量單位。
由於太陽能電池陣列輸出的直流電在傳送到逆變器的過程中，會因傳送線路本身的電阻而導致功率損失，故在太陽能發電損失的計算中亦必須考量到電力傳送線路所造成的發電損失。線路損失A為由太陽能電池陣列至逆變器之電力傳送過程中所造成的功率損失。
太陽能電池模組可轉換能量的多寡決定於太陽光日照強度及模組溫度。在不同的操作環境及條件下，太陽能電池模組的功率輸出亦不相同，因此便需設置最大功率追蹤器並進行監控。最大功率追蹤器可在日照強度發生改變時追蹤到太陽能電池模組之最大功率輸出點，當太陽能電池模組的一部分被遮蔽情況下，仍可使太陽能電池模組輸出最大功率。然而當太陽光被瞬間遮蔽導致功率下降時，最大功率追蹤器仍有可能無法追蹤到最大功率輸出點，故會產生最大功率追蹤損失。本發明之最大功率追蹤損失B係指最大功率追蹤器未能追蹤到太陽光的照射或即時偵測到太陽能電池陣列之發電功率而造成的功率損失。
逆變器損失C係指逆變器將直流電力轉換成交流電力所造成的功率損失。
功率比D係對應於太陽能電池陣列的額定發電功率所發
電之功率比。
太陽能電池模組會因太陽光照射而溫度逐漸升高，若模組溫度升高會導致發電量降低。模組溫度損失E係指太陽能電池陣列之操作溫度與標準溫度25℃之溫度差所造成的功率損失。
太陽能電池模組的光電轉換效率會隨著日照狀況而改變。例如標準測試條件(日射強度1000W/m2)下，假設太陽能電池模組的光電轉換效率為10%時，表示面積1m2的太陽能電池模組可輸出100W的功率。但實際上，日射量低(例如200W/m2)的情況下，光電轉換效率會降低(例如降低為9%)。此狀況下，太陽能電池模組僅會輸出18W的功率，而非理論值之20W。故本實施型態之日照值水準補正值G係用以補正不同日照狀況下的發電損失。
太陽能電池模組在不同的設置緯度與傾角，其太陽光譜分佈有所不同，而與標準測試條件AM1.5有所差距。AM(Air Mass)係太陽光在不同波長下的光量分佈。於是，本實施型態中，係藉由計算日照AM補正值來補正不同太陽光譜分佈下相對於標準日照條件AM1.5的發電損失。
以下，參照圖1來詳細說明線路損失A、最大功率追蹤損失B、逆變器損失C、功率比D、模組溫度損失E及模組損失F、日照值水準補正值G、日照AM補正值H分別的計算方法。圖1係顯示太陽能發電監控系統中用於計算並監控發電損失之各式資料的傳送流程之示意圖。
線路損失A係由裝設在太陽能電池陣列端之陣列端DC功率計的數值b1與裝設在逆變器端之逆變器端DC功率計的數值c1之差異，或以連接太陽能電池陣列與逆變器之直流配線的電阻a1與逆變器端DC功率計的數值c1(電流值)進行演算，來求得線路損失。
最大功率追蹤損失B係由陣列端DC功率計的數值b1與
用以測量太陽能電池陣列的電壓電流值之電壓電流感測器的數值b2之差異，或用以測量照射在太陽能電池陣列上的日照強度之日照計的數值b3與逆變器端DC功率計的數值c1(電流、電壓、功率值)進行演算，來求得最大功率追蹤損失。
逆變器損失C係由逆變器端DC功率計的數值c1與裝設在逆變器端之AC功率計的數值c2之差異，來求得逆變器損失。
功率比D係依據下式(1)來求得功率比。式(1)中，c2為AC功率計的數值(發電量)，a2為太陽能電池陣列的額定發電功率，b3為用以測量照射在太陽能電池陣列上的日照強度之日照計的數值，1000w/m2為標準日照量。
式(1)：D=c2/[a2×(b3/1000W/m2)]
模組溫度損失E係由額定發電功率a2、太陽能電池陣列的溫度係數a3、電壓電流感測器的數值b2、日照計的數值b3、用以偵測太陽能電池陣列的溫度之溫度計的數值b4以及AC功率計的數值c2進行綜合演算，來求得模組溫度損失。此外，亦可取代上述AC功率計的數值c2，而使用陣列端DC功率計的數值b1或逆變器端DC功率計的數值c1來求得模組溫度損失E。
最後，模組損失F係由上述所求得的線路損失A、最大功率追蹤損失B、逆變器損失C、功率比D、模組溫度損失E進行加法演算，來求得模組損失。所求得之模組損失，可以用來長期監控太陽能電池模組發電效能，以作為模組是否劣化的參考依據。
日照值水準補正值G係由不同日照狀況下的模組實際光電轉換效率a4、陣列端DC功率計的數值b1、日照計的數值b3進行綜合演算，來求得日照值水準補正值。
日照AM補正值H係由太陽能電池陣列的緯度與傾角資訊a5、一日照計的數值b3、另一日照計的數值b5、太陽光譜儀
的數值b6進行綜合演算，來求得日照AM補正值。上述一日照計的傾斜角度係設定為與太陽能電池陣列的傾斜角度相同。另一日照計為全日射日照計，其角度與地表夾角為零。太陽光譜儀係用以測量太陽光譜強度在不同波長下的光量分佈。
以上用於各種發電損失A、B、C、F與補正值G、H的計算之資訊皆會被傳送並儲存在一資料收集器，再由該資料收集器將該資訊傳送至一演算裝置，而由演算裝置來計算出線路損失A、最大功率追蹤損失B、逆變器損失C、功率比D、模組溫度損失E、模組損失F、日照值水準補正值G、日照AM補正值H。
之後，演算裝置所計算出之線路損失A、最大功率追蹤損失B、逆變器損失C、功率比D、模組溫度損失E、模組損失F、日照值水準補正值G、日照AM補正值H會被傳送至一即時顯示監控裝置(圖1中省略了資料傳送至資料收集器及演算裝置之過程的圖式)。此外用於各種發電損失A、B、C、F與補正值G、H的計算之上述數值a1~a5、b1~b6、c1、c2的資訊亦會被傳送並儲存在該即時顯示監控裝置中，而由該即時顯示監控裝置進行分析來即時地對各種發電損失進行監控。
以下，參照圖2來說明即時顯示該監控系統中之資料更新的時間點之示意圖。
該即時顯示監控裝置可設定為在既定時間點(a)進行資料更新。該既定時間點(a)可為例如每天、每週或每月，依所欲監控各種發電損失之時間點來設定資料更新頻率。所監控之各種發電損失的資料區間，係由資料更新的時間點往前推移既定的時間區間(b)。該特定時間區間(b)可為例如2星期、1個月或任意時間區間。圖2中2個箭頭A所挾置之區間係表示資料的更新頻率(例如每天、每週或每月)，箭頭B係表示往前推移之既定的時間區間(例如2星期、1個月或任意時間區間)。
由資料更新的時間點往前推移既定時間區間的理由為若
只監控當下時間點的發電損失，由於太陽能電池模組的發電狀況亦有可能受到天候狀況的影響，而使得監控當下時間點的發電量變動過大，導致分析資料不適宜作為參考資料的緣故。因此藉由選定特定時間區間，可針對不同太陽能電池陣列間的相關硬體(例如逆變器、電力傳送線路、或各式感測器(例如日照計、太陽光譜儀、溫度計、電壓電流計、功率計等))進行比較，藉以判斷其工作效能或進而發現異常。此外，透過各種即時資料的整理及分析，亦可確認資料收集軟體的運作狀態，藉以確認其準確度或發現異常。
以下，依序針對藉由功率比、線路損失、模組溫度損失、逆變器損失、最大功率追蹤損失、模組損失來判斷太陽能發電系統的相關硬體或資料收集軟體的異常與否之流程加以說明。
(1)功率比
針對不同太陽能電池陣列間依據以上述式(1)所計算出之功率比確認是否有異常值。若發現有異常值，則比較不同太陽能電池陣列間之發電量是否有異常。
太陽能電池陣列間之發電量是否有異常係藉由針對比較不同太陽能電池陣列間之發電量、日照值及模組溫度進行比對。例如日照值愈高，表示吸收的太陽光愈多，發電量也應愈高。但若各個太陽能電池陣列在某一特定時間的日照值近似，卻僅有一太陽能電池陣列的發電量偏低，即表示該太陽能電池陣列的發電量有所異常。此外，模組溫度和發電量具有相反的關係，模組溫度愈高則發電量愈低。藉由發電量與模組溫度的比較，亦可特定出是否太陽能電池陣列的發電量發生異常。
若發電量有所異常，則進一步確認AC功率計功能是否有異常。在此係確認AC功率計的設定值或參數等。若AC功率計功能無異常，則進一步確認日照計功能是否有異常。若AC功率計及日照計功能皆正常，但卻有某一太陽能電池陣列的發
電量顯示異常，則有可能是資料收集軟體的功能發生異常，因此便針對資料收集軟體進行確認。若資料收集軟體的功能亦無異常，則推測有可能是太陽能電池模組劣化或其他因素導致發電量降低，例如太陽能電池模組的表面髒污導致發電量降低。
藉此，可判斷太陽能發電系統的相關硬體(AC功率計、日照計)或資料收集軟體之異常與否，藉以確認其準確度或發現異常發生源，並且亦可得知太陽能電池模組是否發生劣化。
(2)線路損失
針對不同太陽能電池陣列間所測出之線路損失確認是否有異常值。若發現有異常值，則比較不同太陽能電池陣列間所測得的電流值。
此處，不同太陽能電池陣列間所測得的電流值是否有異常係藉由如上所述地將不同太陽能電池陣列間之發電量、日照值及模組溫度進行比對。例如日照值愈高，則輸出的電流值亦應愈高。
若該等功率計的電流值有異常，則先確認線路是否老舊而電阻值升高導致電流值下降。若線路正常則進一步確認該等功率計的功能是否有異常。在此係確認該等功率計的設定值或參數等。若該等功率計功能皆正常，但卻有某一太陽能電池陣列的發電量顯示異常，則有可能是資料收集軟體的功能發生異常，因此便針對資料收集軟體進行確認。若資料收集軟體的功能無異常，則推測有可能是太陽能電池模組劣化或其他因素導致發電量降低，例如太陽能電池模組的表面髒污導致發電量降低。
藉此，可判斷太陽能發電系統之線路、相關硬體或資料收集軟體之異常與否，並且確認其準確度或發現異常，且亦可得知太陽能電池模組是否發生劣化。
(3)模組溫度損失
針對不同太陽能電池陣列間所測出之模組溫度損失確認是否有異常值。若發現有異常值，則比較不同太陽能電池陣列
間所測得的模組溫度。
此處，不同太陽能電池陣列間所測得的模組溫度是否有異常係藉由如上所述地比較不同太陽能電池陣列間之發電量、日照值及模組溫度進行比對。例如日照值愈高，理論上模組溫度也應愈高。但若各個太陽能電池陣列在某一特定時間的日照值近似，卻有一太陽能電池陣列的溫度偏高或偏低，即表示該太陽能電池陣列的溫度異常。
此外，亦可藉由確認各個太陽能電池陣列的設置位置、設置狀況或操作環境，來判斷是否因為某一太陽能電池陣列的設置位置導致所測得之太陽能電池陣列的溫度有所差異，或是太陽能電池陣列的設置狀況有異常，抑或當時的天候狀況而導致太陽能電池陣列的溫度異常。
若各個太陽能電池陣列間的設置狀況及操作環境皆無異常，但太陽能電池陣列的溫度卻顯示異常，則進一步確認用以測量太陽能電池陣列的溫度之溫度計功能是否有異常。若溫度計的功能正常，則有可能是資料收集軟體的功能發生異常，因此便針對資料收集軟體進行確認。
藉此，可判斷太陽能發電系統的設置狀況、相關硬體(溫度計)或資料收集軟體之異常與否，藉以確認其準確度或發現異常。
(4)逆變器損失
針對不同太陽能電池陣列間所測出之逆變器損失確認是否有異常值。若發現有異常值，則比較不同太陽能電池陣列間之逆變器端DC功率計與AC功率計的數值。
若該等功率計的數值有異常，則先確認逆變器是否有所異常，若逆變器無異常則進一步確認該等功率計功能是否有異常。若該等功率計功能皆正常，則有可能是資料收集軟體運作上發生異常，因此便針對資料收集軟體進行確認。
藉此，可判斷太陽能發電系統的逆變器、相關硬體(逆變器
端DC功率計、AC功率計)或資料收集軟體之功能，藉以確認其準確度或發現異常。
(5)最大功率追蹤損失
首先，針對不同太陽能電池陣列間所測出之最大功率追蹤損失確認是否有異常值。若發現有異常值，則先確認最大功率追蹤器是否有所異常。若無異常則進一步確認日照狀況是否有異常，例如是否因烏雲遮蔽導致無法追蹤到日照最大功率點。
最大功率追蹤損失的計算係利用統計迴歸手法求得電流與日照值之線性迴歸關係。該線性迴歸關係的求得需剔除離群值，但用來剔除離群值之參數的設定值會影響所計算出之最大功率追蹤損失的準確度。因此，若日照狀況正常，則進一步確認是否需針對最大功率追蹤損失的計算中所使用之參數進行修正。
若已確認上述最大功率追蹤損失的計算中所使用之參數不需進行修正，則有可能是資料收集軟體運作上發生異常，因此便針對資料收集軟體進行確認。
藉此，可判斷最大功率追蹤器、資料收集軟體之異常與否，藉以確認其準確度或發現異常。
(6)模組損失
針對不同太陽能電池陣列間所計算出之模組損失確認是否有異常值。若模組損失有異常值，但上述測出的功率比、線路損失、模組溫度損失、逆變器損失、最大功率追蹤損失皆無異常值，則針對資料收集軟體進行確認。
藉此，可判斷資料收集軟體之異常與否，藉以確認其準確度或發現異常。
以下參照圖3來加以說明使用上述監控方法之太陽能發電監控系統。圖3係顯示本發明一實施型態之太陽能發電監控系統100之結構圖。
如圖3所示，本發明一實施型態之太陽能發電監控系統100
具備：複數個太陽能電池陣列1，係將太陽能轉換成電能；逆變器2，係將該複數個太陽能電池陣列1輸出的直流電轉換成交流電；資料收集器3，係用以收集該太陽能發電監控系統100中用於計算各種發電損失之資料；演算裝置4，係用以計算該太陽能電池陣列1之發電損失；即時顯示監控裝置5，係即時地對該演算裝置4所計算出之各種發電損失進行監控；以及警訊建議裝置6，係依據該即時顯示監控裝置5所顯示之監控結果，發出警示或建議。
太陽能電池陣列1係由複數個太陽能電池模組經由串聯或並聯方式連接成太陽能電池陣列單元，再由太陽能電池陣列單元構成複數個太陽能電池陣列1(圖3中為了便於顯示，僅顯示1個太陽能電池陣列)，其連接有DC功率計201、電壓電流感測器202、日照計203、溫度計204、日照計205及太陽光譜儀206。
該DC功率計201係裝設在太陽能電池陣列端之直流電表，其顯示數值包含有電壓V、電流A、功率(W或kWh)。以下，為了與逆變器端DC功率計作區別，以下亦有稱為「陣列端DC功率計」的情況。電壓電流感測器202係用以測量太陽能電池陣列1的電壓電流特性曲線之偵測器。日照計203係用以測量照射在太陽能電池陣列1上的日照強度之偵測器，其傾斜角度係設定為相同於太陽能電池陣列1的傾斜角度。溫度計204係用以測量太陽能電池陣列1的溫度之偵測器。日照計205為全日射日照計，係用以測量照射在水平面上的日照強度之偵測器，其角度與地表夾角為零。太陽光譜儀206係用以測量太陽光譜強度在不同波長下的光量分佈。
逆變器2係用以將太陽能電池陣列1輸出的直流電轉換成交流電，其亦具有最大功率追蹤器的功能。該逆變器2係連接有DC功率計301與AC功率計302。
DC功率計301係裝設在逆變器直流端之直流電表，其顯
示數值包含有電壓V、電流A、功率(W或kWh)(為了與陣列端之DC功率計作區別，以下亦有稱為「逆變器端DC功率計」的情況)。AC功率計302係裝設在逆變器交流端之交流電表，其顯示數值包含有電壓V、電流A、功率(W或kWh)。
此外，太陽能電池陣列1與陣列端DC功率計201之間、陣列端DC功率計201與逆變器端DC功率計301之間、以及逆變器端DC功率計301與逆變器2之間係藉由配線303而相連結。
資料收集器3係用以收集太陽能發電監控系統中用於計算各種發電損失之資料，所收集之各式資料接著會被傳送至演算裝置4。
本實施型態中，藉由具備資料收集器3，則此太陽能發電監控系統100亦可對應於不同使用者的需求。例如，將太陽能發電監控系統100販售給不同使用者時，可連接於使用者所既有之太陽能發電系統所具備的電路元件(如功率計、電壓電流計)或各式感測器(例如日照計、太陽光譜儀、溫度計、電壓電流計等)，或是使用太陽能發電監控系統100本身所具備的電路元件(如功率計、電壓電流計)或各式感測器(例如日照計、溫度計、電壓電流計等)。
如圖3所示，資料收集器3中會匯入有陣列端DC功率計201的數值b1、電壓電流感測器202的數值b2、日照計203的數值b3、溫度計204的數值b4、日照計205的數值b5、太陽光譜儀206的數值b6以及逆變器端DC功率計301的數值c1與AC功率計302的數值c2，此外還有例如配線303之線路電阻a1、額定發電功率a2及溫度係數a3。
線路電阻a1可為依配線303的長度所預設之電阻值，也可為實際測量之電值阻。額定發電功率a2係太陽能電池陣列1的額定發電功率。而溫度係數a3為太陽能電池陣列1之溫度係數。
演算裝置4係連接於該資料收集器3，該演算裝置4中可分別計算影響太陽能電池陣列1的發電量之線路損失A、最大功率追蹤損失B、逆變器損失C、模組溫度損失E以及功率比D，再由所計算出之各種發電損失A、B、C、E的資訊配合功率比D來進一步求得模組損失F。
此外，針對所求得之上述模組損失F，該演算裝置4亦可計算日照值水準補正值G、日照AM補正值H，來對模組損失F進行補正，以提高模組損失F的準確度。
即時顯示監控裝置5係連接於演算裝置4，該演算裝置4中所計算出之上述線路損失A、最大功率追蹤損失B、逆變器損失C、功率比D、模組溫度損失E、模組損失F、日照值水準補正值G、日照AM補正值H皆會被傳送並儲存在即時顯示監控裝置5中。此外，用於各式發電損失計算之上述數值a1~a5、b1~b6、c1、c2的資訊亦會被傳送並儲存在即時顯示監控裝置5中，而由該即時顯示監控裝置5即時地對各式發電損失進行監控。
該等監控結果會被傳送至警訊建議裝置6，而由該警訊建議裝置6依據該即時顯示監控裝置5所顯示之監控結果，發出警示或建議。
以下，說明該即時顯示監控裝置5所顯示之監控結果的範例。
圖4係顯示針對不同太陽能電池陣列在特定時間區間內對線路損失進行監控的結果之圖表，橫軸為進行監控之時間區間，縱軸為線路損失。由圖4可知所有太陽能電池陣列的線路損失在進行監控的時間區間內皆無發生異常。
圖5係顯示針對不同太陽能電池陣列在特定時間區間內對逆變器損失進行監控的結果之圖表，橫軸為進行監控之時間區間，縱軸為逆變器損失。由圖5可知太陽能電池陣列(Array01)及太陽能電池陣列(Array02)在4月至6月發生異常。
圖6係顯示針對不同太陽能電池陣列在特定時間區間內溫度計的測量結果之圖表，橫軸為進行監控之時間區間，縱軸為溫度計的溫度。圖7係顯示針對不同太陽能電池陣列所計算出之功率比、線路損失、模組溫度損失、逆變器損失、最大功率追蹤損失、模組損失的分析結果之圖表，橫軸為太陽能電池陣列，縱軸為各式發電損失及功率比的百分比。
由圖6雖得知某一太陽能電池陣列(Array11)的模組溫度測量結果有異常，但圖7中太陽能電池陣列(Array11)相較於與其設置位置相同(例如同樣是設置在邊緣或中心處的太陽能電池陣列單元)的太陽能電池陣列(Array12)、(Array13)、(Array14)，模組溫度損失的計算結果並未顯示有異常，故可推測單一溫度計(用以測量太陽能電池陣列(Array11)的模組溫度之溫度計)發生異常。
圖8係顯示在特定時間區間內日照計的測量結果之圖表，橫軸為進行監控之時間區間，縱軸為日照計的測量結果。
由圖8可知Day3~Day5期間的日照值測量結果顯示異常。因夜間應無太陽光日照，故上述期間的夜間日照值應為零，但在此期間日照計的夜間測量結果卻顯示了相同於日間偵測結果的數值，故推測可能是資料收集軟體發生異常。
此外，該即時顯示監控裝置亦可監控太陽能發電系統中所裝設之太陽能電池模組的發電效能並檢測異常。透過模組損失的即時計算，可對太陽能發電系統中所裝設之太陽能電池模組的實際發電效能進行監測，以確認是否發生效能劣化。
例如，圖9係顯示針對不同太陽能電池陣列計算特定時間區間內的模組損失之計算結果之圖表，橫軸為進行監控之時間區間，縱軸為模組損失。由圖9可知於4月，太陽能電池陣列(Array02)、(Array03)、(Array04)的模組損失發生異常。
以上的圖4~圖9中所顯示之圖表皆為該即時顯示監控裝置所顯示之實際的監控畫面，該等監控結果會被傳送至警訊建議
裝置，而由該警訊建議裝置依據該即時顯示監控裝置所顯示之監控結果，發出警示或建議。
以上雖已參照圖式來詳細說明本發明較佳實施型態，但本發明不限於上述實施型態。本發明所述技術領域中具通常知識者應當可在申請專利範圍所記載之範疇內做各種變化，且可明瞭該等當然亦屬於本發明之技術範圍。
4‧‧‧演算裝置
5‧‧‧即時顯示監控裝置
A‧‧‧線路損失
B‧‧‧最大功率追蹤損失
C‧‧‧逆變器損失
D‧‧‧功率比
E‧‧‧模組溫度損失
F‧‧‧模組損失
G‧‧‧日照值水準補正值
H‧‧‧日照AM補正值
a1‧‧‧線路電阻
a2‧‧‧額定發電功率
a3‧‧‧溫度係數
a4‧‧‧實際光電轉換效率
a5‧‧‧模組緯度與傾角資訊
b1‧‧‧陣列端DC功率計的數值
b2‧‧‧電壓電流感測器的數值
b3‧‧‧日照計203的數值
b4‧‧‧溫度計的數值
b5‧‧‧日照計205的數值
b6‧‧‧太陽光譜儀的數值
c1‧‧‧逆變器端DC功率計的數值
c2‧‧‧AC功率計的數值
Claims (15)
- 一種太陽能發電監控方法，係監控由太陽能電池陣列及各式感測器所構成的太陽能發電系統中之各種發電損失並檢測異常，其包含以下步驟：測定線路損失之步驟，係依據該太陽能發電系統中不同DC功率計之數值差異，或依據線路電阻與DC功率計的數值進行演算，來測定線路損失；測定最大功率追蹤損失之步驟，係依據該太陽能發電系統中DC功率計與電壓電流感測器的數值差異，或依據該太陽能發電系統中日照計之數值與DC功率計之數值進行演算，來測定最大功率追蹤損失；測定逆變器損失之步驟，係依據DC功率計與AC功率計的數值差異，來求得逆變器損失；測定功率比之步驟；測定模組溫度損失之步驟，係依據該太陽能電池陣列的額定發電功率、該太陽能電池陣列的溫度係數、電壓電流感測器的數值、日照計的數值、溫度計的數值以及功率計的數值進行綜合演算，來求得模組溫度損失；測定模組損失之步驟，係依據上述步驟所測得的該線路損失、該最大功率追蹤損失、該逆變器損失、該功率比、該模組溫度損失進行加法演算，來求得模組損失；以及顯示並監控各種發電損失之步驟，係顯示上述各步驟所測得之該線路損失、該最大功率追蹤損失、該逆變器損失、該模組溫度損失以及該模組損失並進行監控；該測定功率比之步驟係由下式(1)來測定功率比D：式(1)：D=c2/[a2×(b3/1000W/m2)]其中，D為功率比，c2為裝設在逆變器端之AC功率計的數值，a2為太陽能電池陣列的額定發電功率，b3為用以測量照射在太陽能電池陣列上的日照強度之日照計的數值，1000w/m2為標準日照量。
- 如申請專利範圍第1項之太陽能發電監控方法，其中該測定線路損失之步驟中，該不同DC功率計為裝設在太陽能電池陣列端之陣列端DC功率計與裝設在逆變器端之逆變器端DC功率計；依據該線路電阻與DC功率計的數值進行演算時之該線路電阻為連接太陽能電池陣列與逆變器之直流配線的電阻，該DC功率計為逆變器端DC功率計。
- 如申請專利範圍第1項之太陽能發電監控方法，其中該測定最大功率追蹤損失之步驟中，該DC功率計係裝設在逆變器端之逆變器端DC功率計，該電壓電流感測器係用以測量太陽能電池陣列的電壓電流值之電壓電流感測器。
- 如申請專利範圍第1項之太陽能發電監控方法，其中該測定逆變器損失之步驟中，該DC功率計為裝設在逆變器端之逆變器端DC功率計，該AC功率計為裝設在逆變器端之AC功率計。
- 如申請專利範圍第1項之太陽能發電監控方法，其中該測定模組溫度損失之步驟中，該電壓電流感測器係用以測量太陽能電池陣列的電壓電流值，該日照計係用以測量照射在太陽能電池陣列上的日照強度，該溫度計係用以偵測太陽能電池陣列的溫度，該功率計係裝設在逆變器端之AC功率計。
- 如申請專利範圍第1項之太陽能發電監控方法，其另包含依據顯示該線路損失、該最大功率追蹤損失、該逆變器損失、該模組溫度損失以及該模組損失之步驟中所獲得之監控結果，發出警示或建議之步驟。
- 如申請專利範圍第1項之太陽能發電監控方法，其中顯示該線路損失、該最大功率追蹤損失、該逆變器損失、該模組溫度損失以及該模組損失之步驟係設定為在既定時間點進行資料更新，所監控之該線路損失、該最大功率追蹤 損失、該逆變器損失、該模組溫度損失以及該模組損失的資料區間係由資料更新的時間點往前推移既定的時間區間。
- 如申請專利範圍第1項之太陽能發電監控方法，其中該測定功率比之步驟包含以下步驟：確認依據該式(1)所計算出不同太陽能電池陣列間之功率比是否有異常值之步驟；比較不同太陽能電池陣列間之發電量是否有異常之步驟；確認AC功率計功能是否有異常之步驟；確認日照計功能是否有異常之步驟；以及確認資料收集軟體功能是否有異常之步驟，其中該資料收集軟體係用以收集太陽能發電監控系統中用於各種發電損失的計算之資料。
- 如申請專利範圍第5項之太陽能發電監控方法，其中該測定模組溫度損失之步驟包含以下步驟：針對不同太陽能電池陣列間所計算出之模組溫度損失確認是否有異常值之步驟；比較不同太陽能電池陣列間所測得的模組溫度是否有異常之步驟；確認各太陽能電池陣列的設置狀況或操作環境是否有異常之步驟；確認用以測量太陽能電池陣列的溫度之溫度計功能是否有異常之步驟；以及確認資料收集軟體功能是否有異常之步驟，其中該資料收集軟體係用以收集太陽能發電監控系統中用於各種發電損失的計算之資料。
- 如申請專利範圍第4項之太陽能發電監控方法，其中該測定逆變器損失之步驟包含以下步驟： 針對不同太陽能電池陣列間所計算出之逆變器損失確認是否有異常值之步驟；比較不同太陽能電池陣列間之逆變器端DC功率計與AC功率計的數值之步驟；確認逆變器端DC功率計與AC功率計功能是否有異常之步驟；以及確認資料收集軟體功能是否有異常之步驟，其中該資料收集軟體係用以收集太陽能發電監控系統中用於各種發電損失的計算之資料。
- 如申請專利範圍第3項之太陽能發電監控方法，其中該測定最大功率追蹤損失之步驟包含以下步驟：針對不同太陽能電池陣列間所計算出之最大功率追蹤損失確認是否有異常值之步驟；確認日照狀況是否有異常之步驟；確認最大功率追蹤損失的計算中所使用之參數是否必須進行修正之步驟；以及確認資料收集軟體功能是否有異常之步驟，其中該資料收集軟體係用以收集太陽能發電監控系統中用於各種發電損失的計算之資料。
- 如申請專利範圍第3項之太陽能發電監控方法，其中該測定模組損失之步驟包含以下步驟：針對不同太陽能電池陣列間所計算出之模組損失確認是否有異常值之步驟；確認所測定之該功率比、該線路損失、該模組溫度損失、該逆變器損失、該最大功率追蹤損失是否有異常值之步驟；以及確認資料收集軟體功能是否有異常之步驟，其中該資料收集軟體係用以收集太陽能發電監控系統中用於各種發電損失的計算之資料。
- 如申請專利範圍第1~12項中任一項之太陽能發電監控方法，其另包含：測定日照值水準補正值之步驟，係依據不同日照狀況下的模組實際光電轉換效率、該陣列端DC功率計的數值、該日照計的數值進行綜合演算，來求得日照值水準補正值；以及測定日照AM補正值之步驟，係以該日照計的數值、另一日照計的數值、模組緯度與傾角資訊以及一太陽光譜儀的數值進行綜合演算，來求得日照AM補正值；而藉由該日照值水準補正值與該日照AM補正來補正所求得之該模組損失；其中該日照計的傾斜角度係設定為與太陽能電池陣列的傾斜角度相同；該另一日照計為全日射日照計，其角度為水平設置；該太陽光譜儀係連接於該太陽能電池陣列，而用以測量太陽光譜強度在不同波長下的光量分佈。
- 如申請專利範圍第1~12項中任一項之太陽能發電監控方法，其中該線路損失、該最大功率追蹤損失、該逆變器損失、該模組溫度損失的表現方式可為%、W、kWh、kWh/kWp或其它瞬間或是累積之能量單位。
- 一種太陽能發電監控系統，係使用如申請專利範圍第1至14項中任一項之太陽能發電監控方法來監控太陽能發電系統之發電損失，其具備：複數個太陽能電池陣列，係由複數個太陽能電池模組經由串聯或並聯方式連接成太陽能電池陣列單元，再由該太陽能電池陣列單元構成複數個太陽能電池陣列；逆變器，係將該太陽能電池陣列輸出的直流電轉換成交流電；資料收集器，係用以收集該太陽能發電監控系統中用 於各種發電損失的計算之資料；演算裝置，係連接於該資料收集器，而依據該資料收集器所傳送而來之各種發電損失之資料，來計算該太陽能電池陣列之各種發電損失；顯示監控裝置，係連接於該演算裝置，可顯示該演算裝置所計算出之各種發電損失並進行監控；以及警訊建議裝置，係連接於該顯示監控裝置，而依據該顯示監控裝置所顯示之各種發電損失的監控結果，發出警示或建議。
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