TWI780496B

TWI780496B - 太陽能模組之智能優化安全監控系統

Info

Publication number: TWI780496B
Application number: TW109134607A
Authority: TW
Inventors: 李喬咪; 林家祥; 宋嘉隆
Original assignee: 勁利健康科技股份有限公司
Priority date: 2020-10-06
Filing date: 2020-10-06
Publication date: 2022-10-11
Also published as: TW202215770A

Abstract

一種太陽能模組之智能優化安全監控系統，係設有可監控太陽能發電面板模組(PV Module)的優化控制器，以及可對優化控制器進行遠端控制的閘道器與雲端平台，該優化控制器由降壓單元、電流偵測單元、電壓偵測與電流訊號收集之量化處理單元、開關單元、電源線網路訊號耦合/通訊單元及MCU運算控制單元等組成，可用於連接並監控太陽能發電面板模組(PV Module)輸出的電流或電壓等發電特性，並於發現其發電特性發生異常時，關閉該太陽能發電面板模組(PV Module)輸出迴路，以避免整體太陽能發電系統的發電效率受到影響，進而確保整體發電系統的最大發電效率者，並將該太陽能發電面板模組(PV Module)的發電訊息與監控狀態連通至閘道器與雲端平台。

Description

太陽能模組之智能優化安全監控系統

本發明係有關一種太陽能模組之控制系統，特別是指設有可用於偵測太陽能發電面板模組(PV Module)產生的電壓、電流或瓦特等發電特性是否異常，並於發現異常時，關閉該太陽能發電面板模組(PV Module)輸出迴路，並將該太陽能發電面板模組(PV Module)之發電訊息與監控狀態連通至閘道器與雲端平台，以避免整體太陽能發電系統的發電效率受到影響之智能優化安全監控系統。

隨著各種電器設備的發展，電力的需求與日俱增，不論是工業用電或家庭用電，在用電量逐年攀升下，傳統水力、燃煤等發電模式已無法符合需求，核能發電雖然具有降低汙染和發電效率高的好處，但要承擔的意外風險卻令人們逐漸捨棄。在電力資源逐漸匱乏之際，而電子科技又大幅進步下，將太陽能轉換為電能，提供工業或家庭用電所需，已成為現今產業努力的目標。

理論上，透過太陽能電池(又稱光伏，Photovoltaic,PV)接受太陽照射後將光能轉換為電能，既不會對自然環境造成破壞，對人體也不會產生影響。然而，現有太陽能發電系統的電能來源，係利用直接串聯或並聯等方式集合多數太陽能發電面板模組所組成，當部份太陽能發電面板模組受到遮蔽、灰塵、鳥屎而無法全面一致性地受到照射，或是老化或故障等其他因素，或者因為地區環境影響日光照射的角度、位置、時間時，發電效率都會大打折扣。從習見太陽能發電面板模組的使用經驗更顯示出，在串聯連接時若某一太陽能發電面板模組輸出直流電力降低，會造成陣列工作處於反向吃載形成熱斑與耗能。在並聯聯接時若電壓不匹配，則會造成組件陣列迴圈內形成環流熱斑，該環流並會使串並聯聯接中的所有個別組件處於消耗功率的狀態，反而會降低太陽能發電面板模組的壽命。

又，太陽能發電面板模組因屬於串聯或並聯的高電壓運作，當周遭環境發生火災或突發事件發生異常，往往維護人員無法即刻偵測出來以做出對應關斷全系統，降電壓處置。形成警消人員即使在現場也不敢貿然進入處理或灑水灌救，以致於往往造成全系統付之一炬，甚至危害擴大至周邊環境與人員。

發明人有鑑於習見太陽能模組存在上述缺失，乃依其從事相關產品之製造經驗與技術累積，針對上述不足之處研究解決之道，在不斷的研究、實驗改良後，終於開發設計出本發明之太陽能模組之智能優化安全監控系統，期能消除習見者所產生的不足與缺失。

因此，本發明旨在提供一種太陽能模組之智能優化安全監控系統，係可用於偵測太陽能發電面板模組(PV Module)產生的電壓、電流或瓦特等發電特性是否異常，並於發現異常時得避免發電系統串接迴路電流降低，適時判斷調整迴路最大輸出電力，以確保整體發電系統之最大發電效率者。

依本發明之太陽能模組之智能優化安全監控系統，係透過一優化控制器的電壓偵測與電流訊號收集之量化處理單元與電流偵測單元監控太陽能發電面板模組的發電特性，再透過一閘道器隨時監控並透過該優化控制器即時剔除不良的太陽能發電模組，以獲得最佳化的最大直流電源電力輸出，最後透過一逆變器轉成交流電供交流電網使用，為本發明之次一目的。

依本發明之太陽能模組之智能優化安全監控系統，所述閘道器並連線至雲端平台，再由雲端平台與維護人員使用人員連線，以隨時掌控發電狀況與效能，並適時採取必要監控措施，為本發明之再一目的。

依本發明之太陽能模組之智能優化安全監控系統，該優化控制器並可用於偵知周遭環境火災或突發事件而造成溫度異常時，連線至閘道器，閘道器再透過所有連線的優化控制器即刻關斷個別的太陽能模組輸出迴路，使直流高壓立即降成低電壓，以利現場警消維護人員安全處置，為本發明之又一目的。

依本發明之太陽能模組之智能優化安全監控系統，該系統進一步設有可連線至閘道器的緊急按鈕開關，以應付現場警消維護人員安全處置，為本發明之又一目的。

依本發明之太陽能模組之智能優化安全監控系統，該優化控制器係由降壓單元、電流偵測單元、電壓偵測與電流訊號收集之量化處理單元、MCU運算控制單元、開關單元及電源線網路訊號耦合/通訊處理單元等所組成，可隨時對太陽能發電面板模組(PV Module)產生的電壓、電流或瓦特等發電特性進行檢測比對，適時判斷調整迴路最大輸出電流以達最大發電效率，以確保穩定的迴路電流，為本發明之又一目的。

依本發明之太陽能模組之智能優化安全監控系統，所述優化控制器可增設一RF通訊單元，可將MCU運算控制單元輸出的數據資料轉換處理後，傳輸至遠端通訊設備，為本發明之又一目的。

依本發明之太陽能模組之智能優化安全監控系統，該智能優化安全監控系統進一步為多數太陽能發電面板模組(PV Module)、多數優化控制器與多數逆變器構成，以使多數穩定電力匯入交流電網，以供應工業或家庭用電，為本發明之又一目的。

依本發明之太陽能模組之智能優化安全監控系統，所述優化控制器可自為一單體，或可為與太陽能發電面板模組(PV Module)構成一單體，為本發明之又一目的。

為便貴審查委員能對本發明之目的、形狀、構造裝置特徵及其功效，做更進一步之認識與瞭解，茲舉實施例配合圖式，詳細說明本發明之結構如下：

10101、10102:智能優化安全監控系統

100、200、300:太陽能優化裝置

100A、200A、300A:逆變器

1000:交流電網

1001:太陽能發電面板模組

1002、1002B、1002C、1002D、1002E:優化控制器

11:降壓單元

12:電流偵測單元

13:電壓偵測與電流訊號收集之量化處理單元

14:MCU運算控制單元

15:開關單元

16:整流器

17:電源線網路訊號耦合單元

18:電源線網路通訊處理單元

19:外界環境感測單元

2000:閘道器

20A:緊急按鈕開關

21:RF通訊單元

210:天線

3000:雲端平台

4000:電源線網路通訊太陽能發電面板控制集成電路

40A、40B:電源線網路訊號耦合器

5000:電源線網路通訊加射頻通訊太陽能發電面板控制集成電路

6000、8000:無通訊太陽能發電面板控制集成電路

7000:射頻通訊太陽能發電面板控制集成電路

第1圖為本發明太陽能模組之智能優化安全監控系統的第一實施例方塊示意圖。

第2圖為本發明太陽能模組之智能優化安全監控系統的優化控制器第一實施例方塊示意圖。

第3圖為本發明太陽能模組之智能優化安全監控系統的優化控制器第二實施例方塊示意圖。

第4圖為本發明太陽能模組之智能優化安全監控系統的優化控制器第三實施例方塊示意圖。

第5圖為本發明太陽能模組之智能優化安全監控系統的優化控制器第四實施例方塊示意圖。

第6圖為本發明太陽能模組之智能優化安全監控系統的第二實施例方塊示意圖。

第7圖為本發明太陽能模組之智能優化安全監控系統的優化控制器第五實施例方塊示意圖。

第8圖為本發明太陽能模組之智能優化安全監控系統的優化控制器第六實施例方塊示意圖。

第9圖為本發明太陽能模組之智能優化安全監控系統的優化控制器第七實施例方塊示意圖。

第10圖為本發明太陽能模組之智能優化安全監控系統的優化控制器第八實施例方塊示意圖。

第11圖為本發明太陽能模組之智能優化安全監控系統的優化控制器第九實施例方塊示意圖。

第12圖為本發明太陽能模組之智能優化安全監控系統的優化控制器第十實施例方塊示意圖。

本發明之太陽能模組之智能優化安全監控系統，如第1圖所示，該智能優化安全監控系統10101包括有多數太陽能優化裝置100、200、300...與多數逆變器(Inverter)100A、200A、300A...，每一太陽能優化裝置100、200、300分別連接至一逆變器(Inverter)100A、200A、300A，各逆變器(Inverter)100A、200A、300A的另端再共同連線至一交流電網1000。

如圖所示，各組太陽能優化裝置100、200、300之間可透過電源線網路訊號耦合器(PLC coupler unit)40A、40B相互連通，電源線網路訊號耦合器40B的另端再連線至一閘道器(Gateway)2000，閘道器(Gateway)2000可經有線或無線通訊將資料傳輸至一雲端平台3000，以進行遠端監控。所述雲端平台3000另端得連線至手機/平板或聯網的電腦，以獲取各太陽能發電面板的個別發電狀態、健康狀態、全系統的發電數據與效益，進而機動調整發電狀態，或緊急啟閉發電系統。

所述電源線網路訊號耦合器(PLC coupler unit)40A、40B，主要透過電容器、變壓器等傳遞電源線網路訊號，作為相異太陽能發電迴路間的通訊連結，因此可提供多數太陽能優化裝置100、200、300間的通訊信號相互連通。所述閘道器(Gateway)2000則可用於整合電源線網路/乙太網路/無線網路(Wifi)/藍芽(BLE)/無線智慧網路(Wi-SUN)/無線Z波網路(Z-Wave)/紫峰(Zigbee)..等射頻網路功能，以及將資料數據透過網際網路設備傳遞至雲端平台3000。

如圖所示，所述閘道器(Gateway)2000連線至一緊急按鈕開關(Emergency Button)20A，當其接收到緊急按鈕開關(Emergency Button)20A傳輸的訊號，經過邏輯演算後，透過上述網路功能連結各優化控制器，執行太陽能發電面板模組(PV Module)的輸出迴路緊急啟閉。

如圖所示，所述太陽能優化裝置100、200、300...各由多數太陽能發電面板模組(PV Module)1001與多數優化控制器(PV module Controller)1002組成，各太陽能發電面板模組(PV Module)1001的電源輸出端連線至各優化控制器(PV module Controller)1002，多數太陽能發電面板模組(PV Module)1001彼此不相連通，各太陽能優化裝置的多數優化控制器(PV module Controller)1002則相互串聯，再連線至其逆變器100A、200A、300A。

所述優化控制器(PV module Controller)1002，主要用於偵測太陽能發電面板模組(PV Module)產生的電壓/電流/瓦特..等發電特性，若有發生遮蔽或面板異常(例如過載/過壓/過溫)等問題時，可自動或被動的關閉控制器電源輸出迴路，使系統迴路電流改走整流器(Rectifier)，避免系統串接迴路電流降低，影響系統發電效率。該優化控制器(PV module Controller)1002亦可隨時將太陽能發電面板模組(PV Module)的發電狀態回報至監控系統，使監控系統可遠端控制優化控制器執行太陽能發電面板模組(PV Module)輸出迴路送電或斷電。

請參照第2圖所示，為本發明太陽能模組之智能優化安全監控系統的優化控制器第一實施例方塊示意圖。如圖所示，所述優化控制器(PV module Controller) 1002包括：一降壓單元(DC/DC Buck unit)11、一電流偵測單元(Current detect)12、一電壓偵測與電流訊號收集之量化處理單元13、一MCU運算控制單元(MCU CTL unit)14、一開關單元(Switch unit)15、一整流器(Rectifier)16、電源線網路訊號耦合單元(PLC coupler unit)17、電源線網路通訊處理單元(PLC communication unit)18及一外界環境感測單元19。

所述降壓單元(DC/DC Buck unit)11，係與太陽能發電面板模組(PV Module)1001的正極迴路與負極迴路連接，可用以將太陽能發電面板模組(PV Module)1001輸出的高電壓轉換為低電壓，以提供系統所需電壓。

所述電流偵測單元(Current detect)12，係與太陽能發電面板模組(PV Module)1001的正極迴路或/與負極迴路連接，主要用於感測太陽能發電面板模組(PV Module)1001輸出的迴路電流訊號。

所述電壓偵測與電流訊號收集之量化處理單元13，除了與太陽能發電面板模組(PV Module)1001的正極迴路與負極迴路連接以感測電壓訊號，亦與電流偵測單元(Current detect)12連接，可將電流偵測單元(Current detect)12傳輸的電流(I)訊號與本身量測的電壓(V)訊號收集處理及量化，量化的數據再傳輸至所述MCU微控制器單元(MCU CTL unit)14，提供MCU微控制器單元(MCU CTL unit)14進行運算處理及控制。

所述開關單元(Switch unit)15，係設於太陽能發電面板模組(PV Module)1001的正極迴路與負極迴路的任一迴路或此二迴路，並連線至所述MCU微控制器單元(MCU CTL unit)14，其可為繼電器(Relay)等機械式或金氧半場效電晶體(Mosfet)等半導體元件，主要可接受MCU運算控制單元(MCU CTL unit)14控制開啟或關閉。

所述電源線網路訊號耦合單元(PLC coupler unit)17係設於太陽能發電面板模組(PV Module)1001的正極迴路與負極迴路連接，並連線至電源線網路通訊處理單元(PLC communication unit)18，可用於隔離兩端相異電源但能耦合/傳遞兩端電源線網路訊號。

所述電源線網路通訊處理單元(PLC communication unit)18，其一端連接於電源線網路訊號耦合單元(PLC coupler unit)17，其另一端連接於MCU運算控制單元(MCU CTL unit)14，其為嵌入式系統通訊元件(Communication SoC)，主要用以將電源線網路訊號耦合單元(PLC coupler unit)17傳遞的電源線網訊號轉換為各類型通訊信號(UART/SPI/..)，再傳送至MCU運算控制單元(MCU CTL unit)14，供MCU運算控制單元(MCU CTL unit)14運算處理。或將MCU運算控制單元(MCU CTL unit)14傳送來的訊號，轉換後回送至電源線網路訊號耦合單元(PLC coupler unit)17。

如圖所示，所述MCU微控制器單元(MCU CTL unit)14的一端連線至一外界環境感測單元19，該外界環境感測單元19可用於接收到感測外界環境的訊號(例如溫溼度、壓力、光照度、按鈕開關等)，傳輸至所述MCU微控制器單元(MCU CTL unit)14，經過MCU微控制器單元(MCU CTL unit)14解析量化及邏輯演算後，執行開關單元(Switch unit)15的緊急啟閉，或是經由PLC/RF通道傳送至閘道器處理，做為資料數據的收集。

藉由上述構成，當MCU微控制器單元(MCU CTL unit)14接收到電壓偵測與電流訊號收集之量化處理單元13傳輸的太陽能發電面板模組(PV Module)的電壓(V)、電流(I)、功率(W)等數據資料，以及電源線網路通訊處理單元(PLC communication unit)18所傳送的通訊信號(UART/SPI/..)，比對處理後，控制開關單元(Switch unit)15開啟或關閉，使迴路電流按常例通過或經整流器(Rectifier)16流通，以確保整體發電系統的最大輸出電流，達到最大發電效率。

請參照第3圖所示，係本發明之太陽能模組之智能優化安全監控系統優化控制器的第二實施例，如圖所示，係所述優化控制器(PV module Controller)之另一實施例，該優化控制器(PV module Controller)1002(B) 除了具備第2圖所示構成，復可增設一RF通訊單元(RF Communication unit)21。該RF通訊單元(RF Communication unit)21分別與降壓單元(DC/DC Buck unit)11及MCU微控制器單元(MCU CTL unit)14連線，其一端設有天線210，可進行無線通訊。主要將MCU微控制器單元(MCU CTL unit)14提供的數據資料轉換處理，並透過天線與閘道器2000互相傳遞/接收訊息，其可為無線網路(Wifi)/藍芽(BLE)/無線智慧網路(Wi-SUN)/無線Z波網路(Z-Wave)/紫峰(Zigbee)..等無線傳輸功能單元。

請參照第4圖所示，係本發明之太陽能模組之智能優化安全監控系統優化控制器的第三實施例，如圖所示，係使第2圖所示太陽能發電面板模組1001和優化控制器(PV module Controller)1002可結合成電源線網路通訊太陽能發電面板控制集成電路4000之單體。

請參照第5圖所示，係本發明之太陽能模組之智能優化安全監控系統優化控制器的第四實施例，如圖所示，係使第3圖所示太陽能發電面板模組1001和優化控制器(PV module Controller)1002(B)可結合成電源線網路通訊加射頻通訊太陽能發電面板控制集成電路5000之單體。

請參照第6圖所示，係本發明太陽能模組之智能優化安全監控系統的第二實施例方塊示意圖，其為第1 圖所示系統之簡化版，該智能優化安全監控系統10102由一太陽能優化裝置100、一逆變器(Inverter)100A及一交流電網1000組成。實施時不使用電源線網路訊號耦合器，太陽能發電面板模組(PV module)1001直接連線優化控制器(PV module Controller)1002，逆變器(Inverter)100A的另端直接連線至交流電網1000。所述太陽能優化裝置100與逆變器100A之間的電源線網路訊號則直接傳輸至閘道器(Gateway)2000，閘道器(Gateway)2000再經有線或無線通訊連接至一雲端平台3000。閘道器(Gateway)2000連線至一緊急按鈕開關(Emergency Button)20A。

請參照第7圖所示，係本發明之太陽能模組之智能優化安全監控系統優化控制器的第五實施例，即所述優化控制器(PV module Controller)之另一實施例，該優化控制器(PV module Controller)1002(C)實施時，亦可不設置電源線網路訊號耦合單元(PLC coupler unit)與電源線網路通訊處理單元(PLC communication unit)，僅設置降壓單元(DC/DC Buck unit)11、電流偵測單元(Current detect)12、電壓偵測與電流訊號收集之量化處理單元13、MCU運算控制單元(MCU CTL unit)14、開關單元(Switch unit)15及整流器(Rectifier)16及外界環境感測單元19，同樣具有可適時開啟或關閉該組太陽能發電面板模組(PV module)1001的功能。

請參照第8圖所示，係本發明之太陽能模組之智能優化安全監控系統優化控制器的第六實施例，即所述優化控制器(PV module Controller)之另一實施例，該優化控制器(PV module Controller)1002(D)實施時，亦可不設置電源線網路訊號耦合單元(PLC coupler unit)與電源線網路通訊處理單元(PLC communication unit)，僅設置降壓單元(DC/DC Buck unit)11、電流偵測單元(Current detect)12、電壓偵測與電流訊號收集之量化處理單元13、MCU運算控制單元(MCU CTL unit)14、開關單元(Switch unit)15、整流器(Rectifier)16、外界環境感測單元19、RF通訊單元(RF Communication unit)21及其天線210，同樣具有可適時關閉該組太陽能發電面板模組(PV module)1001的功能。

請參照第9圖所示，係本發明之太陽能模組之智能優化安全監控系統優化控制器的第七實施例，如圖所示，係使第7圖所示太陽能發電面板模組1001和優化控制器(PV module Controller)1002(C)結合成無通訊太陽能發電面板控制集成電路6000之單體。

請參照第10圖所示，係本發明之太陽能模組之智能優化安全監控系統優化控制器的第八實施例，如圖所示，係使第8圖所示太陽能發電面板模組1001和優化控制器(PV module Controller)1002(D)可結合成射頻通訊太陽能發電面板控制集成電路7000之單體。

請參照第11圖所示，係本發明之太陽能模組之智能優化安全監控系統優化控制器的第九實施例，即所述優化控制器(PV module Controller)之另一實施例，該優化控制器(PV module Controller)1002(E)實施時，電源線網路訊號耦合單元(PLC coupler unit)、電源線網路通訊處理單元(PLC communication unit)及外界環境感測單元可均不設置，僅設置降壓單元(DC/DC Buck unit)11、電流偵測單元(Current detect)12、電壓偵測與電流訊號收集之量化處理單元13、MCU運算控制單元(MCU CTL unit)14、開關單元(Switch unit)15及整流器(Rectifier)16。同樣具有可適時開啟或關閉該組太陽能發電面板模組(PV module)1001的功能。

請參照第12圖所示，係本發明之太陽能模組之智能優化安全監控系統優化控制器的第十實施例，如圖所示，係使第11圖所示太陽能發電面板模組1001和優化控制器(PV module Controller)1002(E)結合成無通訊太陽能發電面板控制集成電路8000之單體。

本發明之太陽能模組之智能優化安全監控系統，實施時，所述雲端平台另端又可連線至手機/平板或聯網的電腦，以獲取各太陽能發電面板的個別發電狀態、健康狀態、全系統的發電數據與效益，進而機動調整發電狀態，或緊急啟閉發電系統。

綜合以上所述，本發明之太陽能模組之智能優化安全監控系統，確實具有前所未有之創新構造，其既未見於任何刊物，且市面上亦未見有任何類似的產品，是以，其具有新穎性應無疑慮。另外，本發明所具有之獨特特徵以及功能遠非習用所可比擬，所以其確實比習用更具有其進步性，而符合我國專利法有關發明專利之申請要件之規定，乃依法提起專利申請。

需陳明者，以上所述者乃是本發明較佳具體的實施例，若依本發明之構想所作之改變，其產生之功能作用，仍未超出說明書與圖示所涵蓋之精神時，均應在本發明之範圍內，合予陳明。

10101:智能優化安全監控系統