TWM577214U - Solar field monitoring system using wireless communication - Google Patents

Abstract

本新型為一種利用無線通訊之太陽能案場監控系統，包含：一個以上太陽能板，各太陽能板之間串聯連接以形成多條發電產線；一個以上逆變器，與對應之發電產線電性連接；一個以上無線接收器，與對應之逆變器電性連接；一訊號集中器，與各無線接收器無線連接；一監控單元，與該訊號集中器連接；該等發電產線產生複數發電數據，並透過該逆變器將該複數發電數據傳輸至該無線接收器，該無線接收器以無線的方式將該複數發電數據傳輸至該訊號集中器；本新型透過無線傳輸的技術傳輸發電數據，讓使用者遠端能直接觀看發電數據並監控太陽能案場。

Description

利用無線通訊之太陽能案場監控系統

一種監控系統，尤其是指一種利用低功率廣域網路(Low-Power Wide-Area Network，LPWAN)技術達到無線傳輸資料數據，以監控太陽能案場之監控系統。

請參見圖3，為習用之太陽能案場監控系統的示意圖，傳統的太陽能案場具有複數太陽能板71、一日照計72、一雲況攝影機73、一逆變器75、一訊號集中器76及一控制室77。該複數太陽能板71與該逆變器75電性連接，該逆變器75、日照計72及該雲況攝影機73分別與該訊號集中器76電性連接，其中該日照計72用以測量太陽光的強度，該雲況攝影機73用以監控雲層的分布情形；該控制室77與該訊號集中器76電性連接，其中該控制室77用以監控該複數太陽能板71的發電情形以及該日照計72、該雲況攝影機73的量測結果。

一般而言，整個太陽能案場的監控系統皆以實體的電纜線建構而成，同時為能使太陽能板71的發電效率達到最高，太陽能案場通常會架設在空曠的區域，例如偏鄉的工廠、農場的屋頂，而這類地方往往人煙稀少，基礎設施不足，為減少施工成本，電纜線往往裸露在外，或是僅用簡易的管路包覆，甚至直接埋入土裡。經過一段時間後，電纜線經歷風吹日曬雨淋後容易損傷，產生接觸不良甚至斷裂等問題，或是遭到老鼠等動物咬嚙而斷裂，造成訊號傳輸不穩甚至中斷無法傳輸，不但影響使用年限，無法即時監控太陽能案場狀況的問題更為嚴重，倘若派人前往維修亦費工費時，不易維護。

另外，若太陽能板71與控制室77之間具相當距離，必須使用較長的電纜線，不但架設成本提高，施工過程同樣費工費時。

為降低太陽能案場的維護及建設成本，同時確保訊號傳輸具有高度的穩定性及速度，本新型提出一種利用無線通訊之太陽能案場監控系統，利用低功率廣域網路(Low-Power Wide-Area Network，LPWAN)技術，以無線傳輸的方式交換、收集來自太陽能板及其他感應器的數據，節省有線傳輸的建設及維護成本。

為達成上述目的，本新型利用無線通訊之太陽能案場監控系統包含： 一個以上太陽能板，各太陽能板之間串聯連接，以分別形成複數條發電產線，各發電產線能輸出一發電數據； 一個以上逆變器，與對應之發電產線電性連接； 一個以上無線接收器，與對應之逆變器電性連接以接收該發電數據； 一訊號集中器，與各無線接收器無線連接，該訊號集中器接收由該無線接收器傳送出之該發電數據； 一監控單元，與該訊號集中器連接，該監控單元接收由該訊號集中器發送的該發電數據。

本新型採用低功率廣域網路通訊接收器及低功率廣域網路通訊電路，讓太陽能案場中各太陽能板之發電數據及各環境感應器所測得之環境數據透過低功率廣域網路的無線傳輸技術傳送至該訊號集中器，最後傳送至該監控單元供使用者監控一個或多個太陽能案場，當需要監控多個太陽能案場時，低功率廣域網路技術能在各太陽能案場相距約10公里時，依然保有良好的通訊品質，讓使用者能遠距監控大範圍、大規模的太陽能案場，同時維持較低的耗電量。

本新型更包含一回報確認機制，首先使用者啟動訊號集中器並讓該訊號集中器取得網路連線，接著該訊號集中器會確認該監控單元是否接收到該發電數據或及該環境數據及一識別碼，其中該識別碼為該監控單元預先設定給予各逆變器及各環境感應器之通訊辨識碼，用以確認該發電數據及該環境數據來自於何逆變器或環境感應器；該識別碼會連同該發電數據或該環境數據至該監控單元；若該監控單元成功接收該發電數據、該環境數據及該辨識碼時，則發送一確認訊號至該訊號集中器，若該監控單元未成功接收該發電數據、該環境數據及該辨識碼時，該訊號集中器經該固定時間未收到該確認訊號，則重新發送未成功接收的該發電數據、該環境數據及該識別碼。透過此回報確認機制，可交叉確認數據是否正確發送及接收，維持數據的正確性及完整性。

請參見圖1，本新型為一種利用無線通訊之太陽能案場監控系統，其中本新型採用低功率廣域網路(Low-Power Wide-Area Network，LPWAN)技術，在單一太陽能案場中及太陽能案場與太陽能案場之間以低功率廣域網路無線傳輸數據；本新型包含：一個以上太陽能板10、一個以上逆變器20A、20B、20C、一無線接收器30A、30B、一訊號集中器40、一監控單元50及一個以上環境感應器60。

該一個以上太陽能板10之間串聯連接，在本實施例中，包含有多個太陽能板10，複數個太陽能板10連接後分別形成一條發電產線SP1、SP2、SP3，在圖面上以第一發電產線SP1、一第二發電產線SP2、一第三發電產線SP3為例。該第一發電產線SP1、該第二發電產線SP2、該第三發電產線SP3可以但不限定設置於同一太陽能案場，亦能為該第一發電產線SP1及該第二發電產線SP2設置於同一太陽能案場，該第三發電產線SP2設置於另一太陽能案場。

該一個以上逆變器20A、20B、20C分別與各發電產線SP1、SP2、SP3電性連接，如圖1所示，該逆變器20A連接該第一發電產線SP1，該逆變器20B連接該第二發電產線SP2，該逆變器20C連接該第三發電產線SP3。

該一個以上無線接收器30A、30B可接收一條或多條發電產線SP1、SP2、SP3的發電數據，如圖1所示，該無線接收器30A透過該逆變器20A、20B分別接收該第一發電產線SP1、該第二發電產線SP2的發電數據，而該無線接收器30B透過該逆變器20C接收該第三發電產線SP3的發電數據；同樣地，該無線接收器30A、30B可以但不限設置於同一太陽能案場中，亦可根據該第一發電產線SP1、該第二發電產線SP2及該第三發電產線SP3實際所屬太陽能案場設置，例如該無線接收器30A與該第一發電產線SP1及該第二發電產線SP2設置於同一太陽能案場，而該無線接收器30B與該第三發電產線SP3設置於另一太陽能案場；本實施例中，該一個以上無線接收器30A、30B為一低功率廣域網路通訊接收器。

該訊號集中器40無線連接該一個以上無線接收器30A、30B；該訊號集中器40包含一中央處理單元41、一無線通訊單元43及一網路通訊單元45，該中央處理單元41可為一中央處理器(Central Processing Unit，CPU)；該無線通訊單元43與該中央處理器41電性連接，本實施例中，該無線通訊單元43為一低功率廣域網路通訊電路；該網路通訊單元45與該中央處理單元11電性連接。

該監控單元50無線連接該訊號集中器40，其中該監控單元50可以無線連接該無線通訊單元43，以接收由該無線通訊單元43傳送之發電數據及環境數據；在一較佳實施例中，該監控單元50設置於一控制室51內，該控制室51可位於該太陽能案場的附近，或是位於距離太陽能案場較遠處，只要可達成無線訊號傳輸即可；該控制室51遠端監控一個或多個太陽能案場。

該監控單元50更可預先對每一逆變器20A、20B、20C及每一環境感應器60分別設定給予一識別碼，該識別碼作為每一逆變器20A、20B、20C及每一環境感應器60與該監控單元50之間的通訊辨識碼，該識別碼會隨同各發電數據及各環境數據一同回傳至該監控單元50，讓該監控單元50得以辨識各發電數據及各環境數據來自哪一該逆變器20A、20B、20C或該環境感應器60；該識別碼可為mac ID；每一逆變器20A、20B、20C及每一環境感應器60所設定之識別碼皆不相同，例如該逆變器20A之識別碼為01，該逆變器20B之識別碼為02，該環境感應器60之識別碼為06。

該一個以上環境感應器60可與一無線接收器30C電性連接，用以感測太陽能案場之溫度、日照量等數據，其中該無線接收器30C與上述之無線接收器30A、30B相同，皆為低功率廣域網路通訊接收器，且與該訊號集中器40無線連接；本實施例中，該一個以上環境感應器60可包含有溫度計、日照計、雲況攝影機、時雨計及其組合。

藉由上述元件，可完成本新型採用無線通訊的功能，以下敘述本新型的各項元件功能及電路動作。

當該一個以上太陽能板10受到日照時，各太陽能板10發電並透過對應之該逆變器20A、20B、20C將電力輸出至台電或是電力系統之併聯網，每一條發電產線SP1、SP2、SP3的發電數據傳送至各無線接收器30A、30B，各無線接收器30A、30B將各項發電數據無線傳輸至該訊號集中器40，該訊號集中器40的該無線通訊單元43接收各項發電數據後，經該中央處理單元41進行訊號處理，最後將各項發電數據透過該網路通訊單元45傳送至該監控單元50，讓位於該控制室51的工作人員能即時監控太陽能案場的發電情形。

其中，各無線接收器30A、30B可各自接收太陽能案場中的各項數據，且透過低功率廣域網路技術，各太陽能案場在相距約10公里時，依然能有良好的訊號傳輸品質。

另外，本新型更能結合環境感應器60偵測太陽能案場的環境狀況，以取得複數環境數據，並透過該無線接收器30C將該複數環境數據回傳至該訊號集中器40；例如該環境感應器60可為雲況攝影機，能拍攝雲層的分布，讓工作人員依雲層的多寡及厚薄預測在接下來的時間內太陽能案場的發電功率；或是溫度計、日照計等偵測元件，皆能讓工作人員盡速預測及判斷太陽能案場的發電功率在接下來的幾個小時會如何波動並提早應對，例如通知電力公司可能要增加火力、水力等其他發電種類的發電量。

本新型該訊號集中器40及該監控單元50於太陽能案場設置時預先配對，首先使用者根據每一逆變器20A、20B、20C的編號(每一逆變器20A、20B、20C於製作完成時皆帶有屬於自己的編號，例如逆變器20A的編號為AA，逆變器20B的編號為BB)，預先在該訊號集中器40儲存對應每一逆變器20A、20B、20C之該識別碼，例如該逆變器20A的編號為AA，對應識別碼為01，該逆變器20B的編號為BB，對應識別碼為02；當太陽能案場設置完畢時，即代表每一逆變器20A、20B、20C及每一環境感應器60皆與對應之該無線接收器30A~30C連接，各無線接收器30A~30C與該訊號集中器40連接。

若各逆變器20A、20B、20C或每一環境感應器60可回傳訊號至該訊號集中器40，該訊號集中器40可根據訊號回傳成功的各逆變器20A、20B、20C及每一環境感應器60，確認哪一逆變器20A、20B、20C或環境感應器60成功上線，並將成功上線之逆變器20A、20B、20C或環境感應器60之對應識別碼回傳至該監控單元50，完成配對報到。

若其中一逆變器20A、20B、20C或環境感應器60無法回傳訊號至該訊號集中器40，則使用者可透過該監控單元50得知未收到哪一識別碼，即得知何逆變器20A、20B、20C或環境感應器60未成功上線，再派工作人員前往排除障礙。

本新型該訊號集中器40及該監控單元50更進一步具有一回報確認機制，用以確認該發電數據及該環境數據是否正確發送及接收，請參見圖2，該回報確認機制包含：

S101：啟動訊號集中器40；

S102：取得網路連線；訊號集中器40啟動後，載入該網路通訊單元45的功能並建立起與該監控單元50的網路連線。

S103：該監控單元50判斷是否完成數據接收：

若該監控單元50未接收到該發電數據或該環境數據，則進入步驟S104：發送該識別碼、該環境數據及該發電數據至該監控單元50；該訊號集中器40可以時間間隔及等比級數的方式傳輸該等數據及該識別碼，例如該網路通訊單元45先將該環境數據切割成多個封包，當欲進行數據傳輸時，在第1秒、第2秒、第4秒、第5秒、第16秒時分別傳送10個封包。

S105：等待該監控單元50回傳確認訊號；若該監控單元50正確接收資料，則會回傳一確認訊號至該訊號集中器40，而該訊號集中器40會以一固定時間檢查該監控單元50是否回傳該確認訊號，該固定時間可為1秒、5秒或10秒。

在前述步驟S104中，若該監控單元50成功回傳該確認訊號，則進入步驟S106：完成數據傳輸；當該監控單元50正確接收到該筆數據及該識別碼時，該監控單元50會回傳該確認訊號至該訊號集中器40。

若該監控單元30接收數據失敗，則重新執行步驟S103；當該監控單元50未接收到該筆數據及該識別碼時，則重新執行步驟S103，該訊號集中器40會重新將未成功接收的該發電數據或該環境數據發送至該監控單元50。

S201：進入定時傳輸數據狀態；若該監控單元50成功接收到該發電數據、該環境數據及該識別碼，則該訊號集中器40繼續傳送其他環境數據或發電數據至該監控單元50。

本新型透過低功率廣域網路技術(LPWAN)，將各個太陽能板10之發電數據以及各個環境感應器60偵測到的環境數據回傳至該訊號集中器40，實現無線傳輸。同時，透過低功率廣域網路的無線傳輸技術，即使太陽能案場之間相距甚遠，依然能用以無線方式傳輸資料，同時低功率廣域網路技術的低功率性能，在遠距離的傳輸下，耗電量仍較低，有利於多個太陽能案場的資料集中及監控。

10‧‧‧太陽能板

20A、20B、20C‧‧‧逆變器

30A、30B、30C‧‧‧無線接收器

40‧‧‧訊號集中器

41‧‧‧中央處理單元

43‧‧‧無線通訊單元

45‧‧‧網路通訊單元

50‧‧‧監控單元

51‧‧‧控制室

60‧‧‧環境感應器

71‧‧‧太陽能板

72‧‧‧日照計

73‧‧‧雲況攝影機

75‧‧‧逆變器

76‧‧‧訊號集中器

77‧‧‧控制室

SP1‧‧‧第一發電產線

SP2‧‧‧第二發電產線

SP3‧‧‧第三發電產線

圖1：本新型之電路方塊圖。 圖2：本新型回報確認機制之步驟流程圖。 圖3：習知太陽能案場監控系統示意圖。

Claims (9)

1. 一種利用無線通訊之太陽能案場監控系統，包含：一個以上太陽能板，各太陽能板之間串聯連接，以分別形成複數條發電產線，各發電產線能輸出一發電數據；一個以上逆變器，與對應之發電產線電性連接；一個以上無線接收器，與對應之逆變器電性連接以接收該發電數據；一訊號集中器，與各無線接收器無線連接，該訊號集中器接收由該無線接收器傳送出之該發電數據；一監控單元，與該訊號集中器連接，該監控單元接收由該訊號集中器發送的該發電數據。
2. 如請求項1所述之利用無線通訊之太陽能案場監控系統，該無線接收器為一低功率廣域網路通訊(Low-Power Wide-Area Network，LPWAN)接收器。
3. 如請求項2所述之利用無線通訊之太陽能案場監控系統，進一步包含一個以上環境感應器，該一個以上環境感應器與對應之無線接收器電性連接，以產生複數環境數據。
4. 如請求項3所述之利用無線通訊之太陽能案場監控系統，該訊號集中器更包含：一中央處理單元；一無線通訊單元，與該中央處理單元電性連接，以接收由該無線接收器傳送出之該發電數據及該環境數據；一網路通訊單元，與該中央處理單元電性連接，用以將該發電數據及該環境數據傳送至該監控單元。
5. 如請求項4所述之利用無線通訊之太陽能案場監控系統，該訊號集中器儲存對應每一逆變器及每一環境感應器之一識別碼，當各逆變器或各環境感應器成功回傳訊號至該訊號集中器時，各逆變器或各環境感應器即完成配對報到。
6. 如請求項5所述之利用無線通訊之太陽能案場監控系統，進一步包含一回報確認機制，在訊號集中器取得網路連線後，該監控單元判斷是否接收到該發電數據或及該環境數據，其中該訊號集中器以一固定時間檢查該監控單元是否回傳一確認訊號，若該監控單元成功接收該發電數據或該環境數據時，則回傳該確認訊號至該訊號集中器，若該監控單元未成功接收該發電數據或該環境數據時，該訊號集中器經該固定時間未收到該確認訊號，則再次傳送該發電數據或該環境數據予監控單元；若該監控單元成功接收到該發電數據或該環境數據，則進入定時傳輸數據狀態，該訊號集中器繼續傳送其他環境數據或發電數據至該監控單元。
7. 如請求項6所述之利用無線通訊之太陽能案場監控系統，當各逆變器或各環境感應器透過該訊號集中器傳送該發電數據或該環境數據至該監控單元時，進一步結合發送一識別碼，該識別碼由該監控單元分別設定給予各逆變器及各環境感應器一通訊辨識碼，用以辨識太陽能案場的身分，各逆變器及各環境感應器所擁有之該識別碼各自獨立。
8. 如請求項7所述之利用無線通訊之太陽能案場監控系統，該一個以上環境感應器為溫度計、日照計、雲況攝影機、時雨計及其組合。
9. 如請求項8所述之利用無線通訊之太陽能案場監控系統，該無線通訊單元為一低功率廣域網路通訊電路。