TW201116845A - Method for determining the operating condition of a photovoltaic panel - Google Patents
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Description
201116845 六、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本專利申請案係關於由Kern Kernahan及s〇rin Span〇che 於2008年4月2日所提交之標題為「分散式多相轉換器」之 該共同擁有的實用新型專利申請案號12/〇61,〇25且關於由 • KentKernahan於20〇8年12月15日所提交之標題為「太陽能 • 面板中之熱點偵測及預防」之共同擁有的美國專利申請案 號12/335,357,該等案之全文係以引用的方式併入本文 中〇 【先前技術】 隔離住宅系統且作為 區域係用太陽能面板
光伏打型太陽能發電係快速部署於 用級電力產生器。在該二者中,一 覆蓋’其中該區域係足夠大以具有一系統中之面板之間的 明顯陽光照明或遮蔽差異。相似地,因為一系統中之並非 所有面板可同時安裝或由相同製造者製造或甚至具有相同 容量或其他特性,故面板與面板之間在沾污、灰塵覆蓋範 圍、機械或電紐級及甚至老Μ面可存在明㈣異。由 於暴露於熱、》、潮濕、風、鹽液喷霧、沙及其他環境因 素之極端狀態,故預期一或多個面板不時地發生問題。 必須偵測系統問題,接著適當地做出反應。今天典型安 裝提供關於個別面板之該等操作狀態之極少資訊/相應 地,些電力提供商會週期性派遣熟練技術人員來評估2 旎、視覺尋找受損或灰塵且測量某些操作參數;這是一個 昂貴的程序。若派遣技術人員太頻繁而未發現問題,則會 148364.doc 201116845 費成本右一問題已產生且技術人員未能及時查訪或該 題並不適於$要—热練技術人員’則存在不以輸送原 本y輸送之電力之—機會成本。舉例而言,若效能變低但 :衾等面板僅係骯髒’則可派遣一較廉價清潔人員來清潔該 等面板而非要1練練技術人員來做,或該技術人員查訪 内容只是需要代替派遣一清潔人員而已。 由於太陽能電力生產卫業已成熟且競爭日益激烈,故電 力提供者係被要求基於具有—最小保證之實際輸送電力報 價且收費’而非僅基於安裝容量。因此保持最佳效能為關 鍵此外,必須s忍識到一系統及其面板之老化使得可做出 關於何時且是否應更換一面板或若干面板之一經濟決定。 需要用於週期性決定整體系統以及該系統之該等個別組 件之效能之-遠端構件。—旦彳貞測到低於最佳效能,則需 要該構件來決定該問題之本質以使能夠做出關於應採用哪 個步驟(若存在)來予以回應之一決定。 【發明内容】 光伏打電池或模組之填充因數係定義為該最大輸出功 率與該模組之該斷路電壓值乘以該短路電流值之該乘積之 比。其為該陣列之該Ι·ν曲線之直線性之—測量。晶體式 及/專膜光伏打電池及模組之該長期老化作用係以其等在該 測量I/V曲線上之一填充因數減小來顯現。 與該理論比較,具有_聯電阻及分流電阻之一真實太陽 能電池之該I/V曲線係偏移更接近於該座標系之該原點。 此係因為該面板串聯電阻Rs 110引起該等電流值變為更 148364.doc 201116845 小,同時該分流電阻Rsh ! 02減小該電壓。 根據本發明,諸如一陣列轉換器之一太陽能面板電子控 制《週期丨生測畺其關聯光伏打面板之溫度、決定串聯電阻 及刀机电阻且计算該填充因數。在一些實施例中,該系統 亦保持此等參數之—長期趨勢。該等計算係基於週期性取 樣ι/ν曲線及模組溫度測量。此等測量係與該光伏打模組 之一模型相關。該模型係用藉由該面板製造商在製造時藉 由一 I/V測試器所測量之I/v曲線資料點校準。 Λ採用資料使可此識別且診斷該光伏打模組内之問題。 »亥I/V曲線中之異常係用於區別由該光伏打模組之老化影 a又損’、引起降級之例如沾污及遮蔽之外部因數所引起 之效能降級。 由於可偵測因為該太陽能裝置所引起之產量減小以及該 2伏打模組製造商與該太陽能襄置擁有者之責任歸屬,故 遠端監測且適當地回應於所發現問題之能力開啟了效能產 量保證之可能性。 部署面板之無數領域之該填充因數資料所獲取之長期資 料可用於改良純打模崎級之長㈣腳H卜此資气可 用於更精細調整擔保儲量。其亦可用作為保證一特定光伏 打椟組之該長期能量產量之一市場銷售工具。 【實施方式】 -_ 一些用語^^_ 陣列轉換器 用於控制與如美國專利申請案第 i^Ii025號中」斤揭示之1他相如翁1 & --__-- - 148364.doc 201116845 換器模組協作之一個別光伏打面板之一電 力轉換器模組。 Rs 光伏打電池或模組串聯電阻 Rsh 102 光伏打電池或模組分流電阻 Voc 光伏打電池或模組斷路電壓 Isc 光伏打電池或模組短路電流 Vmp 在最大功率之光伏打電池或模組電壓 MPPT 最大功率點跡線 PAM 脈衝幅度調變。一種訊息資訊以一系列信 號脈衝之振幅編碼之信號調變之形式。 PCM 脈衝碼調變。其中該信號值係以均一時間 間隔定期地取樣,接著量化為呈一系列數 位(通常為二進制)碼符號之一類比信號之 一數位表示。 如美國專利申請案第12/061,025號中所揭示,至脈衝振 幅調變(「PAM」)電流轉換器之一直流電流(稱之為 「PAMCC」)係連接至一個別直流電流源。該PAMCC接收 直流電流且在其輸出端提供脈衝振幅調變電流。當該 PAMCC之輸出端係與相似PAMCC之該等輸出端並聯連接 時,形成一 PAMCC陣列,其中該PAMCC之該等輸出脈衝 係互相異相。一 PAMCC陣列形成一分散式多相反相器,該 反相器之結合輸出為由各PAMCC調變之電流脈衝振幅的解 調總和。一 PAMCC以稱為一「陣列轉換器」。 作為討論,將假定使用一陣列轉換器以控制一太陽能面 148364.doc 201116845 *…&本發明之方法可與任何電子模組實踐,該任何電 子模組包含測量電壓及電流、決定該面板之溫度、與一共 同系統中之其他相似模組連通及控制一光伏打面板之能 力 二實鈀例進一步包含諸如經由一網際網路連接或一 無線電傳送而傳達至一中央辦公室之能力。 根據本發明,陣列轉換器模組係機械附接且電氣連接至 個別光伏打杈組。該組合總成係遭受l/v閃光測試。*、
Vmp、RS及Rsh參數之該等值係在該模組之該閃光測 試期間記錄。在運送該單元之前,此等模組特定參數以及 溫度係數及用於電池與模組技術之該特定組合之最大可容 許反向偏壓係程式化於該陣列轉換器之非揮發性記憶體 中。 一最大功率點跡線演算法(「Μρρτ」)週期性調整自該 光伏打模組汲取之電流使得該模組電壓乘以電流乘積(νι) 為最大。該MPPT演算法亦進行一初步估計,在該初步估 計中最大功率之電壓(「Vmp」)應基於溫度、電流及該瞬 間模組之該等製造參數及其❿因素<。該Vmp估言十之精確 度係主要藉由該溫度感測電路之精確度而決定。 歸因於該光伏打電池之長期老化影響及該模組層壓且互 連之劣化,故Vmp值隨時間改變。在一實施例中,為了校 準Vmp隨時間之相應改變,該陣列轉換器保持使vmp與模 組溫度相關之歷史資料。此相關係基於與其附接陣列轉換 器關聯之該光伏打模組内之局部觀察以及與相同系統中之 相鄰光伏打模組之比較相關而完成。在一些實施例中,該 148364.doc 201116845 資料係傳達至—遠端設備, 史資料之構件且使用該儲存 其中該遠端設備具有儲存該歷 資料執行分析》 圖1係一光伏打面板或電池之一電氣模型。在一有用太 陽月㈠池中’當杈跨二極體v〇c 1〇6之該電壓係接近二極 體Voc H)6之正向傳導電壓時,㈣1()2必須足夠大以使得 在輸出端104具有可用電流。典型所需的是當接近Voc之該 正向傳導電壓操作時,Rsh 1〇2使在輸出端1〇4之不大於以 的電流損失。舉例而言,若當在!個太陽下照明時,電流 源Isc 108為1〇安培且v〇c 1〇6之該正向傳導電壓為〇5 v, 則將典型設計該電池使得Rsh 1〇2係大於(〇5 或0.5 V/0.1A。Rsh 1〇2應大於5歐姆。最佳化用於高效率 或低光之電池通常具有許多倍更高的Rsh 1〇2值。 在一有用太陽能電池中,當橫跨二極體v〇c 1〇6之該電 壓係接近二極體Voc 1〇6之正向傳導電壓時,Rs n〇必須足 夠小以使得在輸出端1〇4具有可用電壓。典型所需的是當 接近Voc 106之該正向傳導電壓操作時,RS 110使不大於 1。/〇的電流損失。舉例而言,若當在1個太陽下照明時,電 Sil源Isc 108為10安培且v〇c 1〇6之該正向傳導電壓為〇.5 v, 則將典型設計該電池使得Rs 11 〇係小於“〇 5 V* 1 %)/1 0A) 或0.005 V/10A。Rs 11〇應小於500微歐姆。針對亮光之高 效率最佳化之電池通常具有低於500微歐姆的較低Rs 11〇 值0 由於以上該等原因,有用的太陽能電池具有高於Rs 11〇 許多數量級的Rsh 1 02。在給定實例中,Rsh 1 02係在給定 148364.doc 201116845 由於各者所造成 R 11Λ^ 之摘失不大於i%的—設計條件下之一比
Rs 110大1,_倍的最小值。 比 圖2說明一典变丨& 先伙打面板或電池在一給定瞬間ft @ 與電流之間的關伤A 心砰间之電壓 糸。自一光伏打電池或模組在功率輪 長期降級通過串萨φ 仕刀丰輸出的 耳外電阻Rs 11 〇中之一增加或兮八 Rsh 102之一減小“ τ之“° -戈該为流電阻 而顯現。Rs 110及Rsh 102中之改 如圖:中所说明之該…曲線之一變更。串聯電阻之一增加 引起該I _ V曲線之該頂部至該最大功率點之左邊之一更小 形:斜率。分流電阻之-增加引起該!-v曲線之該右部: §亥取大功率點之右邊之―更尖形負斜率。& m絕對值 係藉由測#接近Ise在該η曲線之該平坦部上之若干點且 計算通過這些點之直線的斜率而決定。Rsh 1〇2之絕對值 係藉由測里接近Voc在該I_v曲線之該平坦部上之若干點且 計算通過這些點之直線的斜率而相似地決定。 增加Rs 110且減小Rsh 1〇2亦將引起圍繞該Vmp點之 曲線之該膝部變為平坦化。因此,在一些實施例中,Rsh 1 02及Rs 110中之相對改變係藉由測量接近該最大功率點 之阻抗改變而決定》參考圖4 ’ rs 11 〇之一比例值係藉由 測量該最大功率點之該左邊之該直接阻抗而計算。該阻抗 可藉由以下公式而計算, 阻抗=dV/dI=(Vs-Vmp)/(Is-Imp)
其中dl係藉由以一控制方式增加該瞬間汲取電流且減去自 該新電流之該Imp電流而決定。由於Rsh 1〇2太大於RS 110,故當一負載係放置在輸出端104時,Rs 110可被忽視 [S] 148364.doc 201116845 使得在Voc 106之該電壓係大大低於二極體Voc ι〇6之該正 向傳導電壓。在此情況中’該負載之改變將引起與Rsh 1 02成比例之電壓改變,通過Rs i丨〇之該電流幾乎值定且 因此橫跨Rs 110之該電壓降幾乎恆定。若一人以兩種不同 負載之施加用電壓改變除以電流改變使得在v〇c 1 〇6之該 電壓係大大低於Voc 106之該正向傳導點,則該除法之結 果將接近Rsh 102。 一相似程序係接著用以計算Rsh丨〇2,其中該差異為該 瞬間汲取電流係以一控制方式減小且使用以下公式算出阻 抗。 阻抗=(dV/dI)=(Vsh-Vmp)/(Ish-Imp) 由於Rs 110太小於Rsh 1〇2,故當一負載係放置在輸出端 104時,Rsh 102可被忽視使得在v〇c 1〇6之該電壓係大大高 於二極體Voc 1〇6之該正向傳導電壓。在此情況中,該負 載之改變將引起與RS 110成比例之電壓改變,橫跨尺化 之忒電壓幾乎恆定且因此通過Rsh i 〇2之該電流幾乎恆 定。若一人以兩種不同負載之施加用電壓改變除以電流改 變使得在Voc 106之該電壓係大大高於v〇c 1〇6之該正向傳 導點’則該除法之結果將接近Rs丨丨〇。 該最大功率點跡線演算法藉由「干擾及觀察」之原理而 操作。㈣算法週期性變更㈣光伏打模組沒取之電流且 通過直接測量觀察在該新操作點之電壓。干擾及觀察之此 製程可典型地每秒操作若百次。一控制演算法使用該等週 期資料測量以發現對應於該最大功率點之該操作點。一旦 148364.doc 201116845 忒肩异法已發現該最大功率點,則連續地搜尋緊密接近於 該最大功率點之改變。需要計算與Rs 110及Rsh 1〇2成比例 P柷之忒等電壓及電流測量為該最大功率點跡線演算法 之一直接副產物。該成比例阻抗係通過一更長時間段而平 均由於老化之平均光伏打模組效能降級係典型地約每年 〇·5%至1%。在—些實施例中,該等成比例Rs 110及Rsh 尸抗測塁之短期平均值處理係執行於該陣列轉換器 内。一短期平均約為15分鐘。約月、季或年之較長期平均 亦可執行於該陣列轉換器内。或者,該等短期平均可藉由 個別陣列轉換器而傳達至可計算且保存該等長期平均之一 中央資料處理且儲存設備。 在一些實施例中’自裝備有„陣列轉換器之—光伏打模 組之該連續能量輸出、溫度資料及成比例Rs m及㈣ι〇2 阻抗測量係傳達至一中央資料處理設備且藉由一中央資料 處理設備而分析。該中央資料處理設備保持用於裝備有一 陣列轉換器之各個別光伏打模組之歷史效能資料。若一特 定模組經歷相對於顯示先前長期相關效能之其相鄰模組或 其他模組之一能量輸出減小,則該相對降級可藉由a)例如 該光伏打模組之遮蔽或沾污之外部障礙物或b)引起增她 110或減小Rsh 1G2之—老化相關降級。成比例Rs m及Rsh 1 〇2阻抗之連續測量提供辨为丨# τ门α t 里扠供辨別5亥不冋減小能量輸出係藉由 固有降級光伏打模組效能或#由外部㈣而引起。 在該最大功率點之電虔及電流之該等值係對Rs 110、 Rsh 1〇2及Voc 106之該正向傳導特徵敏感。在此點,二極 148364.doc 201116845 體V〇:106之該接面中之該正向電流確實為橫跨該二極體 之電壓改是之一指數且由溫度而強烈地影響之該事實為最 月顯在些技術中,可觀察若干疊加二極體特性。此表 示在已建立該最大功率點之後,在一特殊溫度之其電壓及 電流係該電池内之改變之一敏感指示器。 由於藉由遮蔽或沾污所引起之外部障礙物之光伏打模組 效能降級並不會在該光伏打模財之所有電池巾出現相同 的情況。因此,遭受遮蔽或沾污之該光伏打模組中之該等 電池將產生比該模組中之其他電池之更少電流。此將引起 該等未衫響電池試著迫使該降級電池在反偏壓狀態中操 作。由於該陣列轉換器連續地測量該模組溫度且知道該特 定光伏打模組之該電壓相關溫度係數,故其可決定該模组 中之一些電池是否出現先前引用美國專利申請案第 12/335,357號中所詳細描述之降級效能。因&,部份遮蔽 或沾污之存在可被精確地偵測到。裝備一陣列轉換器之光 伏打模組可傳達已偵測部份遮蔽或沾污之呈現的資訊且向 β亥中央資料處理設備報告此資訊。若該部份降級效能為時 間性貝上,則其係由遮蔽而引起。若該部份降級效能為連 續,則其係由沾污而引起。此可藉由該中央資料處理設備 藉由分析每一個別光伏打模組之該效能趨勢而決定。 對於一給定面板,若看到該最大功率點係自其歷史規範 偏移,則在該最大功率點記錄的該電壓上方及下方之該等 ,域可藉由改變該最大功率點上方及下方之該負載而測 量,以測量如先前討論的Rsh 1〇2及Rs 11〇。在一實施例 148364.doc 12 201116845 中,右一光伏打模組顯示Rs u〇4Rsh 1〇2之加速降級符 號,則該中央資料處理設備發佈來自該可疑面板之診斷測 量之-要求。當在診斷測量模式中時,該陣列轉換器取樣 该光伏打模組之該完整ί_ν曲線。此等診斷〗_v測量允許該 等絕對Rs 110及Rsh 102值之計算,以確認該Rs 11〇及&^ 102降級之精確值。亦可能在—週期基礎上執行這些診斷 測量’以進—步改良相對於警示臨限值之老化降級之偵測 精度。與相對阻抗測量比較之診斷〗_v測量之缺點為:診 斷I-V測量引起在該診斷時間期間之能量產量減少。y 若發現Rsh 1〇2小於其以前的值,則吾人斷定該電池之 洩漏已增加(電池内受損之一確定記號)。 若發現Rs高於其以前的值,則吾人斷定該電池之電阻已 增加或至該電池之該互連已降級。無論如何,此亦為受損 之一確定記號。 若發現Rsh 102及RS 110在其等標稱值,則吾人斷定該二 極體接面本身之電壓特性已降級。此亦為受損之一確定記 應注意僅減少至一電池之該可用光未改變Rs 11〇、Rsh 102或該二極體之傳導特性。唯一明顯影響為減小來自Isc 1 08之电流。此將引起如通過一未改變二極體傳導特性、 該電池未受損之-$定記號所見之該傳導特性上之該最大 功率點之偏移。 一旦吾人已確定該電池未受損,則吾人從裝置缺陷關注 轉移至維護或計量問題。若包含該瞬間電池之—面板係與 148364.doc 13 201116845 其他附近面板不同地產生電力’則吾人推斷此特殊面板被 遮蔽或骯髒。若電力產生為較低但仍遵循其他面板之溶膠 化之標準輪廓,則吾人推斷其為骯髒。若型樣為不同,則 吾人推斷該面板被遮蔽。若每個面板具有遵循一特殊位置 之溶膠化之該標準輪廓之一減小產量且如藉由該位置之公 八了用天氣術星影像而觀察,看到該產量係與隨時間之雲 層覆盍改變完全無關,則吾人推斷該整個位置需要清潔。 自該以上討論,可以清楚地瞭解到測量且比較RS 11〇、 Rsh 102與該最大功率點之該技術係允許吾人區別内部受 損與外部影響。此外,藉由檢查一面板陣列中之面板之不 同效能且利用公共可用計量資料,一人可推斷該外部因數 之本質。藉由能夠區別將典型需要更換一面板以校正之受 損與將需要清潔、修整或其他維護行動之灰塵或遮蔽,可 提供該正確服務方案而不需要額外到場服務(truck r〇u) 架、花費及延遲。 衝突之解決 若以引用的方式併入本文之任何揭示内容且此等併入之 揭示内容與本發明部份或完全衝突,則在衝突及/或更廣 義揭示内容及/或用語之更廣義定義範圍内,係以本發明 為主。若此等併入之揭示内容互相部份或完全衝突,則在 衝突範圍内,以曰期較後之揭示内容為主。 【圖式簡單說明】 圖1係一典型太陽能面板之一電路模型。 圖2係一典型太陽能面板之電壓、電流與最大功率點之 148364.doc 201116845 間的關係之一圖表。 圖3繪示增加串聯電阻Rs且減小分流電阻Rsh之一典型太 陽能面板之一 I-V曲線之該形狀上之影響。 圖4係該最大功率點之該區域中之一典型太陽能面板之 電壓及電流之一圖表之一分解視圖。 圖5係本發明之方法之一實施例之一實例。 【主要元件符號說明】 102 分流電阻Rsh 104 輸出端 106 正向傳導電壓Voc 108 電流源Isc 148364.doc - 15·
Claims (1)
- 201116845 七、申請專利範圍·· 1. 一種用於決定一太陽能面板之操作狀態之方法,其中該 太陽能面板係受控於一電子模組,該方法包括以下步 測量該太陽能面板之溫度; 決定該太陽能面板之瞬間最大功率狀雖; 比較該瞬間最大功率狀態與基於該溫度及該太陽能面 板之串聯電阻及分流電阻之先前決定值之一模型; 若該瞬間最大功率狀態從該模型變化大於一預定值, 則採取以下額外步驟: 决疋s亥太1%能面板之該瞬間串聯電阻; 決定該太陽能面板之該瞬間分流電阻; 根據一規則決定從該模型變化之原因。 2.如請求項丨之方法,其中決定該最大功率狀態包括以下 步驟: 相對於電壓及電流之該等瞬間值改變電壓及電流; 重新計算功率輸出;及 I擇提供該最高功率值之電壓及電流狀態。 3. 4. 5. 士响求項1之方法’其中串聯電阻及分流電阻之該等: 月J ^定值係藉由一太陽能面板之一製造商藉由在組裝1 太陽能面板之後測試而決定。 ▲月求項1之方法’其中串聯電阻及分流電阻之該等 刖:疋值為一先前測量循環中所決定之該等值。 月求項1之方法,其中若該分流電阻值係小於該先 148364.doc 201116845 刀μ電阻值’則該規則決定一太陽能面板電池受損。 6·如。月求項1之方法,其中若該串聯電阻值係大於該先前 串聯電阻,則該規則決定一太陽能面板電池受損。 1 ·如吻求項1之方法,其中若該串聯電阻值及該分流電阻 值都與其等先前值相同,則該規則決定一太陽能面板電 池受損。 °月求項1之方法’其中若該太陽能面板未受損且進一 步該太陽能面板之電力產生係不同於該系統中之其他附 近太陽能面板,則該規則決定一太陽能面板被遮蔽。 月求項1之方法,其中若該太陽能面板之該電力產生 二低於其他附近太此面板且該太陽能面板之該溶膠化 型樣係相似於其他附近太陽能面板之該溶膠化型樣,則 該規則決定一太陽能面板為骯髒。 1 〇. 士 %求項1之方法,其中溫度、最大功率電壓、最大功 率電流、串聯電阻及分流電阻之該等值係傳達至一外部 資料儲存設備。 1.如明求項1 〇之方法,其中該傳達係經由一網際網路連 接。 12.如請求項1〇之方法,其中該傳達係經由一無線電信號。 13·如請求項4之方法,其中該先前決定串聯電阻係藉由以 下步驟而決定,該等步驟包括: 増加該太陽能面板之該輸出電流值(Is); 測量該太陽能面板之該電壓輸出值(Vs); 使用以下公式計算一阻抗 148364.doc 201116845 阻抗=(Vs-Vmp)/(Is-Imp) 其中Vmp為該最大功率狀態之該電壓值且Imp為該最 大功率狀態之該電流值。 14 _如清求項4之方法,其中該先前決定分流電阻係藉由以 下步驟而決定,該等步驟包括: 減小該太陽能面板之該輸出電流值(Ish); 測量該太陽能面板之該電壓輸出值(Vsh); 使用以下公式計算一阻抗 阻抗=(Vsh-Vmp)/(Ish-Imp) 其中Vmp為該最大功率狀態之該電壓值且Imp為該最 大功率狀態之該電流值。 15.如請求項丨之方法,其中該瞬間最大功率狀態之該變化 係大於0.5〇/〇。 148364.doc
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