專利名稱：用于監(jiān)測及控制太陽能電池板陣列的網(wǎng)絡拓撲的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及用于監(jiān)測及控制太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，且更具體地涉及用于監(jiān)測及控制包括大量光伏模塊的太陽能電池板陣列的網(wǎng)絡拓撲。
背景技術：
世界上的某些地方已建立太陽能電池板大陣列以用于公共事業(yè)規(guī)模的發(fā)電。舉例而言，德國巴伐利亞的包括57，000以上的光伏(PV)模塊的太陽能電池板陣列覆蓋幾乎62 英畝(25平方公里)的區(qū)域并產(chǎn)生大致10兆瓦的電力。美國內(nèi)華達州的另一太陽能電源系統(tǒng)將具有在約140英畝(57平方公里)上的大致70，000個PV模塊。隨著太陽能電池板的效率和可靠性提高以及安裝成本降低，預期太陽能電池板大陣列成為更普遍的電力源。一些太陽能電池板包括用于將陽光轉(zhuǎn)換成另一形式能量的能量轉(zhuǎn)換裝置。其它板包括反射光學元件、透射光學元件、或者透射及反射元件的組合以將入射陽光集中在能量轉(zhuǎn)換裝置上，其可以可選地附連到太陽能電池板或與太陽能電池板分離。例如，太陽能電池板可包括用于將陽光轉(zhuǎn)換成電的一個或多個PV模塊。PV模塊包括在串聯(lián)電路中連接在一起的許多相對小的太陽能電池。在亮陽光下，一個PV模塊可輸出從約12伏直流到約50伏直流電壓下的高達數(shù)百瓦的直流(DC)電力，這取決于板的設計。來自個別PV模塊的輸出可與來自其它PV模塊的輸出組合在串聯(lián)電路中以用于有效的電力傳輸。具有一個或多個PV模塊的太陽能電池板可進一步包括用于將入射在太陽能電池板的相對大表面上的陽光集中到具有相對小表面的太陽能電池上或可選地集中到串聯(lián)電連接的多個太陽能電池上的光學元件。這種稱作集中光伏模塊(CPV)的PV模塊可以比沒有集中陽光的光學元件的系統(tǒng)更高的能量效率工作。在圖6的現(xiàn)有技術示意圖中示出CPV模塊的示例。在圖6中，第一示例CPV模塊600-1的一小部分的繪示圖包括在附連到襯底608 的多個太陽能電池604上方的排列成行和列的多個透鏡602。襯底608對CPV模塊600-1 中的其它組件提供結構性支承，且還可包括用于散熱的結構。太陽能電池604放置成靠近透鏡604的焦點。用電導體606串聯(lián)連接相鄰太陽能電池。在圖7的現(xiàn)有技術示意圖中示出CPV模塊的另一示例。圖7是包括反射鏡610的 CPV模塊600-2的部分端視圖，反射鏡610將入射陽光引導至靠近反射鏡610的光學焦點放置的太陽能電池604的表面上。太陽能電池604附連到襯底608上以得到結構性支承。一些CPV模塊包括多個太陽能電池604，每個太陽能電池在多個杯狀反射鏡610的對應光學焦點附近放置。其它CPV包括沿著沿著槽狀反射鏡610的光學焦點放置的多個太陽能電池。 在本領域中已知見于CPV模塊中的透鏡和反射鏡設計的許多變化。將太多陽光引導至太陽能電池可因為過熱而破壞太陽能電池。因此，PV模塊可包括用于測量太陽能電池溫度的設備。PV模塊可包括許多溫度測量設備以檢測模塊中的熱點。太陽能電源系統(tǒng)的操作員可選擇太陽能電池板離開太陽以降低檢測到熱點的PV模塊的溫度。尤其，必須監(jiān)測CPV模塊的熱點，因為從相對大收集表面收集的陽光聚焦在相對小的太陽能電池上。在圖6和圖7的現(xiàn)有技術示意圖中，溫度測量設備122熱耦合到太陽能電池604。溫度傳感器可附連到許多太陽能電池，如圖所示。由系統(tǒng)操作員監(jiān)測來自溫度測量設備的輸出信號以檢測太陽能電池604中的高于安全操作極限的溫度。在大太陽能電池板中，監(jiān)測PV模塊內(nèi)的許多位置處的溫度可能是必要的。為了提高發(fā)電，可使用機械定位系統(tǒng)以在方位角和仰角中旋轉(zhuǎn)太陽能電池板以便沿著太陽在日間天空穿過的路徑跟蹤太陽。例如，具有附連PV模塊的太陽能電池板可被旋轉(zhuǎn)以使PV模塊的陽光吸收表面在整個日間時間垂直于陽光光線?；蛘撸ㄒ粋€或多個鏡子的太陽能電池板可被旋轉(zhuǎn)以便將陽光引導至相對于太陽保持在固定位置中的分別的PV 模塊上。太陽能電池板適配成跟蹤太陽位置并將反射的陽光引導至稱作定日鏡的目標上。 在一些太陽能電源系統(tǒng)中，PV模塊接收從一個以上的定日鏡反射的陽光。方位角和仰角的測量值可從太陽能電池板通過通信網(wǎng)絡傳輸?shù)街行奈恢靡员阌晒芾砑翱刂葡到y(tǒng)和系統(tǒng)操作員考察。與太陽能電池板效率相關的例如PV模塊中的太陽能電池的所測量溫度的其它參數(shù)、操作條件、以及故障條件還可發(fā)送到稱作中央服務器的中央管理及控制系統(tǒng)。來自中央服務器的命令還可經(jīng)由通信網(wǎng)絡發(fā)送到連接至或靠近于太陽能電池板的裝置，例如，將位置調(diào)節(jié)命令發(fā)送到機械定位系統(tǒng)。向逆變器和變壓器輸入的并聯(lián)連接的太陽能電池板的多個串聯(lián)鏈被稱作區(qū)域 (area) 0在一個區(qū)域內(nèi)的太陽能電池板一般物理上彼此相對僅靠地放置。太陽能發(fā)電廠可包括若干區(qū)域以實現(xiàn)優(yōu)選電力發(fā)生容量。大太陽能發(fā)電廠占據(jù)實質(zhì)上的大面積土地，如巴伐利亞和內(nèi)華達的太陽能發(fā)電廠示例。對于包括許多區(qū)域的太陽能發(fā)電廠而言，區(qū)域各自具有許多太陽能電池板、或?qū)^(qū)域相互分隔開的基本距離，各區(qū)域可具有其各自的稱作網(wǎng)關的服務器，其用于累積來自區(qū)域中的太陽能電池板的數(shù)據(jù)并向中央服務器傳輸所累積的數(shù)據(jù)。網(wǎng)關還可向由網(wǎng)關提供服務的區(qū)域中的太陽能電池板分發(fā)來自中央服務器的命令。為了和中央服務器以及一個或多個網(wǎng)關交換數(shù)據(jù)和命令，太陽能電池板是將節(jié)點鏈接到另一節(jié)點、將諸節(jié)點鏈接到網(wǎng)關、以及將諸網(wǎng)關鏈接到中央計算機的通信網(wǎng)絡中的節(jié)點的一部分。隨著節(jié)點數(shù)量增大，在節(jié)點之間建立可靠通信連接的成本增加。此外，隨著在通信網(wǎng)絡中使用的組件數(shù)量增加，網(wǎng)絡可靠性降低。雖然本領域中已知與監(jiān)測及控制相關的用于通信的許多不同網(wǎng)絡拓撲，沒有一個已知拓撲適于監(jiān)測及控制在大面積土地上分布的大量太陽能電池板。例如，在覆蓋許多英畝(數(shù)千平方米)的太陽能電池板陣列中用諸如電纜或光纖的點對點布線來相互連接太陽能電池板并連接至網(wǎng)關的安裝和維護是非常昂貴的。這種布線必須被保護以免受到機械破壞，例如來自在布線上方開動的服務車輛的破壞，且可能還需要與諸如逆變器、變壓器、傳輸電纜、電風暴、電開關設備、車輛點火系統(tǒng)、 計算機系統(tǒng)等的電干擾源隔離。本領域中已知的用于在控制及監(jiān)測網(wǎng)絡中的節(jié)點之間建立通信的另一方法稱作輸電線通信(PLC)。PLC技術包括用于將來自數(shù)據(jù)源的要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)耦合到電力傳輸線上的接口電路。在數(shù)據(jù)目的地處由接收電路從電力傳輸線退耦已傳輸數(shù)據(jù)，該接收電路使接收數(shù)據(jù)的裝置免受電力傳輸線上的電壓和電流的破壞。PLC系統(tǒng)的優(yōu)點在于電力傳輸和通信不要求分別的布線。但是，PLC系統(tǒng)上的通信可被點對點布線方案中描述的電干擾同樣的一些源所降級或中斷。無線技術是用于在網(wǎng)絡中的節(jié)點之間建立通信的另一廣泛使用的方法。例如通常稱作“藍牙”的短范圍技術和通常稱作“Wifi”的較長范圍技術的短范圍和長范圍無線通信技術兩者可適配成在節(jié)點和中央服務器之間交換數(shù)據(jù)和命令。但是居間的地形或建筑、如服務裝置的臨時障礙物、太陽能電池板或其金屬支承結構、以及電干擾源(其中一些已描述)可干擾無線通信。此外，無線技術一般不能擴展成在單個無線網(wǎng)絡訪問點的范圍內(nèi)包含數(shù)千個節(jié)點，無線網(wǎng)絡訪問點例如為與太陽能發(fā)電廠中的一區(qū)域中的數(shù)百或數(shù)千個太陽能電池板通信的網(wǎng)關。有可能可以增加無線訪問點數(shù)量以為更多節(jié)點增加容量，但是因為大量板是緊靠的，無線訪問點則可能近得足以使其彼此干擾。例如通過向不同無線訪問點分配不同頻率來防止這種干擾仍可導致無線連接的最大數(shù)量小于大太陽能電池板陣列所需的節(jié)點數(shù)量。本領域中已知的各組網(wǎng)技術具有局限，此類局限或者是降低了大量節(jié)點的按比例縮小性，或者是在大太陽能電池板陣列工作期間可預期出現(xiàn)的條件下可導致網(wǎng)絡通信錯誤。例如，當板串聯(lián)連接鏈中的任一板失效(例如由PV模塊內(nèi)的太陽能電池失效或者由太陽能電池板之間的電連接的失效所致)時，不僅是來自失效板的輸出被中斷，來自串聯(lián)鏈中的失效板之前的其它板的輸出也可被中斷。另外，數(shù)據(jù)和命令的通信可被中斷，例如在節(jié)點之間的電力連接上的PLC系統(tǒng)中承載的數(shù)據(jù)和命令。網(wǎng)絡通信的丟失中斷太陽能電池板陣列的監(jiān)測及控制，且還可導致來自太陽能發(fā)電廠的電力服務的中斷。需要的是用于控制及監(jiān)測可從包含若干太陽能電池板的陣列縮放到包含數(shù)十萬個太陽能電池板的陣列的網(wǎng)絡拓撲。還需要包括冗余通信路徑的網(wǎng)絡拓撲，使得通過節(jié)點的通信路徑的中斷不導致其它節(jié)點的監(jiān)測及控制的丟失。進一步需要能夠給具有故障的太陽能電池板設旁路并維持來自其它太陽能電池板的電力流以及與其它太陽能電池板的通信的網(wǎng)絡拓撲。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括用于控制太陽能電池板陣列的網(wǎng)絡拓撲。根據(jù)本發(fā)明一實施例的網(wǎng)絡拓撲包括適配成與諸如網(wǎng)關或中央服務器的外部通信控制器交換數(shù)據(jù)和命令的智能節(jié)點。 智能節(jié)點包括網(wǎng)絡控制器、太陽能電池板、適配成根據(jù)由智能節(jié)點接收的命令改變開關狀態(tài)的旁路繼電器、旁路總線、以及至少兩個冗余通信手段的接口電路。在一些實施例中，太陽能電池板包括PV模塊，且太陽能電池板和PV模塊可一起移動以跟蹤太陽。在其它實施例中，機械地將PV模塊和太陽能電池板分離，即，太陽能電池板跟蹤太陽而PV模塊保持在固定位置中。太陽能電池板、用于監(jiān)測太陽能電池板的一個或多個測量電路、方位角電動機、以及仰角電動機的組合被稱作集中器(concentrator)。一些實施例包括用于將陽光引導至PV模塊上的一個以上的集中器。智能節(jié)點還包括連接至PV模塊上的輸入端子的輸入端子以及連接至旁路繼電器上的輸出端子的輸出端子。PV模塊的輸出端子電連接至旁路繼電器上的第一開關端子。用于測量電流的電路可選地可位于PV模塊上的輸出端子和旁路繼電器上的第一開關端子之間的線上的串聯(lián)電連接中。用于測量電壓的電路可選地可連接至來自PV模塊的輸出端子的線。旁路總線從智能節(jié)點上的輸入端子電連接至旁路繼電器上的第二開關端子。由智能節(jié)點接收的來自例如中央服務器的外部監(jiān)測及控制系統(tǒng)的命令選擇性地造成旁路繼電器從一個開關狀態(tài)改變至另一開關狀態(tài)。在第一開關狀態(tài)中，輸入到智能節(jié)點輸入端子的電壓和電流相加到由PV模塊輸出的電壓和電流，且組合的電流和電壓電耦合至旁路繼電器中的第一開關端子以便在智能節(jié)點輸出端子上輸出。在第二開關狀態(tài)中， 輸入到智能節(jié)點輸入端子的電壓和電流通過旁路總線耦合到旁路繼電器上的第二開關端子以便在智能節(jié)點輸出端子上輸出，由此旁路掉來自PV模塊的電壓和電流輸出。智能節(jié)點包括適配成從測量電流接收信號、且在一個或多個通信接口上輸出與太陽能電池板性能和狀況相關的數(shù)據(jù)的節(jié)點控制器。節(jié)點控制器可選地可對如用于改變太陽能電池板方位角和仰角的電動機的控致動器輸出電信號。節(jié)點控制器還與網(wǎng)關、服務器或其它智能節(jié)點通過至少兩個冗余通信手段來交換數(shù)據(jù)和命令。在優(yōu)選實施例中，兩個冗余通信手段為輸電線通信(PLC)和無線通信。智能節(jié)點中的無線通信收發(fā)器替代地可以是用于短范圍或長范圍無線通信的收發(fā)器。根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)絡拓撲實施例可選地包括串聯(lián)連接的多個智能節(jié)點，其中一個智能節(jié)點的輸入端子連接至下一相繼智能節(jié)點的輸出端子，由此形成智能節(jié)點鏈。一實施例可選地可擴展成包括并聯(lián)電連接的多個智能節(jié)點鏈、或者替代地可為樹狀結構，其中來自各智能節(jié)點鏈的輸出電連接至區(qū)域的網(wǎng)關，并進一步電連接至逆變器和變壓器。網(wǎng)絡的一區(qū)域包括與一個網(wǎng)關通信的所有智能節(jié)點。一實施例還可包括適配成與一個或多個區(qū)域交換數(shù)據(jù)和命令的中央服務器。在優(yōu)選實施例中，經(jīng)由無線通信信道來進行網(wǎng)關和中央服務器之間的通信。這一部分總結了本發(fā)明的一些特征。根據(jù)以下描述和通過參考以下附圖，將更好地理解本發(fā)明實施例的這些及其它特征、方面、以及優(yōu)點，其中附圖簡述

圖1是智能節(jié)點示例的框圖，智能節(jié)點是根據(jù)本發(fā)明實施例的網(wǎng)絡拓撲中的重復元件。在圖1的實施例中，PV模塊是太陽能電池板的一部分。圖2是智能節(jié)點另一示例的框圖。在圖2的實施例中，PV模塊與太陽能電池板分離，即，太陽能電池板可調(diào)節(jié)成跟蹤太陽位置而PV模塊保持在固定位置中。圖3是包括用于將陽光引導至PV模塊上的多個集中器的智能節(jié)點實施例的框圖。圖4是包括圖1-3的多個智能節(jié)點、網(wǎng)關、可選逆變器、以及可選變壓器的網(wǎng)絡拓撲示例的框圖。圖4還示出根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)絡拓撲中的區(qū)域的邊界。圖5是用于監(jiān)測及控制組織成一個以上區(qū)域的智能節(jié)點大陣列的網(wǎng)絡拓撲的框圖。圖5示例中指示區(qū)域的框是圖4示例的簡化表示。圖6是本領域中已知為CPV模塊的PV模塊示例的簡化圖示。圖6示出包括位于太陽能電池的對應陣列上的透鏡陣列的完整CPV模塊的一小部分。圖6還示出安排成監(jiān)測太陽能電池溫度的溫度測量設備。(現(xiàn)有技術)圖7是CPV模塊的另一示例的端視圖。圖7示例中的CPV模塊包括位于反射鏡的光學焦點附近的太陽能電池。圖7還示出安排成監(jiān)測太陽能電池溫度的溫度測量設備的示例。(現(xiàn)有技術)
具體實施例方式用于監(jiān)測及控制太陽能電池板大陣列的網(wǎng)絡拓撲實施例包括適配成通過至少兩個冗余通信手段傳輸和接收數(shù)據(jù)及命令的智能節(jié)點。根據(jù)本發(fā)明實施例的智能節(jié)點包括太陽能電池板、PV模塊、節(jié)點控制器、旁路繼電器、以及旁路總線。一些實施例包括多個智能節(jié)點，其電連接成串聯(lián)鏈并進一步電連接到網(wǎng)關。又一實施例包括并聯(lián)電連接且具有電連接至網(wǎng)關并可選地連接至逆變器和變壓器的組合輸出的多個串聯(lián)鏈，由此界定網(wǎng)絡區(qū)域的邊界。附加實施例還包括與多個區(qū)域通信的中央服務器。本發(fā)明的諸實施例可從小量智能節(jié)點縮放到組織成多個區(qū)域的500，000或以上智能節(jié)點的極大陣列。諸實施例良好地適合于要求可靠控制及監(jiān)測以便最小化服務中斷的例如太陽能發(fā)電廠的應用。智能節(jié)點是根據(jù)本發(fā)明實施例的網(wǎng)絡拓撲中的基本重復元件。圖1示例中示出智能節(jié)點的示例。在圖1的框圖中，智能節(jié)點100包括具有PV模塊130的太陽能電池板102。 對PV模塊130的輸入電連接至連接到智能節(jié)點100的輸入端子118的輸入線132。可選電壓測量電路V 114測量PV模塊130的電壓輸出。來自PV模塊130的輸出線134電連接至旁路繼電器104上的第一開關端子。與PV模塊串聯(lián)的可選電路測量電路I 116測量來自PV模塊130的輸出電流。來自旁路繼電器104的輸出端子電連接至智能節(jié)點100的輸出端子120。智能節(jié)點100還包括用于路由來自PV模塊130周邊的相鄰節(jié)點的電力、數(shù)據(jù)及命令的旁路總線106。例如，如果PV模塊130性能不良、發(fā)生故障、或者進行檢查或維護，則可能期望將來自相鄰節(jié)點的電力、數(shù)據(jù)及命令從智能節(jié)點100的輸入端子118路由到智能節(jié)點100的輸出端子120。不良PV模塊性能可來自于例如太陽能電池板102表面上或PV模塊130表面上的污垢、水、或其它外來材料，來自云、建筑物或樹木的陰影，PV模塊中的功率轉(zhuǎn)換元件的老化，來自冰雹或熱應力的破壞，或電學故障。由智能節(jié)點100接收的命令選擇性地造成旁路繼電器104改變開關狀態(tài)。在第一開關狀態(tài)中，與由PV模塊130輸出的電壓及電流組合的輸入到智能節(jié)點輸入端子118的電壓及電流從旁路繼電器104上的第一開關端子連接到旁路繼電器104上的輸出端子。在第二開關狀態(tài)中，輸入到輸入端子118上并由旁路總線106運送的電壓及電流從旁路繼電器 104上的第二開關端子連接到旁路繼電器104的輸出端子。旁路繼電器104的輸出端子電連接到智能節(jié)點輸出端子120。旁路繼電器104在其第一開關狀態(tài)時，由PV模塊130產(chǎn)生的電力對從智能節(jié)點100輸出的輸出端子120上的電壓及電流作貢獻。當旁路繼電器處于其第二開關狀態(tài)時，在從智能節(jié)點100輸出的電壓及電流中排除來自PV模塊130的電力。 在任一開關狀態(tài)中，在智能節(jié)點輸入端子118處接收的電力、數(shù)據(jù)及命令被耦合到智能節(jié)點耦合端子120。在優(yōu)選操作模式中，由智能節(jié)點100接收的旁路掉PV模塊130并將來自輸入端子 118的電壓及電流連接到輸出端子120的命令在中央服務器中產(chǎn)生。自中央服務器激活旁路繼電器104出于效率及可選安全性考慮是優(yōu)選的。例如，使操作人員或可選地使在中央服務器上運行的算法在激活旁路繼電器104以從特定智能節(jié)點100中的輸出端子120連接或替代地斷開旁路總線106之前檢查與PV模塊130性能相關聯(lián)的數(shù)據(jù)是優(yōu)選的。例如對一個或多個智能節(jié)點進行計劃中的維護的事件影響大陣列智能節(jié)點的區(qū)域或部分區(qū)域時， 這種激活可能是所期望的?；蛘撸僮鲉T或在中央服務器上運行的算法可選擇忽略該事件， 例如瞬態(tài)事件、網(wǎng)絡中的冗余通信手段之一失效并非所有失效、或者可以很快解決的問題， 并允許智能節(jié)點繼續(xù)對電力作貢獻。智能節(jié)點100包括適配成與其它節(jié)點、網(wǎng)關或中央服務器通信的節(jié)點控制器。節(jié)點控制器可包括，例如但不限于，包含多個分立電路組件的電路、可編程邏輯陣列、門陣列、專用集成電路、或具有相關聯(lián)支持電路的微處理器或微控制器。圖1的節(jié)點控制器108通過至少兩個冗余通信手段傳輸和接收數(shù)據(jù)及命令。圖1實施例中示出的通信手段示例是輸電線通信接口(PLC I/F) 110，其電連接至節(jié)點控制器108的雙向通信端口并經(jīng)由包含在PLC 接口 110到線中的隔離電路電耦合至智能節(jié)點100的輸出端子120。圖1所示通信手段的另一示例是包括無線收發(fā)器(XCVR) 112的無線通信接口。無線XCVR 112電連接至節(jié)點控制器108上的雙向通信端口并與其它無線收發(fā)器(例如其它智能節(jié)點或網(wǎng)關中的無線收發(fā)器)交換表示數(shù)據(jù)及命令的信號。在一些情形下，例如網(wǎng)關不工作時，智能節(jié)點可選地可通過無線通信與中央服務器交換數(shù)據(jù)及命令。在智能節(jié)點100 中可包括適配成用于例如藍牙收發(fā)器的短范圍通信的無線收發(fā)器112。替代地，可包括用于長范圍通信的例如Wifi收發(fā)器的收發(fā)器或使用其它無線通信技術的收發(fā)器。節(jié)點控制器108可以可選地包括至少一個傳感器接口及可選地包括至少一個致動器接口，它們用于監(jiān)測及控制太陽能電池板102和PV模塊130。例如，節(jié)點控制器可連接至電壓測量電路114的輸出，由此使節(jié)點控制器能夠經(jīng)由網(wǎng)絡報告與PV模塊130的輸出電壓大小相關的值。電流測量電路116的輸出和節(jié)點控制器108之間的另一連接允許報告與來自PV模塊130的輸出電流大小相關的值。多個其它測量設備還可與節(jié)點控制器108電連接。圖1所示測量設備示例包括用于測量太陽能電池板102和可選地在PV模塊130上的溫度的一個或多個溫度測量設備T 122、用于測量入射在太陽能電池板102表面上或可選地PV模塊130表面上的太陽光強度的設備SI124、用于測量與太陽能電池板102的表面清潔度相關的值的設備SC 126、以及用于測量來自太陽能電池板102或PV模塊130表面的反射的設備RU8。除了電參數(shù)的測量設備之外，實施例可選地可包用于機械參數(shù)的測量設備和致動器，例如測量太陽能電池板102的方位角的設備AZ 138和用于測量太陽能電池板102的仰角的設備EL 142。節(jié)點控制器108還可包括電連接至旁路繼電器104上的控制輸入端子的繼電器控制輸出端子。在一些實施例中，節(jié)點控制器108的輸出電連接至致動器的接口電路并能夠控制由致動器執(zhí)行的動作或其它行為。在圖1的示例中，節(jié)點控制器108的輸出電連接至方位角電動機AZ 136上的控制輸入。節(jié)點控制器108的另一輸出電連接至仰角電動機EL 140的控制輸入。機械鏈接將方位角電動機AZ136連接至太陽能電池板102。 節(jié)點控制器向方位角電動機AZ 136發(fā)送信號以調(diào)節(jié)太陽能電池板102的方位角。仰角電動機EL 140類似地連接至節(jié)點控制器和太陽能電池板以調(diào)節(jié)太陽能電池板的仰角。在圖1的實施例中，PV模塊作為太陽能電池板的一部分而被包含。在其它實施例中，PV模塊與太陽能電池板分離，S卩，太陽能電池板可在方位角和仰角中驅(qū)動以跟蹤太陽位置，但PV模塊保持在固定位置中。圖2示出太陽能電池板102和PV模塊122相分離的實施例。將PV模塊放置在所選位置中并將太陽能電池板放置在有一定距離的另一位置中可減少與機械支承結構相關聯(lián)的成本或者允許PV模塊從一個以上的太陽能電池板接收陽光，或者允許在太陽能電源系統(tǒng)中提供冗余或增大來自PV模塊的電力輸出。圖2示例中示出具有相分離的PV模塊和太陽能電池板的智能節(jié)點示例。在圖2 示例中，測量設備和節(jié)點控制器108之間以及致動器和節(jié)點控制器之間的電連接如圖1所描述的示例。PV模塊122、智能節(jié)點輸入132、旁路繼電器104、智能節(jié)點輸出120之間的電連接如圖1示例描述的那樣，無線收發(fā)器112、節(jié)點控制器108、PLC接口 110和節(jié)點控制器之間的通信連接亦如圖1示例所述。一般而言，圖1所示元件之間的電連接拓撲與圖2的相應元件之間的電連接拓撲相同。智能節(jié)點可選地可配置有一個以上的太陽能電池板，每個板用作一個定日鏡。替代地，一個太陽能電池板可包括一個以上的定日鏡。圖3示出包括用于將陽光引導至PV模塊130上的一個以上集中器144的實施例示例。集中器144包括在圖2中標記為“集中器 114”的邊界線內(nèi)示出的太陽能電池板102、致動器、測量設備、以及連接。在圖3示例中用于在多個集中器144和節(jié)點控制器108之間運送信號的電連接在集中器監(jiān)測及控制總線146 上制成。圖3的集中器監(jiān)測及控制總線146包括與圖2所示的節(jié)點控制器和集中器144邊界線內(nèi)的元件之間的電連接相同的電連接。例如在夜晚、在陰天條件期間、或者在維護和修復活動期間，即使智能節(jié)點中的組件不接收來自PV模塊的充足電力時，操作智能節(jié)點可能是所期望的。因此，節(jié)點控制器的實施例可選地可包括如電池或大電容器的儲能模塊，以及用于補充從儲能模塊吸取的能量的充電電路。圖1-3的示例所示節(jié)點控制器包括適配成從充電器150接收充電電流和電壓的儲能模塊148。充電器150從電連接至智能節(jié)點輸出端子120的線接收輸入電壓及電流并將輸入電壓及輸入電流轉(zhuǎn)換成適合于對儲能模塊148再充電的輸出電流及輸出電壓。太陽能發(fā)電廠或其它太陽能發(fā)電應用一般采用許多智能節(jié)點以實現(xiàn)優(yōu)選發(fā)電容量。在圖4中，多個智能節(jié)點100串聯(lián)電連接，S卩，來自智能節(jié)點的輸出連接至相鄰智能節(jié)點的輸入，從而形成智能節(jié)點第一鏈202-1。另一多個智能節(jié)點包括智能節(jié)點第二鏈202-2、 第三鏈202-3等直到形成期望數(shù)量的“j”個智能節(jié)點鏈。來自智能節(jié)點的“j”個鏈的每一個的一系列輸出線在區(qū)域電力及數(shù)據(jù)總線212上連接成并聯(lián)電配置。區(qū)域電力及數(shù)據(jù)總線 212連接至逆變器206的輸入。逆變器206的輸出輸入到變壓器(XFMR) 208，輸電線210上的變壓器輸出包括交流(AC)電壓及電流形式的電力。圖4還示出具有用于與節(jié)點通信的PLC接口以及用于與節(jié)點和中央服務器通信的無線XCVR的網(wǎng)關204。網(wǎng)關204還可包括用于經(jīng)由通信電纜與中央服務器通信的可選接口，例如用于運送電通信信號的至同軸電纜的電信號接口或者用于經(jīng)由光纖纜線運送通信信號的光學信號接口。智能節(jié)點100的陣列、網(wǎng)關204、可選逆變器206、以及可選變壓器 208 一起部分地界定區(qū)域200的邊界，因為由PLC在區(qū)域200中的網(wǎng)絡組件之間交換的數(shù)據(jù)及命令不從區(qū)域200通過逆變器206和變壓器208耦合到輸出傳輸線210。網(wǎng)關204中的PLC接口電連接至區(qū)域電力和數(shù)據(jù)總線212。網(wǎng)關204中的無線XCVR 提供區(qū)域200中的網(wǎng)關204和智能節(jié)點之間的另一通信手段。網(wǎng)關204中的無線XCVR及 PLC接口包括區(qū)域200中的與智能節(jié)點通信的冗余通信手段。網(wǎng)關204還可包括適配成去除與其它區(qū)域中的智能節(jié)點相關的數(shù)據(jù)及命令。例如，在夜晚或在維護或修復活動期間，一區(qū)域中的PV模塊不產(chǎn)生電力時，操作該區(qū)域中的智能節(jié)點可能是所期望的。因此，當智能節(jié)點不向區(qū)域電力及數(shù)據(jù)總線發(fā)送電力時，可提供備用電源系統(tǒng)以允許網(wǎng)關和相關聯(lián)智能節(jié)點操作。圖4示出備用電源系統(tǒng)218 連接至區(qū)域電力及數(shù)據(jù)總線212。備用電源系統(tǒng)包括，例如但不限于，電池、發(fā)電機、或是到輸電網(wǎng)的連接。備用電源系統(tǒng)218可選地可用于對節(jié)點控制器中的儲能模塊進行再充電， 例如圖1-3中的儲能模塊148。由公共事業(yè)公司運營的如太陽能發(fā)電廠的太陽能發(fā)電應用可包括一個以上的區(qū)域。在圖5中示出用于多個區(qū)域中的智能節(jié)點及網(wǎng)關與中央服務器之間的通信的網(wǎng)絡拓撲。在圖5示例中，選定數(shù)量的“k”個區(qū)域和中央服務器構成根據(jù)本發(fā)明實施例的網(wǎng)絡拓撲。在圖5示例中，區(qū)域號K200-1)、區(qū)域號2(200-2)等直至區(qū)域號“k” O00_k)的各區(qū)域與圖4示例所示的區(qū)域200的拓撲相同。中央服務器302包括在無線通信信道(304-1、 304-2、· · ·、304-k)上將數(shù)據(jù)及命令傳送到各區(qū)域(200-1,200-2,. · ·、200_k)的無線XCVR。 要由網(wǎng)絡元件傳輸并接收的數(shù)據(jù)及命令可選地可遵循本領域中已知的選定網(wǎng)絡通信協(xié)議。圖3的各區(qū)域和中央服務器之間的網(wǎng)絡連接中還可包含第二可選通信手段以便
提供冗余通信手段。例如，通信電纜(306-1、306-2.....306-k)可選地可將中央服務器302
連接到各區(qū)域O00-l、200-2.....200-k)。通信電纜可包括光纖技術或用于電信號的常規(guī)
同軸電纜，其視特定應用的需要而定?？蛇x地可由未示出的裝置組合來自各區(qū)域(200-1、 200-2、…、200-k)的電力輸出(210-1、210-2、…、210-k)以形成來自圖3的太陽能發(fā)電廠的電力輸出。即使如果一個或多個節(jié)點由智能節(jié)點中的旁路總線的激活被旁路或者如果冗余通信手段之一失效，具有如圖1-5實施例的至少兩個冗余通信手段的網(wǎng)絡拓撲能夠監(jiān)測及控制多個智能節(jié)點。因此，冗余通信手段提高網(wǎng)絡可靠性?？蛇x地，可通過兩個通信手段發(fā)送命令及數(shù)據(jù)，或者可使用一個通信手段，直到發(fā)生通信故障并且網(wǎng)絡本地切換到備選通信手段?？蛇x地可由中央服務器、網(wǎng)關，或自動地由智能節(jié)點執(zhí)行切換到備選通信手段。例如，相鄰智能節(jié)點不能經(jīng)由PLC系統(tǒng)通信時，網(wǎng)關或中央服務器可引導節(jié)點在無線系統(tǒng)中通信?；蛘?，在使用的通信路徑變?yōu)椴荒苡脮r，智能節(jié)點中的節(jié)點控制器可選地可配置成尋找新的通信路徑。網(wǎng)絡通信領域技術人員將熟知用于在具有冗余通信手段的網(wǎng)絡拓撲中管理容錯通信的方法。除非本文中明確指明相反情況，普通術語在其表述的分別的上下文中具有相應的普通意思，且技術的普通術語具有其相應常規(guī)意思。
權利要求
1.一種用于監(jiān)測及控制多個太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，其包括智能節(jié)點，所述智能節(jié)點包括智能節(jié)點輸入端子；包括第一開關端子和第二開關端子的旁路繼電器；PV模塊，其具有電連接至所述智能節(jié)點輸入端子的輸入和電連接至所述旁路繼電器上的所述第一開關端子的輸出；以及旁路總線，其電連接至所述智能節(jié)點輸入端子和所述旁路繼電器第二開關端子，其中，所述智能節(jié)點適配成接收旁路命令且所述旁路繼電器在所述智能節(jié)點接收所述旁路命令時選擇所述旁路總線。
2.如權利要求1所述的用于監(jiān)測及控制多個太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，其特征在于， 所述智能節(jié)點進一步包括至少兩個冗余通信手段。
3.如權利要求2所述的用于監(jiān)測及控制多個太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，其特征在于， 第一所述冗余通信手段包括無線收發(fā)器。
4.如權利要求3所述的用于監(jiān)測及控制多個太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，其特征在于， 第二所述冗余通信手段包括用于輸電線通信的電路。
5.如權利要求4所述的用于監(jiān)測及控制多個太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，其特征在于， 所述智能節(jié)點進一步包括太陽能電池板。
6.如權利要求5所述的用于監(jiān)測及控制多個太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，其特征在于， 所述智能節(jié)點進一步包括適配成控制所述太陽能電池板位置的節(jié)點控制器，且所述節(jié)點控制器還包括多個電信號輸入端子和多個電信號輸出端子。
7.如權利要求6所述的用于監(jiān)測及控制多個太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，其特征在于， 所述智能節(jié)點進一步包括儲能模塊以及適配成將來自所述PV板的輸出電壓轉(zhuǎn)換成用于對所述儲能模塊充電的電壓的充電器。
8.如權利要求6所述的用于監(jiān)測及控制多個太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，其特征在于， 進一步包括用于測量電壓的設備，其具有電連接全所述節(jié)點控制器上的所述多個電信號輸入端子之一的第一輸出端子，其中所述用于測量電壓的設備適配成測量來自所述PV模塊的輸出電壓并將與電壓測量相關的信號輸出到所述第一輸出端子上。
9.如權利要求6所述的用于監(jiān)測及控制多個太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，其特征在于， 進一步包括用于測量電流的設備，其具有電連接至所述節(jié)點控制器上的所述多個電信號輸入端子之一的第二輸出端子，其中所述用于測量電流的設備適配成測量來自所述PV模塊的輸出電流并將與電流測量相關的信號輸出到所述第二輸出端子上。
10.如權利要求6所述的用于監(jiān)測及控制多個太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，其特征在于， 進一步包括用于測量溫度的設備，其具有電連接至所述節(jié)點控制器上的所述多個電信號輸入端子之一的輸出端子，其中所述用于測量溫度的設備適配成讀取所述PV模塊的溫度。
11.如權利要求6所述的用于監(jiān)測及控制多個太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，其特征在于， 進一步包括用于測量陽光強度的設備，其具有電連接至所述節(jié)點控制器上的所述多個電信號輸入端子之一的輸出端子。
12.如權利要求6所述的用于監(jiān)測及控制多個太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，其特征在于， 進一步包括用于測量表面清潔度的設備，其具有電連接至所述節(jié)點控制器上的所述多個電信號輸入端子之一的輸出端子。
13.如權利要求6所述的用于監(jiān)測及控制多個太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，其特征在于， 進一步包括用于測量反射率的設備，其具有電連接至所述節(jié)點控制器上的所述多個電信號輸入端子之一的輸出端子。
14.如權利要求6所述的用于監(jiān)測及控制多個太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，其特征在于， 進一步包括用于測量方位角的設備，其具有電連接至所述節(jié)點控制器上的所述多個電信號輸入端子之一的輸出端子。
15.如權利要求6所述的用于監(jiān)測及控制多個太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，其特征在于， 進一步包括用于測量仰角的設備，其具有電連接至所述節(jié)點控制器上的所述多個電信號輸入端子之一的輸出端子。
16.如權利要求6所述的用于監(jiān)測及控制多個太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，其特征在于， 進一步包括可旋轉(zhuǎn)地耦合到所述太陽能電池板的仰角電動機，其中所述仰角電動機具有控制輸入；以及所述節(jié)點控制器上的第一電動機控制輸出端子，其中所述第一電動機控制輸出端子電連接至所述仰角電動機控制輸入。
17.如權利要求16所述的用于監(jiān)測及控制多個太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，其特征在于，進一步包括可旋轉(zhuǎn)地耦合到所述太陽能電池板的方位角電動機，其中所述方位角電動機具有控制輸入；以及所述節(jié)點控制器上的第二電動機控制輸出端子，其中所述第二電動機控制輸出端子電連接至所述方位角電動機控制輸入。
18.如權利要求17所述的用于監(jiān)測及控制多個太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，其特征在于，所述太陽能電池板、所述方位角電動機、以及所述仰角電動機構成集中器，且所述網(wǎng)絡拓撲進一步包括電連接至所述節(jié)點控制器的附加的至少一個所述集中器。
19.如權利要求6所述的用于監(jiān)測及控制多個太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，其特征在于， 所述節(jié)點控制器可選地可從所述第一冗余通信手段、所述第二冗余通信手段、或者所述第一和第二通信手段接收數(shù)據(jù)及命令。
20.如權利要求19所述的用于監(jiān)測及控制多個太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，其特征在于，進一步包括節(jié)點鏈，其包括串聯(lián)電連接的至少兩個所述智能節(jié)點。
21.如權利要求20所述的用于監(jiān)測及控制多個太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，其特征在于，進一步包括具有無線收發(fā)器和輸電線通信電路的網(wǎng)關。
22.如權利要求21所述的用于監(jiān)測及控制多個太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，其特征在于，進一步包括電連接至所述網(wǎng)關和所述節(jié)點鏈的區(qū)域電力及數(shù)據(jù)總線；以及包括所述區(qū)域電力及數(shù)據(jù)總線、所述網(wǎng)關、以及所述節(jié)點鏈的區(qū)域。
23.如權利要求22所述的用于監(jiān)測及控制多個太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，其特征在于，進一步包括電連接至所述區(qū)域電力及數(shù)據(jù)總線的備用電源系統(tǒng)。
24.如權利要求22所述的用于監(jiān)測及控制多個太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，其特征在于，所述區(qū)域進一步包括逆變器，其具有電連接至所述區(qū)域電力及數(shù)據(jù)總線的逆變器輸入以及逆變器輸出。
25.如權利要求M所述的用于監(jiān)測及控制多個太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，其特征在于，所述區(qū)域進一步包括具有電連接至所述逆變器輸出的輸入的變壓器。
26.如權利要求25所述的用于監(jiān)測及控制多個太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，其特征在于，所述區(qū)域進一步包括電連接至所述區(qū)域電力及數(shù)據(jù)總線的一個以上的所述節(jié)點鏈。
27.如權利要求25所述的用于監(jiān)測及控制多個太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，其特征在于，進一步包括具有適配成與所述網(wǎng)關通信的無線收發(fā)器的中央服務器。
28.如權利要求M所述的用于監(jiān)測及控制多個太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，其特征在于，進一步包括在所述區(qū)域和所述中央服務器之間的冗余通信手段。
29.如權利要求觀所述的用于監(jiān)測及控制多個太陽能電池板的網(wǎng)絡拓撲，其特征在于，包括至少兩個所述區(qū)域。
全文摘要
用于監(jiān)測及控制太陽能電池板陣列的網(wǎng)絡拓撲實施例包括適配成通過至少兩個冗余通信手段發(fā)送和接收數(shù)據(jù)及命令的智能節(jié)點。智能節(jié)點包括太陽能電池板、節(jié)點控制器、光伏模塊、旁路繼電器、旁路總線、用于冗余通信手段的PLC及無線通信接口、以及用于監(jiān)測及控制智能節(jié)點的傳感器及致動器接口。智能節(jié)點中的PV模塊可在不中斷網(wǎng)絡通信的情況下選擇性地被旁路。一些實施例包括多個智能節(jié)點，其串聯(lián)地電連接成節(jié)點鏈并進一步連接至網(wǎng)關。其它實施例包括連接至逆變器和變壓器的多個節(jié)點鏈，由此界定區(qū)域。附加實施例還包括與多個區(qū)域通信的中央服務器。
文檔編號F24J2/40GK102232165SQ200980144614
公開日2011年11月2日 申請日期2009年4月30日 優(yōu)先權日2008年10月1日
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