用于在电力系统中保护免受不安全状态影响的系统的制作方法
【专利摘要】一种用于防止光伏阵列结构组件的火灾和触电的自主保护系统。系统检测出因无人看管而导致可燃物火灾和有害电气化的条件。该系统提供一个有效控制机制，其操作为把有缺陷的组件下线，从而提供保护，阻止火灾和电气化危害等其他可能发生。该系统在采取行动时还提供报警和通知。该系统可用于确定光伏(PV)模块因在导体格栅上的直流(DC)电弧产生的等离子的强烈热量而导致其可燃构件的火灾危险，该导体收集和载送暴露在太阳辐射下的光伏电池的电流。
【专利说明】用于在电力系统中保护免受不安全状态影响的系统
[0001 ] 发明背景
[0002]本发明涉及电力系统，特别涉及备选能源系统，其包括但不限于，为住宅、商业或工业用途提供电力的风力涡轮机、水力涡轮机、蒸汽和太阳能光伏系统。几乎所有能源系统都具有连接到进行能量组合、转换、限制、存储、同步和传输以便和电器一起使用的设备的直流(DC)源。
[0003]光伏(PV)电力系统还包括负载平衡子系统，该子系统包括使电流流动或中断电流流动的直流开关和保护装置、汇流箱、断路器、切断开关、机械继电器、固态继电器和接触器。汇流箱聚集来自PV模块串的直流电源并且为PV串提供并联点(S卩，常见总线)，其中汇流箱提供过流保护和隔离。汇流箱是源汇流器或阵列汇流器，其中源汇流器位于更加靠近PV串的位置，并且阵列汇流器或重汇流器用于将来自几个源汇流器的输出聚集成单一电路。
[0004]本系统的重点特别在于PV系统，其包括多个组件，包括被称为PV模块的直流发电单元、机械和电气连接和装备、以及调节或修改电气输出的手段。电能是通过由(但不限于)暴露于太阳辐射(阳光)时产生电流的硅酸盐制成。当使用载送产生的直流电流的电导体进行制造时，这些装置通常被称为太阳能电池或PV电池。所配置的电连接的PV电池的排列通常被称为PV电池串。一个或多个PV电池串组装在一起形成PV模块。
[0005 ] PV系统由包括PV模块在内的组件构成，PV模块由通过太阳辐射发电的PV电池串组成。PV电池串彼此连接(如果存在多个电池串)。所产生的直流电流和电压的大小取决于PV电池的数量，太阳辐射的强度，以及其他环境因素。
[0006]PV模块的效率决定了给定相同额定输出的PV模块的面积(即，要产生相同的电能输出，8%高效织物的面积将是16%高效织物的面积的两倍)。通过模块上的接线盒(通常位于PV模块背面)，可以将PV模块直接连接到负载或其他PV模块。PV电池彼此的连接以及和接线盒的连接是通过附接到模块以及其他导体的大量导体实现的，以便通过PV模块使电路完整。
[0007]经常将几个PV模块的输出组合来聚集PV阵列中的电流或电压。PV系统中的一个常见排列是将来自PV模块的输出连接到与常规直流电池相关的高容量能量存储单元，从而存储多余能量以便在接收的太阳辐射不足时使用。当需要交流(AC)电源时，使用逆变器将来自阵列的直流能量转换成交流能量，诸如适于传送到电网的交流能量。
[0008]最近的PV模块在输出处配备在PV模块处将直流转换成交流的微型逆变器。这种PV模块并联接线，这会产生比串联接线并且由最低执行电池板决定的串联输出的正常电池板更多的输出。微型逆变器独立工作，因此在给定可用阳光时，每个电池板均可产生其最大的可能输出。
[0009]出于安全方面的考虑，PV模块通常连接到直流切断装置。如果几个PV模块产生直流，输出则经常连接到直流汇流箱。除了连接到电力变压器，所产生电源中的一部分通常存储在由电池构成的能量存储单元中。这些实施例中的一些在将直流电流传输到交流(AC)电源转换器(也称为逆变器)之前，使用直流-直流转换器来提高或降低电压。来自逆变器的输出通常连接到用于将交流电源转换、信号调制、同步并且连接到传输线路的交流配电单元。仅通过PV模块和交流微型逆变器实现的系统省略了大部分这种设备，并且直接进行交流电输出。一些额外地与交流-直流转换器连接并且连接至在夜幕降临时或太阳辐射不足时提供反向能力的直流存储单元，这可能是由负载增加导致或者仅由云、雪、雹或雨导致。
[0010]目前公开的系统一般还涉及在光伏(PV)阵列中使用常规断路器和电弧故障电路中断器(AFCI) ^FCI和常规热断路器只响应负载侧的过载和短路，因此，它们不会对针对引起电弧状态的热条件或热点提供保护，其中，电弧状态会在电源测造成电流不稳定和经常导致电流下降。常规热传感器识别附近的物体温度，但不会针对电弧提供保护。AFCI通常在直流系统上使用电弧产生的噪音来识别电弧故障，然后通过对PV系统断电来缓解故障。这种方法具有限制性，因为它要求在可进行修复前存在电弧故障。由于AFCI将PV源(电弧)和负载相隔离，电流流动会停止，并且整个PV模块串被关闭。该操作将会熄灭串联电弧，但反过来将会导致通常流向负载的所有能量现在被分流到并联的电弧，这应属于故障模式。这种额外能量流入并联电弧可能会使问题变得更糟，而没有将其解决。在这些传感器中，也许只有热传感器或目视检查能够找到热点，但覆盖式检测这种条件最多则是存在问题的。
[0011]首次生产光伏电池时，其效率与当今PV电池产生的能量相比是有限的，而且产生的能量很少。光伏电池的效率正通过新技术得到不断改进，诸如，桑迪亚国家实验室(Sandia Nat 1nal Laboratory)开发的多层(3维)电池。
[0012]据报道，大批量生产的效率最高的太阳能模块所具有的能量密度值高达16.22W/ft2(175W/m2);电能充足导致的几种故障模式包括热点、电弧闪光事件、沿着导电路径的串联电弧故障、以及通过暴露的导电组件接地联接的并联电弧故障。
[0013]无论是否是单独使用还是当PV模块彼此串联时，PV模块产生的能量都会导致局部发热。这种发热如果严重，随后可能会导致局部火灾，这可能会蔓延到可能位于PV电池板下方或与其毗邻的任何安装结构或材料(包括建筑)。局部发热还可能会以当存在充足的能量时，会在导电路径中形成串联电弧故障的方式，使导电路径退化。这种电弧故障会产生高温等离子体和强热。由于电弧故障的支持能量是直流，所以，没有和交流中一样的电流零交叉，并且电弧不会自己熄灭，只要能量充足，就会一直持续。强热容易导致任何支撑结构、建筑等迅速着火。
[0014]电气系统的另一个故障模式是由缺陷、氧化、外部诱发能量而导致的电弧闪光。电弧闪光是导致电弧产生的空气击穿，它可能会在电气系统和接地路径、中性相位或其他相位中存在充足的电压时发生。电弧闪光带有高强度电流，可能会导致重大损害、火灾或伤害。电弧故障释放的巨大能量可以瞬间蒸发电弧路径中的金属、爆破熔融金属并且以极限力向外蔓延等离子体。剧烈事件的结果可能会导致设备损坏、火灾、以及对工人和附近人员的伤害。
[0015]当有意或无意使电路开路时，会造成串联电弧故障。如果该故障是接地故障，则来自导电路径的能量会传导至外部框架和支撑结构。产生的强热可能会导致支撑结构、建筑等迅速着火。另外，并联电弧故障会导致接地道路通电，增加了额外的电击危险。由所有PV模块故障产生的烟和火会对消防员带来严重困难，这是因为火源通电后，其带有的能量足以造成伤害。为避免伤害，因故障PV模块而被召集到火灾现场的消防人员，一般只是使用水管浇相邻结构，而让起电弧的模块燃烧。
[0016]所有这种效率增加会因PV系统内部的直流电弧故障造成重大安全问题。例如，PV模块是在标准测试条件(STC)下在25华氏度根据其直流输出电源进行评级。通常情况下，当今的输出范围为100瓦到320瓦。如果是PV模块，强热可能会点燃在模块构造中使用的可燃材料，这会迅速蔓延到附近的可燃材料，诸如草或屋面材料。
[0017]在美国，在可以合法开始施工之前，主管部门(AHJ)会对设计进行审查并且签发许可。在美国，电气安装受《美国国家电气规范》(NEC)管辖，由AHJ进行检查以确保符合建筑规范、电气规范和消防安全规范。特别是，电气安装操作必须符合NEC中规定的标准，这在各个市或州采用其中规定的要求时适用。
[0018]以下是对美国2014年《美国国家电气规范》第690.11节的直接引用:“具有直流源电路、直流输出电路、或二者的在80伏特以上的PV系统最大系统电压下运行的光伏系统，应采用列出的(直流)电弧故障电路中断器、PV型或其他列出的用来提供同等保护的系统组件提供保护。PV电弧故障保护手段应符合以下要求:(I)系统应检测并中断由直流PV源和直流PV输出电路中的导体、连接部、模块、或其他系统组件的预期连续性的故障引起的电弧故障；(2)系统应要求手动重启禁用的或断开连接的设备；(3)系统应具有可视化指示电路中断器已运行的信号器。该指示不得自动重置。”
[0019]此外，在隔离故障电路后，不可自动重置/重新接通PV电源系统中的现有开关机构，以便使用正常串或汇流箱来恢复电路，正如远程且不易访问的汇流箱所要求的。事实上，之前引用的NEC第690.11节具体禁止进行用于隔离PV模块中的电弧故障的自动重置/重新接通动作。此外，在采用无法远程操作的常规开关的现有PV电源系统中，在解决特别PV串的不安全状态的同时，就不可能继续在PV系统中供电，从而使PV电源系统即使在解决故障的同时也可以继续运行。这会导致停机时间不符合要求。单个PV发电模块的不当关闭可能会潜在地造成导致电路过载的负载移位，从而可能对PV系统带来重大损坏，这可能会潜在地导致过热、起电弧、以及附带的火焰伤害。
[0020]除了可能因PV模块不当关闭引起的问题，由于太阳能电池已经变得更加有效，PV模块可能会遭受直流电弧故障，这会持续到太阳辐射随着太阳落山而消失。直流电弧故障甚至会在工作电压和电流处于正常范围内的时候发生。示例包括但不限于，结构变形、热胀冷缩、或制造缺陷。问题如此严重，致使美国国家消防协会于2014年修改了《美国国家电气规范》，增加了以下规定，诸如，例如，PV系统安装人员必须提供美国保险商实验室(UL)列出的对电气故障的检测和中断，以防由可能会快速吞噬和摧毁房屋、设施、财产并导致伤害和死亡的触电和火灾所造成的死亡和伤害。
[0021]目前，可供光伏组件建筑师、设计师、安装人员和维护人员选择的用来符合新NEC规定以防出现不安全状态的选项很少。一个选项是微型逆变器，其起始成本每个电池板超过100美元。在一个住宅用太阳能阵列中通常设有大约20个太阳能电池板，结果总成本可能会增加$2000。第二个选项是具有电弧故障检测功能的汇流盒，其在今天(2014年)的市场售价超过1000美元。这些选项没能解决所有模块内的电弧问题，电弧会一直持续到太阳落山或者模块自毁到超出维持电弧的能力。这些产品无法检测太阳能电池板中的热点或电弧，并且无法消除会对安装人员、制造商和保险公司带来责任的火灾危险以及人员和财产风险。现有产品仅在在接线盒中或在进入汇流盒的接线中出现电弧后，关闭整个系统。
[0022]无法满足对本文所详细描述的进行自主操作来降低电弧故障发生风险的改进AFCI型机构的需要，以及此外对采用逻辑来清除不安全电气系统组件(包括PV模块)上的故障和恢复正常组件(包括但不限于，PV子阵列、正常PV串、和正常PV模块)的电气服务的控制系统的需要。
[0023]因此，需要提供一种其中具有电弧前不安全状态检测功能的自保护自主保护系统，其即使在电压和电流处于正常范围内时，也可工作。进一步地，通过在PV系统设备和相关接线中通告不安全状态，该保护系统将理想地满足NEC第690.11节以及其他NEC规定。将该保护系统应用到PV模块，将在出现电弧故障前实现缓解，关闭具有不安全状态的PV模块；因此，通过适当地以安全方式仅关闭不安全模块并提醒所有者或消费者进行更换或修复，防止了火灾损害和人员灾祸。
[0024]本发明公开了一种用于电力系统的保护系统。本文的重点在于将该保护系统应用到PV模块中，其中缺陷(包括但不限于热点)和故障(包括但不限于电弧故障)被检测到并在缺陷或故障可能传播超出局部事件之前对其进行缓解。本公开描述了使用光子(光)来检测几乎所有电气系统组件中的不安全状态，并且示教了以功能PV模块保持运行而且即使是PV系统的未故障部分也保持起作用的方式，隔离并通报不安全状态、缺陷或故障的动作。
[0025]通过合理的努力搜索，并未找到示教了使用半透明传感器在PV系统中检测和缓解不安全状态动作的任何颁布的美国专利或公开的美国专利申请。以下是现有技术的实例:a)借助电气手段使用监测输出电压来确定PV模块并未产生预期范围内的电力;和b)使用电气手段确定绝缘退化。(I)Rodgers等人的美国专利8,576,521;然而,Rodgers等人并未示教在电弧故障发生之前使用光进行检测并采取控制动作。(2)颁发给Takehara等人的美国专利8，410，950;了&1?^&^等人并未示教监测电池板内的参数来检测不安全状态。(3竹&1?1(1&等人的美国专利申请公开号2012/0223734;Takada等人并未示教使用半透明传感器进行监测来检测不安全状态。(4)H.Bruce Land III'Christopher L.Eddins、和John M.Klimek的《APL电弧保护技术的发展》(约翰斯.霍普金斯大学应用物理实验室(APL)技术文摘，25卷，第2期(2004年),http://WWW.jhuapl.edu/techdigest/TD/td2502/Land.pdf)；虽然AFCI是对住宅服务的改进，但本文并未示教检测会导致电弧故障的不安全状态。
[0026]在背景中还需注意的是，81611^1的美国专利7，590，496、7，356，444、7，277，822和7，974，815示教了使用排列在单个管道和分支管道的表面上的敏化半透明板、条、或者绞线(包括但不限于半透明玻璃和聚合物)，检测由电弧、切口、溶剂或火焰等造成的损坏。这些美国专利均未示教一种将电路中断器装置用于电气系统组件和相关互连部的保护系统。
【发明内容】
[0027]本申请示教了一种用于不安全PV模块的故障检测和隔离的自主系统和方法。进一步地，公开了一种通过在电弧故障发生之前或发生时进行检测和缓解来满足NEC规范要求的手段和方法，并非关闭阵列，而是通过采用由逻辑电路控制的直流中断器仅适当地关闭不安全模块并提醒更换不安全PV模块和进行相关维护来缓解另一次发生，来防止火灾损害和人员灾祸。
[0028]在本发明器件和方法的优选实施例中，使用包括连接到中断器装置的有线逻辑控制器的系统保护PV模块，该中断器装置在打开时隔离模块，并且还包括用来通告该模块由于不安全已被关闭的机构。中断器装置还可以被配置成当由经证明的检查确认没有不安全状态时，恢复模块的运行以便清除不安全状态。
[0029]根据本发明的器件和方法的另一方面，有线逻辑控制器被配置成在接通来自其服务的PV模块的能量或接通来自一个或多个太阳能电池的能量时，会运行以响应接收的太阳辐射，从而提供诸如自我测试功能、通告能力和通过有线或无线链接询问的能力等功能。
[0030]根据本发明的又一方面，PV模块运行的控制方法包括提供联接到现有接线盒或更换现有接线盒的保护盒;测量由联接到传感器的检测器产生的至少一电压和电流，并且处理信息以确定联接到PV模块的线束上的不安全状态，并且如果确定存在不安全状态，生成不安全状态信号。不安全状态标准可以包括，但不限于，阈值、一系列阈值、或预定标记中的一个或多个。一旦接收到不安全状态信号，中断器装置会运行以通过使不安全状态安全来提供保护。中断器装置运行的控制步骤可以进一步包括在检测到不安全状态时，使主要触点打开并保持打开。控制器还可以被配置成在经证明的检查确认没有不安全状态时，使中断器恢复通电以便清除不安全状态的通告。
[0031]根据本发明的又一方面，PV模块运行的控制方法包括通过并入利用光测量的保护盒，检测联接到PV模块接线盒的线束上的不安全状态，并且产生使开关激活直流中断器装置的不安全状态信号，以便隔离不安全状态。隔离不安全状态的步骤进一步可以包括在检测到不安全状态时，使中断器装置的主要触点打开并保持打开。
[0032]控制器还可以被配置成在经证明的检查确认没有不安全状态时，使中断器装置的主要触点让电路完整，以便清除不安全状态。
[0033]该系统和方法的一个重要目的是使用主动方式检测、通告、和缓解PV系统组件的不安全状态，诸如在收集PV模块中的PV电池能量的电导体格栅中的缺陷。不安全状态的一种类型是接合点过热，其已知是电弧故障的先兆。本公开的发明检测这些缺陷，并抢先采取控制措施来停止电流流动以防发生电弧。
[0034]在以下段落讨论的本发明的其他优点包括，但不限于:
[0035].提供防御机构来防止直流电弧的发生；
[0036].检测串联电弧故障并隔离在其发生时会受到影响的组件；
[0037].针对串联直流电弧和并联直流电弧提供隔离保护；
[0038].可以和新的或现有的PV系统组件(诸如，但不限于，PV模块、汇流器箱、逆变器、和连接部)一起使用；
[0039].自主运行以防因缺陷或电弧故障造成火灾危险；
[0040].监测闷烧的可燃材料的爆燃；
[0041].提供对PV模块的正常状态进行可见消息警报的手段；
[0042].提供在并联故障时用于关闭PV模块以便接地的手段；
[0043].提供针对串联电弧故障进行关闭再打开的手段；
[0044].提供隔离PV电池板中的不安全太阳能电池串的手段；
[0045]?简单、低成本、易于实施。
[0046]本公开系统的一个显著优于已知现有技术的优势在于，可以满足或超过2014NEC690.11有关结合使用控制器、中断器装置、光电探测器、光源和半透明传感器来检测、缓解、和隔离直流电弧故障的规定。甚至更重要的是，本系统和方法识别了导致电弧故障的不安全状态并采取措施隔离了不安全组件。
[0047]本发明的优势在于，通过修改聚合物配方，或者从在特定温度以上熔化以便检测邻近缺陷的温度的市售聚合物(诸如但不限于，聚苯乙烯或丙烯酸)中进行选择，可以调整在传感器中使用的半透明聚合物的熔点。
[0048]与尝试远程检测电弧故障的现有技术相比，本发明的重要优势在于检测到了在电弧点上由(但不限于)因PV模块框架变形造成的导体接点上的严重张力导致的电弧点的串联电弧故障，其中所述PV模块框架变形的造成不限于因冰雪积聚或强风导致的结构厍崩
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[0049]本发明优于现有技术的优势在于，针对串联直流电弧和并联直流电弧，由如本说明书中所示教地操作中断器的控制器提供隔离保护。
[0050]本发明优于现有技术的优势在于，通过把半透明传感器挤压或放置在最靠近模块的向阳侧，或者用在PV电池下方的塑料的表面，用来制造PV模块。对于传统PV模块，可以将半透明传感器放置在衬有永久性胶粘剂的胶带上，该胶带放在导体上的玻璃盖板上，或在塑料板上，或在可能发生并联电弧的框架内周边周围。应制定半透明传感器的熔点温度以获得最高性能。类似地，可以将传感器邻近二极管或其他随着时间的推移(或由于制造缺陷)会在汇流箱、逆变器、和其他来自PV模块的下游设备中分离和起电弧的其他装置放置。类似地，可以将传感器应用于互连接线，以检测由结构上摩擦导致的擦伤或由于啮齿动物啃咬而暴露内部导体的咬伤。
[0051]本发明优于现有技术的优势在于，自主运行以防因缺陷或电弧故障引起火灾危险，这显著优于现有技术。
[0052]本发明优于现有技术的优势在于，隔离了发生串联和并联接地短路电弧的PV模块。
[0053]本发明优于现有技术的优势在于，检测到了会导致由内部并联电弧故障引起的电源级联的不安全状态。
[0054]本发明优于现有技术的优势在于，主动监测电气连接线束并检测不安全状态以及其中的电弧故障。
[0055]本发明优于现有技术的优势在于，检测闷烧的可燃材料的爆燃，因为已知串联电弧的高温等离子留下的闷烧灰烬会持续闷烧，直到缺氧熄灭。本发明保持激活，密切关注闷烧灰烬的热量。
[0056]本发明优于现有技术的优势在于，提供了对所保护的PV模块或具有不安全状态的其他受保护的PV系统组件的正常状态的进行可见报警的手段。
[0057]本发明优于现有技术的优势在于，在可能会导致结构电弧、结构变形、以及其他因大电流导致的PV系统损坏和人员受伤风险的不安全状态的情况下，提供了用于中断PV系统组件的电源进行接地的手段。
[0058]本发明优于现有技术的优势在于，提供了在串联电弧故障发生前进行关闭的手段。
[0059]本发明优于现有技术的优势在于，提供了在电池串造成扩大火灾和损坏的可能的级联效应之前，隔离PV模块中的不安全太阳能电池串的手段。
[0060]值得注意的是，本发明简单，成本低，易于实现。这是有优势的，因为如今有数以亿计的PV模块正在使用中，今年仅在美国的安装量就超过I亿，并且目前每年安装的新PV系统的数量都增加一倍。使用低成本、易于实现的简单手段来提供自保护PV系统，可以拯救很多生命，防止多次伤害，并且保护家园、房屋和财产免受火灾破坏。
[0061]通过下列详细的描述和附图，本发明的各种其他特点和优势将变得显而易见。
【附图说明】
[0062]在以下详细描述和附图中公开了本发明的各种实施例。在附图中:
[0063]图1是根据本发明的具有四个用于检测不安全状态的传感器的PV模块的示例性实施例的透视图。
[0064]图2是示出了各种PV系统组件的示例性PV系统的框图。
[0065]图3是示出了连接到PV系统中的PV模块的本系统的组件的示例性实施例的示意图。
[0066]图4A是PV电池的平面图。
[0067]图4B是PV电池电气总线的侧边视图。
[0068]图4C是PV电池电气总线的底边视图。
[0069]图5是顶部电气总线条和安装在支撑面上的PV电池的边缘视图。
[0070]图6是根据本公开示教的器件的可选实施例的侧视图，示出了安装用于改进现有PV模块的传感器。
[0071]图7是根据本公开的具有用于新制造的PV模块的构造的器件的示例性可选实施例的侧视图。
[0072]图8是在PV模块的一部分的剖面侧视图中的潜在电弧点的示意图。
[0073]图9是根据本公开的联接到构造的保护盒的几种类型的传感器的透视图。
[0074]图10是根据本公开的在一种器件的示例性配置中构造的保护盒的外部示意图。
[0075]图11是根据本公开的在一种器件的示例性配置中构造的保护盒的内部示意图。
[0076]图12是图示了根据本公开的在一种系统的示例性配置中的PV系统组件的内部的图。
[0077]图13是图示了保护免受在用来串联来自两个PV模块的接线输出的联接件中的不安全状态的影响的保护系统的优选实施例的图。
[0078]在附图中使用的附图标记:
[0079]I框架26光源联接件
[0080]2保护盒27检测器联接件[0081 ]3电气总线 28过热传感器
[0082]4半透明传感器 29 二极管
[0083]5防护玻璃30光源
[0084]6 PV模块结构31暗度传感器
[0085]7能量存储单元 32显示器
[0086]8传感器回路33电流导体联接件
[0087]9 PV电池34接地导体联接件
[0088]10直流导体35不透明涂层传感器
[0089]11射频天线36分枝暗度传感器
[0090]12输出电缆连接器 37电阻接头
[0091]13支撑面38不安全状态指示器
[0092]14系统组件39保护激活指示器
[0093]15结合点40潜在危险点
[0094]16 PV接线41接地故障
[0095]17传感器绞线42 PV直流联接件
[0096]18弹性体材料43 PV接地联接件
[0097]19熔化传感器44切断信号
[0098]20擦伤45直流输出
[0099]21电源输出联接件 46火灾
[0100]22传感器联接件 47夹具
[0101]23 USB端口48不安全状态
[0102]24锁存信号灯49控制器
[0103]25直流电流50开关
[0104]51直流能量存储装置61 PV模块
[0105]52不安全状态信号 62直流汇流器
[0106]53中断器装置63切断盒
[0107]54太阳辐射64直流-直流升压器
[0108]55太阳65逆变器
[0109]56 PV电池串66交流切断
[0110]57光电探测器67电源连接器
[0111]58交流配电电池板 68电阻加热
[0112]59交流格栅69 PV模块接线盒
[0113]60接地电缆70电流导体联接件
[0114]71接地导体联接件
[0115]术语说明
[0116]如在本文所使用的，“缓解”是指减轻或缓和。“开关”是指包括断开器、切断开关或隔离器的器件。根据本公开的示教，传感器构造中使用的半透明传感器可以是极薄的，通常小于0.001英寸(0.025毫米)，可以是扁的或圆的、空心的或实心的。“照明”包括使用人造產源(诸如灯具和照明装置)，以及自然日光。
[0117]“物质状态改变”通常是指从固态变成液态;或者从液态变成气态;或者从气态变成等离子体。玻璃、聚合物或其他照明引导手段的物质状态的改变会造成该引导的照明(包括但不限于，强度、波长光谱和极化)的一个或多个属性的可以测量的改变。本发明还涉及在受热时改变物理特性或在电弧的冲击应力下破损的半透明介质，诸如聚合物和玻璃。
[0118]光检测是暴露于光子的响应。光检测手段可以从(但不限于)光电二极管、光电三极管、或光敏电阻中选择，其接收日光或人造光并产生可测量的电压或电流输出。市售装置可接受。做出选择时，可靠性、稳定性和耐久性是需要考虑的关键参数。应当针对可靠地产生用于将会被半透明材料传导的有限量的光频的输出信号的能力，选择光检测手段。如果有必要，应适当地偏置光电探测器装置，以便在预期照明的全范围中运行。
[0119]光源是光子的累积。光子通常被认为在红外线到紫外线(通常被称为UV或黑光)的波长之间运行。白光为多光谱。光源可以是，但不限于，发光二极管、蜡烛、火、白炽灯、或激光。当在根据本申请的传感器中使用时，选择的光源应当产生可与相关光电探测器兼容的波长。市售装置可接受。做出选择时，可靠性、稳定性和耐久性是需要考虑的关键参数。
[0120]控制器可以是，但不限于，数字电路、模拟电路、或模拟电路或数字电路的组合。控制器应当能够接收模拟和数字输入信号，并且还具有用于操作信号器和致动器的模拟和数字输出。市售装置可接受。做出选择时，可靠性、稳定性和耐久性是需要考虑的关键参数。
[0121]中断器装置应当适合于要中断的电流量，而且可以和诸如，但不限于，继电器、固态开关和接触器等装置组合制成。市售装置可接受。做出选择时，可靠性、稳定性和耐久性是需要考虑的关键参数。
[0122]在构建传感器中使用的半透明介质可以是玻璃、聚合物，或具有适用于预期用途的适当关键参数的其他介质。形状的选择应当和所需的感测范围的大小和长度相适。熔点是选择热点传感器主要考虑因素。不透明涂层(如果使用)应当不会被氧化以防腐蚀，将能让光穿透。这在感测到缺光来指示安全条件时很重要。市售材料可接受。做出选择时，可靠性、稳定性和耐久性是需要考虑的关键参数。
[0123]用于确定不安全状态的手段包括，但不限于，调整偏置或进行编程以便有效工作。应当内置或并入适当的时间延迟，以免由于电压尖峰或干扰造成假警报。
[0124]传感器可以是，例如但不限于，构造有任何长度、轴向和纵向尺寸的有涂层或无涂层的半透明介质的环、条、片、和绞线。半透明介质可以是玻璃、硅、或诸如，但不限于，苯乙烯、聚酯或丙烯酸之类的聚合物;而且应当选择具有合适的特性，诸如，但不限于，厚度、掺杂度、熔点、脆度、刚度、拉伸强度和折弯半径。如果有涂层，涂层应当适合于诸如，但不限于，与贵金属或介电材料进行阳极化等用途。对于用来配置半透明材料的任何掺杂度，只要其安装在系统组件中，应当防止变色或光阻挡。另一个特性将是在因受热或断裂而改变状态时，材料如何传导或不传导光。
[0125]中断器装置在设计上应当具有处理导体上的直流电流的能力。直流能量存储装置的选择应确保尽可能长的安全运行时间和保持充足的电荷。
【具体实施方式】
[0126]在以下详细描述和附图中公开了本发明的各种实施例。每个附图都示教了如何实施技术和(或)组件来达到本专利的目的。
[0127]在一实施例中，本发明保护系统器件的配置是根据半透明传感器的状态改变来识别复杂PV系统组件(诸如但不限于，PV模块、直流转换器、直流-交流逆变器、储能装置、切断器、和交流配电面板)的不安全状态。不安全状态可以是，但不限于，流体积聚、啮齿类动物啃咬、电弧故障、电线磨伤、组件高温、或电气总线中的热点。一旦检测到不安全状态，自保护器件会将电路断电，降低要发生的火灾或安全风险的可能。
[0128]现在参照图1，其是具有用于检测不安全状态的传感器的PV模块的示例性实施例的透视图。在图1中标识的组件为:框架(I)，保护箱(2)，电气总线(3)，PV接线(16)中的三个PV电池串(56)，不透明涂层传感器(35)，探测器联接件(27)，光源联接件(26)，擦伤(20)，电阻接头(37)和接地故障(41)。
[0129]仍然参照图1，不透明涂层传感器(35)在黑暗环境中起作用，诸如PV模块的太阳能织物下方。传感器还用于检测不安全状态，诸如直流汇流器、切断箱、直流-直流升压器、直流-交流逆变器、或交流切断器内的二极管过热。半透明传感器还将用于接线电缆的绝缘涂层下方。
[0130]不透明涂层传感器(35)在照明领域使用。当到达不透明涂层时，光线进入传感器。缺口可能由很多因素引起，诸如但不限于，暴露半透明介质的擦伤(20)，腐蚀可能由，但不限于，结构摩擦引起。如果传感器在制造商处安装，缺口则可能由制造缺陷引起。缺口还可能由，但不限于，安装人员、检查人员、维护人员、啮齿动物、本质行为、或蓄意破坏造成。
[0131]仍然参照图1，概念性保护盒(2)的不成比例的附图示出了上述传感器的尖端会和各自的光源联接件(26)或探测器联接件(27)相匹配。光电探测器将接收传导的光并生成信号到控制器，控制器会确定使开关点亮不安全指示器并且使中断器装置切断直流电源电路的不安全状态信号。
[0132]再次参照图1，熟悉传感器构造的人员应当理解，可以构造的配置没有限制。进一步地，应当认识到，暗度传感器在存在指示不安全状态的光时有用，并且亮度传感器在不存在指示不安全状态的光时有用。
[0133]现在参照图2，附图标记指示的各项为:两个示例PV模块串(61)，保护盒(2)，直流切断箱(63)，直流-直流升压器(64)，直流汇流器(62)，能量储存单元(7)，逆变器(65)，交流切断器(66)，接地故障(41)，交流配电面板(58)，潜在不安全状态(48)的符号，和用于每个组件的接地电缆(60)。此外，还有图示了直流电流(25)，交流格栅(59)，火灾(46)符号，和电阻接头(37)。
[0134]再次参照图2，包括:两个PV模块串(61);具有保护盒(2)的每个模块连接以形成将直流电源供入直流-直流升压器(64)的直流切断箱(63)的串，直流-直流升压器反过来将升压后的制冷电源供入将来自每个PV模块串的能量汇合的直流汇流器(62)。汇流的电源将直流电源供入能量存储单元(7)和产生交流电的直流-交流逆变器(65)，该交流电被导入AC切断器(66)，然后将其导入将电源连接到交流格栅(59)的交流配电面板(58)。电源是由经认可的接线传导。用于潜在的不安全状态(48)和接地电缆(60)的符号位于每个组件上。(通常省略接地电线的标识。)
[0135]仍然参照图2，组件功能如下:PV模块(61)利用一系列PV电池产生由电压和电流组成的能量。每个PV模块均包含保护盒(2)，其功能是将模块的PV电池连接在一起，并且使用经认可的接线将几个模块连接到彼此并且连接到PV切断盒(63)。然后直流切断器将能量连接到可选的直流-直流升压器(64)，直流-直流升压器(64)将稳定的PV能量提供给直流汇流器(62)，直流汇流器(62)汇总来自几个PV模块串的能量。汇总的直流能量被供入逆变器(65),其将直流能量转换成交流能量。为安全起见，交流能量然后通过交流切断器(66)，然后联接到其中交流能量连接到交流格栅配电系统的交流配电面板(58)。能量存储单元(7)会在太阳辐射充足时存储过剩容量，并且在太阳辐射不足时释放能量。
[0136]图2相对简化了。熟悉太阳能发电系统领域的人员应当理解，该示例性图中呈现的配置为概念性的，因为小型系统可能使用12个PV模块串，而现场阵列在每个串和成千上万个串中可能具有20个以上PV模块。熟悉电力系统领域的人员应当理解，每个组件随着时间的推移可能会退化并且形成不安全状态(48)。
[0137]现在参照图3，太阳(55)发出太阳辐射(54)，该辐射到达PV模块(61)，该模块包括固持由防护玻璃(5)下的电气总线(3)联接的几个PV电池串的阵列的框架(I)。两个传感器环路(8)邻近电气总线(3)的接合点，而另一个传感器环路(8)邻近框架(I)。保护盒(2)组件有以下组件组成:光源(30)，光电探测器(57)，保护激活指示器(39)，不安全状态指示器(38)，PV中断器装置(53)，USB端口(23)，控制器(49)，开关(50)，直流能量存储装置(51)，PV电池(8)，二极管(29)和锁存信号灯(24)。包括输出电缆连接器(12)以及用于直流输出(45)的导体、外部切断信号(44)和不安全状态信号(52)。
[0138]再次参照图3，太阳(55)发出太阳辐射(54)，其到达PV模块(61)(参照图2描述了PV模块组件的功能2)。靠近PV模块(61)中的电气总线(3)排列的传感器环路(9)的功能是将来自光源(30)的光载送到光电探测器(57)，并且选择针对诸如来自电气总线(3)的电阻接头或直流电弧的等离子体等的过度热量而熔化或破损。控制器(49)的功能是处理来自光电探测器(57)的信号以确定不安全状态信号(52)。保护激活指示器(39)、不安全状态指示器
(38)和锁存信号灯(24)的功能均为提供视觉信息。开关的功能是操作视觉指示器和中断器装置(53)。中断器装置(53)的功能是接收到不安全状态型号(52)或外部切断信号(44)后，中断来自PV模块(61)的直流电源。锁存信号灯(24)的功能是没有直流电流从PV模块(61)流出时，解开信号灯。直流能量存储装置(51)的功能是在如果PV模块(61)不可用时，将用于电子组件的电源存储在保护盒(2)中。PV电池(9)的功能是为直流能量存储装置(51)充电。USB端口(23)的功能是提供接入控制器(49)的外部接口。锁存信号灯(24)的目的是提供不安全状态的外部视觉指示。
[0139]仍然参照图3，此为简化图，图中的架构均为概念性的。熟悉电气组件的人员应当理解，组件随着时间的推移可能会退化并且形成不安全状态。熟悉电力和电路的人员也应当理解，焊接连接因氧化和其他因素会退化并且变成电阻型导致发热。进一步地，如果热量充分升高，接点会分离并导致串联电弧。熟悉电力和电路的人员应当理解，当导体变得过于靠近另外一个接地导体(诸如安装有接地线的金属PV模块框架)时会发生电弧接地。熟悉PV直流电力的人员应当理解，PV模块中的电弧持续到太阳能产生的能量不足以跳过间隙。
[0140]参照图4A，示出了PV电池(9)以及两根电气总线(3)和来自太阳(55)的太阳辐射。太阳辐射(54)到达PV电池(9)，其在和电气总线连接在电路中时，产生电流。
[0141]现在参照图4B，电气总线(3)收集PV电池(9)的相对两侧的能量，其中一侧为阳极，另一侧为阴极。熟悉电路的人员应当理解，由于在导体和焊接中使用的金属的电阻，会产生热量。
[0142]现在参照图4C，其示出了PV电池(9)的侧视图，其中两根电气总线(3)位于顶部，两根电气体总线(3)位于底部。图4C图示了从顶面到底面交替，如何将电气总线(3)焊接到PV电池(9)。
[0143]图5是未由本发明保护的典型PV模块构造的边缘视图。图5示出了在PV电池(9)上下交替的模式中电气总线(3)的示意长度。总成安装在支撑面(13)上。防护玻璃(5)位于上侦U。玻璃的用途在于保护PV电池(9)免受污垢、损坏、水分和其他会降低其性能的因素的影响。防护玻璃(5)还针对无意中的触电进行保护。熟悉PV电池如何构造的人员应当理解，电气总线有两种类型;一种用于电气接地，另一种用于电流载送。
[0144]参照图6，图示了PV电池(9)、传感器绞线(17)、支撑面(13)、弹性体材料(18)、防护玻璃(5)和电气总线(3)。在制造领域特别是改造领域经验丰富的人员应当明白，在工厂时将传感器绞线(17)胶带粘帖、胶水粘合或嵌入其上的新防护玻璃(5)将可能比手动增加绞线更具有成本效益。熟悉改造的人员还应当理解，将传感器绞线(17)置于两面，将会在沿着电气总线(3)的长度的点的不安全电阻发热的早期检测中有效。
[0145]图7是在制造PV模块期间在电气总线附近安装传感器的示例性实施例的侧视图。各项的参考标记如下:PV电池(9)、传感器绞线(17)、支撑表面(13)和电气总线(3)。
[0146]仍然参照图7，传感器绞线(17)被构造成具有可以是玻璃、苯乙烯、丙烯酸或具有适当特征(诸如但不限于，掺杂度、熔点、刚度、折弯半径、包覆、或涂层)的任何复合物的半透明核心。弹性体材料(18)可以用于在侧面覆盖由防护玻璃板(5)之前，将靠近电气纵向
(3)的传感器绞线(17)粘附在暴露于太阳辐射的一侧。可以采用在传感器绞线(17)上使用弹性体材料(18)的相同或相似的技术，粘附到位于P V电池(9)的支撑面(I 3)侧的电气总线⑶。
[0147]再次参照图7，熟悉PV模块制造领域的人员应当理解，传感器绞线(17)将会以合适的模式排列，诸如但不限于，靠近每个电气总线(3)，并且还排列在框架或可能会发生接地短路或其他不安全状态的其他地方的点上。根据本发明，这种排列最有利于检测电气总线中的热点，框架处的短路接地，以及其他不安全状态。
[0148]图8示出了PV模块的侧面剖视图。该图中标记的各项包括框架(I)、夹具(47)、保护盒(2)、电气总线(3)、直流输出(45)、结合点(15)、不透明涂层传感器(35)与熔化传感器
(19)、防护玻璃(5)、两个PV电池(9)和支撑面(13)的一部分。保护盒(2)内图示的标记的各项包括:直流导体(10)、PV直流联接件(42)、中断器装置(53)、光电探测器(57)、光源(30)、传感器联接件(22)、不透明涂层传感器(35)、不安全状态(48)、熔化传感器(19)、控制器
(49)、不安全状态指示器(38)、保护激活指示器(39)、开关(50)和所存指示灯(24)。
[0149]仍然参照图8，不安全状态(48)是由电气总线(3)中的点处的电阻发热导致的热点。在其他原因之中，热点可能是由于增加电流流动阻力的制造缺陷、机械应力、污染或焊接氧化造成。随着阻力的增大，最终产生的热量升高，足以使附近的传感器中的半透明材料通过熔化更改状态。根据传感器串(17)的构造，状态的更改可以有至少两个效果:I)太阳辐射进入不透明涂层暗度传感器;2)光停止流入光照的传感器环路。光电探测器(57)检测来自光源(30)的光，并生成由控制器(49)处理的信号，其中控制器(49)确定不安全状态，并生成使开关(50)命令中断器装置(53)打开直流电路来中断PV模块内的电流流动，从而在将来某个时候防止直流电弧。此外，开关(50)点亮了不安全状态指示器(38)并解锁了信号灯
(24)，使信号灯变得可见。
[0150]再次参照图8，熟悉电气安全的人员应当理解，当PV系统内出现直流电弧时，极热等离子体将点燃邻近的可燃材料。熟悉PV系统的架构设计、制造、或安装的人员应当理解，本发明检测到不安全状态并打开电路要比允许直流电弧发生更加有效。进一步地，熟悉保护系统的人员应当理解，本专利提供了的主要优势在于除了预防电弧故障引起的火灾，还检测到了不安全状态。
[0151]熟悉传感器系统设计的最先进技术的人员应当理解，可以使用在实施例中提供几乎无限的感测和保护功能和选项的不同实施例来配置PV系统组件。例如，用来创建传感器的半透明介质可以从以下材料中选择，诸如但不限于，玻璃、二氧化硅、聚丙烯、苯乙烯、丙烯酸或任何具有适当的特征(诸如但不限于，掺杂度、熔点、刚度、折弯半径、包覆、或涂层)的介质。此外，控制功能可以包含在联接到现有接线盒或新的保护盒的底架中，以对传统系统组件进行改造。
[0152]现在参照图9，其是根据本公开的联接到构造的保护盒(2)的几种类型的传感器的透视图。图9示出了半透明传感器(4)、分枝暗度传感器(36)、不透明涂层传感器(35)、暗度传感器(31)、探测器联接件(27)和光源联接件(26)。
[0153]仍然参照图9，传感器的运行模式是将进入其中的光引导至接口到光电探测器的探测器联接件(27)处。传感器可以制成使弹性体材料位于其表面上，以便放置到PV系统的组件中。连接传感器端部的联接件应当针对特性进行选择，其特性诸如但不限于，坚固和不透光性，以免任何杂散光导致错误报警。同样，任何传感器的涂层应当针对特性进行选择，其特性诸如但不限于，用于PV模块的预期寿命的耐久性、不透明性或清晰度。用来构造传感器的半透明介质可以是玻璃、苯乙烯、丙烯酸或具有适当特征(诸如但不限于，掺杂度、熔点、刚度、折弯半径、包覆、或涂层)的任何复合物。
[0154]再次参照图9，半透明传感器(4)将会应用在黑暗空间中，诸如在光伏电池以下的电气总线下，以便检测来自PV系统的组件结构中电弧或破损的第一道光。分枝暗度传感器
(36)具有独立引导光的多根绞线并且理想用在黑暗空间中，诸如在PV模块底侧中的电气总线下方，以便检测来自PV模块的黑暗下层结构中电弧或破损的第一道光。不透明涂层传感器(35)将适合在PV模块上侧的明亮空间中使用，以便检测暴露于光的PV模块的顶部结构中的电弧或破损的光。当通过光源联接件(26)联接光源时，涂有不透明物质的传感器环路(8)将用于检测并联电弧、融化半透明介质的热点、由(但不限于)雹导致的损坏、或由(但不限于)直流电弧冲击波导致的破损。
[0155]仍然参照图9，熟悉使用传感器技术的人员应当理解，在本发明中使用的传感器可以是不透明涂层或未涂层的半透明介质的条、绞线、或片。此外，熟悉传感器的使用的人员应当理解，传感器可以用来确定指示在PV模块、PV极限、汇流器、逆变器、降压或升压转换器、交流配电面板和其他系统组件中的不安全状态的热点或损坏。此外，不透明涂层可以是任何有价值的介质，诸如但不限于，在水中溶解的材料，因为通过泄漏防水垫片进水属于不安全状态。
[0156]图10是根据本公开示教构造的示例性保护盒的外部示意图。标记的各项为保护箱
(2)、不安全状态指示器(38)、保护激活指示器(39)、射频天线(11)、PV电池(9)、通过设计连接到光源或光电探测器的传感器联接件(22)。电源输出联接件(21)、锁存信号灯(24)、USB端口(23)、显示器(32)和电源输出联轴器(21)。
[0157]仍然参照图10，传感器的各自端部与接口到保护盒(2)中的光源或光电探测器的适当的传感器联接件(22)相匹配。保护激活指示器(39)通知保护系统处于激活状态。不安全状态指示器(38)通知在联接到电源输出联接件(21)的PV模块或PV电线中的不安全状态。来自PV模块的PV接地联接件(43)和PV直流联接件(42)为直流电源输出联接件(21)提供可选的辅助电源。直流能量存储装置可以通过PV电池(9)或通过从由PV模块产生的直流电流除去的能量进行充电。
[0158]又一次参照图10，熟悉构造传感器的人员应当理解，诸如光源和探测器之类的组件可以位于保护盒(2)的外部。此外，诸如用于无线通信的射频天线(11)、用于小心的显示器(32)、用于远距离状态可视化指示的锁存信号灯(24)、和用于联接到USB兼容装置的USB端口之类的特征，对于实现保护而言不是必须的。进一步地，熟悉架构控制系统的技术的人员应当理解，有大量商用组件可用于实施在此描述的保护盒。此外，控制功能可以包含在联接到现有接线盒或可选保护盒的底架中，以对传统PV模块进行改造。熟悉保护系统的人员应当理解，本系统和方法可以用来检测、缓解、和通告在潜在地所有复杂PV系统组件中的不安全状态，并且本发明还在其他系统中有着广泛的应用。
[0159]图11是保护盒(2)的内部视图。图11中的组件包括:保护盒(2)，电源输出联接件
(21)，USB端口( 23)，传感器联接件(22)，光源(30)，PV直流联接件(42)，PV接地联接件(43)，不安全状态指示器(38)，保护激活指示器(39)，控制器(49)，开关(50)，直流能量存储装置
(51)，中断器装置(53)，过热传感器(28)，二极管(29)，和光电探测器(57)。
[0160]仍然参照图11，示出的保护盒(2)具有将由PV模块产生的电源联接到PV串、切断器或其他PV系统组件的电源输出联接件(21)。传感器联接件(22)将传感器的端部连接到各自的光电探测器(57)，该光电探测器(57)接收或导向来自各个光源(30)的光。光源(30)产生光以照亮传感器，该传感器可以是用于自测试或确定是否存在不安全状态。电流导体联接件(33)收容来自PV模块的电气总线的相应端部。不安全状态指示器(38)和保护激活指示器
(39)均用于提供信息。
[0161]再次参照图11，控制器(49)可以是任何类型，诸如但不限于，数字逻辑电路、模拟逻辑电路、现场可编程门阵列或微型电路。控制器(49)可以通过直流能量存储装置(51)供电，该装置反过来有来自PV模块的直流电源充电。控制器(49)配置有逻辑或编程以确定不安全状态。控制器(49)处理来自光电探测器(57)的信号以确定是否存在不安全状态。该控制器也点亮保护激活指示器(39)。如果存在不安全状态，控制器(49)输出由开关(50)接收的不安全状态信号(52)。一旦接收不安全状态信号，开关(50)向中断器装置(53)发送中断信号，并且还点亮了不安全状态指示器(38)。中断器装置(53)的功能是以其只能由(根据NEC规范)手动干预重设的方式，打开PV模块电源电路。控制器(49)被接口至USB端口实现，诸如但不限于，编程、数据卸载和与兼容的计算装置通信等功能。
[0162]再次参照图11，熟悉电气装置技术的人员(诸如但不限于，建筑师、设计师或安装人员)应当理解，图11中的图为概念性的，用于示教如何实施本发明，并且存在可用于实施本器件和方法的大量商用组件。熟悉保护系统设计的人员可以使用不同实施例将系统配置成在实施例中提供几乎无限的功能和选项。控制器(49)可以被接口至USB端口或无线收发器，实现诸如但不限于，编程、数据卸载和与兼容的计算装置通信等功能。此外，熟悉先进技术的人员应当理解，控制功能可以包含在联接到现有接线箱的底架中，以对传统PV模块进行改造。
[0163]现在参照图12，图示的系统组件可以是直流切断器、直流-直流升压器、到直流汇流器的直流电源、到直流-交流逆变器的直流电源、交流切断器、交流配电面板或其他需要监测不安全状态的组件。在图12中标识的组件包括:系统组件(14)，传感器环路(8)，光源
(30)，光电探测器(57)，电流导体联接件(33)，接地导体联接件(34)，不安全状态指示器
(38)，保护激活指示器(39)，控制器(49)，开关(50)和中断器装置(53)。
[0164]仍然参照图12，光源(30)产生光以照亮传感器。不安全状态指示器(38)和保护激活指示器(39)均用于提供信息。控制器(49)可以通过来自系统组件(14)内部的直流电源供电。控制器(49)可以配置有模拟逻辑、数字逻辑、基于规则的机器推理、或计算机编程，以确定不安全状态并提供用于其他目的的功能。控制器(49)可以是任何类型，诸如但不限于，数字逻辑电路、模拟逻辑电路、现场可编程门阵列、微型控制器、或应用指定的集成电路(ASIC)。控制器(49)处理来自一个或多个光电探测器(57)的信号以确定是否存在不安全状态。该控制器也点亮保护激活指示器(39)。如果存在不安全状态，控制器(49)输出由开关
(50)接收的不安全状态信号。一旦接收不安全状态信号，开关(50)发送中断信号，并且还点亮了不安全状态指示器(38)。在收到中断信号后，中断器装置(53)确保电源电路的电流流动的安全。
[0165]参照图12，熟悉电气系统技术的人员(诸如但不限于，建筑师、设计师或安装人员)应当理解，图12中的图为概念性的，用于示教如何实施本系统;然而，大量商用组件可用于实施该系统。例如，设计师会意识到，根据系统组件的设计，可能有必要对使用中断器装置
(53)的设计将电源分流接地或使电路开路。控制器(49)可以被接口至USB端口或无线收发器，实现诸如但不限于，编程、数据卸载和与兼容的计算装置通信等功能。熟悉最先进技术的人员应当理解，可以使用不同实施例将PV系统组件配置成在实施例中提供几乎无限的感测和保护功能和选项。此外，控制功能可以包含在联接到现有接线盒的底架中，以对传统系统组件进行改造。
[0166]现在参照图13，图示的系统组件为PV模块框架(1)、PV模块接线盒(69)、电流导体联接件(70)、接地导体联接件(71)、保护盒(2)、传感器环路(8)、输出电缆连接器(12)、PV接线(16)、光源(30)、电源连接器(67)、潜在危险点(40)、控制器(49)、开关(50)、光电探测器
(57)和锁存信号灯(24)。
[0167]仍然参照图13，该图的重点在于示教PV接线(16)内含有的传感器环路(8)如何检测因连接不良产生热量、或来自电源连接器(67)内的电弧的光、以及对PV接线(I 6)的损坏等不安全状态。光源(30)产生光以照亮传感器。控制器(49)可以在保护盒(2)内被供电。控制器(49)配置有逻辑或编程以便(但不限于)确定不安全状态。控制器(49)处理来自光电探测器(57)的信号以确定是否存在不安全状态。如果存在不安全状态，控制器(49)输出由开关(50)接收的不安全状态信号。一旦接收不安全状态信号，开关(50)生成中断信号并将其发送至中断器装置(53)。一旦接收中断信号，中断器装置(53)会停止PV模块(61)或PV接线
(16)中的电流流动。
[0168]再次参照图13，熟悉电气系统技术的人员(诸如但不限于，建筑师、设计师或安装人员)应当理解，图13是概念性的，用于示教如何实施本发明以保护免受接线和连接器中的不安全状态的影响。熟悉最先进技术的人员应当理解，可以使用不同实施例将PV系统组件配置成在实施例中提供几乎无限的感测和保护功能和选项。
[0169]在图中和描述中阐述了许多具体细节，以为本发明以及如何实施本发明提供透彻的理解。然而，可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下，根据权利要求实施本发明。为了清楚起见，没有详细描述与本发明有关的技术领域中已知的技术材料，以免不必要地模糊本发明。
[0170]本文阐述的本发明的实施例涉及与不安全PV模块以及包含本发明的相关接线的检测、缓解和隔离;并且涉及采用机器逻辑或计算机编程算法用于在维护正常子阵列和PV串的同时正确关闭不安全PV模块的控制系统。
[0171]因此，本发明实施例提供了包含使用来自一个或多个光电传感器的数据的数字或模拟控制器，其中，每个光电传感器均联接到一个或多个半透明传感器;并且联接到用于隔离PV模块和相关连接部的不安全状态的中断器装置。此外，控制系统采用逻辑用于正确关闭不安全PV模块，以清除故障并恢复PV模块使其在检查时发现可正常运行。
[0172]所述公开的保护系统的技术贡献在于，提供了对在PV模块的导体的交叉点的不安全状态的独特的自主检测，恰当地使不安全PV模块下线，并且在清除故障后，使正常PV模块恢复运行。本发明器件包含中断器装置、开关、和控制器，以实现这种功能。
[0173]本发明的示例性实施例用于提供保护免受PV模块中不安全状态的影响。该实施例包括至少一个传感器，其被配置成对电气总线和可能产生不安全状态的地方进行全面检测。特别是，在无人看管的情况下，检测可能会导致直流电弧或接地故障以及对其造成的间接损坏。该实施例中还包括一个或多个在位置上与一个或多个半透明传感器的每一个相对应的光电探测器，其中，每个光电探测器联接到至少一个确定不安全状态并且在确定不安全状态后输出不安全状态信号的控制器。该实施例进一步包括中断器装置，一接收到不安全状态信号，中断器装置的触点会在允许电流流动的闭合位置和打开位置之间操作。该实施例还包括当发生实际直流电弧和接地故障时，能够处理出现这些故障的情况;并且具有中断器的设计，使其通过以下方式进行正确响应:1)如果是串联电弧的情况，使不安全电路开路来隔离组件;或2)如果是并联或接地故障，使PV模块或PV电池串短路。
[0174]在又一实施例中，控制器被配置成:I)从与传感器接口的各自的光电探测器接收电压和电流数据;2)通过观察来自各自光电探测器的电压和电流数据中的显著变化来推断不安全状态;和3)当检测到不安全状态时，通过使相关电路开路并保持开路，输出使中断器隔离各自电路的不安全状态信号。此外，中断器装置还可以被配置成在经证明的检查确认没有不安全状态时，或者不安全状态已得到校正时，使电路重置到闭合位置，从而清除检测到的不安全状态。
[0175]根据本发明又一实施例，检测不安全状态的方法包括根据阈值设置，对来自光电探测器的电压和电流数据进行模拟或数字比较。在检测超出阈值时，控制器启动相关中断器装置的操作，以便隔离与不安全状态相关的PV系统的部分。控制中断器装置的操作的步骤进一步包括在检测到不安全状态的PV系统组件的电路上，使电路开路并保持开路。控制器还能够被配置成当由经证明的检查确认没有不安全状态时，使电路完整，以便清除不安全状态。
[0176]根据本发明又一实施例，控制器能够在传感器被诸如并联电弧的热量和等离子体之类的损坏时，使用对来自光电探测器的电压和电流数据的模拟或数字比较，通过控制器检测不安全状态，其中，光电探测器对来自特意设置用来根据阈值设置检测并联电弧的传感器的光强度进行测量。一检测到超出阈值，控制器就会发送不安全状态信号，该信号会使中断器装置隔离PV系统组件。控制中断器装置的操作的步骤进一步包括使不安全电路开路并保持开路。控制器还可以被配置成在经证明的检查确认没有不安全状态时，使中断器装置再次联接电路，以便清除不安全状态。
[0177]根据本发明又一实施例，控制器通过一个或多个动作能够能够提醒不安全状态，该动作包括但不限于，点亮位于保护盒上的灯，点亮位于组件上的等，以及通过有线或无线数据链接、专用电线、电话、无线电链接发送提醒信号，以及发送无线信息。在广义实施例中，本发明延伸在其他设备中使用，其会因为老化和制造缺陷而会遭受损坏、火灾、和财产损失的风险。
[0178]最佳实施例将提供有效的保护，并在无人看管的情况下，警告会导致灾难性损坏和伤害的不安全状态。在最佳实施例中，传感器被构造成具有针对特性选定的半透明聚合物或玻璃纤维，该特性将优化对诸如但不限于，诸如特定温度以上熔化的物理改变之类的不安全状态的检测。传感器被配置成在变暗或变亮的条件下使用，并且分别放置在可能会发生不安全状态的PV系统组件和互连布线内部或上方。如本专利和附图所描述的，传感器可以是分枝、单个、或环路。如果传感器被配置为环路传感器，周期性光信号从一端穿过半透明介质到达另一端的光电探测器，以验证系统完整性。如果存在热点、磨损、或导致PV系统组件或互联布线的不安全状态的或由其造成的其他损坏，传感器将会熔化、燃烧、爆炸或切断，并且光子信号不会到达光电探测器，使得在发生电弧故障和其他灾难性事件之前断开电气系统。如果传感器未被配置为环路传感器，则光电探测器所接口的控制器将:1)确定不存在不安全状态;2)存在的光不适合时，确定不安全状态;或3)光适合但光特性发生改变时，确定不安全状态。经过示例训练或调整传感器的材质、集合和布局，可以调谐控制器用于确定不安全状态的算法。光信号还应当以适当的速率提供，因此在测定过程中只存在短暂的延迟。因为意图在制造过程中将传感器并入模块和电气布线之中，最佳实施例简单，易于并入PV系统组件的自动化制造中。
[0179]例如，在制造PV模块的情况下，构造有(但不限于)聚合物或玻璃的传感器将通过自动化过程，存放在联接PV模块的PV电池的导体上或周围，从而使传感器邻近极性相反的导体之间的电流导体，并且邻近框架。类似地，传感器将存放在用来使太阳能电池阵列的底侧电气绝缘的塑料板的PV电池侧。
[0180]此外，在制造诸如直流-交流逆变器之类的PV系统组件时，传感器将被放置在邻近可能出现不安全状态的组件和其中的接线的位置，用来检测将会导致不安全状态的进水、啮齿动物进入或其他实例。至于有关立即使用上述PV模块的示教，控制器会产生启动报警的不安全状态信号，并且中断器装置会通过使电路开路或使电源短路来中断电流流动，从而酌情缓解不安全状态。
[0181]在优选实施例中，系统通过将附近的半透明传感器和电路配对进行操作，使得系统的任何外部磨损或内部发热会导致对光电探测器的光的强度缺失或可检测到的变弱。使用一对光发射器和光电探测器通过光学路径发送连续的光束或周期性光脉冲。如果光电探测器未检测到光照，光电探测器的输出将停止，致使控制器发送不安全状态信号，这会导致报警以及PV系统组件断电。
[0182]2012年秋，桑迪亚实验室(美国新墨西哥州阿尔伯克基)获得管理科学公司(Management Sciences，Inc，美国新墨西哥州阿尔伯克基)的帮助，进行探索半透明传感器的熔化是否可以成功地应用于PV模块中电弧故障的检测。概念如下，在被认为在电弧故障之前发生的热点的情况下，联接到光电探测器的被光照的邻近半透明聚合物绞线将会熔化，并且光信号将会到达光电探测器，致使逻辑电路发送信号让中断器装置使PV模块输出电路开路，并停止电流流动。
[0183]已创建大量集成样本来证明在PV系统中存在电弧故障时系统结果。这些样本模拟两种类型的故障，即，PV模块内的串联电弧故障和来自模块框架上的PV电池的电弧故障。电弧故障被创建有充足的热量和局部压力，以便割断光纤连接并进行声音报警。当光纤靠近电弧故障处时，这被证明是使用基于电信号的AFCI的有效替代方式。
[0184]已经研发了包括本发明的组件，并付诸实践。使用半透明丙烯酸聚合物构建原型传感器。传感器的有效性随后由桑迪亚国家实验室的专家进行了测试。桑迪亚国家实验室PV系统研究工程师创造了一种用于在不同配置中引入在PV系统中发现三种电弧故障的器件。本器件和集成光纤系统的原型一起使用，来确定在现实条件下的性能。根据桑迪亚实验室工程师的报告，光纤电缆已断裂，并且系统对故障进行了通告。
[0185]虽然本发明的前述书面描述能够使本领域普通技术人员利用和使用其目前被认为的最佳模式，但是本领域普通技术人员应理解和意识到存在对本文的特定示例性实施例、方法和示例的变型、组合和等同物。因此本发明不受上述实施例、方法和示例的限制，而是受本发明的范围和精神内的所有实施例和方法的限制。
[0186]提供的对具体实施例的前述描述，使得本领域任何技术人员都能够实现和应用本发明。对本领域的技术人员来说，很明显可对这些实施例作出各种修改，而且这里定义的一般原则不需要创造性能力就可被应用于其他实施例。例如，根据所需的功能，每个自保护PV模块都可以包含不同的传感器排列。本申请呈现的实施例的重点在于防止PV发电系统中出现电弧故障，但可以在诸如飞机等任何情况下应用，其中，电弧故障可能导致的人类生命损失和财产破坏。因此，本发明并不意图局限于本文中展示的实施例，而应符合与本文所公开的以及随附权利要求书所定义的原理和新颖特征一致的最广范围。
【主权项】
1.一种用于在电力系统中提供保护免受不安全状态影响的系统，包括: 至少一个被配置成接收光并生成指示所述接收光的阈值信号的光传感器； 与上述至少一个光传感器通信的控制器，所述控制器被配置成对所述阈值信号进行处理以确定不安全状态的存在，并生成不安全状态信号； 与所述控制器通信的中断装置，所述中断装置被配置成中断电流流动以响应于不安全状态信号。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电力系统是光伏发电系统。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电力系统是非光伏发电系统。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述不安全状态是火灾。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述不安全状态是高温。6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器包括不透明装置。7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器包括大量半透明介质。8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器被配置成基于第一光信号确定不安全状态的概率。9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器进一步被配置成:确定用于后续光信号的第二光标记;将所述第二光标记和第一光标记相比较;并且基于所述比较，确定所述后续光信号是否指示不安全状态。10.根据权利要求1所述的控制器，进一步包括使用电流和电压测量值来进一步表征不安全状态。11.根据权利要求1所述的电力系统，其是备选能量系统。12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器被配置成将确定的特征和不安全状态标准的概率相比较，以确定所述光信号是否指示不安全状态。13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述特征包括传感器类型和光强度大小在内的多个特征。14.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述控制器被进一步配置成自适应地调整所述不安全状态标准以响应于所述保护系统的变化的条件或由所述保护系统保护的系统组件的变化的配置。15.一种提供保护免受不安全状态影响的系统，包括: 一个或多个被配置成测量光并生成指示光的测量值的第一光信号的传感器;所述光传感器被进一步配置成测量来自第二易熔半透明介质的第二光并且生成指示上述第二光的测量值的第二光信号； 与一个或多个上述传感器通信的控制器，所述控制器被配置成:基于所述第一光信号确定不安全状态强度，基于来自诱发事件的光验证上述不安全状态强度，所述验证包括如果基于不安全状态检测算法将所述不安全状态诱发事件确定为不安全状态事件，则生成错误信号;并且基于所述不安全状态检测算法确定所述第二光信号是否指示不安全状态，并且如果所述控制器确定所述第二信号指示不安全状态事件，则生成不安全状态信号； 与所述控制器通信的电路中断装置；以及 被配置成缓解所述不安全状态以响应于不安全状态信号的中断装置。16.根据权利要求15所述的系统，进一步包括输入装置，其被配置成选择性地使所述控制器确定所述不安全状态检测算法，验证不安全状态检测算法，或确定所述第二光信号是否指示不安全状态事件。17.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述不安全状态检测算法包括不安全状态计算的概率。18.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述不安全状态检测算法包括比较对应于所述第一光信号的所述第一光标记和对应于所述第二光信号的第二光标记。19.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，传感器被配置成检测所述第一不安全状态事件和所述第二光事件，所述第一光信号和所述第二光信号分别指示由所述光传感器针对所述第一光事件检测到的电弧故障导致的火灾和由第二光事件检测到的火灾。20.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述不安全状态检测算法被配置成将所述第一光事件作为来自不安全状态的光进行检测。21.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述不安全状态被传递到至少一个机构。22.根据权利要求15所述的控制器，进一步包括使用电流和电压测量值来进一步表征不安全状态。23.—种用于在电气系统中自适应地识别不安全状态先兆的方法，所述方法包括: 操作电气系统生成由不安全状态事件触发的第一光事件;使用传感器检测所述第一光事件； 生成指示所述检测的第一光事件的第一光信号;使用控制器处理所述第一光信号以确定不安全状态先兆标准； 操作所述电气系统生成第二光事件;使用所述光传感器检测所述第二光事件；生成指示所述第二光事件的第二光信号； 处理所述第二光信号以确定所述第二光信号的特征，并且将所述特征和所述不安全状态先兆标准相比较，以确定所述第二光信号是否指示不安全状态先兆事件。24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述第二光信号特征包括光强度大小、强度大小变化率、频率、波长、时长、或入射在所述光传感器上的光的入射方向或入射角中的一个或多个。25.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述标准包括阈值、一系列阈值、或预定光标记中的一个或多个。26.根据权利要求23所述的方法，进一步包括从输入装置接收指示所述第一光事件的源的输入。27.根据权利要求23所述的方法，进一步包括如果所述第二光信号被确定为不指示不安全状态，则将有关所述第二光信号的信息存储在内存中。28.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述第一光信号和所述第二光信号包括涉及与上述第一光信号和(或)第二光信号有关的电压和(或)电流的信息。
【文档编号】H02H5/04GK106030949SQ201580008590
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2015年2月12日
【发明人】肯尼思·G·贝勒姆, 弗朗西斯·E·彼特, 肯尼思·D·贝勒姆, 彼特·A·贝勒姆
【申请人】管理科学有限公司