专利名称：光伏电源性能监视器的制作方法
技术领域：
本发明涉及将太阳光转换成电的方法及设备的一般主题，并特别涉及用于显示光伏电池电源性能的方法及设备。
背景技术：
光伏(PV)组件是PV电力系统的基本构件。PV组件由被封装在玻璃盖板和防风雨的底板间的互连的电池构成。典型地，这些组件被装在适于安装地铝质框架中。术语“太阳能面板”经常被用来指代PV组件。但是，同样的表述也被用来表示太阳能热水系统，为避免混淆，优选“光伏组件”这一表述。
应当了解那些影响太阳能系统(solar power system)输出的因素，这样用户就会对在随时间变化的天气条件下总的系统输出以及经济效益有现实的期望。PV组件所产生的有用电力的量是根据落在交换区域(conversion area)的光强度直接产生的。因而，可用太阳能源越多，电力产生潜能就越大。举例来说，在热带地区可提供比在高纬度地区能够提供的更好的热源。另外，PV系统在夜晚不产生电力，并且重要的是不要遮挡组件。如果在太阳光照射时间以外需要电力，或者如果预期到坏天气延续的时期，那么某种形式的存储系统是必须的。
材料
PV组件的性能尤其依赖电池的材料。非晶硅组件的转换效率在6％到8％之间变化。多晶硅组件具有大约15％的转换效率。单晶硅组件是最有效的，其转换效率为大约16％。组件的典型尺寸为0.5×1.0m2和0.33×1.33m2，由大约36个PV电池构成。
标准测试条件
太阳能组件生产DC电力。太阳能组件的DC输出由制造商根据标准测试条件(Standard Test Condition，STC)进行标定。这些条件易于在工厂中再现，并可用于产品的一致比较，但是要评估在通常户外工作条件下的输出则需要对其修改。STC条件是太阳能电池温度＝25；太阳辐照度(强度)＝1000W/m2(常被称为峰值日照强度，可与晴朗夏日正午时的强度相比)；以及如同由穿过1.5个大气层厚度而被过滤的太阳光谱(ASTM标准光谱)。制造商可能在STC下把某个特定太阳能组件的输出额定功率标为100瓦，并称该产品为“100瓦太阳能组件”。该组件通常具有该额定值的±5％的产品容差，这意味着该组件可以生产95瓦而仍被称为“100瓦太阳能组件”。保守一点的话，最好使用该功率输出谱的下界作为起始点(对100瓦的组件来说是95瓦)。图1图示说明当负荷从短路(无负荷)条件增加至开路(最大电压)条件时，光伏电池的电流对电压(I-V曲线)的关系。该曲线的形状表示了电池性能的特征；这可以被称为“出厂性能(factoryperformance)”或者称为在理想条件下PV电池的性能。
光谱(Spectrum)
由光伏器件产生的电流也受太阳光的光谱分布(光谱)的影响。此外，通常知道太阳光的光谱分布在一天之中变化，在日出和日落时更“红”，而在正午时更“蓝”。基于所考虑的光生伏打技术，这种变化的光谱对性能的影响幅度可能会显著地变化。在任何情况下，光谱变化都引入了依赖时辰的性能上的系统影响。类似地，光伏组件或总日射表(pyranometer)的光学特性也能够导致有关太阳光入射角的性能上的系统影响。
温度
随着组件温度增加，组件输出功率减小。当在屋顶上工作时，太阳能组件将充分地加热，达到50-70摄氏度的内部温度。对晶体组件，CEC建议的典型的温度降低因子是89％或0.89。因此，在春日或秋日当中的全日照条件下，“100瓦”组件通常工作在大约85瓦(95瓦×0.89＝85瓦)。为确保PV组件不过热，要求按照可使得空气在其周围自由流动的方式来安装。在易于达到极热的正午温度的地区，这是特别重要的考虑。理想的PV产生条件是凉爽的、晴朗的、阳光充足的日子。
尘埃(dirt and dust)
尘埃可以在太阳能组件表面上积累，阻挡一些阳光，并使输出减小。加利福尼亚州大部具有雨季和旱季。尽管通常的尘土会在每个雨季被清除，但是在评估系统输出时考虑因旱季灰尘的堆积而引起的输出降低才是更实际的。通常使用的年灰尘降低因子是93％或0.93。因此，带有某些积累的灰尘工作的“100瓦组件”可能工作在平均大约79瓦(85瓦×0.93＝79瓦)。
失配(mismatch)及线路损失
总的PV阵列的最大功率输出总是小于单个组件的最大输出之和。这一差值是从一个组件到下一个组件在性能上的微小不一致所造成的，这被称为“组件失配”，并且总计可达至少2％的系统功率损失。系统线路中的阻抗也造成功率损失。应当将这些损失保持在最小，但是对系统而言很难使这些损失小于3％。对这些损失的合理的降低因子为95％或0.95。
DC到AC转换损失
由太阳能组件产生的DC电能必须使用换流器将其转换成普通家用的AC电能。在该转换过程中损失了一些电能，并且在从屋顶阵列到该换流器再出来到房屋面板的线路中，还有另外的损失。通常在住宅的PV电能系统中使用的换流器具有由其制造商标称的92％至94％的峰值效率，但是这些也是在良好控制的出厂条件下测量的。而实际的现场条件通常导致大约88％至92％的总DC至AC转换效率。所以经过产品容差、热、尘土、线路、AC转换以及其他损失的降低，在晴天的中午，“100瓦组件”的输出应当转化为大约68瓦(100瓦×0.95×0.89×0.93×0.95×0.90＝67瓦)的传递到房屋面板的AC功率。
评估系统能量输出
为俘获尽可能多的太阳能量，光伏电池必须朝着太阳。如果光伏电池具有固定的位置，其朝向相对于南方(北半球)，倾角应该相对于水平面做优化。该最优倾角位于该地点纬度的大约15度的范围内。举例来说，对于在西欧的网格连接PV系统，最优的倾角为大约35度。对接近赤道的地区，这一倾角将会变小，而对于接近两极的地区，其将会变大。从最优角度的30度倾角的偏离，将导致最大产出的小于10％的损失。在一日当中，太阳光照射在太阳能组件的角度将变化，这将影响功率输出。从“100瓦组件”的输出从黎明时分由0逐渐地增加，而在正午时随着日照角度(sun angle)而增加至其峰值输出，然后在下午逐渐下降并在夜晚回到0。虽然这一变化部分地是由于变化的日照强度(sun intensity)，但是变化的日照角度(相对于该组件)也起作用。
屋顶的坡度(pitch)将影响在组件表面的日照角度，屋顶的东西朝向也将影响该日照角度。表1总结了这些影响，其表明，举例来说，在南加利福尼亚州，在坡度为7∶12面向正南的屋顶上的阵列给出最大输出(修正因子为1.00)，而同样坡度的朝东的屋顶将产出朝南屋顶的一年能量的大约84％(表1中0.84的修正因子)。
表1各种屋顶斜度和方向的朝向因子
表2城市每kW STC阵列定额的年能量产量
表2旨在给出通常的PV系统预期提供的一年能量的保守估计，其中考虑了以上所讨论的各种因素。作为一个简易的指南，这些值是由1千瓦(1kW)STC DC阵列所产生的一年的千瓦时(kWh)。
例子
位于洛杉矶地区、以4∶12的坡度并面向南的4kW WSTC太阳能电池阵列(如在STC条件下所标称的)应当每年生产至少5343kWh的电能(1406kWh/kW×0.95×4kW＝5343kWh)。在该地区典型的住宅用户每年使用大约7300kWh，意味着这样的PV系统能够生产这种典型家庭所需总能量的75％。而且，如果住户采取能量效率措施来减少总的电力消耗，那么该百分比可能接近100％。注意，使用该范围的下界来计算实际的节省。在做性能宣称(claims)时保守一些是明智的。
大多数正确安装的PV系统的最大功率输出发生在春季和秋季的阳光充足的日子接近正午的时候。如果拥有者充分地理解这一特性，他们将不会对在冬季当中无可避免的低输出感到失望。计量是一种向拥有者证明该设备被正确安装的方法。拥有者感觉系统是否正常工作的首要指标常常是其每月的电费帐单。如果拥有者突然开始使用更多的电，其可能看不到其帐单的减小而设想PV系统表现不佳(under-performing)。利用计量来表明系统表现得如广告所宣传的那样，从而有助于避免安装者和拥有者之间的争执。PV系统的有吸引力的特性之一就是低的维护费用。然而，即使电力系统也需要不时地维护。通过正确的测量，稍有知识的拥有者就能够容易地确定其系统是否在正确地工作。
现有的检验组件及系统性能的方法(见图1)常常依靠从如测量的功率“改回(correcting back)”到STC，这通常通过利用dISC/dT、dVOC/dT以及dPmax/dT的线性系数，并假设与光强水平线性相关。但是，当在低光照水平时期(如冬季)、或在极端的温度时、或在高太阳光反射角时安装并使用PV阵列，由于在进行温度和辐照度(irradiance)方面的最大修正时的误差最大，所以对组件来说难以修正回到STC。同样也难以检验该阵列是否已按所期望的安装和工作。
这一问题已存在了若干时间。采取了相当多的努力并花费了大量的资金以解决这一问题。尽管这样，该问题依然存在。实际上，由于太阳能系统正变得更普遍，并且正在为那些不懂错综复杂的太阳能工程学设计因素的消费者所拥有，随着时间的过去该问题变得更加严重。
发明内容
根据本发明，公开一种监视用于用电负荷的太阳能供电电源性能的方法及设备，其中该电源包括安装在建筑物上并具有预定性能的光伏电池阵列。在一个实施例中，该设备包括辐照度传感器，用于产生表示太阳辐照度的信号；电路，其用于通过利用至少辐照度信号和对从该阵列供应到负荷的电功率的测量值，来得到运行性能信号；无线电装置，其用于广播该性能信号；以及便携单元，其用于接收来自无线电装置的性能信号，并可视地显示该太阳能电力系统的性能。
在一个实施例中，该便携单元包括多个指标指示器，包括太阳辐照度、温度、时间、光伏电池功率产量、相对于公共电网提供的电能(electrical power)的光伏电池电能、在时间坐标上的光伏电池电能、总的光伏电池电能产量、每日电能产量，相对于公共电网电能消耗的电能产量，以及相对于最大可能产量的每日太阳能产量。
本发明实时分析经电网格连接的PV系统的性能，以检查它是否正确地工作。如果发生性能限制故障，那么它可以发送信号通知用户。
在另一实施例中，该阵列以室外温度为表征，并且所述电路通过利用辐照度信号、该阵列的预定性能额定值以及对从该阵列供应到负荷的电功率的测量值来得出运行性能信号。
本发明为太阳能系统的拥有者提供一种改进的并且有效的方法及设备，来了解正在发生什么以及其系统运行得如何。从下面的本发明的详细说明、在此说明的实施例、权利要求以及附图中，本发明的许多其他的优点及特点将变得显而易见。
图1是随着负荷增加PV电池电流对电压的关系的图示说明；
图2是典型的太阳能电源系统的框图3是数据显示单元的示意图，该单元是本发明主题的一部分；
图4和5是本发明的两个实施例的组件的框图6是图3中的太阳辐照度显示的可替换显示；以及
图7是该数据显示单元的局部组装图，其说明玻璃框(bezel)和液晶显示板结合在一起。
具体实施例方式
尽管本发明可有许多不同形式的实施例，但是附图中示出了本发明的一些特定实施例，并将在此详细说明。但是应当理解，本公开被认为是对本发明原理的举例说明，并无意于将本发明限制在所说明的任何特定实施例。
在详细说明本发明之前，将先解释本发明的环境。
典型的系统部件
典型的太阳能电力系统(见图2)包括PV阵列、平衡系统装备、DC到AC换流器以及其他部件。
PV阵列通常的PV组件为大小5到25平方英尺，重大约3到4磅/平方英尺(lbs./ft2)。常常在所谓的面板中，4个或更多较小组件的组被通过框架装在一起或贴在一起。典型地该面板面积为大约20到35平方英尺，以易于在屋顶上处理。这使得在需要的情况下，可根据安装说明在地面上完成某些组件和线路功能。
DC-AC换流器这是一种接收来自PV阵列的DC电并将其转换成家用电器所使用的标准AC电的器件。
平衡系统装备(Balance of System Equipment，BOS)这是指用于将该太阳能组件集成进房屋的结构和供电系统的安装系统和布线系统。该布线系统包括该换流器的DC和AC侧的切断开关(disconnect)、接地故障保护装置、以及用于太阳能组件的过流保护装置。由于大多数组件需要对每一组件源电路进行熔丝保险，大多数的系统包括某种组合器电路板(combiner board)。某些换流器在其封装内包括该熔丝保险及组合功能。
其他组件这可以取决于当地的公用电力设施，并可以包括公用电力设施开关。
综述
本发明，即“PV检验器”或“PV2”，确定了检验PV阵列性能的一种新途径
●帮助得到系统的最高kWh输出，
●使实用性最大化，以及
●降低每kWh的成本。
本发明旨在监视并显示PV系统性能。本发明由两个分离的单元构成，通过射频(RF)链路进行交互
●数据采集单元16，其执行数据的测量、处理、存储以及通过无线链路把数据发送到数据显示单元。参看图4，其说明了本发明的数据流。建筑物或其他建筑结构的用电负荷10具有从外部源12(如，公共电力网、发电机、电池等)以及从太阳能PV电源14向其提供的电力。该数据采集单元16接收信号和信息(如，从电源14、其他能源12、阵列的出厂性能特性等)，并将该信息处理/转换成适于由相对近程的无线电装置18来广播的格式。用于获得电源、电流以及功率并以适于进一步处理及发送的形式发送该信息的电路系统，对本领域技术人员而言是熟知的。固定的数据采集单元16还包括信号处理电路20、存储器22、时钟24以及内部电源(即，电池，出于简洁未示出)。
●数据显示单元30，其可视地表现从该数据采集单元向其传送的信息。该数据显示单元30接收从无线电装置18广播的信息，并将该信息转换成用于可视显示器32(见图3、6及7)的格式。该便携数据显示单元30还包括内部电源(即，电池，出于简洁未示出)。
●RF接口被设计来可靠地穿过住宅的外墙和/或内墙，并在由FCC强制的限制规定及单个建筑物或结构所限定的距离上起作用。
现将更详细地说明该数据采集单元16和数据显示单元30。
数据采集单元
该单元16具有下列功能
●测量PV系统输出的真实AC功率。典型地，120V的电力业务使用一个安装在公共电力网接入口盒内的电流换能器(transducer)。
●测量在该该接入口的进和出住宅的真实AC功率。标准200安培(A)，Edison 3-线240Vac住宅公用电力业务典型地需要两个电流换能器。
●利用安装在太阳能PV阵列附近的模拟传感器测量太阳辐照度。
●利用收纳在PV阵列附近的盒中的温度传感器来测量环境温度。
优选地，采样率与在显示单元的刷新率一致。电压换能器被用于功率测量(即，监控线对线240Vac或一条120Vac引线)。用于住宅功率测量的电流换能器可以是“拼合式”的，以便于安装。
该数据采集单元16可以装配有RS-232端口来方便设置和校准。基于可用的存储器，每一小时可存储多次经平均的数据。优选地，板上(on-board)存储器保留数据到30天，该数据是有时间及日期标记的，并且校准、数据及时钟设置被存储在非易失存储器中。
优选地，设计该数据采集单元16用于在无板上调制解调器的情况下运行。如果后来要安装调制解调器的话，该单元也可以提供相应空间及功能性(如，通过在基本设计中提供插槽，无需重新设计产品即可采用调制解调器特征)。如果使用，那么可以考虑下列因素
●通过站点代码来识别数据。
●每日拨号至预设的号码ISP，以上传数据至主机数据库。
●所需的拨号时间安排由主机来设置。
●调制解调器及数据传输速度与近程传输时间一致。
●如果住户拿起电话来打电话，拨号传输会中断。
●在检测到拨号音之后，应当再次尝试被中断的传输。
●如果发生电话机问题或其他中断，那么把数据存储。
●在拨号传输期间，由主机将单元时钟复位。
优选地，关于该数据采集单元16的说明将包括
●室外额定的，并且是非金属的
●外观与其他住宅业务接入口外壳相符。
●适于在室外环境中长期使用的耐腐蚀涂层。
●其机械结构使得从家用业务接入口可通过一根导管来布线所有功率测量输入以及单元供电。
●抗干扰。
●保护内部元件免于冷凝和/或内部热生成。
●独立换流器。
●温度及辐照度输入，从屋顶通过多导线电缆或电缆密封管输送。
●可选的电话电缆，其用于选择的调制解调器，通过电缆密封管将其布线。
●使该单元工作的动力由在公用电力业务接入口中的AC电源提供；功能可以与功率测量所需的电压换能器相结合。
●可超出该地理区域的预期温度范围工作。
●可超出该地理区域的预期湿度范围工作。
●保护输入以防电/闪电引起的电涌。
●另外保护天线免受机械损伤。
●包含电池支持的实时时钟/日历，其具有高的终身精确度，并且是不需打开外壳就可以设置的。
显示单元
该数据显示单元30从数据采集单元16无线地接收数据。可以利用常规射频、蜂窝电话频率、无线网络、蓝牙无线技术、文本发信及红外线来实现该无线特征。优选地，该单元具有以下特征
●没有看得到的天线。
●便携。
●安装在建筑物的内部(如，挂在墙上)。
●电池电源(没有外部线路连接)预期的最小电池寿命至少数个月。
●没有用户可接触到的开关或控件。
●显示布局如图3和/或图6。
●注模成形的外壳(见图7)。
●快速刷新。
●可视显示尺寸为大约2”×7”。
优选地，该数据显示单元30包括显示太阳辐照度的“日照强度图标”50。这表示在该阵列处的日照近似强度。如图中所示，4个不同大小的“太阳”从左到右、从最小到最大的表示强度对最右边的百分比排列
0％至15％空；
15％至25％第一个太阳(最小)；
25％至50％第二个太阳；
50％至75％第三个太阳；以及
75％至100％第四个太阳(最大或最高辐照度)。
在夜晚或阴天不显示“太阳”，在完全日照强度显示全部太阳。图6是对太阳光光辐照度的可替换显示。此处，太阳辐照度被显示为最大值51的百分比并且以“太阳图标”的形式来显示。
数据处理、存储及传输
执行到数据显示单元30的无线数据传输。参看图3，显示的数据包括
●太阳能产量这是该太阳能电力系统当前生产的电能(kW)的量的显示52，
●家庭用量这是住宅正使用的电能(kW)的量(即，PV业务和公用电力业务入口测量值的和)的显示54，
●由太阳能满足的需求这是由太阳能电力系统所生产的家庭用电的百分比的显示56，
●室外温度这是以华氏度或摄氏度(优选地，软件可设置)的显示58，
●日太阳能产量这是在日历的当前日中该太阳能电力系统所生产的能量(kWh)的量的显示59，
●由太阳能满足的日需求这是对当前日从12:01AM开始消耗的并由该太阳能电力系统所生产的电能(即，家庭消耗)的百分比的显示60，其从午夜后立刻开始起算，并随着一天的进行而增加。当太阳落山时，这一值将减少，同时能量在家中被使用，
●产量直方图这是当天的太阳能电力产量一小时一小时的图解表示。在该实施例中，从6AM到6PM图示白天的能量产量，其帮助用户了解在该白天中生产的能量，
●时间这是以AM/PM或24小时(优选地，软件可设置)的本地时间的显示64，
●总太阳能产量这是从该太阳能电力系统被安装以来由其生产的累积能量(kWh)的显示66，
●系统状态如果该数据显示单元32在数据采集单元16的传输范围之外，或太阳能电能生产小于预期值，“检查系统”灯68将点亮。正常情况将显示系统“OK”。目的在于检测在考虑到太阳光强度(辐照度)时，从该PV电源的电力输出是否与预期的输出一致。
一般参考
优选地，在美国，该设备将会具有以下特征
●得到保险商实验所(Underwriter’s Laboratory，UL)认证。
●满足FCC要求。
●设计经测试和/或评估，在家用环境中正确地使用而与其他家用电子设备没有干扰。
●遵守当地电力法规来安装。
●长寿命的设计和构建。
●从购买日起不必担心在材料、做工以及功能方面的缺陷。
操作及性能
在启动时，PV2从存储器中读取PV参数(见图1)如Pmax.stc(如果可用的话，Vmax.stc和Imax.stc)的值，以及系统常数，如
●为通过系统状态测试，该系统必须达到的估算功率的百分比(如，50％)，以及
●必须由显示单元接收的来提供可靠工作的最小信号(如，无线信号)强度，以及
●阈值光强度，低于该光强度将不检验通过/失败标准。
接着，其加载典型的经验系数以确定根据即时辐照度的可能的阵列输出。在该阵列上的最大预期的晴朗日子的辐照度可以从Tambient’时钟时间、阵列的经纬度以及阵列的朝向(方位角及倾角)推断出。如果Vdc和Idc已知，那么这些可以对照输入限制及经验公式来检查以确保系统正确地运行。如果辐照度在预定的阈值之上，那么系统从经验公式来计算预期的输出功率。可替换地，并且更简单地，即时辐照度信号可以被单独使用来与测量的该太阳能阵列输出功率相比较，并且如果在测量的功率和预期的输出之间的差值超过预定的量(如，50％)，那么系统状态灯68将被点亮。这将说明该阵列没有正确地运行，或者从数据采集单元16到数据显示单元32的无线电信号太弱而不适于可靠的数据传输。
下面是执行这一估算的代码的示例
//define constant Pmax=10//kWp A=0.8 B=0.1<!-- SIPO <DP n="14"> --><dp n="d14"/> C=-0.0045 E=1 Fail=0.5//you need at least this to pass Dark＝0.2//suns Fails_in_a_row=5 //Every measurement Get Gi//solar irradiance Get Tam//ambient temperature GetPac//measured AC power output Pac Ycalc=Gi*(A+B*Gi+C*Tam)-E //Check Gi,Tam,Pac are valid If Gi＞Dark If Pac/Pmax＜Ycalc*Failthen Fails++ Passes=0 If Fails＞＞Fails_in_a_row thenSYSTEMDOWN Else Passes++ Fails=0 If Passes＞＞Fails_in_a_rowthenSYSTEM BACK ON
这是仅占用几kB的代码。C*Tam可以被解释为热下降(thermalde-rating)因子(如，-5％/deg C)。“A”是支配该计算的线性参数(如，大约0.8到1.0)。“B”是非线性参数。“E”是表示恒定损失的项。增加用于风速的项可以进一步改进性能预测。
从上述的说明中，将观察到，本发明的许多变化、替换以及修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的。因此，本说明书应当被解释为仅是示例性的，并且目的在于教导本领域技术人员实现本发明的方式。在部件的排列、形状、材料及尺寸上可以做各种改变。举例来说，图3中示出了一般长方形长条显示；也可以使用一般地水平显示。而且，可以用等效的元件来替换图示和说明的部件。各部分可以被颠倒，并且本发明的某些特征可以独立于本发明的其他特征来使用。作为另一示例，可以使用图5的更复杂的功能框图。在该图例中，在推导表示太阳能电源的预期输出的信号中，考虑了该阵列的几何方位(及，倾角及方位角)、和该阵列的地理位置以及辐照度。作为另一示例，在固定单元中的时钟可能偏离真实的时间，并且没有正确地设置到天文时(solar time)。可以利用日辐照度曲线的形状来计算黎明、中午及傍晚。可以将这些值存储在存储器中，并与基于装在存储器中的历书而预报的黄昏、中午及黎明的时间做比较。当正确时，该时钟可以被调整为天文时。可替换地，可以使用被调整到中央天文台的“原子时”。也可以存储每日辐照度之和、环境温度以及AC功率输出。其将仅占用大约kB的存储器，并随后如上述建立起每日性能，而无需担心低光照水平等。一旦有足够的数据，可以做一些线性回归/曲线修正。线性回归将不会占用太多存储器。作为最后的示例，也可以存储一天的每15分钟数据以及每天总和的1月数据。可以将每个项都乘以100，并将其存储为整数以减少对代码和存储器的要求。该系统也可以被设立来计算日平均数，并将这些发送到中央站点，或存储月平均数来使得能够通过调制解调器线进行数据询问。对于如换流器在早晨启动的问题或遮挡的影响，可以通过系统分析阵列产出(每天、每月的时间)和辐照度的形状(每天、每月的时间)来确定。如果该系统已在工作，那么预先设定的失效后续动作将标记一个错误信号，该信号将被发送到维护工程师处的。类似地，如果该阵列又回到在线状态，那么通过测试的后续动作将产生发送通过信号。本发明提供来自实际测试数据的模型。开始时，可以利用来自使用类似硬件进行验证的系统的数据，但是可能很快就可换成使用来自该系统自身的过去的数据来检验性能。因此，将了解，在不背离如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种修改、替换、变化以及改变。举例来说，尽管本发明是在太阳能的范围中说明的，但是本发明的基本原理可应用到其他可供选择的补充电力公用事业的电力供应系统(如，风能及微型水电站)。当然，本发明欲通过权利要求书覆盖所有这些涉及该权利要求内的修改。
权利要求
1.一种设备，用在具有用电负荷并装有太阳能供电电源的建筑物中，该电源包括具有预定出厂性能额定值的光伏电池阵列，所述设备包括
(a)辐照度装置，在与该阵列的太阳能交换中，用于产生表示太阳辐照度的信号；
(b)电路，该电路装在该建筑物中并具有时钟，利用至少预定性能额定值和所述辐照度信号以及从该阵列提供给该负荷的电能的测量值，来计算运行性能信号；
(c)无线电装置，用于广播所述性能信号；以及
(d)一般便携单元，用于从所述无线电装置接收所述性能信号，并用于可视地显示所述性能信号。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述太阳能供电电源以室外温度来表征；并且其中所述电路通过利用所述辐照度信号、预定性能额定值以及室外温度来计算所述运行性能信号。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述运行性能信号是预定的数和其值是由表示太阳辐照度的信号导出的数之间的差值的函数。
4.如权利要求3所述的设备，其中所述差值大于50％。
5.如权利要求3所述的设备，其中在预期的日照期间当所述差值大于预定量的时候，所述便携单元发光。
6.如权利要求5所述的设备，其中所述光由液晶显示器发出。
7.如权利要求1所述的设备，其中所述辐照度装置包括具有根据其温度的预定电力输出的太阳能电池；其中所述辐照度信号由所述无线电装置发送；并且其中所述便携单元包括根据所述幅照度信号的发光的显示。
8.如权利要求1所述的设备，其中所述运行性能信号是下面两者之间差值的函数
(a)表示从该阵列供应给该负荷的电力的信号；以及
(b)表示估算的该阵列应当生产的电力的信号，其是时间、所述预定的出厂光伏性能额定值以及辐照度的函数。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述辐照度装置从由下列构成的组中选择硅光电二极管、总日射表以及光电电池。
10.如权利要求1所述的设备，其中所述运行性能信号是下列项的函数
(a)从该阵列供应给该负荷的电力和所述阵列应当生产的电力之间的差值，该应当产生的电力是当前时间、所述预定出厂光伏性能额定值以及所述辐照度的函数；以及
(b)预定的最大差值信号。
11.如权利要求1所述的设备，其中通过表示所述差值是否小于或等于预定量的液晶显示器，将所述性能信号可视地显示在所述便携单元上。
12.如权利要求1所述的设备，其中在一天的时间中至少每15分钟计算所述运行性能信号。
13.如权利要求1所述的设备，其中所述运行性能信号是以下二者之间的差值的函数由表示从该阵列供应给该负荷的电能的信号导出的数值；以及从表示太阳辐照度的信号和表示环境温度的信号导出的数值。
14.如权利要求1所述的设备，其中所述运行性能信号是由表示太阳辐照度的信号和表示环境温度的信号导出的数值的函数。
15.如权利要求1所述的设备，其中所述无线电装置广播表示所述从该阵列供应给该负荷的电能的测量值的功率信号；并且进一步包括来自该阵列电能的显示，其响应所述功率信号工作并位于所述便携单元上。
16.如权利要求1所述的设备，其中所述无线电装置广播所述辐照度信号，并且所述便携单元显示太阳辐照度。
17.如权利要求15所述的设备，其中所述负荷被连接至电力业务电源；进一步包括用于提供对由所述业务电源供应给该负荷的电能进行测量的装置；并且其中所述无线电装置广播所述由所述业务电源供应给该负荷的电能的测量；并且进一步包括在所述便携单元上的由该负荷消耗的来自所述电力业务的电能的显示。
18.如权利要求17所述的设备，其中所述电路得出由该负荷消耗的并由该阵列提供的电能相对于由该负荷所消耗并由所述电力业务所提供的电能的百分比。
19.如权利要求16所述的设备，其中所述太阳辐照度的显示是测量的太阳辐照度相对于最大太阳辐照度的百分比的描述。
20.如权利要求16所述的设备，其中所述太阳辐照度的显示由N个图标来描述，其中N是整数，并且其中每一图标表示大约最大太阳能辐照度的(100％)/N。
21.如权利要求18所述的设备，其中所述由该阵列提供的电力被显示为时间的函数。
22.如权利要求18所述的设备，其中所述由该阵列提供的电力被描述为消耗的总瓦-时。
23.如权利要求18所述的设备，其中所述由该阵列提供的电力被描述为在当日白天期间生产的总瓦-时。
24.如权利要求22所述的设备，其中由该阵列提供的电力被描述为最大阵列产能的百分比。
25.一种设备，该设备包括
(a)一般固定单元，其适于装在由电力公用事业给负荷供应电力的建筑物，所述建筑物具有屋顶和室外温度，该屋顶承载给该负荷供应电力的光伏电池，所述单元适于接收表示由所述负荷消耗的并由公用事业所提供的电能的第一信号，表示由所述负荷消耗的光伏电能的信号表示所述室外温度的第一信号，表示所述屋顶上太阳辐照度的第二信号，以及表示时间的时间信号；在所述单元中的电路，利用至少所述第一和所述第二表示信号以及时间来得出表示所述光伏电池的预期功率输出，所述单元包括相对近程的无线电装置以广播表示至少所述得到信号的信息；以及
(b)充分可动单元，以接收从所述无线电装置广播的信息，并可视地显示至少光伏电池功耗的表示以及所述得到的信号的表示。
26.如权利要求25所述的设备，其中所述可动单元包括显示相对于公用事业提供的电力功率的光伏电池功率，并且所述显示响应由所述无线电装置广播的信息来工作。
27.如权利要求25所述的设备，其中所述可动单元包括显示在时间尺度上光伏电池功率，其中所述无线电广播信息是所述太阳辐照度的函数。
28.如权利要求27所述的设备，其中所述可动单元包括太阳辐照度的显示，太阳辐照度是时间的函数。
29.一种监视器，其用于由大地承载、在其外表面上具有光伏电池电源、适于接收主电源、具有适于连接到主电源和光伏电池电源的电力负荷、以及具有外部温度的建筑物结构，该监视器包括
(a)一般固定单元，该单元包括
(i)光伏装置，工作连接到该光伏电池电源，用于生成表示由负荷消耗的光伏电池功率；
(ii)辐照度装置，被安置在该结构的外表面上，用于生成表示相对于该光伏电池电源的太阳辐照度的信号；
(iii)电路系统，接收表示室外温度、太阳辐照度和时间的信号，以重复地生成表示预期的光伏电池电力功率输出的信号；
(iv)电路，产生输出信号，该输出信号是所述预期的光伏电力功率输出和实际光伏电池电力功率消耗之间的差值的函数；以及
(v)无线电装置，来广播信息，该信息是光伏电力功率输出、所述辐照度信号以及所述输出信号的函数；以及
(b)一般可动单元，用于接收来自所述无线电装置的所述信息，并用于可视地显示光伏电池电力功率消耗、太阳辐照度以及所述输出信号。
30.如权利要求29所述的监视器，其中所述固定的单元接收表示主功耗的信号，并将其发送到所述无线电装置；并且其中所述可动单元以数字形式显示主功耗。
31.如权利要求29所述的监视器，其中所述可动单元以数字形式将光伏电池功耗显示为时间的函数。
32.如权利要求29所述的监视器，其中所述可动单元将光伏电池功耗显示为阶梯函数。
33.如权利要求29所述的监视器，其中通过时钟将时间提供给所述计算装置；并且其中所述电路系统包括用于存储表示该光伏电力功率消耗的信号、室外温度、所述输出信号以及来自所述时钟的时间。
34.如权利要求29所述的监视器，其中所述无线电装置接收所述表示室外温度的信号，所述活动单元显示室外温度。
35.如权利要求29所述的监视器，其中所述无线电装置接收表示主功率消耗的信号，所述活动单元显示主功率消耗。
36.如权利要求29所述的监视器，其中所述活动单元以数字形式显示主功率消耗、所述光伏电池功率输出；并且光伏电池功率输出是时间的函数。
37.权利要求29所述的监视器，其中所述辐照度装置包括太阳能电池。
38.一种能量监视器，其适合于在具有用电负荷和承载太阳能电源的屋顶的住宅中使用，该监视器包括
(a)第一功率装置，其连接至住宅的太阳能电源，用于产生表示由负荷消耗的来自所述太阳电源的功率的信号；
(b)辐照度装置，用于产生表示太阳辐照度的信号；
(c)电路系统，利用时间和所述表示由负荷消耗的来自所述太阳电源的功率的信号以及所述太阳辐照度信号，以产生表示所述太阳能电源效率的输出信号；
(d)无线电发射机，用于广播表示由所述第一功率装置和所述电路系统所产生的信号；以及
(e)便携显示器，与所述无线电发射机间隔开，用于接收来自所述无线电发射机的信息，并用于可视地显示产生的功率消耗、太阳能功率消耗、太阳辐照度以及对所述太阳能电源的所述效率的测量。
39.如权利要求38所述的能量监视器，进一步包括第二功率装置，其连接到住宅公用事业业务，来产生表示负荷消耗的来自公用事业业务的功率的信号作为输出。
40.如权利要求39所述的能量监视器，其中所述表示负荷消耗的来自所述公用事业业务的功率的信号被发送到所述无线电发射机，并被所述便携显示器接收以在其上显示。
41.如权利要求40所述的能量监视器，其中所述电路系统和所述无线电发射机装在一起。
42.如权利要求41所述的能量监视器，其中所述电路系统包括提供数字时间信号的时钟；以及存储器，工作连接到所述时钟来存储所述输出信号以及以时间对数形式的太阳能电力功率消耗信号。
43.如权利要求42所述的能量监视器，其中太阳能电源包括被表征为出厂性能额定值的光伏电池阵列；并且其中电路系统产生所述输出信号，其是所述出厂性能额定值的函数。
44.在由绕星球轨道运行的平台承载的居留舱中的设备，该居留舱具有在其具有主电源的外表面上的光伏电池电源；具有适于连接到主电源和光伏电池电源的用电负荷，并且具有外部温度，所述设备包括
(a)充分固定的单元，其适于接收
(i)表示负荷所消耗的光伏电力功率的信号，
(ii)表示用于光伏电池电源的太阳辐照度的信号，以及
(iii)来自时钟表示时间的信号，
所述固定单元包括无线电装置，以发射是信号(i)到(iii)的函数的信息，以及表示光伏电池电源的预期性能、并至少由信号(i)到(iii)而得出的信号；以及
(b)接收机，其是充分可动的，来接收所述来自所述无线电装置的信息，并可视地显示时间、光伏电力功率消耗以及所述性能信号的表示。
45.如权利要求44所述的设备，其中所述光伏电池电源包括光伏电池阵列；并且进一步包括位于所述阵列附近来提供表示太阳辐照度的装置。
46.如权利要求44所述的设备，进一步包括由接收机承载的可视的显示器，以及信号比较器，其由接收机承载并连接到该可视显示器，使得如果来自基本单元的无线电信号降到预定信号强度之下，那么所述可视的显示器加电。
47.一种用在建筑物中的设备，该建筑物具有用电负荷并承载太阳能供电电源，该电源包括光伏电池阵列以生产电能给负荷，所述设备包括
(a)第一功率传感器，工作连接至太阳能供电电源，以产生表示由阵列产生的电力功率的信号；
(b)无线电装置，工作连接到所述第一功率传感器，以广播表示所述功率信号的信号；以及
(c)一般便携单元，以接收来自所述无线电装置的所述功率信号，并显示由阵列生产的电力功率的表示。
48.如权利要求47所述的设备，其中所述阵列具有预定的性能等；并且进一步包括
(d)辐照度传感器，在与阵列的太阳能交换中，用于产生表示太阳辐照度的信号；以及
(e)电路，由建筑物承载，用于通过利用至少阵列的预定性能额定值、所述辐照度信号以及所述表示生产的电力功率的信号，来得出运行性能信号；
其中所述无线电装置工作连接到所述电路，来广播所述性能信号；并且其中所述便携单元包括用于接收来自所述无线电的性能信号，并可视地显示所述性能信号。
49.如权利要求47所述的设备，进一步包括
(d)辐照度传感器，在与阵列的太阳能交换中，用于产生表示太阳辐照度的信号，
其中所述无线电装置工作连接到所述辐照度传感器，来广播所述是所述辐照度信号的函数的信号；并且其中所述便携单元包括接收来自所述无线电装置的所述辐照度信号的装置，并可视地显示太阳辐照度。
50.如权利要求49所述的设备，其中所述辐照度信号通过利用至少两个强度图标来显示，当辐照度信号是最大值时，都点亮，当辐照度信号小于第一预定最小值时，都不亮，当所述辐照度信号至少等于第二预定最小值时，其中一个点亮。
51.如权利要求47所述的设备，其中在建筑物中的负荷连接至外部电源，并且进一步包括
(d)第二功率传感器，工作连接到所述外部电源，用于产生表示供应到该建筑物的电力功率的信号；以及
(e)电路，连接至所述第一功率传感器和所述第二功率传感器，以得出表示该建筑物使用的总的电力功率的信号，
其中所述无线电装置工作连接到所述电路，来广播信号，该信号是建筑物正使用的总电能的函数；并且其中所述便携单元包括用于接收来自所述无线电装置所述总的电能信号，并可视地显示所述建筑物正使用的总的电能。
52.如权利要求47所述的设备，其中建筑物中的负荷连接到外部电源，该外部电源进一步包括
(d)第二功率传感器，工作连接到所述外部电源，用于产生表示供应给该建筑物的电能的信号；以及
(e)电路，连接至所述第一功率传感器和所述第二功率传感器，以得出信号，该信号表示，
其中所述无线电装置工作连接到所述电路，来广播信号，该信号是该建筑物正在使用的总的电力功率的函数；并且其中所述便携单元包括用于接收来自所述无线电装置的所述总的电能的百分比信号，并可视地显示由阵列提供的总的电能的百分比。
53.如权利要求47所述的设备，进一步包括
(d)时钟；
(e)存储器；以及
(f)电路，其工作连接到所述时钟和所述第一功率传感器，以在存储器中存储在一整体中太阳能阵列生产的能量(kWh)的量的表示，
其中所述无线电装置工作连接到所述存储器，来广播信号，该信号是所述日太阳能产量的函数；并且其中所述便携单元包括用于接收所述来自所述无线电装置的日太阳能产量信号的装置，并可视地显示所述日太阳能产量。
54.如权利要求47所述的设备，其中建筑物中的负荷连接到外部电源，进一步包括
(d)时钟；
(e)存储器；
(f)第二功率传感器，工作连接到所述外部电源，用于产生表示供应给该建筑物的电能的信号；以及
(g)电路，连接到所述第一功率传感器、所述时钟以及所述第二功率传感器，以在存储器中存储在一整天由阵列提供的该建筑物在使用的总电能的百分比的表示，
其中所述无线电装置工作连接到所述电路，来广播信号，该信号是所述每天该建筑物在使用的由该阵列提供的总电能的函数；并且其中所述便携单元包括用于接收来自所述无线电装置的所述每日总电能的百分比信号的装置，并可视地显示由阵列提供的所述每日总电能的百分比。
55.如权利要求47所述的设备，进一步包括
(d)时钟，以及
(e)存储器，
其中周期地将所述表示由阵列生产的电力功率的信号发送进所述存储器，并响应所述时钟进行总计；其中所述无线电装置工作连接到所述存储器，来广播所述总计的电力功率信号；并且其中所述便携单元包括用于接收所述总计的电力功率信号的装置，以及作为时间的函数的日太阳能电力产量的图示表示。
56.如权利要求55所述的设备，其中所述日太阳能电力产量的图示表示对一天的最少部分是小时计的。
57.如权利要求47所述的设备，进一步包括
(d)时钟，以及
(e)存储器，
其中所述表示由阵列生产的电力功率的信号被周期地发送进所述存储器，并被响应所述时钟进行总计；其中所述无线电装置工作连接至所述存储器，来广播所述总计的电力功率信号；并且其中所述便携单元包括用于接收所述总计的电力功率信号，以及多日的太阳能电力产量。
58.如权利要求57所述的设备，其中所述多日的太阳能电力产量表示自从该太阳能电力系统安装以来由其生产的累积能量(kWh)。
59.在建筑物中的设备，该建筑物具有连接到外部电源的用电负荷，并装有太阳能供电的电源，该电源包括用于生产电能给负荷的光伏电池的阵列，所述设备包括
(a)第一功率传感器，工作连接到该太阳能供电的电源的输出，用于产生表示由阵列生产给负荷的电力功率的信号；
(b)第二功率传感器，工作连接到外部电源，用于产生表示由外部电源供应给负荷的电力功率的信号；
(c)辐照度传感器，在与该阵列的太阳能交换中，用于产生表示太阳辐照度的信号；
(d)第一电路，工作连接到所述第一功率传感器，用于通过利用至少所述辐照度信号和所述表示生产的电力功率的信号来得出运行性能信号；
(e)第二电路，工作连接到所述第一功率传感器和第二功率传感器，用于建筑物在使用的由该阵列提供的总电力功率的百分比的信号；
(f)无线电装置，工作连接到所述第一电路和所述第二电路，来广播表示建筑物在使用的由该阵列提供的总电力功率的百分比的信号，以及广播所述性能信号；以及
(g)一般可动单元，用于接收来自所述无线电装置的信号，并可视地显示表示建筑物在使用的由该阵列提供的总电力功率的百分比的信号，并可视地显示所述性能信号。
60.一种用在建筑物中的设备，该建筑物具有连接到外部电源的用电负荷，并装有太阳能供电的电源，该电源包括用于生产电能给负荷的光伏电池的阵列，所述设备包括
(a)第一功率传感器，工作连接到该太阳能供电的电源的输出，用于产生表示由该阵列生产给负荷的电力功率的信号；
(b)第二功率传感器，工作连接到外部电源，用于产生表示供应给负荷的电力功率的信号；
(c)辐照度传感器，在与该阵列的太阳能交换，用于产生表示太阳辐照度的信号；
(d)性能电路，用于通过利用至少所述辐照度信号和所述表示由该阵列生产的电力功率的信号来得出性能信号；
(e)时钟；
(f)存储器；
(g)计算电路，工作连接到所述第一功率传感器、所述时钟以及所述第二功率传感器，用于在存储器中存储数据，该数据表示在一整天中由阵列生产的供应给负荷的总电力功率的百分比；
(h)无线电装置，工作连接到所述性能电路和所述存储器，来广播表示所述存储在存储器中的数据的信号以及所述性能信号；以及
(i)一般可移动单元，用于接收来自所述无线电装置的信号，并可视地显示所述每日由该阵列提供的总电力功率的百分比，以及所述运行性能。
全文摘要
本发明公开一种用于监视太阳能供电电源性能的方法及设备，其中该电源包括安装在建筑物上的光伏电池阵列。在一个实施例中，所述设备包括产生表示太阳辐照度的信号的装置；电路，其通过利用至少该辐照度信号和对由该阵列供应给该负荷的电力的测量值，来计算运行性能信号；用于广播该性能信号的无线电装置；以及可移动单元，其接收来自该无线电装置的性能信号，并可视地显示该性能信号、电能产量以及电力公用事业使用率。
文档编号G01R31/26GK1768273SQ200480009169
公开日2006年5月3日 申请日期2004年4月2日 优先权日2003年4月4日
发明者唐纳德·B·沃菲尔德, 保罗·加维森 申请人:Bp北美公司