太阳能电池板数据的电力线传输系统和方法
【专利摘要】统计分析可被要求用于太阳能电池板系统。电池板的每个部分可以分配给OFDM传输方案的特定片。光伏（PV）模块被分成模块串（410），而频率频谱被分成子信道（420）。然后每个串被分配到时隙（430）且与每个串的PV模块有关的数据在所分配的时隙（440）期间在特定子信道上传输。
【专利说明】太阳能电池板数据的电力线传输系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明一般涉及数据传输，更具体地涉及电力线数据传输。
【背景技术】
[0002]光伏(PV)阵列(也称为太阳能阵列)是光伏模块连接在一起的集合，其中光伏模块由多个互连的太阳能电池组成，通过它们的模块化，其能够配置为向大多数负载供电。电池通过光伏效应将太阳能转换为直流电电力。一个模块能够产生的功率不足以满足家庭或企业的需求，因此模块被连接在一起形成阵列。大多数PV阵列使用逆变器将模块产生的DC电转换为能够接入现有设施的交流电以为电灯、汽车以及其他负载供电。PV阵列中的模块通常首先串联以获得所需的电压；然后各个串被并联在一起以允许系统产生更多的电流。在城市和郊区，光伏阵列通常在屋顶使用以补充功率使用；建筑物通常连接到电网，其使得PV阵列产生的能量能够以某种净计量协议卖回到公用事业。
[0003]在赤道上无云的正午，地球表面上垂直于太阳光线的平面太阳能辐射能够高达
1.6kW/m2或更高。因此，PV阵列能够通过每天的跟踪阳从而极大地增强能量收集。然而，跟踪装置增加了成本，而且需要维护，因此对于PV阵列来说常见的是它具有固定的装置使阵列倾斜并且在北半球时正对南边(在南半球它们应该正对北边)。自水平面的倾斜角能够随着季节而变化，但是如果是固定的，则应当设定以在典型年份的高峰电力需求期间提供最佳阵列输出。
[0004]优化性能的跟踪器和传感器常常被视为是可选的，但是跟踪系统能够增加高达100%的可行的输出。接近或超过以兆瓦的PV阵列经常使用太阳能跟踪器。考虑到有云，以及世界上大部分都不在赤道上和晚上日落的事实，太阳能发电的正确量度是日照-千瓦-时每平方米每天的平均量。考虑到美国和欧洲的气候和纬度，典型的日照范围为从在北方的4kWh/m2/天攀升到阳光充足地区的6.5kffh/m2/天。
[0005]2010年消费者可用的太阳能电池板能够具有的产量高达19%，而市售可用的电池板能够达到为27%。因此，欧洲或美国的南部纬度中的光伏设备可期望产生lkWh/m2/天。典型的“150瓦”太阳能电池板的尺寸约为I平方米。考虑了气候和纬度之后，这种电池板可期望平均每天产生lkWh。
[0006]在具有较少的云层覆盖和较好的日照角度的撒哈拉沙漠，，能够得到接近8.3kffh/m2/天。撒哈拉沙漠的无人区约为900万km2，如果此处覆盖有太阳能电池板则将提供630兆兆瓦的总功率。在任意给定时刻，地球目前平均能源消耗率约为13.5太瓦(TW)(包括石油、天然气、煤炭、核能和水力发电)。
[0007]其他因素影响PV性能。许多PV电池的电输出对遮荫敏感。某些模块在每个电池或电池串之间具有旁通二极管，这最小化了遮荫的影响，而且仅损失了阵列的遮荫的部分的功率(旁通二极管的主要工作是消除电池上形成的热点，这些热点能进一步对阵列产生损害并造成火灾)。甚至当只有电池、模块或阵列的小部分被遮荫，而剩下的在阳光中时，输出也因内部“短路”而显著降低。因此非常重要的是PV设备完全不被树、建筑物、旗杆或其他障碍物如持续停放的汽车而遮荫。阳光能被模块表面的灰尘、降落物或其他杂质吸收。这能够减少光的数量，其实际上将电池减半。维持干净的模块表面将增加模块整个寿命上的输出性能。模块输出和寿命也随着增加的温度而衰减。如果允许周围空气流过是可能的话，后面PV模块减小了这个问题。
【发明内容】
[0008]本发明的示例实施例提供太阳能电池板数据的电力线传输的系统。在结构上简要地描述的系统的示例实施例的其中一个能够实施为如下:多个光伏(PV)模块，其被配置成至少一个模块串，每个模块串分配到传输方案中的时隙，每个模块串的每个模块分配在频率频谱中的子信道；和至少一个调制解调器，其被配置为在电力线上传输与多个PV模块的至少一个模块相关的数据。
[0009]本发明的实施例还能认为提供了一种用于太阳能电池板数据的电力线传输的方法。就这一点而言，这种方法的其中一个实施例能够被大致归纳为如下步骤:将多个光伏(PV)模块分成至少一个模块串；将频率频谱分成子信道；以及将每个串分配到一个时隙；以及在所分配的时隙期间将与多个PV模块的至少一个模块有关的数据在子信道上发送。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是光伏电池的示例实施例的系统框架。
[0011]图1是光伏模块阵列的示例实施例的系统方框图。
[0012]图3是太阳能电池板数据的电力线传输系统的示例实施例的系统方框图。
[0013]图4是太阳能电池板数据的电力线传输方法的流程图。
【具体实施方式】
[0014]太阳能电池板通常安装在不容易接近的地方，如屋顶。这就需要在基站收集与太阳能电池板的健康有关的信息，其中该基站易于访问和连接到互联网。用于传送太阳能功率的电力线起到天然媒介的作用，其携带从太阳能电池板收集的数据。
[0015]针对太阳能网络的重要考虑是多个电池板能够同步地传输信息，因为环境参数，如日照、云层覆盖及其他参数，其随着时间变化并影响太阳能电池板的性能。此处所公开的太阳能电池板数据电力线传输的系统和方法允许在中央基站上同时从电池板收集信息。
[0016]正交频分复用(OFDM)是目前针对电力线通信的热门选择。此处所公开的太阳能电池板数据的电力线传输系统和方法通过呈现OFDM调制解调器来进行同步通信的方法来解决太阳能应用，同步通信通过在不同电池板之间共享可用频谱实现。
[0017]在一个示例应用中，大量太阳能电池板安装在远程位置，如屋顶，而且用户要求更新关于每个电池板的电气特性的信息。每个电池板的电气特性可以包括，非限制的示例:操作电压、太阳能电池产生的电流、包括入射的太阳能辐射量的物理参数和温度。物理参数会影响太阳能电池产生的电流量。在一个具体应用中，大量的太阳能模块可以串联连接。如果任意具体的一个表现不佳，则技术人员，例如，进行调试工作以确定哪个电池没有以可接受的效率工作。在没有通信的情况下，技术人员需要上屋顶检查每个PV电池直到他发现哪个出现故障。这是昂贵和困难的，而且在某些情况下很危险。[0018]消费者可以期望太阳能设备产生特定的发电量。所产生的功率会根据气候条件、遮荫的类型、是否有树叶落在电池板上等而变化，这会影响产生的功率量。消费者可以期望安装者或公用事业公司调整发电量。如果太阳能电池板阵列没有以期望的效率工作，可以检查来自太阳能电池板的日志数据以确定原因。在给定环境条件下，太阳能电池板产生的电流量直接由物理条件决定。因此其可以取决于入射的辐射量，但是效率还可以随着例如温度变化。能够同时比较给定串中的不同电池板如何工作是可取的。这些因素或参数会显著地改变。云层覆盖会快速地影响电池板的输出，这会改变由太阳能电池板串产生的电流。
[0019]在理想情况下，这一信息可立即访问。用户可以获取这些太阳能电池中的每个的电气特性。现有的传输该数据的解决方案包括RF无线传输，其将信息从太阳能电池板向下传输到某种记录器或数据存储库中。RF传输的潜在问题是无线传输常常是断断续续的而且数据传输的同步会很困难。此外，额外的无线设备引入大量的额外成本。此处所公开的太阳能电池板数据电力线传输的系统和方法在现有的电力线上搭载有该信息。OFDM技术中的可用频谱被分成不同的子带，然后信息在不同的正交频带上调制。接着该信息在另一终端被解调。
[0020]目前电力线通信标准中的其中一种方式被称为主要标准，在这个标准中，OFDM被用以将一部分频率频谱分解成更小的带。这使得宽频带上出现的基于频率的失真能够消除或减少。因此，例如，如果选定的频率频谱是50kHz频带，则在频带中的不同点上会有某些基于频率的失真。然而，如果频谱被分成足够小的子频带，则子频带内的频率响应保持相当平坦。
[0021]太阳能应用的数据速率相对较小。示例数据类别包括太阳能辐射、温度、太阳能风倾斜等非限制示例。因此没有较大的数据量。例如，对于具有上千个电池板的太阳能系统，可以基本上同时地执行所有数据的统计分析。为了这样做，载波子集可以被分配到设备上的电池板中。一旦安装了太阳能电池板，太阳能电池板会在那里很长一段时间，长达20-25年。因此无需很多适应不同的网络或从网络增加或删除实体。电池板的每一部分可以被分配给OFDM传输方案的特定片；这种方案常常称为0FDMA，即正交频分多址接入。通过将OFDMA应用到太阳能应用中，可维持频谱效率和数据完整性。
[0022]功率电子器件会将大量的噪声引入电力线，因此不同的频带受到来自功率电子器件的切换的不同影响。在一个示例实施例中，DC/DC转换器被用于将数据从一个DC电压转换为可上升一点点的不同的DC电压。其他功率电子器件可以包括DC/AC逆变器，其将DC电压转换为能够在电网上调制的AC电压。功率电子器件将噪声加到电网中。此处所公开的太阳能电池板数据的电力线传输系统和方法的一个示例实施例采用125千赫的带宽并将这125千赫分成16个不同的信道以用于示例串中的16个电池板。每个信道被分配到具体的电池板而且每个子信道具有多个子载波。这种分配可在电池板安装时执行。使用这种方法，给定串的每个电池板能够将其通信叠加到其他电池板的通信上。基站可在电池板安装时被安装在易于访问的空间。在一个示例实施例中，基站负责将每个电池板分配到子信道中。
[0023]尽管电池板叠加通信信号，但是基站能够解调该信号并产生与每个电池板相关的数据。在一个示例实施例中，执行静态分配，例如，在一个示例分配中，一个信道被分成例如三个信道。然而，环境条件会影响对子信道造成干扰的频率频谱，。在一个可替换的实施例中，可实现动态分配而不是执行静态分配，在这种动态分配中，基站可以调整子信道的分配。如果其中一个子信道被确定为有噪声的，基站会转换分配切换到不同的子信道。这种实施能够减轻因通信状况不良引起的能源浪费。
[0024]图1是光伏电池操作的系统框图，在其中，光伏电池100接收来自照明源如太阳的阳光。PV电池100将光源能量转换为电能，该PV电池由电路110建模。太阳光中的光子撞击太阳能电池板并被半导体材料如硅吸收。电子(带负电)被从其原子中撞击松动，允许它们流过材料以产生电。由于太阳能电池的具体成分，仅允许电子在单一方向上运动。太阳能电池阵列将太阳能转换为可用量的直流(DC)电。
[0025]图2是已经被分成串210、220和230的光伏模块阵列200的系统框图。在这个示例实施例中，串210由PV模块212、214、216、218和219组成。串220由PV模块222、224、226、228和229组成。串230由PV模块232、234、236、238和239组成。在一个太阳能电池板数据的电力线传输的系统和方法的示例实施例中，每个串被分配到OFDM方案的时隙中。频率频谱被分成子信道，并且在所分配的时隙期间，与具体模块有关的数据在特定子信道上被发送。
[0026]图3是太阳能电池板数据的电力线传输的系统300的系统框图。PV模块阵列被分成两个串，串1310和串n360。每个串被分配到特定时隙。串1310包括PV模块315、PV模块335和PV模块350。串n360包括PV模块365、PV模块375和PV模块390。每个PV模块具有相关的DC/DC转换器和调制解调器。PV模块315具有相关的DC/DC转换器和调制解调器325。PV模块335具有相关的DC/DC转换器和调制解调器345。PV模块350具有相关的DC/DC转换器和调制解调器355。PV模块365具有相关的DC/DC转换器和调制解调器370。PV模块375具有相关的DC/DC转换器和调制解调器380。PV模块390具有相关的DC/DC转换器和调制解调器395。在一个示例实施例中，DC/DC转换器对来自PV模块的数据进行电平转换。
[0027]在一个示例实施例中，调制解调器是与DC/DC转换器分离的实体。DC/DC转换器执行功率转换以平衡流经串中所有模块的电流。调制解调器调制电力线载波信号以对需要传输的信息进行编码。每个调制解调器在其时隙里将信息发送到接收调制解调器337中。接收调制解调器337集合OFDM配置中的每个时隙。然后DC/AC逆变器387提取在DC信号上调制的信息并将该信号逆变成AC信号。接着调制的AC信号被施加到电力线上，然后被发送到电网中。在一个示例实施例中，DC/AC逆变器387将太阳能模块提供的DC功率转换为被供应到公用事业电网中的AC功率。调制解调器377包含在DC/AC逆变器387上，其将由各种调制解调器(例如，调制解调器345，355等)编码的信息内容从调制的电力线载波信号中恢复出来。
[0028]图4提供了太阳能电池板数据电力线传输的方法的流程图400。在块410中，PV模块被分成串。在块420中，频率频谱被分成子信道。在块430中，每个串被分配到时隙中。在块440中，串的每个PV模块在所分配的时隙期间在不同的子信道上发送数据。
[0029]本领域的技术人员将理解，在所要求保护的本发明的范围内，可以对所描述的实施例进行修改，以及许多其他实施例是可能的。
【权利要求】
1.一种系统，其包括: 多个光伏模块，即多个PV模块，其被配置为至少一个模块串，每个模块串被分配到传输方案中的时隙，并且每个模块串的每个模块分配到频率频谱中的子信道；和 至少一个调制解调器，其被配置为在电力线上传输与所述多个PV模块的至少一个模块有关的数据。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述子信道被选择为相互正交。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述数据包括电压、电流、模块倾斜、大气温度、模块温度和日照中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的系统，进一步包括至少一个配置为对所述数据的DC电压进行电平转换的DC/DC转换器。
5.根据权利要求1所述的系统，进一步包括配置为以针对时隙在每个信道中接收所述数据并准备所述数据用于传输的调制解调器。
6.根据权利要求5所述的系统，进一步包括DC/AC逆变器，其配置为将用于传输的所述数据转换为用于在电力线上传输的AC信号。
7.根据权利要求1所述的系统，进一步包括基站，其配置为接收用于数据收集的AC信号。
8.一种方法，其包括: 将多个光伏即多个PV模块分成至少一个模块串； 将频率频谱分成子信道；以及 将每个串分配到时隙；并在所分配的时隙期间在子信道上发送与所述多个PV模块的至少一个有关的数据。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括将所述子信道选择为相互正交。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述数据包括电压、电流、模块倾斜、空气温度、模块温度和日照中的至少一个。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括至少一个DC/DC转换器，其配置为对所述数据的DC电压进行电平转换。
12.根据权利要求8所述的方法，进一步包括在调制解调器中接收所述数据，所述调制解调器被配置为针对时隙在每个信道中接收所述数据并准备用于传输的数据。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括使用DC/AC逆变器将用于传输的所述数据转换为用于在电力线上传输的AC信号。
14.根据权利要求8所述的方法，其中所述将所述频率频谱分配到子信道包括静态地分配所述子信道以及动态地分配所述子信道的至少一种。
15.—种系统,其包括: 用于将多个光伏即多个PV模块分成至少一个模块串的装置； 用于将频率频谱分成子信道的装置；和 用于将每个串分配到时隙并在所分配的时隙期间在子信道上发送与所述多个PV模块的至少一个有关的数据的装置。
【文档编号】H01L31/042GK103620973SQ201280028731
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2012年4月12日 优先权日:2011年4月12日
【发明者】S·纳拉亚南 申请人:德克萨斯仪器股份有限公司