太阳能发电系统及检测方法与流程

1.本公开内容关于一种太阳能发电系统及检测方法，特别是用以检测太阳能板是否异常的技术。


背景技术：

2.太阳能发电的原理，是利用光电半导体制成的太阳能板(solar panel)吸收太阳光，将光能转换为电能，以输出电压或电流。然而，太阳能发电系统于长期运行后，太阳能板会因为各种因素导致效能下降，例如：被外物砸中、或内部元件损坏等。因此，需要定期检测，以确保太阳能发电系统的运行正常。


技术实现要素：

3.本公开的一种实施方式为一种检测方法，用以对太阳能发电系统进行检测。太阳能发电系统包含太阳能板以及直交流转换器，当直交流转换器处于发电模式时，太阳能板产生的光电电能经过直交流转换器传送至外部电网。检测方法包含：当直交流转换器进入与发电模式相异的检测模式时，控制直交流转换器由外部电网汲取电能，产生检测电能传送至太阳能板，使太阳能板在检测电能通过的情况下由检测仪器得到太阳能板的检测结果。
4.本公开的另一种实施方式为一种太阳能发电系统，包含直交流转换器及控制单元。直交流转换器耦接于外部电网以及太阳能板之间。控制单元耦接直交流转换器，控制单元用以控制直交流转换器在发电模式以及检测模式之间切换。当直交流转换器处于发电模式下，太阳能板产生的光电电能经过直交流转换器转换传送至外部电网。当直交流转换器处于检测模式下，控制单元控制直交流转换器由外部电网汲取电能并产生检测电能传送至太阳能板，使该太阳能板在检测电能通过的情况下由检测仪器得到太阳能板的检测结果。
5.在太阳能发电系统提供检测电能给太阳能板的情况下，检测仪器将能较简易且有效地检测太阳能板是否正常或存在损坏。
附图说明
6.图1为根据部分实施例的太阳能发电系统的示意图。
7.图2a为根据部分实施例的太阳能发电系统的示意图。
8.图2b为根据部分实施例的太阳能发电系统的示意图。
9.图3a～图3e为根据部分实施例的直交流转换器的示意图。
10.图4为根据部分实施例的检测方式的步骤流程图。
11.图5a为根据部分实施例的太阳能发电系统的示意图。
12.图5b为根据部分实施例的太阳能发电系统的示意图。
13.图6a为根据部分实施例的太阳能发电系统的示意图。
14.图6b为根据部分实施例的太阳能发电系统的示意图。
15.图7a为根据部分实施例的太阳能发电系统的示意图。
16.图7b为根据部分实施例的太阳能发电系统的示意图。
17.图8为根据部分实施例的太阳能发电系统的示意图。
18.附图标记说明：
19.100：太阳能发电系统
20.110,110a-110e：直交流转换器
21.120：控制单元
22.121：电流感测器
23.130,130a,130b：直流转换器
24.131,131a,131b：二极管
25.132：电感
26.140,740：旁路开关电路
27.141,641,741,742：旁路开关元件
28.142：单向导通元件
29.521a-521d：电流感测器
30.541：绝缘闸双极晶体管切换开关
31.542：继电器
32.621a-621d：电流感测器821a,821b：电流感测器
33.840：旁路开关电路
34.vs：连接节点
35.vc：总线电压
36.c：储能电容
37.d：检测仪器
38.e：外部电网
39.sp,sp1-sp4：太阳能板
40.t1,t2：晶体管开关
41.ta,ta：切换开关
42.w51-w55,wa1-wa5,wb1-wb5：开关元件
43.s401-s408：步骤
具体实施方式
44.以下将以附图公开本发明的多个实施方式，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明，但这些实务上的细节不应用以限制本发明。在部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。为简化附图起见，一些现有惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式示出。于本文中，当一元件被称为“连接”或“耦接”时，可指“电性连接”或“电性耦接”，亦可用以表示两或多个元件间相互搭配操作或互动。虽然本文中使用“第一”、“第二”等用语描述不同元件，该用语仅是用以区别以相同技术用语描述的元件或操作。除非上下文清楚指明，否则该用语并非特别指称或暗示次序或顺位，亦非用以限定本发明。
45.如图1所示，在一实施例中，太阳能发电系统100至少包含太阳能板sp、直交流转换
器110及控制单元120。直交流转换器110耦接于外部电网e及太阳能板sp之间，控制单元120则耦接于直交流转换器110。当太阳能板sp被阳光照射时，将会因光电效应而产生电压或电流。为便于说明本公开内容，在此将前述发电的状态称为太阳能发电系统100或直交流转换器110的“发电模式”。此外，由于本领域技术人员能理解太阳能板sp的结构与原理，故在此不另赘述。除前述“发电模式”外，当太阳能板sp未被阳光照射时，太阳能发电系统100能通过直交流转换器110接收外部电网e传来的电能，使直交流转换器110反向对太阳能板sp供电，借此检测太阳能板sp的状态。在此将前述检测过程称为太阳能发电系统100或直交流转换器110的“检测模式”。
46.在一实施例中，控制单元120用以控制直交流转换器110于发电模式及检测模式之间切换。换言之，当直交流转换器110处于“发电模式”下，太阳能板sp根据光照而产生的光电电能将经过直交流转换器110，传送至外部电网e。反之，当直交流转换器110处于“检测模式”下，控制单元120将控制直交流转换器110由外部电网e汲取电能，以产生检测电能，并将检测电能传送至太阳能板sp。据此，在接收检测电能时，太阳能板sp的电气特性(如：电压、电流、阻抗)或物理状态(温度)可被检测仪器d所检测，进而检测太阳能板sp各部位是否有异常。于一实施例中，控制单元120用以执行各种运算或判断，且可由微控制单元(microcontroller)、微处理器(microprocessor)、数字信号处理器(digital signal processor)、特殊应用集成电路(application specific integrated circuit，asic)或逻辑电路来实现。
47.在部分实施例中，检测仪器d可用以检测并判断流入太阳能板sp的检测电能的大小，例如：检测电流或电压是否异常。检测仪器d亦可包含热显像仪或光谱分析仪。在检测模式时，热显像仪或光谱分析仪用以拍摄具有检测电流流入的太阳能板sp的检测影像。接着，由检测仪器d或其他分析仪器分析检测影像(如：由影像的颜色来判断出温度)，以判断太阳能板是否正常或出现损坏。本公开内容的太阳能发电系统100是通过反向供电(即，通过直交流转换器110获取外部电网e的电能，并供电至太阳能板sp)，使太阳能板sp的电气特性或物理状态产生变化。检测人员将可通过检测仪器d，简单且快速地对多片太阳能板sp进行检测，大幅提升检测效率。
48.如图1所示，在部分实施例中，太阳能发电系统100还包含直流转换器130。直流转换器130耦接于太阳能板sp及直交流转换器110之间(如：分别连接于总线vc及太阳能板sp的连接节点vs)，用以对太阳能板sp产生的电能进行电能转换。在操作上，当发电模式运行时，太阳能板sp产生的第一直流电压先经过直流转换器130转换为第二直流电压。接着，第二直流电压再经过直交流转换器110转换为输出交流电压，直交流转换器110将输出交流电压传送至外部电网e。然而，本公开内容并不以此为限，在其他实施例中，直交流转换器110亦可直接耦接至太阳能板sp，而不通过直流转换器130。
49.在其他部分实施例中，太阳能发电系统100还包含储能电容c，耦接于太阳能板sp与直交流转换器110之间(在不同实施例中，储能电容c亦可并联耦接于直交流转换器110及直流转换器130)。当检测模式运行时，储能电容c与直交流转换器110协同操作，以提供检测电能传送至太阳能板sp。举例而言，直交流转换器110从外部电网e获取电能并将其转换为直流电压后，直流电压所对应的电能可存储至储能电容c中，通过放电将检测操作所需要的电能传递至太阳能板sp。
50.于图2a及图2b中，与图1的实施例有关的相似元件与原理已于先前说明，不再赘述。如图2a所示，在部分实施例中，太阳能发电系统100还包含旁路开关电路140。旁路开关电路140是与直流转换器130并联，且耦接于太阳能板sp及直交流转换器110之间。控制单元120耦接于旁路开关电路140。在操作上，当检测模式运行时，控制单元120用以控制旁路开关电路140导通，使检测电能由直交流转换器110经由旁路开关电路140传送至太阳能板sp。如图2b所示，在部分实施例中，旁路开关电路140包含旁路开关元件141及单向导通元件142(如：二极管)。旁路开关元件141耦接于控制单元120，并由控制单元120控制而导通或关断，借此控制整个旁路开关电路140的导通或关断。单向导通元件142则用以防止当直交流转换器110处于发电模式时，旁路开关电路140误导通。
51.在部分实施例中，直流转换器130为单向直流转换器，用以接收太阳能板sp产生的第一直流电压，以产生第二直流电压，并输出第二直流电压至直交流转换器110。如图2a所示，在部分实施例中，直流转换器130包含二极管131以及电感132，且旁路开关电路140与直流转换器130的二极管131及电感132并联。通过二极管131的电流方向是由太阳能板sp往直交流转换器110。虽然图2b所示实施例中的直流转换器130其电路结构与图2a所示不同，但于本领域技术人员均能理解直流转换器130的运行方式，在此不另赘述。
52.图3a～图3e是依据本公开内容的部分实施例所示出的直交流转换器110a～110e的示意图，直交流转换器110也可为双向直交流转换器。图3a中直交流转换器110a至少包含两晶体管开关t1、t2。前述的控制单元120可分别控制晶体管开关t1、t2的导通与关闭，以切换直交流转换器110的输入、输出方向。虽然图3b～图3e所示实施例中的直交流转换器110b～110e其电路结构与图3a所示不同，但于本领域技术人员均能理解图3a～图3e的电路结构及其操作，在此亦不再赘述。
53.以下将以图4搭配前述图2a及图2b所示的太阳能发电系统100来说明太阳能发电系统100处于不同运行模式时的步骤流程。如图4所示，在步骤s401中，控制单元120判断要将直交流转换器110选择性地控制于“发电模式”或“检测模式”。若控制单元120要将直交流转换器110控制于“发电模式”，则进行步骤s402。在步骤s402中，控制单元120关断旁路开关电路140。接着，在步骤s403中，直流转换器130将太阳能板sp产生的第一直流电压转换为第二直流电压。在步骤s404中，直交流转换器110接收第二直流电压，并将第二直流电压转换为交流电压输出至外部电网e。
54.若控制单元120要将直交流转换器110控制于“检测模式”，则进行步骤s405。在步骤s405中，控制单元120导通旁路开关电路140。接着，在步骤s406中，控制单元120控制直交流转换器110由外部电网e汲取电能，以产生检测电能。然后，在步骤s407中，直交流转换器110通过旁路开关电路140将检测电能传送至太阳能板sp。在步骤s408中，检测仪器d检测太阳能板sp的电气特性或物理状态，以取得检测结果(如：检测影像)，并分析太阳能板sp为正常或损坏。
55.另一方面，在部分实施例中，如图2a及图2b所示，控制单元120会检测直交流转换器110与与太阳能板sp之间的电压差，再根据检测结果，控制旁路开关电路140的导通或关断状态。在一实施例中，控制单元120用以检测直交流转换器110与直流转换器130之间的总线电压vc是否归零(即，检测储能电容c的跨压是否归零)，以防止残余的电压对太阳能发电系统100的内部电路造成损害。在另一实施例中，控制单元120检测总线电压vc与太阳能板
sp的连接节点vs的电压是否为等电位，以确认太阳能发电系统100中是否还有残余电压。
56.举例而言，在操作中，若在完成检测后要重新进入发电模式，则控制单元120会控制直交流转换器110停止产生检测电能。接着，控制单元120检测直交流转换器110与直流转换器130之间的总线电压vc是否归零，或者检测总线电压vc与太阳能板sp的连接节点vs的电压是否为等电位。若总线电压vc为零，或者总线电压vc与连接节点vs的电压等电位，则控制单元120控制旁路开关电路140由导通状态切换至关断状态。同理，若处于发电模式一段时间后，要进入检测模式，控制单元120会控制旁路开关电路140由关断状态切换至导通状态。接着，控制单元120控制直交流转换器110由外部电网e汲取电能，以产生检测电能。
57.在检测模式时，控制单元120可调整检测电能的电压准位或电流大小。请参阅图2a所示，在部分实施例中，太阳能发电系统100还包含电流感测器121。电流感测器121耦接于控制单元120，用以检测流入太阳能板sp的电流大小，并回传给控制单元120，使控制单元120能依据所检测的电流大小调整流入太阳能板sp的电流。
58.在部分实施例中，太阳能发电系统100包括设定电流值。通过设定该设定电流值，可让流入太阳能板sp的电流不会过高而导致太阳能板sp损坏。设定电流值可为预设、亦可由使用者自行输入设定或对随时调整。控制单元120接收到电流感测器121回传的检测电流值后，控制单元120会将检测电流值与设定电流值进行比对，并根据比对结果控制直交流转换器110，使得直交流转换器110改变输出的检测电能的大小。举例而言，当检测电流值大于设定电流值时，降低检测电能的电压准位或电流大小；当检测电流值小于设定电流值时，则提高检测电能的电压准位或电流大小。在部分实施例中，设定电流值为直交流转换器110于“检测模式”时的一个理想电流范围。设定电流值的数值或范围可由使用者设定。
59.检测方法亦可应用于同时检测多组太阳能板。于图5a及图5b中，与图1的实施例有关的相似元件与原理已于先前说明，不再赘述。如图5a所示，太阳能发电系统500包含多个开关元件w51～w55。旁路开关电路140是通过开关元件w51、w52、w53耦接于太阳能板sp1，且通过开关元件w51、w54、w55耦接于另一个太阳能板sp2。两个太阳能板sp1、sp2相互并联耦接。在检测模式中，若开关元件w51～w55皆导通，则太阳能发电系统500将能同时提供检测电能至太阳能板sp1、sp2。检测仪器d(如：热显像仪或光谱分析仪)则可同时检测太阳能板sp1、sp2的电气特性或物理状态。
60.承上，若开关元件w51、w52、w53导通，且开关元件w54、w55关断，则太阳能发电系统500将仅提供检测电能至太阳能板sp1。同理，若开关元件w51、w54、w55导通，且开关元件w52、w53关断，则太阳能发电系统500将仅提供检测电能至太阳能板sp2。控制单元120可于直交流转换器110与太阳能板sp之间的电压差为零时，再控制旁路开关电路140而进行模式的切换。在其他实施例中，如图5b所示，太阳能发电系统500可通过开关元件w51、w52、w54与太阳能板sp1、sp2耦接(即，无须设置开关元件w53、w55)，亦可选择性地对不同太阳能板sp1、sp2进行检测。开关元件w51、w52、w54的操作类似上述。在部分实施例中，图5a及图5b所示的旁路开关电路140可包含双向开关元件，例如，绝缘闸双极晶体管(绝缘栅双极型晶体管，insulated gate bipolar transistor，igbt)切换开关541或继电器542，但并不以上述为限。
61.在一实施例中，如图5a所示，太阳能发电系统100通过电流感测器521a、521b，分别检测流经开关元件w52、w54的电流大小，且能计算出流经开关元件w51的电流大小。电流感
测器521a、521b的运行方式与图2a所述的实施例相同，是电性连接于控制单元120，以能将检测到的数据回传给控制单元120。在一实施例中，如图5b所示，太阳能发电系统100通过电流感测器521a、521b，分别检测流经开关元件w51、w54的电流大小，再据以计算出流经开关元件w52的电流大小。
62.在部分实施例中，控制单元120同样能接收所有电流感测器521a、521b回传的检测电流值。控制单元120会将所有的检测电流值与设定电流值进行比对，并根据比对结果控制直交流转换器110，使得直交流转换器110改变输出的检测电能的电压准位或电流大小。在部分实施例中，只要有其中一个检测电流值大于设定电流值(或者控制单元120将最大的检测电流值与设定电流值进行比对)，控制单元120即会控制直交流转换器110降低检测电能。
63.在检测数量庞大的太阳能板时，太阳能发电系统的直交流转换器能与多组直流转换器并联，再通过多组直流转换器与多组太阳能板并联，以提升直交流转换器于发电模式时的效率。于图6a及图6b中，与图1的实施例有关的相似元件与原理已于先前说明，不再赘述。
64.如图6a所示，直交流转换器110耦接两组直流转换器130a、130b。旁路开关电路140分别通过两条路径连接至开关元件wa1、wb1。开关元件wa1又通过开关元件wa2、wa4分别连接至太阳能板sp1、sp2，并与开关元件wa3、wa5连接。开关元件wb1则通过开关元件wb2、wa4分别连接至太阳能板sp3、sp4，并与开关元件wb3、wb5连接。旁路开关电路140包含旁路开关元件641(如：绝缘闸双极晶体管切换开关)及两单向导通元件142。当旁路开关元件641被控制单元120控制而导通时，即可类似前述对太阳能板sp1～sp4进行检测。相似地，图6b的旁路开关电路140包含两个相互耦接的旁路开关元件641、642(如：igbt)及单向导通元件142。当旁路开关元件641及对应的开关元件wa1～wa5导通时，太阳能发电系统600对太阳能板sp1～sp2进行检测。反之，当旁路开关642及对应的开关元件wb1～wb5导通时，太阳能发电系统600对太阳能板sp3～sp4进行检测。在其他部分实施例中，太阳能发电系统600可针对每一个太阳能板sp1、sp2，分别设置独立的一组旁路开关元件641、642，以切换检测模式与发电模式。
65.在一实施例中，如图6a及图6b所示，太阳能发电系统100通过电流感测器621a、621b，分别检测流经连接于太阳能板sp2的开关元件wa2、wa4的电流大小，并据以能计算出流经开关元件wa1的电流大小。同理，太阳能发电系统100通过电流感测器621c、621d，分别检测流经连接于太阳能板sp4的开关元件wb2、wb4的电流大小，并据以能计算出流经开关元件wb1的电流大小。此外，电流感测器亦可装设于开关元件wa1、wa4之间，在据以计算流经开关元件wa2的电流。
66.本公开内容中的“旁路开关电路”及其“旁路开关元件”并不以图1～图6b所示者为限，能在检测模式时于直交流转换器及太阳能板之间形成传输检测电能路径的电路，皆可作为“旁路开关电路”及其“旁路开关元件”。于图7a中，与图5a的实施例有关的相似元件与原理已于先前说明，不再赘述。如图所示，在部分实施例中，旁路开关电路740可包含绝缘闸双极晶体管切换开关，或以绝缘闸双极晶体管切换开关。在检测模式中，控制单元120控制绝缘闸双极晶体管切换开关导通，使检测电能通过旁路开关电路740传送至太阳能板sp1或sp2。在部分实施例中，太阳能发电系统700中的直流转换器130包含二极管131。在此情况下，绝缘闸双极晶体管切换开关内的寄生二极管可作为二极管。举例来说，直流转换器130
包含二极管131，而二极管131可由旁路开关电路740中的绝缘闸双极晶体管切换开关的寄生二极管实现。二极管131与绝缘闸双极晶体管切换开关亦形成并联耦接(与图5a的电路类似)。图7b为依据本公开内容的不同实施例所示出的太阳能发电系统700的示意图，与图6b的实施例有关的相似元件与原理已于先前说明，不再赘述。图中旁路开关电路包含旁路开关元件741、742，元件中的寄生二极管可分别作为直流转换器130a、130b中的二极管131a、131b。
67.如图8所示，在此实施例中，太阳能发电是800的旁路开关电路840及直流转换器130耦接于受控开关850、开关元件wa～wac。此外，直流转换器130还包含两切换开关ta、tb。切换开关ta、tb的控制端耦接于控制单元120，可被控制单元120控制而导通或关断。在发电模式下，开关元件wa～wc、切换开关ta～tb被控制而导通，旁路开关电路840及受控开关850则被关断。此时，旁路开关电路840中的寄生二极管将作为直流转换器130内的二极管131。太阳能板sp1、sp2产生的光电电能将可通过受控开关850的寄生二极管，经由直流转换器130及直交流转换器110的处理，而输出至外部电网e。另一方面，在检测模式下，旁路开关电路840、受控开关850、开关元件wa～wac被导通，切换开关ta、tb则被关断，使得直流转换器130被关断。此时，直交流转换器110将能由外部电网e汲取电能，以通过旁路开关电路840及导通的受控开关850，将检测电能传输至太阳能板sp1、sp2。
68.与前述实施例类似，在一实施例中，如图8所示，太阳能发电系统100通过电流感测器821a、821b，分别检测流经连接于太阳能板sp2的开关元件wa、wb的电流大小，并据以能计算出流经开关元件wc的电流大小。