专利名称：将光导纤维用于基于太阳能的发电厂的阴影检测器件的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及基于太阳能的发电，并且更特别地涉及检测这样的系统的部件阵列可能经历的太阳福射率(solar radiance)变化(例如，阴影)的器件。
背景技术：
作为用于清洁和有效率的电カ产生的有吸引力的方式，从太阳能能量的大規模的电カ产生持续发展，例如可以从可自由使用并且基本上无穷无尽的能源(太阳)产生。在太阳辐射(solar radiation)直接转换为电的情况下，基于太阳能的发电系统可以包含太阳能(例如，光伏(PV))阵列，其是太阳能模块的链接的集合。太阳能模块又由多个互连的太阳能电池或所谓的串(String)组成。电池经由光伏效应直接将太阳能能量转换为直流(DC)电。 太阳能模块的输出功率与模块暴露于其中的太阳福照度(solar irradiance)的水平近似成比例。将意识到，在某些应用(例如太阳能电厂、集成于建筑的PV系统等)中，光伏模块可能经受不均匀的太阳照度(solar illumination)或所谓的辐射。不均匀的太阳辐射的可能的原因可以是由于云、邻近的树和/或人造建筑物、污物等引起的太阳辐射率阴暗(例如，阴影)。不管具体的原因，而太阳能模块的遮蔽会导致模块性能的退化。例如，太阳能模块的电流-电压(I-V)和功率-电压(P-V)曲线的特性可以大体上受模块暴露于其中的太阳辐射度的水平影响。此外，因为遮蔽的电池可以表现得类似于负载(即，其可以吸取电流)，所以可能不利地影响被遮蔽的太阳能电池，这可能带来不希望的热点的形成。将意识到由阴影导致的次优的性能不限于包含直接转换部件的系统。例如，包含例如太阳能收集器等部件的间接转换系统也可能受阴影的存在的影响。已知将日射强度计(pyranometer)用于测量太阳福射率。日射强度计是热响应装置，而因此他们的响应中可能相对迟缓。例如，日射强度计可能不适用于精确地检测(例如可能由于移动的云而发生的)快速太阳辐射率波动。还已知将PV传感器用于测量太阳辐射率。PV传感器可以由其输出功率可以取决于太阳能电池的操作温度的太阳能电池组成，这意味着可能需要温度感测以抵消热效应。此外，尽管PV传感器可以具有比日射强度计快的响应，但是PV传感器在他们测量中比日射強度计倾向于更不精确。鉴于前面的考虑，会希望提供可靠的、精确的、相对快速响应以及低成本的器件来确定基于太阳能的发电系统中的阴影的存在。

发明内容
本发明的各方面可以通过基于太阳能的发电系统实现，作为可以包含响应太阳辐射率的部件的阵列。部件可以放置于场上的各个位置上。该系统还可以包含具有耦合到部件阵列并且安排为接收太阳辐射率的各个第一端的多个光纤。该多个光纤还可以具有安排为输出指示该场的各个位置上的各个太阳辐射率水平的各个光信号的各个第二端。可以耦合光电电路以接收来自多个光纤的各个光信号并且产生指示呈现在该场的各个位置的至少ー个或多个上的阴影状况(shadow condition)的各个信号。控制器可以响应来自光电电路的各个信号并且配置为执行考虑呈现在该场的各个位置的ー个或多个上的阴影状况的用于部件阵列的控制策略。本发明的其他各方面可以通过在具有响应太阳辐射率的部件阵列的基于太阳能的发电系统中确定阴影的存在的器件而实现。部件可以放置于场上的各个位置上。器件可以包含具有耦合到部件阵列并且安排为接收太阳辐射率的各个第一端的多个光纤。该多个光纤可以具有安排为输出指示在该场的各个位置上的各个太阳辐射率水平的各个光信号的各个第二端。可以耦合光电电路以接收来自多个光纤的各个光信号并且产生指示呈现在该场的各个位置的至少ー个或多个上的阴影状况的各个信号。本发明的另外的其他各方面可以通过基于太阳能的发电系统实现，其可以包含放置于场上的各个位置上的光伏模块的阵列。该系统还可以包含具有耦合到光伏模块的阵列并且安排为接收太阳辐射率的各个第一端的多个光纤。该多个光纤可以具有输出指示在该场的各个位置上的各个太阳辐射率水平的各个光信号的各个第二端。光检测器装置可以响 信号并且产生指示呈现在该场的各个位置的至少ー个或多个上的阴影状况的各个信号。控制器可以响应来自处理器的各个信号并且配置为执行考虑呈现在该场的各个位置的ー个或多个上的阴影状况的用于光伏模块的阵列的控制策略。


当參照附图阅读以下的详细描述时，本发明的这些和其他特征、方面以及优点将变得更好理解，其中在通篇附图中类似的字符表示类似的元件，其中
图I是根据本发明的各方面的包含用于检测太阳辐射率变化(例如，阴影)的器件的示例实施例的示例基于太阳能的发电系统(例如，实用规模PVエ厂)的概略表示。图2是示出根据本发明的各方面的用于检测太阳辐射率变化的器件的另ー示例实施例的概略表示。图3是根据本发明的各方面的可作为用于检测太阳辐射率变化的器件的一部分的光电电路的ー个不例实施例的框图表不。
具体实施例方式图I是基于太阳能的发电系统10 (例如可以用于从太阳能能量产生电力)的示例实施例的概略表示。系统10可以包含响应太阳辐射率的部件的阵列，例如光伏(PV)模块的阵列或串12，其每个可以由多个互连的太阳能电池14组成。部件放置于场11上的各个位置(例如，间隔开的位置)上，场11例如作为可以包含相对大的表面积(例如，可能数百英亩)的实用规模的太阳能场。如本领域的技术人员将容易地意识的，PV模块12可以串联连接电路(串)以获得所希望的电压，而且这样串联连接的PV模块的各个串可以为彼此并联连接的电路以获得所希望的电流。可以利用一个或多个电子转换器(例如，逆变器，未示出)以将通过所连接的PV模块的总合产出的DC电カ转换为电网兼容的交流电(AC)。本发明的示例实施例可以包含用于检测可能影响系统10的一个或多个部件(例如，PV模块12)的太阳辐射率变化(例如，阴影)的可能具有成本效益的和可靠的器件15。将意识到本发明的各方面没有仅限制于包含能够直接将太阳辐射转换为电的部件的系统。例如，本发明的各方面可以容易应用于任何基于太阳能的发电系统，例如可以包含用于间接将太阳辐射转换为电的部件、加热或冷却系统(例如太阳能集热器)。能受益于本发明的各方面的示例系统可以是光伏系统、集中式光伏系统、太阳能集热器等。因此，针对包含PV模块的基于太阳能的发电系统的前面的描述应该理解为示例意思而不是限制意思。在一个示例实施例中，PV模块12可以包含多个安排为获得指示遮蔽状况(shadowing condition)的太阳福射率测量的光纤16。在一个示例实施例中,可以暴露该光纤的各个第一端18来接收太阳辐射率以在光纤的各个第二端20输出指示在场的各个位置上的各个太阳辐射率水平的各个光信号。在一个示例实施例中，光纤16可以耦合到光电电路22以合适地获取、调理以及处 理来自光纤16的各个光信号以确定阴影状况是否可以呈现在场的各个位置的至少ー个或多个上。将意识到可以耦合到部件的阵列的光纤16的数量可以选择以提供任何所希望的用于场11上的太阳辐射率测量的空间分辨率。因此，将意识到本发明的各方面不限制于每PV模块的光纤的任何数量。此外，尽管图I图示位于PV模块或支架系统的相反的纵向端的光纤16的各个第一端18,但是将意识到本发明的各方面不限制于用于光纤16的各个第一端18的任何具体位置。在一个示例实施例中，可以在接近场11的外围安排光纤16的各个第一端18。因此，图I和图2中图示的光纤的数量和/或位置应该理解为示例意思而不是限制意思。在图2所示出的示例实施例中，多个放大镜24可以光学地耦合到多个光纤16的各个第一端18以便于太阳辐射率向光纤的有效转移。这可以是适用于暴露于通常较低水平的太阳辐射率的气候区域(例如，纬度)的示例选项。图3是作为可以包含数据采集(DAQ)单元30的光电电路22的一个示例实施例的框图表示，DAQ单元30例如多通道DAQ单元以获取和调理来自多个光纤16的光信号。在一个示例实施例中，DAQ単元30可以包含耦合到多个光纤的各个第二端的主光接线盒(mainoptical junction box) 32。作为可以包含一个或多个光检测器(photodetector)的光检测器装置34，可以安排为接收来自耦合到接线盒32的多个光纤的各个光信号。本领域的技术人员将意识到标准复用技术可以容易地用于降低在光检测器装置34中所采用的光检测器的数量。例如，单个光检测器可以响应来自多个光纤的以各个时间间隔顺序采样的光信号。模数转换器36可以用于将来自光检测器装置34的模拟输出信号转换为各个数字信号。可以耦合处理器38以处理数字化的光检测器输出信号并且产生呈现在至少ー个或多个光伏模块上的阴影状况的各个指示。处理器38可以配置为将给定的光信号与发电厂的各个PV模块和/或串唯一地关联。这种关联可以用任何所希望的间隔尺寸(granularity)水平建立，例如可以允许识别可以经历遮蔽状况的各个PV模块区域和/或串区域。将意识到光电电路22可以是独立的単元或可以集成到电子转换器或发电系统的任何其他単元，这是因为可以降低安装和/或操纵成本。在示例实施例中，控制器40可以响应来自光电电路22的各个信号并且可以配置为执行考虑可以呈现在场的各个位置的ー个或多个上的阴影状况的用于部件阵列的控制策略。在一个示例实施例中，用于部件阵列的控制策略可以配置为用于部件阵列的至少ー些的适应性控制电路互连。例如，用于至少ー些PV模块12的串联电路和/或并联电路连接可以基于在场的各个位置的一个或多个上的阴影状况而动态地重新配置。在ー个示例实施例中，可以基于在场的各个位置的一个或多个上的阴影状况而适应逆变器控制策略。例如，逆变器控制策略可以适应于更适当地操纵可能经历阴影状况的PV模块的电流-电压(I-V)和功率-电压(P-V)曲线的改变的特性。因此，将意识到由控制器40执行的控制策略可能没有消除阴影状况(例如，其不能使云重定向或驱散云)但考虑任何这样的阴影状况而动态地适应发电系统的一个或多个单元的操作可以是有用的。控制器40可以实现为独立的控制器或PVエ厂的监控系统的一部分。以下用于概念解释的目的而提供简单的示例。让我们假设方形的场可以绘制成四个象限(区域)并且让我们还假设四个光纤分别安排为感测场的四个不同象限的每个的太 阳辐射率。当光信号具有相对较低的光强(相对于其余三个光纤的光信号強度)，此示例情况可能会指示用干与具有相对较低強度的信号关联的象限中的遮蔽状況。类似地，在两个光信号具有相对较低的光强(相对于其余两个象限的光信号強度)的示例情况下，这可能会指示与具有相对较低的光强的信号关联的两个象限中的遮蔽状况。在所有四个光信号具有相对较低的光强(相对于期望的強度，例如，睛朗状况的期望的強度)的示例情况下，这可能会指示整个场的遮蔽状況。从前面的描述应该意识到，本发明的各方面导致具有成本效益的、快速响应以及可靠的用于检测太阳辐射率变化(例如，阴影)的器件，因为可以用于各种包含位于相对大的表面积上的部件阵列的基于太阳能的发电系统，例如，实用规模的太阳能场。虽然仅本发明的某些特征已经在本文图示和描述，但是本领域的技术人员将想到很多修改和改变。因此，应理解所附的权利要求_在覆盖落入本发明的真实精神内的所有这样的修改以及改变。元件列表
10基于太阳能的发电系统 11场
12光伏模块 14太阳能电池
15检测太阳辐射率变化(例如，阴影)的器件 16光纤
18光纤的第一端 20光纤的第二端 22光电电路 24放大镜 30数据采集单元 32接线盒34光检测器装置 36模数转换器38处理器40控制器。
权利要求
1.一种基于太阳能的发电系统(10),包含 响应太阳辐射率的部件(12)的阵列，所述部件放置于场(11)上各个位置上； 多个光纤(16)，具有耦合到所述部件的阵列并且安排为接收太阳辐射率的各个第一端(18)，所述多个光纤(16)具有安排为输出指示在所述场(11)的所述各个位置上的各个太阳辐射率水平的各个光信号的各个第二端(20)； 光电电路(22)，被耦合以接收来自所述多个光纤(16)的所述各个光信号并且产生指示呈现在所述场(11)的所述各个位置的至少一个或多个上的阴影状况的各个信号；以及 控制器(40 )，响应来自所述光电电路(22 )的所述各个信号，并且配置为执行考虑呈现在所述场(11)的所述各个位置的所述至少一个或多个上的所述阴影状况的用于所述部件的阵列的控制策略。
2.如权利要求I所述的基于太阳能的发电系统，其中所述部件的阵列包含光伏模块的阵列。
3.如权利要求I所述的基于太阳能的发电系统，其中所述部件的阵列包含太阳能收集器的阵列。
4.如权利要求I所述的基于太阳能的发电系统，其中用于所述部件的阵列的所述控制策略配置为适应性控制所述部件的阵列的至少一些的电路互连。
5.如权利要求I所述的基于太阳能的发电系统，其中所述多个光纤(16)的至少一些具有安排于接近所述场(11)的外围的其各个第一端(18 )。
6.如权利要求I所述的基于太阳能的发电系统，其中所述光电电路(22)包含数据采集单元(30)，所述数据采集单元(30)包括耦合到所述多个光纤(16)的所述各个第二端(20)的主光接线盒(32)。
7.如权利要求6所述的基于太阳能的发电系统，其中所述数据采集单元(30)还包含响应来自所述多个光纤(16 )的所述各个光信号的光检测器装置(34 )。
8.如权利要求7所述的基于太阳能的发电系统，其中所述光电电路(22)还包含处理器(38)，耦合到所述光检测器装置(34)以处理各个光检测器输出信号并且产生指示呈现在所述场(11)的所述各个位置的所述至少一个或多个的所述阴影状况的所述各个信号。
9.如权利要求I所述的基于太阳能的发电系统，还包含光学地耦合到所述多个光纤(16)的所述各个第一端(18)的多个放大镜(24)。
10.一种基于太阳能的发电系统(10),包含 光伏模块(12)的阵列，放置于场(11)上的各个位置上； 多个光纤(16)，具有耦合到所述光伏模块的阵列并且安排为接收太阳辐射率的各个第一端(18)，所述多个光纤(16)具有各个第二端(20)以输出指示在所述场(11)的所述各个位置上的各个太阳辐射率水平的各个光信号； 光检测器装置(34)，响应来自所述多个光纤(16)的所述各个光信号； 处理器(38)，耦合到所述光检测器装置(34)以处理各个光检测器输出信号并且产生指示呈现在所述场(11)的所述各个位置的至少一个或多个上的阴影状况的各个信号；以及 控制器(40)，响应来自所述处理器(38)的所述各个信号并且配置为执行考虑呈现在所述场(11)的所述各个位置的所述至少一个或多个的所述阴影状况的用于所述光伏模块的阵列的控制策略。
11.如权利要求10所述的基于太阳能的发电系统，其中用于所述部件的阵列的所述控制策略配置为适应性控制所述部件的阵列的至少一些的电路互连。
全文摘要
本发明将光导纤维用于基于太阳能的发电厂的阴影检测器件，基于太阳能的发电系统(10)可以包含响应太阳辐射率的部件(12)的阵列。部件可以放置于场(11)上的各个位置上。该系统还可以包含具有耦合到该部件阵列并且安排为接收太阳辐射率的各个第一端(18)的多个光纤(16)。多个光纤(16)可以具有安排为输出指示在场(11)的各个位置上的各个太阳辐射率水平的各个光信号的各个第二端(20)。可以耦合光电电路(22)以接收来自该多个光纤(16)的各个光信号并且产生指示呈现在场(11)的各个位置的至少一个或多个上的阴影状况的各个信号。
文档编号G01J1/44GK102832847SQ20121019751
公开日2012年12月19日 申请日期2012年6月15日 优先权日2011年6月15日
发明者Y.N.门德斯埃尔南德斯, O.迈尔, M.策特尔, O.斯特恩, T.费伦奇, M.施米德特 申请人:通用电气公司