PL232507B1 - Sposób i system monitorowania i optymalizacji pracy zestawu paneli fotowoltaicznych - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób i system monitorowania i optymalizacji pracy zestawu paneli fotowoltaicznych umożliwiający predykcję ich uszkodzeń, w którym komunikacja modułów monitorujących (2) odbywa się za pomocą radia, liniowo, dwukierunkowo, w ściśle wyznaczonych interwałach czasowych, gdzie kolejne adresy logiczne korespondują z fizycznym położeniem modułów monitorujących (2) względem siebie, przy czym nadzór nad poprawną komunikacją sieci, ilością przesyłanych danych pełni koordynator sieci (20) wysyłając ramki synchronizacyjne oraz żądania transmisji danych, które umożliwiają między innymi synchroniczną pracę modułów monitorujących (2) oraz synchronizację pomiarów przez nie dokonywanych, następnie dokonane pomiary gromadzi się w pamięci modułów monitorujących (2) z możliwością późniejszego odczytania, zaś komunikację każdego modułu monitorującego (2) z resztą systemu cechuje redundancja polegająca na odbieraniu komunikatów przez więcej niż jeden moduł sąsiedni, ponadto moduły monitorujące (2) konfiguruje się przy pomocy modułu komunikacji bezprzewodowej krótkiego zasięgu. System obejmuje moduły monitorujące (2), które mierzą, przy pomocy obwodu pomiaru napięcia oraz obwodu pomiaru prądu i przechowują w pamięci mikrokontrolera, do którego dołączony jest obwód klucza wykonawczego i element sygnalizacji optycznej, do czasu ich poprawnego wysłania, parametry paneli fotowoltaicznych (1), oraz wysyłają dane za pomocą radia, wykorzystując moduł komunikacji bezprzewodowej z anteną komunikacyjną (33) w sposób zsynchronizowany w oparciu o informację pochodzącą od koordynatora sieci (20).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i system monitorowania i optymalizacji pracy zestawu paneli fotowoltaicznych umożliwiający wykrywanie i predykcję ich uszkodzeń.

Wykorzystanie energii promieniowania słonecznego stanowi przykład odnawialnego źródła energii o potencjalnie kluczowym znaczeniu dla przyszłej energetyki. W tym kontekście ważnym staje się stworzenie rozwiązań technicznych umożliwiających efektywną i tanią produkcję energii przy pomocy baterii słonecznych. Problemem technicznym wymagającym rozwiązania w trakcie przedsięwzięcia budowy dużej farmy słonecznej - elektrowni obejmującej duży zespół paneli słonecznych - jest kwestia degradacji lub uszkodzenia pojedynczych elementów energodajnych: panelu w obrębie zespołu paneli, bądź też wafla krzemowego w obrębie panelu. Problem ten zachodzi z uwagi na stosowane w tego typu urządzeniach szeregowo-równoległe połączenie elementów, które skutkuje niemożnością śledzenia wydajności pojedynczego elementu, jedynie wydajności całej sieci. Utrudnia to ocenę wydajności sieci i jej stanu technicznego, uniemożliwia również proste wskazanie przyczyn spadku wydajności, oraz lokalizacji wadliwych elementów. W związku z tym, celowym okazuje się dokonywanie pomiarów parametrów takich jak napięcie i natężenie prądu, jak również, korzystnie, temperatury, pojedynczych elementów wytwarzających energię, takich jak panele czy wafle krzemowe. Wymaga to jednak nie tylko instalacji specjalnych jednostek monitorujących dołączonych do paneli słonecznych przesyłających dane pomiarowe do jednostki centralnej, lecz również dodatkowego, rozległego kosztownego okablowania do transmisji sygnałów danych. Problemem do rozwiązania okazuje się być opracowanie takiego sposobu transmisji danych, który minimalizowałby konieczność stosowania dodatkowej infrastruktury. Rozwiązanie powinno nadto czynić możliwym szybkie odłączenie niewydajnych elementów po to by umożliwić ich szybką i sprawną wymianę. W przypadku pożaru, rozwiązanie powinno zapewnić bezpieczeństwo osobom gaszącym obiekt umożliwiając odłączenie paneli fotowoltaicznych od instalacji elektrycznej. Dodatkowo, rozwiązanie winno charakteryzować się niezawodnością i ergonomicznością przesyłu danych oraz niskimi kosztami eksploatacji.

Znany jest z opisu patentowego zgłoszenia CN105140952 (A) system monitorujący oraz metoda monitorowania wydajności poszczególnych źródeł energii w rozproszonym systemie źródeł mocy. Moduł monitorujący jest powiązany z każdym ze źródeł energii, lub do każdego szeregu seryjnie połączonych ze sobą źródeł energii, aby monitorować i zbierać dane odnośnie prądu, napięcia, temperatury i innych czynników środowiskowych źródła energii. Dane zebrane z każdego źródła energii wskazują na uszkodzenie lub degradację określonych źródeł energii. Porównanie danych zebranych z przylegających źródeł umożliwia selekcję środowiskowych czynników mających wpływ na sąsiednie źródła takie jak pochmurne dni w przypadku paneli słonecznych. Porównanie danych zebranych z tego samego źródła w różnych okresach czasowych wskazuje na zabrudzenie ziemią lub degradację z uwagi na zużycie, lub też okresowe wydarzenia takie jak ruchomy cień z przyległego budynku. Zebrane dane są transmitowane linią wysokiego napięcia do analizy w centralnej stacji analiz.

Znana jest z opisu patentowego zgłoszenia US 20120299387 A1 metoda wykrywania uszkodzeń w ogniwach słonecznych obejmująca pomiar przynajmniej jednego operacyjnego parametru baterii słonecznej, określenie różnic pomiędzy zmierzoną mocą wyjściową baterii słonecznej oraz szacowanymi mocami wyjściowymi pierwszego i drugiego modelu operacyjnych trybów baterii słonecznej, określenie prawdopodobieństw odnośnie ewentualności, że każdy model odnosi się do prawdziwego trybu operacyjnego baterii słonecznej w oparciu o stwierdzone różnice, oraz odłączeniu mocy wyjściowej baterii słonecznej od obciążenia elektrycznego (odbiornika) w odpowiedzi na określony tryb przepływu prądu będący operacyjnym trybem drugiego modelu.

Znana jest z opisu patentowego zgłoszenia US 2012/0229161 metoda wykrywania źle działających wafli krzemowych w panelu słonecznym lub źle działającego panelu słonecznego w zestawie paneli. Metoda ta obejmuje ocenę wykorzystania jednej lub większej ilości diod obejściowych, przyłączonych do jednej lub większej ilości części wafla krzemowego, mierzenie prądu płynącego przez każdą sekcję panelu słonecznego, mierzenie prądu płynącego przez każdą diodę obejściową; oraz ocenę mierzonej wartości prądu aby określić czy panel słoneczny uległ uszkodzeniu. W innym przykładzie wykonania, metoda mierzy prąd płynący przez panel słoneczny oraz przez diody obejściowe aby określić czy panel słoneczny uległ uszkodzeniu. W innym przykładzie wykonania metoda wskazuje w zespole paneli słonecznych panel pracujący poniżej mocy nominalnej, poprzez pomiar mocy wyjściowej prądu oraz wyjściowego napięcia paneli słonecznych tego zespołu.

PL 232 507 B1

Istotą wynalazku jest sposób monitorowania i optymalizacji pracy zestawu paneli fotowoltaicznych poprzez wykrywanie i predykcję ich uszkodzeń, polegający na tym, że komunikacja modułów monitorujących odbywa się za pomocą radia, liniowo, dwukierunkowo, w ściśle wyznaczonych interwałach czasowych, gdzie kolejne adresy logiczne korespondują z fizycznym położeniem modułów monitorujących względem siebie. Nadzór nad poprawną komunikacją sieci, ilością przesyłanych danych pełni koordynator sieci wysyłając ramki synchronizacyjne oraz żądania transmisji danych, które umożliwiają między innymi synchroniczną pracę modułów monitorujących oraz synchronizację pomiarów przez nie dokonywanych. Następnie dokonane pomiary gromadzi się w pamięci modułów monitorujących z możliwością późniejszego odczytania, zaś komunikację każdego modułu monitorującego z resztą systemu cechuje redundancja polegająca na odbieraniu komunikatów przez więcej niż jeden moduł sąsiedni. Ponadto moduły monitorujące konfiguruje się przy pomocy bezprzewodowego interfejsu krótkiego zasięgu. Korzystnie, moduły monitorujące konfiguruje się poprzez przypisanie im podstawowego kanału radiowego pracy, jak również kanałów dodatkowych, mocy nadawania, adresu logicznego w sieci i numeru podsieci, opcjonalnie także rozmieszczenia.

Istotą wynalazku jest system monitorowania i optymalizacji pracy paneli fotowoltaicznych poprzez predykcję ich uszkodzeń polegający na tym, że moduły monitorujące mierzą, przy pomocy obwodu pomiaru napięcia oraz obwodu pomiaru prądu i przechowują w pamięci mikrokontrolera do którego dołączony jest klucz wykonawczy i element sygnalizacji optycznej, do czasu ich poprawnego wysłania, parametry paneli fotowoltaicznych. Następnie wysyłają one dane za pomocą radia, wykorzystując moduł komunikacji bezprzewodowej z anteną, w sposób zsynchronizowany w oparciu o informację pochodzącą od koordynatora. Jednocześnie oddalone od związanych z ich miejscem/adresem/numerem sieciowym moduły monitorujące otrzymują i wysyłają za pomocą radia instrukcje do koordynatora za pośrednictwem co najmniej jednego z sąsiednich modułów monitorujących, w ściśle wyznaczonych interwałach czasowych. Ponadto wspomniane moduły monitorujące konfigurowane są za pomocą komunikacji bezprzewodowej krótkiego zasięgu. Korzystnie, system posiada moduły monitorujące przeznaczone do monitorowania dwóch paneli fotowoltaicznych.

Konfiguracja modułów monitorujących obejmuje co najmniej przypisanie im kanału radiowego pracy, mocy nadawania, adresu logicznego w sieci i numeru podsieci, opcjonalnie także rozmieszczenia.

Sposób i system według wynalazku spełniają funkcję sposobu i systemu monitorującego stan pracy paneli fotowoltaicznych. Rozwiązania te, w stosunku do stanu techniki, odznaczają się znacznie mniej rozbudowaną infrastrukturą, jak również niższymi kosztami eksploatacji, większą niezawodnością przesyłu danych, są również doskonalsze ergonomicznie pod względem przesyłu danych. Użycie bezprzewodowego przesyłu danych eliminuje konieczność rozległego i kosztownego okablowania stosowanego w transmisji danych, w stosunku zaś do innych możliwych rozwiązań tego typu wykorzystanie modułów monitorujących komunikujących się z jednostką koordynującą za pośrednictwem innych modułów znacząco obniża siłę sygnału koniecznego do przesłania danych co przekłada się na mniejsze zużycie energii i tym samym mniejsze koszty. Skutkuje to również mniejszym zanieczyszczeniem środowiska przez promieniowanie elektromagnetyczne, co potencjalnie stanowi korzyść z uwagi na zdrowie istot żywych i funkcjonalność artefaktów elektrycznych. Zastosowanie konfiguracji synchronizującej działanie modułów monitorujących skutkuje minimalizacją przepustowości koniecznej do funkcjonowania systemu, w stosunku do systemu stosującego jednoczesny przesył danych ze wszystkich modułów monitorujących do jednostki koordynującej, co również poprawia charakterystykę ergonomiczną systemu. Wreszcie „sztywny” charakter sieci, w której każdy moduł monitorujący przekazuje informacje ograniczonej liczbie redundantnych jednostek sąsiednich gwarantuje pewność przesyłu danych w stosunku do systemu o zmiennej architekturze i konfiguracji bądź też struktury samoorganizującej się, która z perspektywy farmy fotowoltaicznej nie przyjmie struktury optymalnej globalnie dla całej firmy a jedynie struktury optymalnej lokalnie. Dodatkowe zalety systemy obejmują możliwość szybkiej lokalnej konfiguracji przy pomocy urządzenia mobilnego, możliwość odłączenia wadliwego panelu od sieci, bez konieczności zatrzymania przepływu prądu, za pomocą diody obejściowej.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania przedstawiono na rysunku, na którym:

Fig. 1 przedstawia ogólną strukturę systemu monitorowania, przy wykorzystaniu modułów monitorowania paneli w wersji z podłączeniem jednego panelu,

Fig. 2 przedstawia ogólną strukturę systemu monitorowania, przy wykorzystaniu modułów monitorowania paneli w wersji z podłączeniem dwóch paneli,

Fig. 3 przykład wykonania systemu w strukturze monitorowania ośmiu paneli,

PL 232 507 B1

Fig. 4 przykład struktury farmy fotowoltaicznej składającej się z kilku podsystemów monitorowania pracy paneli, tworzących jeden system dla całej farmy,

Fig. 5 budowa modułu monitorowania pracy jednego panelu fotowoltaicznego,

Fig. 6 budowa modułu monitorowania pracy dwóch paneli fotowoltaicznych,

Fig. 7 podstawowa zasada przekazywania danych w strukturze liniowej dla podsystemu monitorowania pracy paneli,

Fig. 8 przebieg czasowy metody przekazywania danych w systemie oraz sterowania pracą sieci bezprzewodowej,

Fig. 9 metoda uzupełniania danych zapewniająca redundancję przekazywania informacji.

Na rysunku, wg Fig. 1 przedstawiającego ogólną strukturę systemu monitorowania pracy paneli fotowoltaicznych zbudowanego w oparciu o moduł monitorujący 2 parametry pracy pojedynczego panelu fotowoltaicznego 1. Panel fotowoltaiczny 1 połączony jest z modułem monitorującym 2 za pomocą kontaktów 40 i 41. Moduły monitorujące 2 każdego pojedynczego panelu fotowoltaicznego 1 połączone są ze sobą szeregowo i dołączone do konwertera energii 3 za pomocą kontaktów 42 i 43. Każdy moduł monitorujący 2 połączony jest bezprzewodowo z koordynatorem sieci 20, wykorzystującym antenę 4 do komunikacji bezprzewodowej z systemami przetwarzania danych i wizualizacji. Dla potrzeb komunikacji bezprzewodowej wykorzystywana jest antena komunikacyjna 33 modułu monitorującego 2.

Na rysunku, wg Fig 2 przedstawiającego ogólną strukturę systemu monitorowania pracy paneli fotowoltaicznych zbudowanego w oparciu o moduł monitorowania parametrów pracy dwóch paneli 5, moduł monitorujący dla dwóch paneli 5 ma podłączone dwa panele fotowoltaiczne 1 odpowiednio za pomocą kontaktów 94 i 95 oraz 96 i 97. Moduły monitorujące 5 każdego zestawu dwóch paneli fotowoltaicznych 1 połączone są ze sobą szeregowo i dołączone do konwertera energii 3 za pomocą kontaktów 98 i 99. Każdy moduł monitorujący 5 połączony jest bezprzewodowo z koordynatorem sieci 20, wykorzystującym antenę 4 do komunikacji bezprzewodowej z systemami przetwarzania danych i wizualizacji. Dla potrzeb komunikacji wykorzystywana jest antena 85 modułu monitorującego 5.

Na Fig. 3 rysunku przedstawiono przykładowe wykonanie systemu monitorowania ośmiu paneli, przy zastosowaniu modułów monitorujących 2 dedykowanych dla pojedynczego panelu fotowoltaicznego 1, w celu zaprezentowania sposobu przekazywania komunikatów między urządzeniami.

Panel fotowoltaiczny 1.01 jest podłączony do modułu monitorującego 2.01 pracy panelu, który jest podłączony przez kontakt 42 do konwertera energii 3 oraz kontakt 43 do sąsiedniego modułu monitorującego 2.02. Kolejny panel fotowoltaiczny 1.02 jest podłączony do modułu monitorującego 2.02 a przez kontakty 42 i 43 do sąsiednich modułów monitorujących 2.01 oraz 2.03 a następnie do kolejnych.

Panel fotowoltaiczny 1.08 jest podłączony do modułu monitorującego 2.08, który jest podłączony do konwertera energii 3 oraz modułu monitorującego 2.07. Moduły monitorujące 2.01,2.02, 2.03, 2.04, 2.05, 2.05, 2.07, 2.08 są połączone bezprzewodowo z koordynatorem sieci 20 pełniącym funkcję koordynatora pracy sieci bezprzewodowej wykorzystującym do komunikacji z nimi antenę komunikacyjną 33 oraz antenę 4 do komunikacji z systemem przetwarzania danych i wizualizacji.

Fig. 4 rysunku przedstawia schemat farmy fotowoltaicznej, w której ilość paneli fotowoltaicznych przekracza ilość paneli możliwą do podłączenia w jednej podsieci bezprzewodowej komunikacji. W przykładzie założono, że jest to do 400 paneli w jednej podsieci.

Na Fig. 4 rysunku widocznych jest 9 podsystemów komunikacyjnych oznaczonych od 501 do 509, z których każdy posiada własny koordynator sieci 20. Rozmieszczenie i definicja parametrów podsieci są tworzone na etapie projektu systemu, w którym uwzględniając rozmieszczenie fizyczne i połączenia elektryczne między poszczególnymi panelami opracowywana jest konfiguracja dla każdego z modułów monitorujących 2 lub 5 odpowiednio wg Fig. 5 oraz Fig. 6. Zaplanowanie struktury elementów systemu dotyczy również doboru podstawowych kanałów radiowych dla sieci.

Dla Fig. 4 przyjęto następujące ustawienia:

- podsystem komunikacyjny 501 oraz podsystem komunikacyjny 506 pracuje wykorzystując kanał 1,

- podsystem komunikacyjny 502 oraz podsystem komunikacyjny 507 pracuje wykorzystując kanał 2,

- podsystemy komunikacyjne 503, 504 oraz 509 pracują wykorzystując kanał 3,

- podsystem komunikacyjny 505 pracuje wykorzystując kanał 4,

- podsystem komunikacyjny 508 pracuje wykorzystując kanał 5.

PL 232 507 B1

Dane pomiarowe przekazywane są z podsystemów monitorowania do systemu przetwarzania danych 521 poprzez moduł komunikacyjny 520, wykorzystujący łącze modułu nadrzędnego 20 z komunikacją poprzez antenę 4. Następnie dane z systemu przetwarzania 521 są przekazywane za pomocą infrastruktury komunikacyjnej 520 do 523 a następnie do użytkownika końcowego 522 lub wprost z systemu przetwarzania 521 do użytkownika końcowego 522. Dane w systemie przekazywane są w obu kierunkach:

- z podsystemów 501, 502...508 do systemu przetwarzania 521 przekazywane są dane pomiarowe, statusowe i identyfikacyjne,

- z systemu przetwarzania 521 przekazywane są komendy i ustawienia do koordynatorów sieci 20 a poprzez nie dalej do modułów monitorowania 2 lub 5 pracy paneli fotowoltaicznych 1.

Moduł monitorujący 2 pracy jednego panelu fotowoltaicznego 1, którego schemat został przedstawiony na Fig. 5 rysunku, posiada układ zasilania 30, który konwertuje napięcie z panelu fotowoltaicznego 1 na napięcie Vcc zasilania dla elementów wewnętrznych modułu monitorującego 2, takich jak mikrokontroler 31, obwód pomiaru napięcia 37 oraz obwód pomiaru prądu 38, modułu komunikacji bezprzewodowej 32 oraz modułu komunikacji bezprzewodowej krótkiego zasięgu 34. Głównym elementem układu jest mikrokontroler 31 zapewniający przetwarzanie sygnałów pomiarowych z obwodu pomiaru napięcia 37 oraz obwodu pomiaru prądu 38, sterujący obwodem klucza wykonawczego 36, połączony z modułem komunikacji bezprzewodowej 32, połączony z modułem komunikacji bezprzewodowej krótkiego zasięgu 34, a także sygnalizacją optyczną 35, oraz czujnikiem temperatury 44. Moduł monitorujący 2 posiada również zintegrowaną antenę komunikacyjną 33 połączoną z modułem komunikacji bezprzewodowej 32. Istotnym elementem modułu monitorującego 2 jest dioda obejściowa 39 podłączona za pośrednictwem kontaktów 42 i 43 do sąsiedniego modułu monitorującego 2 panelu fotowoltaicznego 1 oraz konwertera energii 3. Podłączenie modułu monitorującego 2 do panelu fotowoltaicznego 1 za pomocą kontaktów 40 i 41 umożliwia zasilanie się z energii produkowanej przez panel fotowoltaiczny 1. Układ zasilania 30 daje napięcie dla elementów modułu monitorującego 2 natomiast obwód klucza wykonawczego 36 posiada dedykowany układ zasilania dla właściwego wysterowania klucza odłączania panelu. Logika wysterowania klucza jest niezależna od sterowania obwodem klucza wykonawczego 36 odłączania panelu fotowoltaicznego 1 poprzez mikrokontroler 31. W przypadku uszkodzenia lub zawieszenia się mikrokontrolera 31, obwód klucza wykonawczego 36 pozostaje funkcjonalny tzn. nie ogranicza produkcji energii elektrycznej przez panel fotowoltaiczny 1. Obwód mikrokontrolera 31 po uruchomieniu najpierw odczytuje konfigurację z modułu komunikacji bezprzewodowej krótkiego zasięgu 34 a następnie uruchamia komunikację bezprzewodową z wykorzystaniem modułu komunikacji bezprzewodowej 32 nasłuchując na nawiązanie połączenia bezprzewodowego z sąsiednimi modułami monitorującymi 2 oraz koordynatorem sieci 20. Po uzyskaniu połączenia radiowego moduł monitorujący 2 synchronizuje swój wewnętrzny zegar umożliwiając tym samym przejście do pracy synchronicznej w komunikacji bezprzewodowej oraz rozpoczęcie wykonywania pomiarów wg takich samych znaczników czasu dla wszystkich modułów monitorujących 2, którym udało się nawiązać połączenie bezprzewodowe. Mikrokontroler 31 mierzy prąd i napięcie i zapisuje je w wewnętrznej pamięci wg znaczników czasu generowanych przez koordynatora sieci 20. W momencie zgromadzenia przez mikrokontroler 31 wymaganej ilości pomiarów, z których wyznaczone wartości średnie są one zapamiętywane w pamięci wewnętrznej jako gotowe do wysłania i oczekują na odpowiedni sygnał sterujący z koordynatora sieci 20 do uzupełnienia danych w ramce z pomiarami transportowanej z modułów monitorującego 2 do koordynatora sieci 20. Sygnalizacja optyczna 35 jest sterowana z mikrokontrolera 31 na bazie stanu modułu monitorującego 2, stanu monitorowanego panelu fotowoltaicznego 1 a także sygnałów przekazywanych bezprzewodowo z koordynatora sieci 20.

W przypadku podłączenia kontaktów 42 oraz 43 i załączenia obwodu klucza wykonawczego 36 energia generowana przez panel fotowoltaiczny 1 zaczyna być przekazywana do konwertera energii 3. Zacienienie panelu fotowoltaicznego 1 lub jego odłączenie np. poprzez odłączenie kontaktów 40 lub 41 modułu monitorującego 2 powoduje, że zaczyna przewodzić dioda obejściowa 39, umożliwiając poprawną pracę pozostałych paneli fotowoltaicznych 1 i nieprzerwaną generację przez nie energii elektrycznej.

Możliwe jest również wykonanie modułu monitorującego 2, w którym realizowana jest wyłącznie funkcja monitoringu stanu pracy panelu fotowoltaicznego 1 bez możliwości jego odłączenia. W takim module monitorującym 2 nie występuje wówczas obwód klucza wykonawczego 36.

PL 232 507 B1

Moduł monitorujący dwóch paneli 5 widoczny na Fig. 6 rysunku posiada obwód zasilania 80, który konwertuje napięcie z jednego lub dwóch paneli fotowoltaicznych 1, zależnie od ilości i sprawności paneli fotowoltaicznych, na napięcie zasilania Vcc dla modułu monitorującego dwóch paneli 5. Dla zasilenia modułu monitorującego 5 wymagane jest działanie dowolnego jednego z dwóch paneli do poprawnej pracy.

Napięcie zasilania Vcc zasila mikrokontroler 82, obwody pomiaru napięcia 81 oraz obwód pomiaru prądu 87, czujnik temperatury 100, moduł komunikacji bezprzewodowej 84 oraz moduł komunikacji bezprzewodowej krótkiego zasięgu 83 NFC.

Głównym elementem układu jest mikrokontroler 82 zapewniający przetwarzanie sygnałów pomiarowych z obwodu pomiaru napięcia 81 oraz obwodu pomiaru prądu 87, połączony z modułem komunikacji bezprzewodowej krótkiego zasięgu 83 NFC oraz modułem komunikacji bezprzewodowej 84, sygnalizacją optyczną 86, czujnikiem temperatury 100, sterujący dwoma niezależnymi obwodami klucza wykonawczego 88 i 89. Obwody kluczy wykonawczych są elementami opcjonalnymi, występują wersje modułów monitorowania bez opcji odłączania paneli - w tym przypadku elementy obwodów kluczy wykonawczych nie są montowane na płytce PCB.

Moduł monitorujący dla dwóch paneli 5 wg fig. 6 posiada również zintegrowaną antenę komunikacyjną 85 połączoną z modułem komunikacji bezprzewodowej 84.

Moduł monitorowania dwóch paneli posiada dwie diody obejściowe 90 i 91, podłączone do wyjść monitorowanych paneli fotowoltaicznych 1. Podłączenie panelu fotowoltaicznego 1 do kontaktów 94 i 95 lub 96 i 97 umożliwia zasilanie się z energii produkowanej przez panel lub panele.

Obwód zasilania 80 daje napięcie dla elementów modułu monitorowania natomiast obwody klucza wykonawczego 88 i 89 posiadają dedykowany układ zasilania dla właściwego wysterowania klucza odłączania panelu. Logika wysterowania klucza jest niezależna od sterowania obwodami klucza wykonawczego 88 i 89 odłączania panelu poprzez mikrokontroler 82. W przypadku uszkodzenia lub zawieszenia się mikrokontrolera 82, obwody klucza wykonawczego 88 i 89 pozostają funkcjonalne tzn. nie ograniczają produkcji energii elektrycznej przez panel fotowoltaiczny charakteryzujący się gorszą sprawnością.

Istnieje również wykonanie modułu monitorującego 5, w którym realizowana jest wyłącznie funkcja monitoringu stanu pracy panelu fotowoltaicznego 1 bez możliwości jego odłączenia. W takim module monitorującym 5 nie występuje wówczas obwód klucza wykonawczego 89.

Konfiguracja komunikacji oraz dane identyfikacyjne panelu wprowadzane są na etapie konfiguracji i/ lub uruchamiania pełnego systemu z wykorzystaniem narzędzi umożliwiających wprowadzenie danych do modułów monitorujących 2 oraz modułów monitorujących dla dwóch paneli 5 bezprzewodowo za pomocą modułu komunikacji bezprzewodowej krótkiego zasięgu 34 NFC lub modułu komunikacji bezprzewodowej 32 wykorzystywanego przez mikrokontroler 31 w trybie serwisowym.

Komunikacja w trybie serwisowym odbywa się bezpośrednio między modułem serwisowym tj. urządzeniem umożliwiającym przekazanie zestawu parametrów do moduł monitorowania z wykorzystaniem modułu komunikacji bezprzewodowej 32.

Sposób według wynalazku zostanie bliżej wyjaśniony przez przedstawienie zasady działania interfejsu bezprzewodowego przekazywania komunikatów. Poniżej zamieszczono legendę opisującą podstawowe pojęcia wykorzystywane w opisie działania.

cykl sieciowy - czas między dwoma rozpoczęciami przesyłania danych w sieci bezprzewodowej, zarezerwowany na przejście ramki komunikacyjnej od modułu nadrzędnego do ostatniego urządzenia sieciowego oraz jej powrót do modułu nadrzędnego z w uwzględnieniem powtórek, slot czasowy - przedział czasu przeznaczony na transmisję danych przez jeden moduł monitorujący np. moduł 2.01, jitter - rozrzut czasu wynikający z niedokładności odmierzania czasu przez moduły monitorujące 2.01 do 2.08 oraz koordynatora sieci 20, czas ramki - czas potrzebny na przesłanie danych, wynikający z prędkości transmisji, ilości wysyłanych danych oraz dodatkowych zmiennych wysyłanych przez radio np. preambuły.

W ramach konfiguracji układu wprowadzone są w szczególności podstawowe parametr/ takie jak:

• identyfikator podsieci, • adres logiczny modułu pomiarowego w sieci, • moc nadawania,

PL 232 507 B1 • kanał komunikacji podstawowej oraz dodatkowe kanały wykorzystywane w komunikacji, • rozmiar sieci tj. ilość urządzeń, które występują w komunikacji bezprzewodowej.

Dodatkowo wprowadzane w przykładzie są również dane dotyczące monitorowanego panelu (np. numer seryjny, typ panelu, fizyczne rozmieszczenie), co umożliwia znajdowanie urządzenia oraz odczyt parametrów identyfikacyjnych.

Dla prezentacji sposobu działania sieci radiowej załączono rysunki Fig. 7, Fig. 8 oraz Fig. 9 przedstawiające ogólną zasadę przekazywania danych, zależności czasowe dla metod przekazywania danych oraz kolejność kroków realizowanych dla przekazywania komunikatów w dwóch kierunkach sieci bezprzewodowej.

Przykład odnosi się do sieci według rysunku Fig. 3 złożonej z ośmiu modułów monitorujących 2.01,2.02, 2.03, 2.04, 2.05, 2.06. 2.07 i 2.08 oraz koordynatora sieci 20.

Transmisja danych realizowana jest w sieci liniowej wg Fig. 7, w której każdy z jej elementów powinien uczestniczyć w przekazywaniu danych. Każde z urządzeń posiada na stałe przypisany adres logiczny w sieci bezprzewodowej, wprowadzony na etapie konfiguracji tego urządzenia. Dane są przekazywane między modułami monitorującymi 2 a koordynatorem sieci 20 w kolejności odpowiadającej ich adresom logicznym, które wynikają z kolei z ich fizycznego rozmieszczenia. Adresy logiczne urządzeń dobierane są w ten sposób, aby moduły o kolejnych adresach logicznych były umieszczone obok siebie celem minimalizacji odległości między modułami monitorującymi 2 i zwiększenia odporności na zakłócanie komunikacji między tymi urządzeniami.

Dane przekazywane są w obu kierunkach sieci:

1. kierunek FORWARD tj. od koordynatora sieci 20 poprzez moduły monitorujące 2.01,2.02 do 2.08,

2. kierunek BACKWARD od modułu monitorującego 2.08, poprzez 2.07, 2.06... 2.01 aż do koordynatora sieci 20.

Transmisja danych realizowana jest z wykorzystaniem protokołu opierającego się na ciągłej synchronizacji czasu między modułami monitorującymi 2.01, 2.02 do 2.08 i czasu koordynatora sieci 20. Długość slotu czasowego dla transmisji danych przez poszczególne urządzenia wynika z długości paczek danych wraz z zapasem czasu na jitter związany z błędami wyznaczania czasu dla rozpoczęcia nadawania i nasłuchiwania przez moduły uczestniczące w bezprzewodowej komunikacji sieciowej. Każde z urządzeń otrzymuje co najmniej 1 slot czasowy w komunikacji sieciowej tj. slot w FAZIE FORWARD oraz slot w FAZIE BACKWARD.

Koordynator sieci 20 rozpoczyna nadawanie w pierwszym slocie cyklu sieciowego - SLOT F1 w fazie FORWARD, każdy następny moduł monitorujący 2.01 do 2.08 ma dostęp do slotu czasowego wg jego adresu logicznego w sieci liniowej. Kolejno moduł monitorujący 2.01 otrzymuje SLOT F2, moduł 2.02 otrzymuje SLOT F3, moduł 2.03 otrzymuje SLOT F4, moduł 2.04 otrzymuje SLOT F5, moduł 2.05 otrzymuje SLOT F6, moduł 2.06 otrzymuje SLOT F7, moduł 2.07 otrzymuje slot SLOT F8.

W ramce komunikacyjnej zawarte są dane synchronizacyjne oraz dane dotyczące identyfikatorów danych oraz ilości danych, które będą przesyłane do koordynatora w fazie BACKWARD.

Nasłuchiwanie na ramki przekazywane z koordynatora sieci 20 lub modułów monitorujących 2.01,2.02 do 2.08 realizowane jest na początku pracy modułu lub po wystąpieniu błędu komunikacji, w trybie bez synchronizacji tj. każde z urządzeń nasłuchuje na ramkę komunikacyjną. Otrzymanie ramki, powoduje zsynchronizowanie czasu między urządzeniem, które odebrało ramkę a znacznikiem czasu przekazywanym w komunikacji bezprzewodowej od koordynatora sieci. Uzyskanie znaczników czasu powoduje przejście do pracy synchronicznej.

W trybie z synchronizacją zakłada się, że nie wszystkie urządzenia nasłuchują komunikatów z innych urządzeń. Ogranicza się ilość słuchających urządzeń zależnie od wymagań aplikacji, ograniczając również pobór prądu przez urządzenia komunikacyjne.

Rozpoczęcie przekazywania komunikatów w cyklu sieciowym następuje poprzez wysłanie ramki w kierunku FORWARD, w której koordynator zapisuje informacje do kolejnych urządzeń w sieci zawierające identyfikatory zmiennych, które mają być odesłane do modułu koordynatora w ramce BACKWARD. Bezprzewodowe przekazanie informacji dotyczących oczekiwanych danych z koordynatora do modułów pomiarowych w fazie FORWARD powoduje, że w ramce BACKWARD tego samego cyklu sieciowego przesyłane są oczekiwane dane.

Po upłynięciu czasu, w którym rozpoczyna się faza BACKWARD urządzenia zaczynają wysyłać komunikaty w przydzielonych dla nich slotach czasu wpisując do ramki komunikacyjnej w odpowiednie pola wartości pomiarowe, szczegóły są widoczne na Fig. 8 oraz Fig. 9.

PL 232 507 B1

Przesłanie danych podstawowych oczekiwanych w tej sieci: napięcia, prądu, mocy wymaga pełnego wykonania trzech cykli sieciowych. Dla pierwszego cyklu sieciowego przesyłane są wszystkie wartości odczytanych napięć, w kolejnym cyklu sieciowym wysyłane są wartości prądów a następnie wartości pomiarów mocy.

W przykładzie wg Fig. 3 i zaprezentowanym działaniu wg Fig. 7, Fig. 8 i Fig. 9 zastosowano ograniczenie ilości nasłuchujących urządzeń do czterech sąsiadujących z modułem monitorowania co oznacza, że dla 17 SLOT F1, gdzie urządzeniem wysyłającym dane jest koordynator sieci 20, urządzeniami nasłuchującymi są moduły o kolejnych adresach logicznych tj. moduł monitorujący 2.01, moduł monitorujący 2.02, moduł monitorujący 2.03 oraz moduł monitorujący 2.04. Odebranie danych przez moduł monitorujący 2.01 w slocie czasowym SLOT F1 powoduje przesłanie ich do kolejnych modułów monitorujących 2 w slocie czasowym SLOT F2, w którym urządzeniami nasłuchującymi są moduł monitorujący 2.02, moduł monitorujący 2.03, moduł monitorujący 2.04 oraz moduł monitorujący 2.05. Sytuacja powtarza się dla kolejnych slotów czasowych SLOT F3, SLOT F4. W slocie czasowym SLOT F5 dane nadawane są przez moduł monitorujący 2.05, urządzeniami nasłuchującymi, z racji ilości wszystkich elementów w sieci są jedynie 3 urządzenia tj. moduł monitorujący 2.06, moduł monitorujący 2.07, moduł monitorujący 2.08. W slocie czasowym SLOT F6 są już tylko dwa urządzenia nasłuchujące tj. moduły monitorujące 2.07 oraz 2.08 a w slocie SLOT F7 urządzeniem nasłuchującym jest tylko moduł monitorujący 2.08. Dopuszczalne jest zastosowanie dla elementów końcowych sieci wyznaczenie dla nich kilku slotów czasowych, aby nie utracić redundancji przekazywania informacji. Przejście ramki przez wszystkie elementy sieci w założonych slotach czasowych powoduje, że dane są uzupełniane w buforze danych przekazywanym między kolejnymi modułami pomiarowymi. Szczegółowo sposób uzupełniania danych został przedstawiony na Fig. 9.

Po wysłaniu ramki komunikacyjnej przez moduł monitorujący 2.08 z przygotowanymi polami dla danych dotyczących napięcia z modułów 2.01 do 2.08 i uzupełnioną wartością jedynie z modułu monitorującego 2.08 została ona poprawnie odczytana przez moduły monitorujące 2.07, 2.06, 2.05, 2.04.

Ramka wysłana przez moduł monitorujący 2.06 posiada uzupełnione tylko własne dane i dane od modułu monitorującego 2.08, nie zostały natomiast uzupełnione dane od modułu monitorującego 2.07.

Ramka od modułu monitorującego 2.06 została usłyszana tylko przez moduły monitorujące 2.04, 2.03, 2.02.

Ramka wysłana przez moduł monitorujący 2.05 posiada uzupełnione tylko dane modułów monitorujących 2.05 i 2.08, nie ma natomiast danych od modułów monitorujących 2.06 i 2.07.

Ramka przekazana przez moduł monitorujący 2.04 posiada uzupełnione dane od modułu monitorującego 2.04 oraz dane, które zostały przekazane wcześniej od modułów monitorujących 2.06, 2.07, 2.08.

Po otrzymaniu danych koordynator sieci 20 posiada ramkę komunikacyjną z uzupełnionymi wszystkimi danymi dotyczącymi wartości napięcia w tych modułach. Analogicznie uzupełniane są dane dotyczące prądu a także dane i rozkazy przekazywane z koordynatora sieci 20 do modułów monitorujących 2.01 do 2.08.

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób monitorowania i optymalizacji pracy zestawu paneli fotowoltaicznych poprzez wykrywanie i predykcję ich uszkodzeń, polegający na wykorzystaniu modułów monitorujących dołączonych do paneli fotowoltaicznych (1) i zasilanych przez nie, dokonujących pomiarów parametrów pracy paneli, komunikujących się ze sobą oraz z koordynatorem sieci, jak również z innymi modułami analitycznymi, znamienny tym, że komunikacja modułów monitorujących (2) odbywa się za pomocą radia, liniowo, dwukierunkowo, w ściśle wyznaczonych interwałach czasowych, gdzie kolejne adresy logiczne korespondują z fizycznym położeniem modułów monitorujących (2) względem siebie, przy czym nadzór nad poprawną komunikacją sieci, ilością przesyłanych danych pełni koordynator sieci (20) wysyłając ramki synchronizacyjne oraz żądania transmisji danych, które umożliwiają między innymi synchroniczną pracę modułów monitorujących (2) oraz synchronizację pomiarów przez nie dokonywanych, następnie dokonane pomiary gromadzi się w pamięci modułów monitorujących (2) z możliwością późniejszego odczytania, zaś komunikację każdego modułu monitorującego (2) z resztą systemu cechuje redundancja polegająca na odbieraniu komunikatów przez więcej niż jeden moduł sąsiedni, ponadto moduły monitorujące (2) konfiguruje się przy pomocy modułu komunikacji bezprzewodowej krótkiego zasięgu (34).

   PL 232 507 B1
2. 2. Sposób monitorowania według zastrz. 1, znamienny tym, że moduły monitorujące (2) konfiguruje się poprzez przypisanie im podstawowego kanału radiowego pracy, mocy nadawania, adresu logicznego w sieci i numeru podsieci.
3. 3. Sposób monitorowania według zastrz. 1, znamienny tym, że moduły monitorujące (2) konfiguruje się poprzez przypisanie im rozmieszczenia.
4. 4. System monitorowania i optymalizacji pracy paneli fotowoltaicznych (1) obejmujący moduły monitorujące (2) dołączone, z przy pomocy kontaktów wejściowych (40, 41) do paneli fotowoltaicznych (1) i zasilane przez nie za pomocą dołączonych układów zasilania (30), wyposażone w antenę komunikacyjną (33), których praca nadzorowana jest zdalnie przez koordynatora sieci (20) wyposażonego w antenę nadawczo-odbiorczą, znamienny tym, że moduły monitorujące (2) mierzą, przy pomocy obwodu pomiaru napięcia (37) oraz obwodu pomiaru prądu (38) i przechowują w pamięci mikrokontrolera (31), do którego dołączony jest obwód klucza wykonawczego (36) i element sygnalizacji optycznej (35), do czasu ich poprawnego wysłania, parametry paneli fotowoltaicznych (1), oraz wysyłają dane za pomocą radia, wykorzystując moduł komunikacji bezprzewodowej (32) z anteną komunikacyjną (33) w sposób zsynchronizowany w oparciu o informację pochodzącą od koordynatora sieci (20), przy czym oddalone od związanych z ich miejscem/adresem/numerem sieciowym moduły monitorujące (2) otrzymują i wysyłają za pomocą radia instrukcje do koordynatora sieci (20) za pośrednictwem co najmniej jednego z sąsiednich modułów monitorujących (2), w ściśle wyznaczonych interwałach czasowych, ponadto wspomniane moduły monitorujące (2) konfigurowane są za pomocą modułu komunikacji bezprzewodowej (32) modułu komunikacji bezprzewodowej krótkiego zasięgu (34).
5. 5. System monitorowania według zastrz. 4, znamienny tym, że wykorzystuje przynajmniej jeden moduł monitorujący (5) przeznaczony do monitorowania dwóch paneli fotowoltaicznych (1).
6. 6. System monitorowania według zastrz. 4, znamienny tym, że konfiguracja modułów monitorujących (2) obejmuje co najmniej przypisanie im kanału radiowego pracy, mocy nadawania, adresu logicznego w sieci i numeru podsieci.
7. 7. System monitorowanie według zastrz. 4, znamienny tym, że konfiguracja modułów monitorujących (2) obejmuje przypisane im rozmieszczenia.