Shadow detection apparatus using fiber optics for solar-based power generation plants
专利汇可以提供Shadow detection apparatus using fiber optics for solar-based power generation plants专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cost-effective, fast-response and reliable solar-based power generation system.SOLUTION: In a solar-based power generation system 10, an array 12 of components responsive to solar radiance is disposed over respective locations on a field 11, and a plurality of optical fibers 16 have respective first ends 18 coupled to the array 12 of components and arranged to receive solar radiance. The plurality of optical fibers 16 have respective second ends 20 arranged to output respective optical signals indicative of respective levels of solar radiance over the respective locations of the field 11. Opto-electrical circuitry 22 is coupled to receive the respective optical signals from the plurality of optical fibers and generate a respective signal indicative of a shadow condition present over at least one or more of the respective locations of the field 11.，下面是Shadow detection apparatus using fiber optics for solar-based power generation plants专利的具体信息内容。
前記素子アレイと結合されて太陽放射輝度を受信するように構成されたそれぞれの第１の端部（１８）を有する複数の光ファイバ（１６）であって、前記フィールド（１１）の前記それぞれの場所に対するそれぞれの太陽放射輝度を表すそれぞれの光信号を出力するように構成されたそれぞれの第２の端部（２０）を有する前記複数の光ファイバ（１６）と、
前記複数の光ファイバ（１６）から前記それぞれの光信号を受信し、前記フィールド（１１）の前記それぞれの場所のうちの少なくとも１つ以上において影状態が存在することを表すそれぞれの信号を生成するように結合された光電回路（２２）と、
前記光電回路（２２）からの前記それぞれの信号に応答する制御装置（４０）であって、前記フィールド（１１）の前記それぞれ場所のうちの前記少なくとも１つ以上において前記影状態が存在することを考慮して、前記素子アレイの制御ストラテジを実施するように構成された前記制御装置（４０）と、
を備えるソーラー発電システム（１０）。
前記光起電力モジュールアレイと結合されて太陽放射輝度を受信するように構成されたそれぞれの第１の端部（１８）を有する複数の光ファイバ（１６）であって、前記フィールド（１１）の前記それぞれの場所に対するそれぞれの太陽放射輝度を表すそれぞれの光信号を出力するそれぞれの第２の端部（２０）を有する前記複数の光ファイバ（１６）と、
前記複数の光ファイバ（１６）からの前記それぞれの光信号に応答する光検出装置（３４）と、
前記光検出装置（３４）と結合されて、それぞれの光検出装置出力信号を処理し、前記フィールド（１１）の前記それぞれの場所のうちの少なくとも１つ以上において影状態が存在することを表すそれぞれの信号を生成する処理装置（３８）と、
前記処理装置（３８）からの前記それぞれの信号に応答する制御装置（４０）であって、前記フィールド（１１）の前記それぞれ場所のうちの前記少なくとも１つ以上において前記影状態が存在することを考慮して、前記光起電力モジュールアレイの制御ストラテジを実施するように構成された前記制御装置（４０）と、
を備えるソーラー発電システム（１０）。
本発明は、主にソーラー発電に関し、特に、ソーラー発電システムの素子アレイに起こりうる太陽放射輝度のむら（例えば、影）を検出する装置に関する。
太陽エネルギを利用する大規模発電が、自由に利用できて本質的に無尽蔵であるエネルギ源、即ち、太陽からの発電が可能な、クリーンかつ高効率な発電のための魅力的な方式として発展し続けている。
太陽放射を電気に直接変換するソーラー発電システムとしては、複数のソーラーモジュールが結合された集合体であるソーラー（例えば、光起電力（ＰＶ））アレイがある。 そして、ソーラーモジュールは、相互接続された複数のソーラーセル（いわゆるストリング）で構成される。 これらのセルは、光起電力効果により、太陽エネルギを直流（ＤＣ）電気に直接変換する。
ソーラーモジュールの出力電力は、モジュールが受ける太陽放射の照度にほぼ比例する。 特定の応用（例えば、ソーラー発電プラント、建物一体型ＰＶシステムなど）では、光起電力モジュールに対する太陽光照射（いわゆる輻射）が不均一になる場合があることを理解されたい。 太陽輻射が不均一になる原因として可能性があるのは、雲、近隣の樹木及び／又は人工構造物、汚れなどによって太陽放射輝度が弱められること（例えば、影）である。 どのような原因であれ、ソーラーモジュールに影がかかることは、モジュールの性能低下につながる。 例えば、ソーラーモジュールの電流−電圧（Ｉ−Ｖ）曲線及び電力−電圧（Ｐ−Ｖ）曲線の特性は、モジュールが受ける太陽放射の照度に実質的に影響される。 更に、ソーラーセルに影がかかると悪影響が出る可能性がある。 これは、影がかかったセルが負荷のように動作し（即ち、電流を引き込み）、これによって、望ましくないホットスポットが形成されるおそれがあるためである。 影の結果として最適性能が得られないことは、直接変換素子を用いるシステムに限定されないことを理解されたい。 例えば、太陽集熱器などの素子を用いる間接変換システムも、影の存在の影響を受ける。
太陽放射輝度の測定に全天日射計を用いることが知られている。 全天日射計は、熱に応答する装置であり、従って、応答が比較的緩慢である。 例えば、全天日射計は、雲の動きに起因して起こりうるような、太陽放射輝度の急速な変動を正確に検出することには適していない。 また、太陽放射輝度の測定にＰＶセンサを用いることも知られている。 ＰＶセンサは、ソーラーセルで構成され、その出力電力は、ソーラーセルの動作温度に依存する。 これは、温度の影響を相殺するために温度検出を行う必要があることを意味している。 更に、ＰＶセンサは、応答こそ全天日射計より高速であるが、測定精度が全天日射計より劣る傾向がある。
米国特許第６８５８７９１号明細書
前述の問題点を考慮すると、ソーラー発電システムにおいて影の存在を明らかにする、高信頼度、高精度であって、応答が比較的高速であって、低コストである装置を提供することが望ましいであろう。
本発明の態様は、太陽放射輝度に応答する複数の素子のアレイを含むソーラー発電システムによって実現可能である。 これらの素子は、フィールドのそれぞれの場所に配置される。 本システムは更に、複数の光ファイバを含み、この複数の光ファイバのそれぞれの第１の端部が、素子アレイと結合され、太陽放射輝度を受けるように構成される。 複数の光ファイバは更に、フィールドのそれぞれの場所に対するそれぞれの太陽放射輝度を表すそれぞれの光信号を出力するように構成されたそれぞれの第２の端部を有する。 光電回路が、複数の光ファイバからそれぞれの光信号を受信し、フィールドのそれぞれの場所のうちの少なくとも１つ以上において影状態が存在することを表すそれぞれの信号を生成するように結合される。 光電回路からのそれぞれの信号に応答する制御装置が、フィールドのそれぞれ場所のうちの１つ以上において影状態が存在することを考慮して、素子アレイの制御ストラテジを実施するように構成される。
本発明の別の態様が、太陽放射輝度に応答する複数の素子のアレイを有するソーラー発電システムにおいて影の存在を明らかにする装置によって実現可能である。 これらの素子は、フィールドのそれぞれの場所に配置される。 本装置は、複数の光ファイバを含み、この複数の光ファイバのそれぞれの第１の端部が、素子アレイと結合され、太陽放射輝度を受けるように構成される。 複数の光ファイバは、フィールドのそれぞれの場所に対するそれぞれの太陽放射輝度を表すそれぞれの光信号を出力するように構成されたそれぞれの第２の端部を有する。 光電回路が、複数の光ファイバからそれぞれの光信号を受信し、フィールドのそれぞれの場所のうちの少なくとも１つ以上において影状態が存在することを表すそれぞれの信号を生成するように結合される。
本発明の更に別の態様が、フィールドのそれぞれの場所に配置された複数の光起電力モジュールのアレイを含むソーラー発電システムによって実現可能である。 本システムは更に、複数の光ファイバを含み、この複数の光ファイバのそれぞれの第１の端部が、光起電力モジュールアレイと結合され、太陽放射輝度を受けるように構成される。 複数の光ファイバは、フィールドのそれぞれの場所に対するそれぞれの太陽放射輝度を表すそれぞれの光信号を出力するそれぞれの第２の端部を有する。 光検出装置が、複数の光ファイバからのそれぞれの光信号に応答する。 処理装置が、光検出装置と結合されて、それぞれの光検出装置出力信号を処理し、フィールドのそれぞれの場所のうちの少なくとも１つ以上において影状態が存在することを表すそれぞれの信号を生成する。 処理装置からのそれぞれの信号に応答する制御装置が、フィールドのそれぞれ場所のうちの１つ以上において影状態が存在することを考慮して、光起電力モジュールアレイの制御ストラテジを実施するように構成される。
以下の詳細説明を、添付図面を参照しながら読むことにより、本発明の以上及び他の特徴、態様、及び利点が、よりよく理解されるであろう。 添付図面においては、全図面を通じて、類似の参照符号は類似の構成要素を表すものとする。
図１は、太陽エネルギによる発電が可能なソーラー発電システム１０の一実施例の概略図である。 システム１０は、太陽放射輝度に応答する複数の素子のアレイ、例えば、光起電力（ＰＶ）モジュールのアレイ（又はストリング）１２を含んでおり、これらのそれぞれは、相互接続された複数のソーラーセル１４で構成されている。 これらの素子は、実用規模のソーラーファームのようなフィールド１１のそれぞれの場所（例えば、間隔を空けた複数の場所）に配置されており、フィールド１１は比較的大きな表面積（例えば、潜在的に数百エーカー）を必要とする。
当業者であれば容易に理解されるように、ＰＶモジュール１２は、所望の電圧を得るために直列回路（ストリング）の形に接続することが可能であり、次に、所望の電流を得るために、そのような直列接続されたＰＶモジュールのそれぞれのストリングを、並列回路の形で互いに接続することが可能である。 １つ以上の電子変換器（例えば、図示しないインバータ）を利用して、それらの接続されたＰＶモジュールの全体によって生成されるＤＣ電力を、グリッド互換の交流（ＡＣ）に変換することが可能である。
本発明の実施例は、システム１０の１つ以上の素子（例えば、ＰＶモジュール１２）に影響を及ぼしうる太陽放射輝度のむら（例えば、影）を検出する、潜在的に高コスト効率であって高信頼度の装置１５を含んでいる。 本発明の態様は、太陽輻射を電気に直接変換することが可能な素子を用いるシステムのみには限定されないことを理解されたい。 例えば、本発明の態様は、太陽輻射を電気に間接的に変換する素子を用いるようなソーラー発電システムや、太陽集熱器のような冷暖房システムにも容易に適用可能である。
本発明の態様から恩恵が得られるシステムとしては、例えば、光起電力システム、集中型光起電力システム、太陽集熱器などがある。 従って、ＰＶモジュールを用いるソーラー発電システムについての前述の説明は、限定的ではなく例示的であるように解釈されたい。
一実施例では、ＰＶモジュール１２は、影がかかっている状態を表す太陽放射輝度の測定値を取得するために配置された複数の光ファイバ１６を含んでいる。 一実施例では、各ファイバのそれぞれの第１の端部１８が、太陽放射輝度を受け取るために露出していて、各ファイバのそれぞれの第２の端部２０が、フィールド１１のそれぞれの場所におけるそれぞれの太陽放射輝度を表す各光信号を出力する。
一実施例では、光ファイバ１６を光電回路２２と結合させて、光ファイバ１６からのそれぞれの光信号を適切に取得、調整、及び処理することにより、フィールド１１のそれぞれの場所のうちの少なくとも１つ以上において影状態が存在するかどうかを判定する。
素子アレイと結合可能な光ファイバ１６の数は、フィールド１１にわたる太陽放射輝度の測定値に任意の所望の空間分解能を与えるように選択可能であることを理解されたい。 従って、本発明の態様は、ＰＶモジュール当たりの光ファイバの数によって何ら限定されないことを理解されたい。 更に、図１では、光ファイバ１６のそれぞれの第１の端部１８が、ＰＶモジュール又はラックシステムの長手方向の対向する両端部に位置しているが、本発明の態様は、各光ファイバ１６のそれぞれの第１の端部１８の具体的な位置に何ら限定されないことを理解されたい。 一実施例では、各光ファイバ１６のそれぞれの第１の端部１８は、フィールド１１の周辺部のそばに配置可能である。 従って、図１及び図２に示した光ファイバの数及び／又は位置は、限定的ではなく例示的であるように解釈されたい。
図２に示した実施例では、複数の光ファイバ１６のそれぞれの第１の端部１８に複数の拡大レンズ２４を光学的に結合することにより、太陽放射輝度の、光ファイバへの転送の効率を向上させることが可能である。 これは、太陽放射照度が一般的に低い気候地域（例えば、該当する緯度の地域）に適した選択例となりうる。
図３は、光電回路２２の一実施例のブロック図であり、光電回路２２は、データ取得（ＤＡＱ）ユニット３０を含んでおり、これは、例えば、複数の光ファイバ１６から光信号を取得して調整する多チャネルＤＡＱユニットである。 一実施例では、ＤＡＱユニット３０は、複数の光ファイバのそれぞれの第２の端部と結合している主光結合ボックス３２を含んでいる。 １つ以上の光検出器を含んでよい光検出装置３４が配置され、結合ボックス３２と結合している複数の光ファイバからそれぞれの光信号を受信する。 当業者であれば理解されるように、光検出装置３４に用いる光検出器の数を減らすために、標準的な多重化技術を用いることが容易に可能である。 例えば、単一の光検出器が、それぞれの時間間隔で順次サンプリングされた、複数の光ファイバからの光信号に応答することが可能である。
アナログデジタル変換器３６が、光検出装置３４からのアナログ出力信号を、それぞれのデジタル信号に変換する。 結合された処理装置３８が、デジタイズされた光検出器出力信号を処理し、光起電力モジュールの少なくとも１つ以上において影状態が存在することについて、それぞれの表示を生成する。 処理装置３８は、与えられた光信号を、発電プラントのそれぞれのＰＶモジュール及び／又はストリングと一意に対応付けるように構成可能である。 この対応付けは、任意の所望レベルの粒状度で達成可能であり、例えば、影がかかった状態になっている可能性のあるそれぞれのＰＶモジュール領域及び／又はストリング領域の識別を可能にするようなレベルの粒状度で達成可能である。
光電回路２２は、スタンドアロンのユニットであってよく、また、発電システム中の電子変換器又は他の任意のユニットと一体であってもよいことを理解されたい。 一体であれば、設置及び／又は運搬のコストを減らすことが可能である。
実施例では、制御装置４０が、光電回路２２からのそれぞれの信号に応答可能であり、フィールドのそれぞれの場所のうちの１つ以上において影状態が存在しうることを考慮して、素子アレイの制御ストラテジを実施するように構成可能である。 一実施例では、素子アレイの制御ストラテジは、素子アレイの少なくとも幾つかの素子について回路の相互接続性を適応制御するように構成可能である。 例えば、ＰＶモジュール１２の少なくとも幾つかについての直列回路及び／又は並列回路の接続性は、フィールドのそれぞれの場所のうちの１つ以上における影状態に基づいて動的に再構成することが可能である。 一実施例では、インバータの制御ストラテジは、フィールドのそれぞれの場所のうちの１つ以上における影状態に基づいて適応可能である。 例えば、インバータの制御ストラテジは、影状態になっている可能性があるＰＶモジュールの電流−電圧（Ｉ−Ｖ）曲線及び電力−電圧（Ｐ−Ｖ）曲線の変化した特性を、より適切に扱うように適応可能である。 従って、制御装置４０によって実施される制御ストラテジは、影状態を解消することはできないが（例えば、雲の方向を変えたり、雲を消散させたりすることはできないが）、任意のそのような影状態を考慮に入れて、発電システムの１つ以上のユニットの動作を動的に適応させることには有用であることを理解されたい。 制御装置４０は、スタンドアロンの制御装置として、又はＰＶプラントの監視制御システムの一部として実装可能である。
以下に簡潔な例を示して、概念的な説明を行う。 正方形のフィールドを４つの象限（領域）にマッピングするものとし、更に、そのフィールドの４つの別々の象限のそれぞれにおける太陽放射輝度を検出するために、４本の光ファイバをそれぞれ配置するものとする。 例えば、ある光信号の光強度が（残り３本の光ファイバの光信号の光強度に比べて）比較的低い場合は、光強度が比較的低い信号に対応する象限に影がかかっている可能性が高い。 同様に、例えば、２つの光信号の光強度が（残りの２つの象限の光信号の光強度に比べて）比較的低い場合は、それらの、光強度が比較的低い信号に対応する２つの象限に影がかかっている可能性が高い。 例えば、４つすべての光信号の光強度が（期待強度、例えば、快晴時の予想強度に比べて）比較的低い場合は、フィールド全体に影がかかっている可能性が高い。
上述の説明から理解されるように、本発明の態様は、太陽放射輝度のむら（例えば、影）を検出する、高コスト効率であって、応答が高速で、高信頼度の装置を提供するものであり、これらは、比較的大きな表面積（例えば、実用規模のソーラーフィールド）にわたって配置された素子のアレイを用いる様々なソーラー発電システムで使用可能である。
本明細書では、本発明の特定の特徴だけを例示して説明したが、当業者であれば、様々な修正や変更を思いつくであろう。 そこで、そのような修正や変更はすべて、本発明の真の趣旨の範囲内にあるとして、添付の特許請求の範囲に包含されることを理解されたい。
１０ ソーラー発電システム １１ フィールド １２ 光起電力モジュール １４ ソーラーセル １５ 太陽放射輝度のむら（例えば、影）を検出する装置 １６ 光ファイバ １８ ファイバの第１の端部 ２０ ファイバの第２の端部 ２２ 光電回路 ２４ 拡大レンズ ３０ データ取得ユニット ３２ 結合ボックス ３４ 光検出装置 ３６ アナログデジタル変換器 ３８ 処理装置 ４０ 制御装置
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