(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のソーラー・パネルを監視・制御するためのネットワーク構成であって、
インテリジェント・ノードを有し、該インテリジェント・ノードが、
他のインテリジェント・ノードからの電流及び電圧出力を受信するインテリジェント・ノード入力端子と、
第１切替え端子、第２切替え端子及び出力端子を有するバイパス・リレーと、
前記インテリジェント・ノード入力端子に電気的に接続された入力、前記バイパス・リレーの前記第１切替え端子に電気的に接続された出力、及び直列接続された複数の太陽電池を有し、前記ソーラー・パネルの一部をなすまたは前記ソーラー・パネルと分離して設けられたＰＶモジュールと、
前記バイパス・リレーの前記出力端子に電気的に接続された、インテリジェント・ノード出力端子と、
少なくとも２つの前記インテリジェント・ノードの間で、通信ネットワークにおいてデータ及びコマンドを交換するよう構成された少なくとも２つの冗長通信手段と、
前記インテリジェント・ノード入力端子及び前記バイパス・リレーの前記第２切替え端子に電気的に接続されたバイパス・バスと、
前記バイパス・リレーの制御入力と電気的に接続されたリレー制御ライン、前記２つの冗長通信手段のうちの第１冗長通信手段へ接続する第１の電気的接続、及び前記２つの冗長通信手段のうちの第２冗長通信手段へ接続する第２の電気的接続を有するノード・コントローラと、
を備え、
前記２つの冗長通信手段の一方の通信が利用できないとき、前記ノード・コントローラが該２つの冗長通信手段の他方を自発的に選択し、前記ノード・コントローラが前記２つの冗長通信手段のいずれかからバイパス・コマンドを受信したとき、前記バイパス・リレーが前記バイパス・バスを選択し、これにより前記ＰＶモジュールの出力を前記インテリジェント・ノード出力端子から電気的に切断し、前記インテリジェント・ノード入力端子において受信された信号を前記インテリジェント・ノード出力端子に迂回することを特徴とするネットワーク構成。
【請求項２】
前記第１冗長通信手段が無線トランシーバーであることを特徴とする請求項１記載のネットワーク構成。
【請求項３】
前記第２冗長通信手段が電力線通信回路であることを特徴とする請求項２記載のネットワーク構成。
【請求項４】
前記インテリジェント・ノードが少なくとも１つの前記ソーラー・パネルを更に有して成り、該少なくとも１つのソーラー・パネルが少なくとも１つの前記ＰＶモジュールを有して成ることを特徴とする請求項３記載のネットワーク構成。
【請求項５】
前記ノード・コントローラが、前記ソーラー・パネルの位置を制御するよう構成され、該ノード・コントローラが複数の電気信号入力端子及び複数の電気信号出力端子を有することを特徴とする請求項４記載のネットワーク構成。
【請求項６】
前記インテリジェント・ノードが、エネルギー蓄積モジュール及び前記ＰＶモジュールの出力電圧を前記エネルギー蓄積モジュールの充電電圧に変換するよう構成された充電器を更に有して成ることを特徴とする請求項５記載のネットワーク構成。
【請求項７】
前記ノード・コントローラの前記複数の電気信号入力端子の１つに電気的に接続された第１出力端子を有する電圧測定装置を更に有し、該電圧測定装置が、前記ＰＶモジュールの出力電圧を測定し測定電圧に関する信号を前記第１出力端子に出力するよう構成されて成ることを特徴とする請求項５記載のネットワーク構成。
【請求項８】
前記ノード・コントローラの前記複数の電気信号入力端子の１つに電気的に接続された第２出力端子を有する電流測定装置を更に有し、該電流測定装置が、前記ＰＶモジュールの出力電流を測定し測定電流に関する信号を前記第２出力端子に出力するよう構成されて成ることを特徴とする請求項５記載のネットワーク構成。
【請求項９】
前記ノード・コントローラの前記複数の電気信号入力端子の１つに電気的に接続された出力端子を有する温度測定装置を更に有し、該温度測定装置が、前記ＰＶモジュールの温度を読み取るよう構成されて成ることを特徴とする請求項５記載のネットワーク構成。
【請求項１０】
前記ノード・コントローラの前記複数の電気信号入力端子の１つに電気的に接続された出力端子を有する太陽光強度測定装置を更に有して成ることを特徴とする請求項５記載のネットワーク構成。
【請求項１１】
前記ノード・コントローラの前記複数の電気信号入力端子の１つに電気的に接続された出力端子を有する表面清浄度測定装置を更に有して成ることを特徴とする請求項５記載のネットワーク構成。
【請求項１２】
前記ノード・コントローラの前記複数の電気信号入力端子の１つに電気的に接続された出力端子を有する反射率測定装置を更に有して成ることを特徴とする請求項５記載のネットワーク構成。
【請求項１３】
前記ノード・コントローラの前記複数の電気信号入力端子の１つに電気的に接続された出力端子を有する方位角測定装置を更に有して成ることを特徴とする請求項５記載のネットワーク構成。
【請求項１４】
前記ノード・コントローラの前記複数の電気信号入力端子の１つに電気的に接続された出力端子を有する仰角測定装置を更に有して成ることを特徴とする請求項５記載のネットワーク構成。
【請求項１５】
制御入力を有し、前記ソーラー・パネルに回転可能に連結された仰角モーターと、
前記ノード・コントローラに設けられた前記仰角モーターの制御入力に電気的に接続された第１モーター制御出力端子と、
を更に有して成ることを特徴とする請求項５記載のネットワーク構成。
【請求項１６】
制御入力を有し、前記ソーラー・パネルに回転可能に連結された方位角モーターと、
前記ノード・コントローラに設けられた前記方位角モーターの制御入力に電気的に接続された第２モーター制御出力端子と、
を更に有して成ることを特徴とする請求項１５記載のネットワーク構成。
【請求項１７】
前記ソーラー・パネル、前記方位角モーター、及び前記仰角モーターがコンセントレータを形成し、前記ノード・コントローラに電気的に接続された別の少なくとも１つのコンセントレータを更に有して成ることを特徴とする請求項１６記載のネットワーク構成。
【請求項１８】
前記ノード・コントローラが前記第１冗長通信手段、前記第２冗長通信手段、又は該第１及び第２通信手段からデータ及びコマンドを受信できることを特徴とする請求項５記載のネットワーク構成。
【請求項１９】
少なくとも２つの直列接続されたインテリジェント・ノードから成るノード・チェーンを更に有して成ることを特徴とする請求項１８記載のネットワーク構成。
【請求項２０】
無線トランシーバー及び電力線通信回路を備えたゲートウェイを更に有して成ることを特徴とする請求項１９記載のネットワーク構成。
【請求項２１】
前記ゲートウェイ及び前記ノード・チェーンに電気的に接続されたエリア電力・データ・バスと、
前記エリア電力・データ・バス、前記ゲートウェイ、及び前記ノード・チェーンから成るエリアと、
を更に有して成ることを特徴とする請求項２０記載のネットワーク構成。
【請求項２２】
前記エリア電力・データ・バスに電気的に接続された電力バックアップ・システムを更に有して成ることを特徴とする請求項２１記載のネットワーク構成。
【請求項２３】
前記エリアが、前記エリア電力・データ・バスに電気的に接続された入力と、インバーター出力とを有するインバーターを更に有して成ることを特徴とする請求項２１記載のネットワーク構成。
【請求項２４】
前記エリアが前記インバーター出力に電気的に接続された入力を有する変圧器を更に有して成ることを特徴とする請求項２３記載のネットワーク構成。
【請求項２５】
前記エリアが前記エリア電力・データ・バスに電気的に接続された複数のノード・チェーンを更に有して成ることを特徴とする請求項２４記載のネットワーク構成。
【請求項２６】
前記ゲートウェイと通信するよう構成された無線トランシーバーを有する中央サーバーを更に有して成ることを特徴とする請求項２４記載のネットワーク構成。
【請求項２７】
前記エリアと前記中央サーバーとの間に冗長通信手段を更に有して成ることを特徴とする請求項２３記載のネットワーク構成。
【請求項２８】
少なくとも２つのエリアを有して成ることを特徴とする請求項２７記載のネットワーク構成。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はソーラー・パネルを監視・制御するためのネットワーク構成に関し、より詳細には多数の光起電モジュールから成るソーラー・パネル・アレイを監視・制御するためのネットワーク構成に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
実用規模の発電を行うための大規模ソーラー・パネル・アレイが世界の幾つかの場所に設置されている。例えば、ドイツのババリアに設置されている５７,０００を超える光起電（ＰＶ）モジュールから成るソーラー・パネル・アレイは約６２エーカー（２５平方キロメートル）をカバーし、約１０メガワットの電力を発電している。米国ネバダ州の別の太陽光発電システムは、約１４０エーカー（５７平方キロメートル）にわたり約７０,０００ＰＶモジュールを有している。ソーラー・パネルの効率及び信頼性が向上すると共に設置コストが低下するにつれ、大規模ソーラー・パネル・アレイがより一般的な電力供給源になることが期待されている。
【０００３】
一部のソーラー・パネルは太陽光を別のエネルギー形態に変換するエネルギー変換装置を備えている。別のソーラー・パネルは、ソーラー・パネルに取り付けるか又はソーラー・パネルから分離できる入射太陽光をエネルギー変換装置に集中させるための反射光学素子、透過光学素子、あるいは透過素子と反射素子を組み合せたものを備えている。例えば、ソーラー・パネルは太陽光を電気に変換するための１つ以上のＰＶモジュールを有することができる。ＰＶモジュールは直列接続された多くの比較的小さい太陽電池を有している。明るい太陽光の下において、ＰＶモジュールはパネル設計に応じて直流（ＤＣ）約１２ボルト〜約５０ボルトの最大で数百ワットまでの直流電力を出力することができる。個々のＰＶモジュールの出力を別のＰＶモジュールの出力に直列接続することにより効率良く送電することができる。  
１つ以上のＰＶモジュールを有するソーラー・パネルは、パネルの比較的大きい表面に入射する太陽光を比較的小さい表面の太陽電池又は直列接続された複数の太陽電池に集中させるための光学素子を更に有することができる。集中型光起電モジュール（ＣＰＶ）と呼ばれるこのようなＰＶモジュールは、太陽光を集中させるための光学素子を備えていないシステムと比較してエネルギー効率が高い。従来技術によるＣＰＶモジュールの例を図６に示す。図６のＣＰＶモジュールの第１例６００−１の小さいセグメントの透視図には基板６０８に取り付けられた複数の太陽電池６０４の上部に二次元配置された複数のレンズ６０２が示されている。基板６０８はＣＰＶモジュール６００−１の他のコンポーネントを構造的に支持するものであり、熱を消散するための構造体を更に有することができる。太陽電池６０４はレンズ６０２の焦点近傍に配置されている。隣接する太陽電池は導電体６０６により直列に接続されている。
【０００４】
従来技術によるＣＰＶモジュールの別の例を図７に示す。図７は反射体６１０を有するＣＰＶモジュール６００−２の部分端面図であって、反射体６１０は入射太陽光をその反射体の光学焦点近傍に配置された太陽電池６０４の表面に向けるためのものである。太陽電池６０４は基板に取り付けられ構造的に支持されている。一部のＣＰＶモジュールはそれぞれが対応する複数の茶碗形反射体６１０の光学焦点近傍に配置された複数の太陽電池を有している。別のＣＰＶモジュールは槽状の反射体６１０に沿って配置された複数の太陽電池６０４を有している。当技術分野で周知のＣＰＶモジュールには各種レンズ及び反射体が用いられている。  
過度に太陽光が照射されるとオーバーヒートにより太陽電池が損傷することがある。そのため、ＰＶモジュールは太陽電池の温度を測定する装置を備えている。太陽光発電システムの運用者は、太陽の方向からソーラー・パネルを外すことにより、高温領域が検出されたＰＶモジュールの温度を下げることができる。特にＣＰＶモジュールについては、比較的大きい収集面で収集された太陽光が比較的小さい太陽電池に集中されるため高温領域の監視が必要である。図６及び７に示す従来技術において、温度測定装置１２２が熱的に太陽電池６０４に接続されている。図示のように、温度センサーが多数の太陽電池に取り付けられている。温度測定装置の出力信号をシステム運用者が監視することにより、太陽電池の安全動作限界を超える温度が検出される。大規模ソーラー・パネルにおいては、ＰＶモジュールにおける多数の位置の温度を監視する必要がある。
【０００５】
発電量を増やすため、太陽電池を方位角及び仰角方向に回転させて日中の空を横断する経路に沿って太陽を追跡する機械的位置調整装置を採用することができる。例えば、固定ＰＶモジュールを有するソーラー・パネルを回転させることにより、昼間の時間帯を通して、ＰＶモジュールの太陽光吸収面を太陽光に対し直角に維持することができる。あるいは、１つ以上のミラーを備えたソーラー・パネルを回転させることにより、太陽に対し定位置にある別体のＰＶモジュールに太陽光を照射することができる。太陽の位置を追跡し反射太陽光が対象物に向くよう構成されたソーラー・パネルをヘリオスタットと言う。一部の太陽光発電システムにおいては、ＰＶモジュールが複数のヘリオスタットから反射された太陽光を受ける。
【０００６】
測定された方位角及び仰角はソーラー・パネルから通信ネットワークを介して中央に送信され管理制御システム及びシステム運用者によって評価される。ソーラー・パネルの効率、運用状態、及び故障状態、例えば、ＰＶモジュールの太陽電池の測定温度に関する別のパラメータも中央サーバーと呼ばれる中央管理制御システムに送ることができる。中央サーバーからのコマンドも通信ネットワークを介してソーラー・パネルに接続されている装置又はその近傍の装置に送信することができる。例えば、位置調整コマンドを機械的位置調整システムに送信することができる。
【０００７】
インバーター及び電力変圧器に入力される並列接続された複数の直列ソーラー・パネル・チェーンをエリアと言う。一般に、１つのエリア内のソーラー・パネルは比較的物理的に近接している。太陽光発電所は好ましい発電容量を得るために数個のエリアを有している。ババリアやネバダの太陽光発電所の例のように、大規模な太陽光発電所は相当な土地を占めている。それぞれが多くのソーラー・パネルを含む多くのエリアを有する太陽光発電所の場合、またはエリアとエリアとが相当離れている場合、それぞれのエリアが当該エリア内のソーラー・パネルからのデータの蓄積及び蓄積したデータを中央サーバーに送信するためのゲートウェイと呼ばれる独自のサーバーを有することができる。また、ゲートウェイは中央サーバーからのコマンドを当該ゲートウェイのエリア内のソーラー・パネルに分配することもできる。
【０００８】
中央サーバーと１つ以上のゲートウェイとの間でデータやコマンドを交換するため、ソーラー・パネルは、ノードと別のノード、ノードとゲートウェイ、及びゲートウェイと中央のコンピューターとをリンクしている通信ネットワークのノードの一部を成している。ノード数が増えるにつれ、ノード間において信頼性の高い通信接続を確立するためのコストが増加する。更に、通信ネットワークのコンポーネントの数が増えるにつれ、ネットワームの信頼性が低下する。当技術分野において、監視・制御通信のための各種ネットワーク構成が知られているが、いずれも広い土地に分散している多数のソーラー・パネルの監視・制御には適していない。例えば、多数のエーカー（数千平方キロメートル）をカバーしているソーラー・パネル・アレイにおいて、電気ケーブルや光ファイバーのようなポイントツーポイント配線により、ソーラー・パネル同士やソーラー・パネルとゲートウェイとを接続するのでは設置コストや維持費がかさむ。このような配線は、例えば、配線上を運転される作業車による損傷のような機械的損傷から保護する必要があると共に、インバーター、変圧器、伝送ケーブル、激しい雷雨、電気開閉装置、車両点火システム、コンピュータシステム等の電気的干渉源から隔離する必要がある。
【０００９】
制御監視ネットワークにおけるノード間の通信を確立するための当技術分野で周知の別の方法に電力線通信(ＰＬＣ)と呼ばれるものがある。ＰＬＣはデータ源からの送信データを送電線に結合するためのインターフェース回路を備えている。送信されたデータはデータの宛先において、データを受信する装置が送電線の電圧・電流によって損傷を受けないよう絶縁する受信回路によって送電線から分離される。ＰＬＣシステムの利点は送電と通信に別々の配線を必要としないことである。しかし、ＰＬＣシステムにおける通信はポイントツーポイント配線と同様の電気的干渉源により品質低下又は妨害を受ける。
【００１０】
無線技術はネットワーム内のノード間に通信リンクを確立するための別の広く用いられている方法である。短距離及び長距離無線技術、例えば、“ブルートゥース”として広く知られている短距離技術や“ワイ・ファイ” として広く知られている長距離技術をノード間及びノードと中央サーバーとのデータ及びコマンドの交換に適応させることができる。しかし、無線通信は、妨害地形や建物、作業用機材のような一時的な障害物、ソーラー・パネルやその金属支持構造体、既に述べたものを含む電気的干渉源により干渉を受ける。更に、無線通信を拡張して、例えば、太陽光発電所の１つのエリアの数百又は数千のソーラー・パネルと通信するゲートウェイのような、１つの無線ネットワーク・アクセス・ポイント領域内に数千のノードを含むことは一般にできない。無線アクセス・ポイントの数を増やしてノードを増やすことは可能であるが、多数のパネルが近接しているため、無線アクセス・ポイントが互いに干渉を起こす程近接してしまう。例えば、それぞれの無線アクセス・ポイントに異なる周波数を割り当てることにより、このような干渉を防止するとしても、最大無線接続数が大規模ソーラー・パネル・アレイに必要なノード数を下回ってしまう。
【００１１】
当技術分野で周知のそれぞれのネットワーク技術には、多数ノード化のための拡張性を減ずる限界又は大規模ソーラー・パネル・アレイの運用において予想される条件下においてネットワーク通信エラーを招く限界がある。例えば、ＰＶモジュール内の太陽電池の故障又はソーラー・パネル間の電気的接続の故障により、直列接続された一連のパネルの１つが万一故障した場合、故障したパネルの出力のみならず直列接続された一連のパネルのそれ以前の別のパネルの出力も中断される。また、例えば、ノード間の電力接続を介したＰＬＣシステムにおいて伝送されるデータやコマンドのようなデータやコマンド通信も中断される。ネットワーク通信の喪失により、ソーラー・パネル・アレイの監視・制御が中断されると共に、太陽光発電所の電力供給サービスも中断される結果となることもある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
必要とされているのは、数個のソーラー・パネルから成るアレイを数十万個のソーラー・パネルから成るアレイに拡張可能なソーラー・パネルを制御・監視するためのネットワーク構成である。また、必要とされているのは、ノードを介した通信路の中断が他のノードの監視・制御の喪失に至らない冗長通信路を含むネットワーク構成である。更に、必要とされているのは、不良ソーラー・パネルをバイパスして別のソーラー・パネルからの電力潮流及び通信を維持できるネットワーク構成である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は多数のソーラー・パネルを制御するためのネットワーク構成に関するものである。本発明の実施の形態によるネットワーク構成は、ゲートウェイや中央サーバーのような外部の通信コントローラとデータ及びコマンドを交換するよう構成されたインテリジェント・ノードを備えている。このインテリジェント・ノードは、ネットワーク・コントローラ、ソーラー・パネル、インテリジェント・ノードが受信したコマンドに応じて切替え状態を変更するよう構成されたバイパス・リレー、バイパス・バス、及び少なくとも２つの冗長通信手段用インターフェース回路を有している。
【００１４】
一部の実施の形態において、ソーラー・パネルがＰＶモジュールを有し、ソーラー・パネルとＰＶモジュールとが一緒に移動して太陽を追跡する。別の実施の形態において、ＰＶモジュールがソーラー・パネルから機械的に分離されて成り、ソーラー・パネルが太陽を追跡する一方、ＰＶモジュールは定位置に固定されている。ソーラー・パネル、ソーラー・パネルを監視するための１つ以上の測定回路、方位角モーター、及び仰角モーターの組合せを以下コンセントレータと言う。一部の実施の形態は太陽光を１つのＰＶモジュールに向けるための複数のコンセントレータを有している。
【００１５】
インテリジェント・ノードは更にＰＶモジュールの入力端子に接続された入力端子及びバイパス・リレーの出力端子に接続された出力端子を有している。ＰＶモジュールの出力端子はバイパス・リレーの第１切替え端子に接続されている。ＰＶモジュールの出力端子とバイパス・リレーの第１切替え端子との間の線に電流を測定するための電気回路を任意に直列接続することができる。また、ＰＶモジュールの出力端子から延びる線に電圧を測定するための電気回路を任意に接続することができる。インテリジェント・ノードの入力端子とバイパス・リレーの第２切替え端子とがバイパス・バスによって電気的に接続されている。
【００１６】
インテリジェント・ノードが、例えば中央サーバーのような外部の監視・制御システムから受信したコマンドによって、バイパス・リレーが１つの切替え状態から別の切替え状態に選択的に変更される。第１の切替え状態において、インテリジェント・ノードの入力端子の電圧・電流入力がＰＶモジュールの電圧・電流出力に加算され、結合された電圧・電流はバイパス・リレーの第１切替え端子に電気的に接続され、インテリジェント・ノードの出力端子に出力される。第２の切替え状態において、インテリジェント・ノードの入力端子の電圧・電流入力がバイパス・バスによってバイパス・リレーの第２切替え端子に電気的に接続され、インテリジェント・ノードの出力端子に出力されることにより、ＰＶモジュールの電圧・電流出力がバイパスされる。
【００１７】
インテリジェント・ノードは測定回路から信号を受信し、ソーラー・パネルの動作状態に関するデータを１つ以上の通信インターフェースに出力するよう構成されたノード・コントローラを有している。ノード・コントローラはソーラー・パネルの方位角及び仰角を変える電動モーターのようなアクチュエータを制御する電気信号を任意に出力することができる。また、ノード・コントローラは、少なくとも２つの冗長通信手段によって、ゲートウェイ、サーバー、あるいは別のインテリジェント・ノードとの間でデータ及びコマンドを交換する。好ましい実施の形態において、２つの冗長通信手段は電力線通信(ＰＬＣ)と無線通信である。インテリジェント・ノードの無線通信トランシーバーは、短距離無線通信トランシーバーであっても長距離無線通信トランシーバーであってもよい。    
本発明によるネットワーク構成の実施の形態が直列接続された複数のインテリジェント・ノードを任意に有して成り、１つのインテリジェント・ノードの出力端子が次のインテリジェント・ノードの入力端子に接続されることによりインテリジェント・ノード・チェーンを形成している。この実施の形態を任意に拡張して並列接続又は木構造化した複数のインテリジェント・ノード・チェーンを含み、各インテリジェント・ノード・チェーンの出力を当該エリアのゲートウェイに電気的に接続すると共に、インバーター及び変圧器に電気的に接続することができる。ネットワークのエリアは１つのゲートウェイと通信するすべてのインテリジェント・ノードを含んでいる。更に、実施の形態は１つ以上のエリアとデータ及びコマンドを交換するよう構成された中央サーバーを有することができる。好ましい実施の形態において、ゲートウェイと中央サーバーとの通信が無線通信チャンネルを介して行われる。
【００１８】
本節は本発明の一部の特徴を要約したものである。本発明の実施の形態のこれ等の特徴や他の特徴、態様、及び効果は以下の説明及び図面を参照することにより更に深く理解できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ＰＶモジュールがソーラー・パネルの一部を成す本発明の実施の形態によるネットワーク構成において反復される要素である、インテリジェント・ノードの例を示すブロック図。
【図２】ＰＶモジュールがソーラー・パネルから分離している、即ち、ＰＶモジュールを定位置に固定しながら、ソーラー・パネルを太陽の位置を追跡するよう調整できるインテリジェント・ノードの別の例を示すブロック図。
【図３】太陽光をＰＶモジュールに向けるための複数のコンセントレータを備えたインテリジェント・ノードの実施の形態のブロック図。
【図４】図１〜３の複数のインテリジェント・ノード、ゲートウェイ、任意のインバーター、及び任意の変圧器を備えたネットワーク構成の例を示すブロック図であって、本発明のネットワーク構成におけるエリアの境界も示している。
【図５】エリアを示すブロックが図４のエリアの例を簡略表示したものである、複数のエリアに分かれた多数のインテリジェント・ノードを監視・制御するためのネットワーク構成を示すブロック図。
【図６】当技術分野でＣＰＶモジュールとして知られているＰＶモジュールの例を示す簡略図であって、対応する多数の太陽電池の上部に配置された多数のレンズ及び太陽電池の温度を測定するよう構成された温度測定装置を示す、完全なＣＰＶモジュールのごく一部の簡略図（従来技術）。
【図７】反射体の光学焦点近傍に配置された太陽電池及び太陽電池の温度を監視するよう構成された温度測定装置の例を示す、ＣＰＶモジュールの別の例の端面図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
大規模ソーラー・パネル・アレイを監視・制御するためのネットワーク構成の実施の形態は少なくとも２つの冗長通信手段によってデータ及びコマンドを送受信するよう構成されたインテリジェント・ノードを備えている。本発明の実施の形態によるインテリジェント・ノードはソーラー・パネル、ＰＶモジュール、ノード・コントローラ、バイパス・リレー、及びバイパス・バスを有している。一部の実施の形態は電気的に直列チェーンに接続されると共にゲートウェイに電気的に接続された複数のインテリジェント・ノードを含んでいる。別の実施の形態は電気的に並列接続された複数の直列ソーラー・パネル・チェーンを含み、その結合出力が電気的にゲートウェイに接続されると共に、インバーター及び変圧器に任意に接続されることにより、ネットワークのエリアを画成している。別の実施の形態は更に複数のエリアと通信する中央サーバーを含んでいる。本発明の実施の形態は少数のインテリジェント・ノードから複数のエリアに分かれた５０万以上のインテリジェント・ノードに拡張可能である。実施の形態は、例えば、太陽光発電所のサービスの中断を最小限に抑えるために信頼性の高い制御及び監視を必要とするアプリケーションに非常に適している。
【００２１】
インテリジェント・ノードは本発明の実施の形態によるネットワーク構成において反復される基本的な要素である。インテリジェント・ノードの例を図１の例に示す。図１のブロック図において、インテリジェント・ノード１００はＰＶモジュール１３０を備えたソーラー・パネル１０２を有している。ＰＶモジュール１３０の入力がインテリジェント・ノード１００の入力端子１１８に接続されている入力線１３２に接続されている。任意の電圧測定回路Ｖ１１４はＰＶモジュール１３０の電圧出力を測定するものである。ＰＶモジュール１３０の出力線１３４がバイパス・リレー１０４の第１切替え端子に電気的に接続されている。ＰＶモジュールの出力線１３４に直列接続されている、任意の電流測定回路Ｉ１１６はＰＶモジュール１３０の出力電流を測定するものである。バイパス・リレー１０４の出力端子がインテリジェント・ノード１００の出力端子１２０に電気的に接続されている。
【００２２】
インテリジェント・ノード１００は、更にＰＶモジュール１３０を迂回して隣接ノードからの電力、データ、及びコマンドをルーティングするためのバイパス・バス１０６を備えている。例えば、ＰＶモジュール１３０が性能低下又は動作不良を起こした場合、あるいは点検保守をする場合、隣接ノードからの電力、データ、及びコマンドをインテリジェント・ノード１００の入力端子１１８から出力端子１２０にルーティングすることが望ましい。ＰＶモジュール１３０の性能低下は、例えば、ソーラー・パネル１０２表面の汚れ、水分、あるいはその他の異物、雲、建物、あるいは木等による陰、ＰＶモジュール内の電力変換素子の経年劣化、霰や熱応力による損傷、あるいは電気的故障によって生じる。  
インテリジェント・ノード１００が受信したコマンドによって、バイパス・リレー１０４の切替え状態が選択的に変更される。第１の切替え状態において、ＰＶモジュール１３０の電圧・電流出力が結合されたインテリジェント・ノード入力端子１１８の電圧・電流入力がバイパス・リレー１０４の第１切替え端子からその出力端子に接続される。第２の切替え状態において、入力端子１１８の電圧・電流入力であってバイパス・バス１０６によって搬送されたものがバイパス・リレー１０４の第２切替え端子からその出力端子に接続される。バイパス・リレー１０４の出力端子はインテリジェント・ノードの出力端子１２０に電気的に接続されている。バイパス・リレー１０４が第１の切替え状態にあるとき、ＰＶモジュール１３０が発電した電力はインテリジェント・ノード１００の出力端子１２０における電圧・電流出力に寄与する。バイパス・リレー１０４が第２の切替え状態にあるとき、ＰＶモジュール１３０からの電力はインテリジェント・ノード１００の電圧・電流出力から除外される。いずれの切替え状態においても、インテリジェント・ノード入力端子１１８において受信された電力、データ、及びコマンドはインテリジェント・ノードの出力端子１２０に接続される。
【００２３】
好ましい動作態様において、インテリジェント・ノード１００が受信するＰＶモジュール１３０をバイパスして入力端子１１８の電圧・電流を出力端子１２０に接続するコマンドは中央サーバーから発せられる。効率及び任意として安全上の理由により、中央サーバーからバイパス・リレー１０４を作動させること好ましい。例えば、特定のインテリジェント・ノード１００において、バイパス・リレー１０４を作動させてバイパス・バス１０６を出力端子１２０に接続又は出力端子１２０から切り離す前に、運用者又は任意として中央サーバーのアルゴリズムによってＰＶモジュール１３０の性能に関するデータを精査することが好ましい。例えば、１つ以上のインテリジェント・ノードの計画保守のような大規模インテリジェント・ノード・アレイにおけるエリア又はエリアの一部が影響を受ける事象が発生した場合、バイパス・リレーを作動させることが好ましい。あるいは、運用者又は中央サーバーのアルゴリズムは、例えば、一時的な事象、ネットワークの冗長通信手段の１つのみの故障、あるいは早期解決可能な問題であって、インテリジェント・ノードが引き続き電力に寄与可能な事象を無視することもできる。
【００２４】
インテリジェント・ノード１００は別のノード、ゲートウェイ、あるいは中央サーバーと通信するよう構成されたノード・コントローラを有している。ノード・コントローラは、例えば、複数の個別回路素子から成る電気回路、プログラム可能な論理アレイ、ゲート・アレイ、特定用途向け集積回路、関連サポート回路を備えたマイクロプロセッサー又はマイクロコントローラを含みこれに限定されない。図１のノード・コントローラ１０８は少なくとも２つの冗長通信手段によりデータ及びコマンドを送受信する。図１の通信手段の１つ例は、電力線通信インターフェース（ＰＬＣ  Ｉ／Ｆ）１１０であって、ノード・コントローラ１０８の双方向通信ポート及びＰＬＣ  Ｉ／Ｆに含まれている分離回路を通して、インテリジェント・ノード１００の出力端子１２０に向かう線に電気的に接続されている。
【００２５】
図１に示す別の通信手段の例は、無線トランシーバー（ＸＣＶＲ）１１２を備えた無線通信インターフェースである。無線ＸＣＶＲ１１２はノード・コントローラ１０８の双方向通信ポートに電気的に接続され、例えば、別のインテリジェント・ノードやゲートウェイの別の無線トランシーバーとデータ及びコマンドを表す信号を交換する。特定の状況、例えば、ゲートウェイが動作していないとき、インテリジェント・ノードが無線通信によって中央サーバーとデータ及びコマンドを任意に交換することができる。インテリジェント・ノード１００は、例えば、ブルートゥース・トランシーバーのような短距離通信に適応した無線トランシーバー１１２を備えることができる。あるいは、ワイ・ファイ・トランシーバーや別の無線通信技術による長距離通信用トランシーバーを備えることができる。
【００２６】
ノード・コントローラ１０８は、ソーラー・パネル１０２及びＰＶモジュール１３０の監視・制御を行う少なくとも１つのセンサー・インターフェース及び少なくとも１つのアクチュエータ・インタフェースを任意に備えることができる。例えば、ノード・コントローラを電圧測定回路１１４に接続することにより、ネットワークを介してＰＶモジュール１３０の出力電圧値を報告することができる。電流測定回路１１６の出力とノード・コントローラ１０８とを接続することにより、ＰＶモジュール１３０の出力電流値を報告することができる。更に別の複数の測定装置をノード・コントローラ１０８に電気的に接続することができる。図１に示す測定装置の例には、ソーラー・パネル１０２及びＰＶモジュール１３０の温度を測定する１つ以上の任意の温度測定装置Ｔ１２２、ソーラー・パネル１０２の表面及び任意としてＰＶモジュール１３０の表面に入射する太陽光の強度を測定するための装置ＳＩ１２４、ソーラー・パネル１０２表面の清浄度を測定するための装置ＳＣ１２６、及びソーラー・パネル１０２又はＰＶモジュール１３０の表面の反射率を測定するための装置Ｒ１２８が含まれている。
【００２７】
電気的パラメータを測定するための測定装置の他に、ソーラー・パネル１０２の方位角を測定するための装置ＡＺ１３８やソーラー・パネル１０２の仰角を測定するための装置ＥＬ１４２のような機械的パラメータを測定するための装置やアクチュエータを任意に備えることができる。更に、ノード・コントローラ１０８はバイパス・リレー１０４の制御入力端子に電気的に接続されたリレー制御出力端子を有している。一部の実施の形態において、ノード・コントローラ１０８の出力がアクチュエータのインターフェース回路に電気的に接続され、アクチュエータの動きやその他の動作を制御することができる。図１の例において、ノード・コントローラ１０８の出力が方位角モーターＡＺ１３６の制御入力に電気的に接続されている。ノード・コントローラ１０８の別の出力が仰角モーターＥＬ１４０の制御入力に電気的に接続されている。機械的連携により、方位角モーターＡＺ１３６がソーラー・パネル１０２に接続されている。ノード・コントローラが方位角モーターＡＺ１３６に信号を送ることによりソーラー・パネル１０２の方位角が調整される。同様に、仰角モーターＥＬ１４０がノード・コントローラ１０８及びソーラー・パネル１０２に接続されソーラー・パネルの仰角が調整される。
【００２８】
図１の例において、ＰＶモジュールはソーラー・パネルの一部として含まれている。別の実施の形態において、ＰＶモジュールはソーラー・パネルから分離されている。即ち、ソーラー・パネルを方位角方向及び仰角方向に駆動して太陽の位置を追跡できるが、ＰＶモジュールは定位置に固定されている。図２はソーラー・パネル１０２とＰＶモジュール１３０とが分離された実施の形態を示している。ＰＶモジュールを選択位置に配置し、ソーラー・パネルを少し離れた別の場所に配置することにより、機械的支持構造に関わるコストが削減できると共に、ＰＶモジュールが複数のソーラー・パネルから太陽光を受けることができ、太陽光発電システムに冗長性がもたらされるか又はＰＶモジュールの電力出力が増大する。
【００２９】
ソーラー・パネルから分離されたＰＶモジュールを備えたインテリジェント・ノードの例を図２に示す。図２の例において、測定装置とノード・コントローラ１０８との接続、アクチュエータとノード・コントローラとの接続は図１の例と同様である。ＰＶモジュール１３０、インテリジェント・ノード入力１１８、バイパス・リレー１０４、及びインテリジェント・ノード出力１２０のそれぞれの間の接続、無線トランシーバー１１２とノード・コントローラ１０８との間及びＰＬＣインターフェース１１０とノード・コントローラとの間の通信接続も図１と同様である。概して、図１の要素に対応する図２の要素間の電気的接続構成は図１の要素間の電気的接続構成と同様である。
【００３０】
各々がヘリオスタットとして機能する１つ以上のソーラー・パネルによってインテリジェント・ノードを任意に構成することができる。別の方法として、複数のヘリオスタットをソーラー・パネルに含めることができる。太陽光をＰＶモジュール１３０に向けるための複数のコンセントレータ１４４を備えた実施の形態の例を図３に示す。コンセントレータ１４４は、図２の“コンセントレータ１４４”と表記された境界線内に示すように、ソーラー・パネル１０２、アクチュエータ、測定装置、及び接続部を有している。図３の例において、複数のコンセントレータとノード・コントローラ１０８との間における信号伝達のための電気的接続はコンセントレータ監視・制御バス１４６を通して行われる。図３のコンセントレータ監視・制御バス１４６は図２のノード・コントローラとコンセントレータ１４４の境界線内の各素子との接続と同様の電気的接続を有している。    
例えば、夜間、曇天時、あるいは保守又は修理時など、インテリジェント・ノード内のコンポーネントがＰＶモジュールから十分な電力を受けていないときでもインテリジェント・ノードを稼動させることが好ましい。従って、ノード・コントローラの実施の形態は蓄電池や大容量コンデンサーのようなエネルギー蓄積モジュール及びエネルギー蓄積モジュールの消費エネルギーを補充するための充電回路を任意に備えることができる。図１〜３の例におけるノード・コントローラは充電器１５０から充電電流・電圧を受けるよう構成されたエネルギー蓄積モジュール１４８を備えている。充電器１５０はインテリジェント・ノード出力端子１２０に電気的に接続された線から入力電圧・電流を受け、それをエネルギー蓄積モジュール１４８の再充電に適した出力電流・電圧に変換する。
【００３１】
一般に、太陽光発電所又はその他の太陽光発電用途においては、多数のインテリジェント・ノードを備えることにより好ましい発電容量を達成している。図４において、複数のインテリジェント・ノード１００が電気的に直列接続され、即ち、１つのインテリジェント・ノードの出力が隣接インテリジェント・ノードの入力に接続され、第１のインテリジェント・ノード・チェーン２０２−１を形成している。他の複数のインテリジェント・ノードにより、第２のインテリジェント・ノード・チェーン２０２−２、第３のインテリジェント・ノード・チェーン２０２−３という具合に、希望する数“ｊ”になるまでインテリジェント・ノード・チェーンが形成される。“ｊ” インテリジェント・ノード・チェーンの各々からの直列出力線はエリア電力・データ・バス２１２に並列接続される。エリア電力・データ・バス２１２はインバーター２０６の入力に接続されている。インバーター２０６の出力が変圧器（ＸＦＭＲ）２０８の入力に接続され、送電線２１０における出力は交流（ＡＣ）の電圧・電流の形態を成す電力である。
【００３２】
更に図４には、ノードとの通信用ＰＬＣインターフェースと、ノード及び中央サーバーとの通信用無線トランシーバー（ＸＣＶＲ）とを備えたゲートウェイ２０４が示されている。ゲートウェイ２０４は更に通信ケーブルを介した中央サーバーとの通信用として、電気通信信号を同軸ケーブルによって伝送するための電気信号インターフェース又は光ファイバー・ケーブルを介して通信信号を伝送するための光信号インターフェースのような任意のインターフェースを備えることができる。多数のインテリジェント・ノード１００、ゲートウェイ２０４、任意のインバーター２０６、及び任意の変圧器２０８によってエリア２００の境界が画成される。これは、１つにはＰＬＣによってエリア２００のネットワーク・コンポーネント間で交換されるデータ及びコマンドがインバーター２０６及び変圧器２０８を介してエリア２００の出力送電線に接続されないという理由によるものである。    
ゲートウェイ２０４のＰＬＣインターフェースがエリア電力・データ・バス２１２に電気的に接続されている。ゲートウェイ２０４の無線ＸＣＶＲによりゲートウェイ２０４とエリア２００内のインテリジェント・ノードとの間におけるもう１つの通信手段が提供される。ゲートウェイ２０４の無線ＸＣＶＲ及びＰＬＣインターフェースはエリア２００内のインテリジェント・ノードとの冗長通信手段を構成している。他のエリアのデータ及びコマンドを排除するよう更にゲートウェイ２０４を構成することもできる。  
例えば、夜間や保守又は修理時など、エリア内のＰＶモジュールが発電していないときもインテリジェント・ノードを稼動させることが好ましい。従って、電力バックアップ・システムを備えることにより、インテリジェント・ノードがエリア電力・データ・バスに送電していないとき、ゲートウェイ及び関連インテリジェント・ノードを稼動させることができる。エリア電力・データ・バス２１２に接続された電力バックアップ・システム２１８を図４に示す。例えば、電力バックアップ・システムは蓄電池、発電機、あるいは送電グリッドへの接続を含むがこれに限定されない。図１〜３のエネルギー蓄積モジュール１４８のようなノード・コントローラのエネルギー蓄積モジュールの再充電に電力バックアップ・システム２１８を任意に使用することができる。
【００３３】
電力会社が運営する太陽光発電所のような太陽光発電用途においては、複数のエリアが存在している。複数エリアにおけるインテリジェント・ノード及びゲートウェイと中央サーバーとの通信のためのネットワーク構成例を図５に示す。図５の例において、選択されたエリアの数“ｋ”及び中央サーバーによって本発明の実施の形態によるネットワークが構成される。図５の例において、エリア番号１（２００−１）、エリア番号２（２００−２）、−−−−−、エリア番号“ｋ”（２００−ｋ）の各々は図４の例に示すエリア２００と同様である。無線ＸＣＶＲを備えた中央サーバー３０２が無線通信チャンネル（３０４−１、３０４−２、−−−−−、３０４−ｋ）を介して各々のエリア（２００−１、２００−２、−−−−−、２００−ｋ）とデータ及びコマンドを交換する。ネットワーク構成要素によって交換されるデータ及びコマンドは、任意に選択された当技術分野で周知のネットワーク通信プロトコルに準拠している。
【００３４】
任意の第２通信手段を各々のエリアと図５の中央サーバーとのネットワーク接続に含めることにより、冗長通信手段を備えることができる。例えば、通信ケーブル（３０６−１、３０６−２、−−−−−、３０６−ｋ）によって、中央サーバー３０２と各々のエリア（２００−１、２００−２、−−−−−、２００−ｋ）とを任意に接続することができる。用途の必要性に応じ、通信ケーブルは光ファイバー又は従来の電気信号用同軸ケーブルとすることができる。各々のエリア（２００−１、２００−２、−−−−−、２００−ｋ）からの電力出力（２１０−１、２１０−２、−−−−−、２１０−ｋ）を不図示の装置によって任意に結合することにより、図５の太陽光発電所の電力出力とすることができる。
【００３５】
図１〜５の実施の形態のように、少なくとも２つの冗長通信手段を備えたネットワーク構成は、インテリジェント・ノード内のバイパス・バスが駆動され、１つ以上のノードがバイパスされた場合、あるいは冗長通信手段のうちの１つが故障した場合でも複数のインテリジェント・ノードを監視・制御できる。従って、冗長通信手段によってネットワークの信頼性が向上する。両方の通信手段を通してコマンド及びデータを冗長的に送ることも通信障害が発生してネットワークがローカル的に代替通信手段に切り替えるまで１つの通信手段を使用することも任意である。代替通信手段への切替えは中央サーバー、ゲートウェイ、あるいは自発的にインテリジェント・ノードによって行うことができる。例えば、ＰＬＣシステムにおいて、隣接インテリジェント・ノードが通信不能になった場合、ゲートウェイ又は中央サーバーがノードに対し無線システムによって通信するよう指示することができる。あるいは、現在使用しているネットワーク経路が使用できなくなったとき、自発的に別の通信経路を探すようインテリジェント・ノードのノード・コントローラを任意に構成することができる。冗長通信手段を備えたネットワーク構成における無停止通信の管理方法については当業者周知である。
【００３６】
別に明記しない限り、通常の用語はそれぞれの文脈において対応する通常の意味を有するものであり、通常の専門用語は対応する標準の意味を有するものである。
【符号の説明】
【００３７】
１００  インテリジェント・ノード
１０２  ソーラー・パネル
１０４  バイパス・リレー
１０６  バイパス・バス
１０８  ノード・コントローラ
１１０  電力線通信（ＰＬＣ）インターフェース
１１２  無線トランシーバー
１１８  インテリジェント・ノード入力端子
１２０  インテリジェント・ノード出力端子
１３０  光起電（ＰＶ）モジュール
１４４  コンセントレータ
１４８  エネルギー蓄積モジュール
１５０  充電器
２００  エリア
２０４  ゲートウェイ
３０２  中央サーバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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