无线通信对太阳能行业变革的影响

来源：Digikey
作者： Radiocrafts

数十年来，Radiocrafts 一直为来自世界各地的客户提供太阳光跟踪、逆变器监控、储能项目等服务，在太阳能行业积累了丰富的经验。尽管我们为物联网的各个领域提供无线射频解决方案，但早在几年前就出现了一个明显的趋势。越来越多的客户向我们寻求与太阳能应用相关的解决方案。认识到这一趋势的重要性，我们决定切实加深我们对太阳能行业的了解。

因此，我们决定参加德国慕尼黑太阳能光伏展览会 (Intersolar Europe)、美国太阳能技术展览会 (Intersolar US)、美国国际太阳能展览会 (RE+) 和其他太阳能相关展览会，积极参与太阳能行业的变革。这些活动为我们提供了与太阳能行业现有客户和新潜在客户互动的宝贵机会。我们致力于了解太阳能行业，我们将要展示的大部分见解和资讯都是通过不断努力深耕这一特定细分领域而获得的。

因此，在这篇博客中，我们将深入探讨太阳能行业。我们首先会定义太阳能行业的构成，探索行业趋势，探讨为太阳能设施供电所必需的各种设备，并引申至每种设备在系统中发挥的作用。我们还会比较有线解决方案与无线替代方案，讨论为太阳能领域量身定制的无线解决方案，最后重点介绍 Radiocrafts 的 RIIM 网状网络解决方案，该解决方案支持多种针对太阳能行业需求进行优化的市场领先功能。

什么是太阳能行业？

太阳能行业包含三个截然不同但同等重要的细分领域：


（图片来源：Radiocrafts）

首先，我们将重点介绍庞大的公用事业级设施。这些设施由大量太阳能板阵列组成，板数量通常达数千块。这些太阳能板配有太阳追踪器，确保全天精确追踪太阳以获得最佳角度。通常，这些设施安装在开阔的田野和沙漠环境。

第二个细分领域是中型设施，这些设施仍然很大，但不如沙漠中的公用事业级设施那么庞大。这些系统通常安装于屋顶上，分为屋顶设施和工业设施两类。

最后，我们介绍住宅设施细分领域，这类设施通常由屋顶配备太阳能板的单个家庭或多户家庭构成。一些配置还可能包括储能和电动汽车充电系统。

值得注意的是，这些系统之间的差异受到电网导则的影响，电网导则规定它们如何与公共电网互动。大型设施遵守更严格的要求，这些要求规定了它们应如何向电网馈电和调节输出以防止电网过载。在比较这些不同的系统时，了解这些区别至关重要。

还有一点值得一提，目前有些欧盟法规要求在某些新建筑施工项目中集成太阳能设施。预计这一要求将大幅增加安装数量，特别是在屋顶和住宅设施领域。

目前太阳能行业的趋势是什么？

太阳能行业是否存在明显的趋势？我们是否正在见证向住宅和小型设施的转变，或者上面提及的各个细分领域是否都在增长？

当然，我们可以看到所有这些细分领域都有增长。

尽管为了满足射频技术规范，要求和系统配置方面略有不同，但总体而言，我们注意到上述各个细分领域都有稳定的使用率。

太阳能设施中包含哪些类型的设备以及它们在系统中起什么作用？

太阳能设施中有很多通用设备，但在不同细分领域内，包括哪些组件存在差异。


（图片来源：Radiocrafts）

太阳能板是太阳能设施的核心，它们通常串联在一起，通过一种称为直流汇流箱的设备传输直流电压。直流汇流箱汇集来自互连太阳能板的直流电压，升压到更高水平后将其输送到逆变器。在公用事业级设施中，直流汇流箱通过检测太阳能板随着时间推移可能出现的物理退化，在监控太阳能板方面发挥着至关重要的作用。

在某些配置中，太阳能板可以直接向逆变器提供直流电压，实现结构灵活性。

随后，逆变器将直流电压转换为交流电网电压，然后通过电表传输到电网。

太阳能设施中的另一个重要组件是发电厂控制器或数据记录器。在配备众多逆变器和直流汇流箱的大型设施中，该设备通常称为发电厂控制器。其主要功能是向逆变器传输控制指令，使其能够根据电网要求调整输出。

在小型设施中，该设备通常称为数据记录器，主要用于记录逆变器产生的电量数据并检测其中的任何故障。

在大型设施中，通常有一个将电网运营商与发电厂控制器关联起来的连接或 API。这样，公用事业电网运营商就能够向发电厂控制器发送指令，以便根据电网要求调整逆变器输出。例如，如果发电量过剩，电网运营商可能会指示发电厂控制器减少逆变器的输出。这种通信通常要求超低延迟，以确保对逆变器进行实时调节并防止由于电流过大而导致潜在的电网过载。

大型设施中通常还会存在各种其他设备，包括气象站、优化面板朝向太阳角度的太阳追踪器、确保追踪器确实在相应移动的追踪器角度监测设备，以及用于测量入射阳光强度的光强计。

储能装置在太阳能设施中也发挥着重要作用，各种规模的设施中都集成了电池组。

在住宅和屋顶配置中，采用电动汽车充电站可实现对电动汽车充电的支持。能源管理器是住宅太阳能配置中不可或缺的组成部分，它根据当地的能源生产情况和电网能源定价来监控能源消耗。能源管理器优化本地负载的运行，使之对应能源成本最低的时间段，例如白天太阳能发电高峰期。

总之，太阳能设施组成了一个具有各种通信功能的复杂物联网系统。

有线还是无线解决方案？

如今，在大型设施中，有线解决方案是常态，涉及由光纤环路网络和数公里线缆构成的复杂网络，其中包括埋在地下的电缆、RS485 电缆和光纤电缆。然而，无线技术正在赢得青睐，为这些装置带来了诸多好处。

有线连接存在易受雷击和接地回路影响等难题，如果连接多个设备的线缆发生故障，通信可能会中断。此外，线缆更换和修复过程需要大量人力，成本高昂。

鉴于认识到这些挑战，人们对无线解决方案的兴趣日益浓厚，因为它们可以显著节省成本并具有安装灵活性。传统的有线方法通常需要几天时间和大量人力才能完成，而无线替代方案则可以快速、轻松地进行安装并具有良好的适应性。这些优势促使无线解决方案越来越多地被采用，特别是在对无缝、高效系统部署的需求不断增长的情况下。

哪些无线技术适合太阳能设施？

目前有多种无线技术可供选择，每种技术均针对我们前面讨论的三种不同太阳能细分领域的特定需求，以及每个细分领域中实现高效设施运行所需的各种设备量身定制，因此要求也各不相同。

关键要求之一是需要长距离。以住宅设施细分领域为例，系统可能包括直接与房屋屋顶太阳能板连接的微逆变器。控制器很可能位于房屋内部，而混凝土墙壁会造成干扰，从而带来通信挑战。同样，在非住宅屋顶设施中，与屋顶逆变器的有效通信会带来距离问题，因为控制器位于建筑物的下面几层。在涵盖数公里的大型公用事业设施中，与每个追踪器和直流汇流箱实现长距离通信至关重要。


（图片来源：Radiocrafts）

为了解决这类距离问题，我们发现相较于 2.4 GHz 技术，Sub-GHz 无线电通信可提供更优越的解决方案，因为 Sub-GHz 技术具有更强的穿透性和抗干扰性。此外，一些情况下，太阳能板或逆变器位于同一网络内，但分步在多个屋顶上，这时就需要多跳网状网络解决方案来确保可扩展性。

事实证明，将 Sub-GHz 和网状网络技术整合，对于上述三种类型的太阳能设施都非常有效。

下图显示了 Sub-GHz 网状网络技术的另一个优势。图中，发电厂控制器与一个屋顶逆变器通信，接着该屋顶逆变器充当路由器，转接与其他逆变器的通信。在这种太阳能配置中，长距离至关重要。

然而，还需要注意，延迟要求是一个与距离相矛盾的考虑因素。对于延迟敏感型设备，必须谨慎留意通信设备。


（图片来源：Radiocrafts）

例如，在监测气象站时，不需要每毫秒都收集数据，因为天气状况通常不会变动那么快。然而，有些情况下需要快速调整（例如减少电网的电压输入），这时需要近乎实时的通信，尤其是在同时管理多个逆变器时。

Radiocrafts 面向太阳能设施的 RIIM 网状网络技术

Radiocrafts 提供长距离、低延迟 Sub-GHz 网状网络解决方案 RIIM，非常适合上述所有三种太阳能设施细分领域。

使用 RIIM，用户可以灵活地定制各种改装，以适应不同的太阳能设施系统。例如，一些用户可能优先考虑快速并网时间，而其他用户可能优先考虑低延迟或在单个网络中部署多台设备的能力。这些要求都可以在网络设置中进行微调和先后排序。此外，我们还为客户的具体开发提供广泛支持，这意味着，如果客户希望获得标准产品之外的其他功能，我们可以支持这些要求。

除了上述距离和延迟问题，可靠性也是一个重要的考虑因素。虽然线缆往往很可靠，但它们容易磨损，可能导致线缆断裂和连接器扎堆等问题。相比之下，无线通信存在数据包丢失的可能性。为缓解这一挑战，RIIM 采用了“时隙信道跳变 (TSCH)”等先进技术。TSCH 是一种协议，允许数据包在同步时间表中跨不同的频率和时隙传输。TSCH 是一种举世闻名的跳频系统，其性能极其出色，能够在系统内实现 99.99% 或更高的数据传输可靠性。

数据吞吐量也是太阳能系统设计中的一个重要考虑因素。每个设备产生的数据量千差万别。例如，气象站产生的数据相对较少，而太阳能逆变器可以产生大量数据。系统设计决策需要考虑逆变器或太阳能板的本地处理能力、数据过滤和压缩。最终目标是在设备之间高效传输一定数量的数据。例如，如果网络主要传输警报，则低延迟至关重要，但流量始终较低。然而，如果每个设备每秒产生数百比特的数据，则可能会因流量过大发生拥塞。

解决这种延迟问题是 RIIM 网络设计的一个关键方面，特别是对于高吞吐量网络。在欧盟，占空比限制带来了挑战。就其背景而言，根据 RED 指令，您只能在 1% 的时间内传输数据。这种限制对高吞吐量系统产生了严重影响。例如，使用 LoRaWAN 网络时，长距离数据包传输需要每个数据包之间等待 10 分钟，以符合占空比规则。RIIM 利用跳频来解决这一挑战，允许使用多个无线电信道发送数据。此外，RIIM 支持自适应频率捷变功能，以识别有噪信道并将它们从跳频列表中排除，确保系统仅使用最佳无线电信道发送数据。此外，RIIM 在发送数据包时采用了通话前倾听 (LBT) 技术。这些功能组合起来称为礼貌频谱接入，根据 RED 指令和欧盟标准，它允许在高达 37% 的时间进行数据传输。这种组合可以实现高吞吐量网络，同时最大限度地减少流量拥塞和数据包丢失。


（图片来源：Radiocrafts）

此外，RIIM 的稳健性可以有效地管理在单个无线电信道内运行的其他协议（例如 Sigfox 或 LoRa 基站）产生的噪声干扰。如果在某条特定信道中检测到明显的噪声，RIIM 可以灵活地选择不使用该信道。

此外，RIIM 架构非常适合可扩展场景，涉及公用事业级设施中的多个并行网络。例如，在可能装有多达 10,000 块太阳能板的大型设施中，将它们全部连接到单个网络是不切实际的。然而，需要一种解决方案，支持多个网络并行运行且通常相距较近的情况。如果所有这些网络都在同一条无线电信道上运行，相互之间就会产生严重干扰。我们遇到过这样的情况：使用单条信道系统的客户在扩展网络时面临严重的干扰问题。然而，RIIM 支持跳频和独有的同步方法，确保网络自动避免干扰。这种固有功能可缓解可扩展性问题，且无需客户干预。

获得什么启示？

在我们努力应对全球变暖的过程中，可再生能源的需求不断高涨。太阳能行业在追求更可持续的发电和生活方式方面一马当先。从沙漠地区数十万块太阳能板和逆变器的大规模部署，到我们社区中的各个家庭，社会中的各行各业都在推动太阳能运动方面发挥着重要作用。

太阳能行业的每个领域都依赖各种设备和装置来建立高效的太阳能设施。这些设备包括发电厂控制器、逆变器、电度表、电动汽车充电站、储能系统等。此外，随着太阳能行业的发展，无线解决方案逐渐成为有线解决方案的一种经济有效的替代方案。有线解决方案通常会产生大量维护、安装和人工成本。

Radiocrafts 的 Sub-GHz 网状网络技术 RIIM 是专为太阳能行业量身定制的领先无线解决方案。RIIM 提供一系列优势，包括通过其多跳网状网络架构实现长距离通信、低延迟以及信道跳变功能，从而提供超高可靠性。此外，得益于自适应频率捷变和通话前侦听功能，RIIM 支持高数据吞吐量，这使其非常适合在噪声环境中运行。