太陽能安全疑慮升溫　MEMS加速計巧妙化解

2012-01-02

Francesco Doddo/Roberto Condorelli/Roberto De Nuccio

太陽能發電系統日益受到重視的同時，裝置布建地點的安全與竊盜問題也越來越被突顯。透過MEMS加速度計，除了可隨時偵測位於地震帶或颶風區對太陽能發電系統造成的損害外，還可進一步偵測太陽能板的傾斜角度，判斷是否遭到外力搬動。

由於太陽能發電的優點已得到廣泛認可，因此太陽能光電(PV)面板越來越受到市場的青睞。然而，自太陽能發電問世以來，安全和保安(Safety & Security)就一直是光電產業關注的問題。因此，在微機電系統(MEMS)技術成熟後，已有廠商將MEMS感測器應用到太陽能發電系統中，滿足其安全要求。

太陽能發電系統的布建須考慮環境及防盜的問題，以下將以住宅逆變器、戶外電線杆逆變器與太陽能路燈為例，說明MEMS元件可為太陽能發電系統帶來的優勢。

MEMS用於振動分析

在地震帶安裝太陽能發電系統時必須考慮地震力，而當系統安裝在颶風區時則須考慮強風所引起的振盪現象。

圖1　STEVAL-MKI022V1評估板

併聯型發電系統如住宅逆變器、戶外電線杆逆變器、太陽能路燈，在發生地震或颶風期間，會因火災、電弧(Arc Generation)及觸電，而提高危險事故發生的機率，因此每一個太陽能系統應切斷與電網的連結。另外，獨立型系統(Off-grid System)，如電池供電的太陽能發光二極體(LED)路燈，在發生地震時應以最大功率發揮緊急照明的作用，確保居民的生命安全和避免造成恐慌。

在這兩種情況中，MEMS加速度計成為監控因地震或強風引起太陽能面板振動的有效工具。圖1為STEVAL-MKI022V1評估板；該開發板裝有一個三軸±8g智慧型數位加速度計，具備睡眠喚醒、中斷功能及低功耗模式，讓目標應用能夠快速且高效地偵測並分析振動。圖2和圖3所示是快速傅立葉轉換(FFT)計算結果和沿加速度計三軸方向的瞬間加速曲線。

圖2　FFT分析

圖3　瞬時加速度曲線圖

在典型的振動分析應用中，加速度計被設置成低功耗模式，如果在被啟動的軸上發生預設的加速事件，該元件能夠產生慣性喚醒中斷訊息，由於內建睡眠喚醒功能和低功耗模式，因此即便正處於睡眠模式下，加速度計仍能偵測到加速度事件並產生中斷請求。

當任何一個軸向的加速度事件超過用戶預設的臨界值時，睡眠喚醒功能就會被觸動，且一旦偵測到中斷事件，加速度計也會立即自動喚醒，從而提高輸出數據速率和頻寬。透過這個功能，系統能夠根據用戶選擇的位置和加速度事件，有效地從低功耗模式轉換到正常工作模式。准許用戶設置位置和加速度參數有助於提高省電特性和應用靈活性。

根據目標應用所要求的複雜程度，電路板上的SPI總線介面可把加速度數據送到主微控制器(MCU)，如意法半導體(STMicroelectronics)的32位元或8位元低功耗微控制器。

利用傾斜偵測提高防盜效果

為避免盜竊事件發生，如太陽能電線杆或太陽能發電廠等設置在偏遠地方的太陽能系統對防盜系統的需求較大。使用MEMS加速度計進行傾斜度偵測，可以偵測安裝角度的變化，從而確定太陽能面板的安裝位置變化(圖4a～c)。

圖4　圖a為傾斜度測量，b和c為太陽能面板被盜或檢修過程中，安裝角度會發生的變化示意。

同樣地，傾斜度偵測可協助系統了解太陽能面板是否被從原來的位置拆下，例如進行維修保養，這個訊息可使系統進入安全條件，例如透過線路的電子開關。

加速度計測量重力加速度(Gravity Vector)在感測軸上的投影，用感測軸和水平面之間的角度α的正弦函數表示偵測到的加速度的幅度變化。如果選擇採用三軸加速度計，用戶可用Z軸配合X軸和Y軸進行傾斜度偵測，提高360度旋轉動作的偵測精密度和靈敏度(圖5)圖6a和b所示，是利用STEVAL-MKI022V1評估板和相關的繪圖用戶介面進行傾斜度偵測的範例。