CN101022258B - 用于光电系统的太阳能模块 - Google Patents

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Abstract

这里提供了一种用于光电系统的、具有至少一个太阳能电池的太阳能模块(10)。为了当太阳能模块被遮蔽或者出现故障时减小所述太阳能模块的功率损耗，一个半导体切换元件(T1)与该太阳能模块(10)并联连接，还提供了驱动电子器件(14)，该驱动电子器件在太阳能模块(10)产生功率时关断半导体切换元件(T1)，否则的话，将半导体切换元件切换至低阻抗，以桥接太阳能模块(10)。

Description

用于光电系统的太阳能模块
技术领域
本发明涉及一种用于光电系统的、具有至少一个太阳能电池的太阳能模块。
背景技术
光电系统通常包括串联连接以形成所谓“组列(string)”的多个太阳能模块。这些太阳能模块通常包含多个太阳能电池。所述的一个或多个组列以正确的相位和正确的电压给一个逆变器供电，该逆变器将太阳能模块的能量提供给AC电源系统或负载。
如所附的图1中所示，由串联连接的太阳能电池12所组成的太阳能模块10分别与一个旁路二极管D桥接。在太阳照射的情况下，也就是说当太阳能模块10产生功率时，旁路二极管D被反向偏置，因此不会影响太阳能模块的功能。如果一个组列中的一个太阳能模块暂时被遮蔽，则这个太阳能模块10就不再产生电压，并且旁路二极管D接受来自该组列中其余太阳能模块的组列电流。被遮蔽的太阳能模块受到保护，并保持了组列的功能。在太阳能电池板12发生故障的情况下，旁路二极管D以类似的方式工作，并保持了其余组列的功能。例如，DE 8815963 U1中披露了太阳能模块的这种设计。
在DE 8815963 U1中所描述的太阳能模块的情况下，发光二极管形式的指示元件或移动线圈式装置也与该太阳能模块并联连接，所述指示元件指示出流经旁路二极管的电流，从而可以检测到被遮蔽的或者存在故障的太阳能模块。
DE 202005001044 U1中公开了具有串联连接的太阳能模块的多个组列，在每个组列的下行方向上连接了一个指示单元，所述指示单元利用发光二极管来指示相关的组列是否在提供功率。
以上所述的具有与其并联连接的旁路二极管的太阳能模块的一个缺点在于，这些旁路二极管在有电流流过时会产生相对较高的功率损失。例如，如果5A的组列电流流过这种前向电压为1V的旁路二极管时，5W的功率将在该旁路二极管中转换为热能。一方面，能量在这种系统中损失掉，不能再馈入到逆变器中；另一方面，旁路二极管变热并加热周围的环境，因此相邻的太阳能电池可能被损坏。
发明内容
因此，本发明所基于的目的是进一步开发前面所提到的类型的太阳能模块，使得在太阳能模块被遮蔽或者存在故障的情况下，其功率损耗与常规太阳能模块相比要小。
这一目的是通过具有以下所述特征的光电系统来实现的。
根据本发明，提供了一种光电系统，包括由多个串联连接的太阳能模块所组成的组列，每个太阳能模块具有至少一个太阳能电池；多个半导体切换元件，每个半导体切换元件与所述太阳能模块中的一个相应的太阳能模块并联连接；以及多个驱动电子器件，每个驱动电子器件在所述太阳能模块中的一个相应的太阳能模块产生功率期间关断所述半导体切换元件中的一个相应的半导体切换元件，否则的话，当所述太阳能模块中的所述一个相应的太阳能模块由于被遮蔽不产生功率时，将所述半导体切换元件中的所述一个相应的半导体切换元件切换至低阻抗，以桥接所述太阳能模块中的所述一个相应的太阳能模块，其中所述多个串联连接的太阳能模块与所述多个半导体切换元件和多个半导体切换元件是一一对应的。
用可驱动的半导体切换元件来代替常规太阳能模块的、与太阳能模块并联连接的旁路二极管，其中所述半导体切换元件在开启状态具有低阻抗，特别是在太阳能模块被遮蔽或者存在故障时具有比旁路二极管低得多的阻抗，显著降低了太阳能模块的功率损耗，并降低了发热。也就是说，太阳能模块或者包含多个这种太阳能模块的组列可将更多的能量提供给逆变器。
在本发明的一个优选实施例中，半导体切换元件由MOSFET晶体管、特别是功率MOSFET晶体管构成。由于在其结构内集成了一个可有效用作旁路二极管的并联二极管，因此MOSFET晶体管的使用是特别有利的。在半导体切换元件的晶体管功能出现错误的情况下，旁路二极管的功能因此可仍然存在，这样虽然有常规太阳能模块的缺点，但该太阳能模块仍然保持工作。
在本发明的一种实施方式中，由一个二极管和一个电容器组成的串联电路与太阳能模块并联连接，其中该电容器在太阳照射的情况下由该太阳能模块经由二极管进行充电，否则的话，向驱动电子器件馈电。
驱动电子器件可包括一个多重振荡器，其输出信号在太阳能模块产生功率时被短路。作为替代，驱动电子器件也可由一个集成电路构成。
在本发明的另一种实施方式中，驱动电子器件产生一个具有短脉冲间隔的脉冲控制信号，这样，在短脉冲间隔所产生的时间窗内，太阳能模块可分别回到半导体切换元件关闭时正常的工作方式。
附图说明
本发明的上述特征和优点以及本发明的其它特征和优点将通过下面参照附图所描述的优选的非局限性的示例性实施例而更易于理解，其中：
图1示出了根据现有技术的两个串联连接的太阳能模块的简图；
图2示出了根据本发明的一种优选的示例性实施例的太阳能模块的简化方框图；
图3示出了图2中太阳能模块的驱动电子器件产生的输出信号的时序图；
图4示出了具有所述示例性驱动电子器件的具体设计的图2中太阳能模块的方框图。
具体实施方式
首先将参照图1和图2来描述根据本发明的用于光电系统的太阳能模块的基本设计和基本操作方法。然后将参照图4详细阐述这种太阳能模块的驱动电子器件的示例性实施例。
例如，如下面更详细地描述的太阳能模块被用于具有一个或多个组列的光电系统中，其中所述组列包含多个串联连接的这种类型的太阳能模块。这些组列为一个逆变器馈电，该逆变器以正确的相位和正确的电压将太阳能模块所产生的电能提供给一个AC电源系统，或者直接提供给负载。
参照图2，太阳能模块10包括多个太阳能电池12，以及一个与所述模块并联连接的半导体切换元件T1。该半导体切换元件T1最好是一个MOSFET晶体管，特别是功率MOSFET晶体管，以及一个集成到所述晶体管的结构内、可用作旁路二极管的二极管(如图2的等效电路图中所示)。即使在MOSFET晶体管T1的晶体管功能出现故障的情况下，这个二极管仍然能够以类似于常规太阳能模块的方式确保太阳能模块10的功能(例如参见图1)。
驱动电子器件14被分配给半导体切换元件T1。这些驱动电子器件14从一个电容器C1接收其供电电压，所述电容器例如是与太阳能模块10并联连接的电解电容。在太阳照射的情况下，电容器C1由太阳能模块10经由一个二极管D1进行充电，该二极管为此与太阳能模块10并联连接，并与电容器C1串联连接，且该二极管D1在太阳照射的情况下被前向偏置。例如，如果太阳能模块10由于被遮蔽而被关断，那么二极管D1变为相反方向，并将电容器C1从太阳能模块10的电压断开。
驱动电子器件14被设计为对于非常小的功率消耗来说具有高阻抗。这些驱动电子器件产生的输出信号UD作为控制信号被施加到半导体切换元件T1的控制电极，该控制信号的时间特性如图3所示。但是，当太阳能模块10产生功率时，驱动电子器件14的电压图样被抑制，即UD＝0V，使半导体切换元件T1保持关断。
在太阳能模块10被遮蔽或者存在故障的情况下，通过图3的例子所示的电压图样被施加到半导体切换元件T1。特别地，电压图样UD包含在彼此之间具有短脉冲间隔15的周期性控制脉冲。在脉冲持续时间16期间，半导体切换元件T1开启，使得太阳能模块10至少在一个脉冲持续时间内被桥接。在这种情况下，半导体切换元件T1的开启状态具有比通常使用的旁路二极管D(见图1)低得多的阻抗。在短脉冲间隔期间，集成在半导体切换元件T1内的(旁路)二极管接受组列电流。如果太阳能模块10被再次照射并产生功率，则由驱动电子器件14所产生的控制脉冲在脉冲间隔开始处再次被抑制，使得太阳能模块10可再次恢复其正常功能。如果太阳能模块10存在故障，则半导体切换元件T1仍然通过驱动电子器件14利用图2中所示的输出信号UD连续地驱动。
驱动电子器件14例如可包括一个在图4作为例子示出的多重振荡器，或者也可以采取集成电路的形式。
参照图4，具体来说，驱动电子器件14包括一个以非稳态多重振荡器的形式连接的运算放大器OP，其工作电压由上面提到的电容器C1提供。来自运算放大器OP的输出信号UD经由一个电阻器R3被提供给MOSFET晶体管的栅极引线。运算放大器OP的非反相输入端被连接到一个由两个电阻器R7和R8构成、并与电容器C1并联连接的分压器的中央抽头，运算放大器OP的输出端经由一个电阻器R6反馈到其非反相输入端。
运算放大器OP的反相输入端经由一个电容器C2连接到其工作电压的基极电位。运算放大器OP的输出端还经由一个并联电路反馈到其反相输入端，其中该并联电路一方面包括由前向偏置的二极管D2和电阻器R5组成的第一串联电路，另一方面包括由反向偏置的二极管D3和电阻器R4组成的第二串联电路。
如上所述设计的驱动电子器件14在运算放大器OP的输出端产生如图3所示的电压图样UD并被施加到如上所阐述的半导体切换元件T1。控制脉冲的持续时间以及电压图样UD的脉冲间隔的持续时间可以利用二极管D2、D3以及电阻器R4、R5彼此无关地进行设置。
例如，如果选择0.1Hz作为多重振荡器的振荡频率，那么控制脉冲的持续时间例如可选为9.9秒，脉冲间隔的持续时间例如可选为0.1秒。当太阳能模块10已经被遮蔽之后，每隔10秒就产生一个0.1秒的时间窗，则太阳能模块10能够在所述的时间窗内在组列中再次恢复到其正常功能。
当太阳能模块10产生功率时，运算放大器OP的输出信号UD被抑制，使得MOSFET晶体管T1保持关断。这通过以下电路来实现。
驱动电子器件14还包括一个晶体管T2，其集电极连接到运算放大器OP的输出端以及连接到MOSFET晶体管T1的栅极引线，并且这个晶体管的发射极连接到运算放大器OP的工作电压的基极电位。晶体管T2的基极连接到由两个与半导体切换元件T1并联连接的电阻器R1和R2构成的分压器的中央抽头。
当太阳能模块10产生功率时，也就是说既没有被遮蔽也不存在故障，晶体管T2经由R1和R2所构成的分压器被开启。这样，MOSFET晶体管T1的栅极引线就处于其源电位，其结果是MOSFET晶体管T1关断。在这种工作状态下，MOSFET晶体管T1的二极管也关断，而电容C1经由二极管D1进行充电。
例如，如果太阳能模块10被遮蔽而不产生任何功率，则晶体管T2关断，其结果是运算放大器OP的输出信号UD被施加到MOSFET晶体管T1的栅极引线。如上所述，MOSFET晶体管T1在控制脉冲期间开启并具有低阻抗，在该工作状态下在脉冲间隔期间仅通过集成的二极管被开启。

Claims (7)

1.一种光电系统，包括
由多个串联连接的太阳能模块(10)所组成的组列，每个太阳能模块具有至少一个太阳能电池(12)；
多个半导体切换元件(T1)，每个半导体切换元件与所述太阳能模块(10)中的一个相应的太阳能模块并联连接；以及
多个驱动电子器件(14)，每个驱动电子器件在所述太阳能模块(10)中的一个相应的太阳能模块产生功率期间关断所述半导体切换元件(T1)中的一个相应的半导体切换元件，否则的话，当所述太阳能模块(10)中的所述一个相应的太阳能模块由于被遮蔽不产生功率时，将所述半导体切换元件中的所述一个相应的半导体切换元件切换至低阻抗，以桥接所述太阳能模块(10)中的所述一个相应的太阳能模块，
其中所述多个串联连接的太阳能模块与所述多个半导体切换元件和多个驱动电子器件分别是一一对应的。
2.根据权利要求1的光电系统，其特征在于
半导体切换元件(T1)由MOSFET晶体管形成。
3.根据权利要求1或2的光电系统，其特征在于
由一个二极管(D1)和一个电容器(C1)组成的串联电路与太阳能模块(10)并联连接，其中所述电容器(C1)在太阳能模块(10)产生功率时经由所述二极管(D1)通过太阳能模块(10)进行充电，否则的话，向驱动电子器件(14)馈电。
4.根据权利要求1的光电系统，其特征在于
驱动电子器件(14)包括一个多重振荡器，所述多重振荡器的输出信号(UD)在太阳能模块(10)产生功率时被短路。
5.根据权利要求1的光电系统，其特征在于
驱动电子器件(14)包括一个集成电路。
6.根据权利要求1的光电系统，其特征在于
驱动电子器件(14)产生一个具有短脉冲间隔的脉冲控制信号。
7.根据权利要求1所述的光电系统，其中当所述太阳能模块中的所述一个相应的太阳能模块存在故障时，每个驱动电子器件也将所述半导体切换元件中的所述一个相应的半导体切换元件切换至低阻抗，以桥接所述太阳能模块(10)中的所述一个相应的太阳能模块。
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