CN102270865B

CN102270865B - 用于优化太阳能电功率的使用的方法和装置

Info

Publication number: CN102270865B
Application number: CN201110147331.4A
Authority: CN
Inventors: T.L.吉布森; N.A.凯莉; D.B.欧维尔克尔克
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2011-06-02
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2031-06-02
Also published as: US8525369B2; US20110297204A1; DE102011102595A1; CN102270865A

Abstract

本发明公开了一种用于优化太阳能电功率的使用的方法。确定过程和至少第二过程的操作电压。所述过程被选择性地连接到光伏阵列的一部分上，所述部分具有与所述过程的操作电压匹配的最大功率点电压。所述至少第二过程被选择性地连接到光伏阵列的相应至少第二部分上，所述第二部分具有与所述至少第二过程的操作电压匹配的最大功率点电压。所述光伏阵列具有可用电功率量，所述可用电功率量被分配给所述过程和所述至少第二过程。

Description

用于优化太阳能电功率的使用的方法和装置

技术领域

本发明总体上涉及太阳能光伏阵列。

背景技术

工业过程可以被电动驱动。用于过程的功率可以从电力网获取，但是还可以本地产生和存储。光伏电池从光捕获能量且将所述能量转换为电力。太阳能光伏阵列是配置成从太阳捕获光能且将所述能量转换为电力的光伏电池的阵列。光伏电池已经以模块的形式制造，其中，多个光伏电池在面板上以阵列设置。

发明内容

公开了一种用于优化太阳能电功率的使用的方法。根据所述方法，确定过程和至少第二过程的操作电压。所述过程被选择性地连接到光伏阵列的一部分上，所述部分具有与所述过程的操作电压匹配的最大功率点电压。所述至少第二过程被选择性地连接到光伏阵列的相应至少第二部分上，所述第二部分具有与所述至少第二过程的操作电压匹配的最大功率点电压。所述光伏阵列具有可用电功率量，所述可用电功率量被分配给所述过程和所述至少第二过程。

方案1. 一种用于优化太阳能电功率的使用的方法，包括：

确定过程和至少第二过程的操作电压；

将所述过程选择性地连接到光伏阵列的一部分上，所述部分具有与所述过程的操作电压匹配的最大功率点电压，所述光伏阵列具有可用电功率量；以及

将所述至少第二过程选择性地连接到光伏阵列的相应至少第二部分上，所述第二部分具有与所述至少第二过程的操作电压匹配的最大功率点电压；

其中，来自于所述阵列的所述可用电功率量被分配给所述过程和所述至少第二过程。

方案2. 根据方案1所述的方法，其中，所述选择性地连接的步骤中的每个还包括在所述阵列的电池之间电分接光伏阵列。

方案3. 根据方案1所述的方法，还包括：通过选择性地包括串联网络、并联网络或其组合形式的光伏电池导体来重构光伏阵列，以形成光伏阵列的所述部分和所述至少第二部分。

方案4. 根据方案1所述的方法，其中，所述过程是直流（DC）驱动过程。

方案5. 根据方案4所述的方法，其中，所述过程包括加热系统、照明系统或其组合。

方案6. 根据方案4所述的方法，其中，所述过程包括刷式DC马达。

方案7. 根据方案4所述的方法，其中，所述过程包括无刷式DC马达。

方案8. 根据方案1所述的方法，其中，所述至少第二过程中的最后一个包括从DC功率转换为交流（AC）功率。

方案9. 根据方案8所述的方法，其中，所述至少第二过程中的最后一个包括连接到电力网。

方案10. 根据方案8所述的方法，其中，所述至少第二过程中的最后一个包括连接到本地AC驱动过程。

方案11. 一种用于优化太阳能电功率的使用的系统，包括：

光伏阵列，所述光伏阵列具有可用功率量；

光伏阵列的一部分，所述部分具有最大功率点电压；

光伏阵列的至少第二部分，所述第二部分具有相应最大功率点电压；

电驱动负载，所述电驱动负载具有与光伏阵列的所述部分的最大功率点电压匹配的操作电压，且选择性地电连接到光伏阵列的所述部分；和

至少第二电驱动负载，所述至少第二电驱动负载具有与光伏阵列的所述至少第二部分的最大功率点电压匹配的相应操作电压，且选择性地电连接到光伏阵列的所述至少第二部分；

其中，来自于所述光伏阵列的所述可用电功率量被分配给所述电驱动负载和所述至少第二电驱动负载。

方案12. 根据方案11所述的优化太阳能功率的系统，还包括：在所述阵列的电池之间电分接光伏阵列。

方案13. 根据方案11所述的系统，还包括：通过选择性地包括串联网络、并联网络或其组合形式的光伏电池来重构光伏阵列，以形成光伏阵列的所述部分和所述至少第二部分。

方案14. 根据方案11所述的优化太阳能功率的系统，其中，所述电驱动负载被DC驱动。

方案15. 根据方案14所述的优化太阳能功率的系统，其中，所述电驱动负载包括加热系统、照明系统或其组合。

方案16. 根据方案14所述的优化太阳能功率的系统，其中，所述电驱动负载包括刷式DC马达。

方案17. 根据方案14所述的优化太阳能功率的系统，其中，所述电驱动负载包括无刷式DC马达。

方案18. 根据方案11所述的优化太阳能功率的系统，其中，所述至少第二电驱动负载中的最后一个包括DC-AC功率转换器。

方案19. 根据方案18所述的优化太阳能功率的系统，其中，所述至少第二电驱动负载中的最后一个包括连接到电力网。

方案20. 根据方案18所述的优化太阳能功率的系统，其中，所述至少第二电驱动负载中的最后一个包括连接到本地AC驱动负载。

附图说明

本发明示例的特征和优点将通过参照下面的详细描述和附图显而易见，在附图中相似的附图标记对应于类似（但可能不相同）的部件。为了简明起见，对于具有前面已描述功能的附图标记或特征，可能结合也可能不结合出现了这些附图标记或特征的其他附图进行描述。

图1是本发明的方法的示例的示意性过程流图；

图2是本发明的示例的示意性系统图；

图2A是DC驱动过程的示例的示意性系统图；

图3是示出了根据本发明示例的负载到光伏阵列的连接的示意图；

图4是示出了根据本发明示例的负载到光伏阵列的连接的示意图；

图5是示出了本发明示例中的系统连接的示意图；

图6是示出了根据本发明示例的光伏阵列的示意图；

图7是表示根据本发明示例的光伏阵列与负载功率、电流和电压之间的关系的曲线图；

图8是示出了在接通时的典型加热或照明负载的曲线图；

图9是示出了典型光伏模块的电流、电压和功率曲线的曲线图；

图10是示出了根据本发明示例的光伏阵列驱动的刷式DC马达驱动系统的电流、电压和功率曲线的曲线图；

图11是示出了连接到Avalence Hydrofiller碱性电解槽的Sanyo型号HIP-190BA3 PV阵列的示意图；

图12是示出了连接到PEM电解槽的20电池光伏阵列的示意图；

图13是示出了连接到开关面板的光伏阵列的光伏电池中的一些的示意图；和

图14是示出了串联、并联以及串联和并联组合连接的光伏阵列的光伏电池中的一些的示意图。

具体实施方式

现在参考图1、2和2A，公开了用于优化太阳能功率的方法10。方法10包括确定过程和至少第二过程的操作电压（在图1中以步骤12示出）。在一个示例中，所述过程可以是直流（DC）驱动过程22。例如，所述过程可包括加热系统24、照明系统30、或者其组合，如图2A所示。所述过程可包括刷式DC马达28和/或无刷式DC马达26。在图1所示的步骤14中，所述过程被选择性地连接到光伏阵列的一部分上，所述部分具有与所述过程的操作电压匹配的最大功率点电压。此外，所述至少第二过程被选择性地连接到光伏阵列的相应至少第二部分上，所述第二部分具有与所述至少第二过程的操作电压匹配的最大功率点电压（在图1的步骤16可以看出）。所述光伏阵列具有可用电功率量，来自于所述阵列的所述可用电功率量被分配给所述过程和所述第二过程以及随后过程（如果有的话）。

要理解的是，如本文使用的，光伏（PV）系统的最小电功率生成部件是PV电池。此外，本文使用的“PV模块”可包括多个PV电池。“PV阵列”可包括一个或多个PV模块、多个PV电池、或其组合。因而，PV模块是PV阵列，但是不是每个PV阵列都是PV模块。

图2是根据所公开方法的示例的工业应用中的PV阵列的示意图。图2示出了来自于PV阵列40的DC功率输出的分配的三个总体类别。第一，DC驱动过程22可直接连接到PV阵列40或（第二）连接到可再充电能量存储系统（RESS）44。DC驱动过程22所需的DC功率与PV阵列输出42或RESS输出46匹配。锂离子蓄电池是能量有效的RESS 44的一个示例，具有高能量密度每单位质量。铅酸蓄电池是RESS 44的另一个示例。图2所示的分配的第三类别包括来自于PV阵列40或RESS的DC功率，其可以通过正弦波逆变器48、48’且转换为可以用于驱动AC负载50的AC功率。转换的AC功率还可以通过上网计量装置（net metering）54供应给电力网52。

“直接连接”是来自于PV阵列40的DC功率输出的分配的总体类别。来自于PV阵列40的DC功率输出可以使用优化PV阵列40直接连接到负载，所述PV阵列40具有与DC驱动过程22匹配的最大功率点（MPP）电压，而不通过功率转换电子器件。DC驱动过程22的一些非限制性示例是计算机、加热元件、照明装置、DC马达和由DC电动马达驱动的机器，包括泵、压缩机、加热、通风和空气调节设备。

图9是示出了典型光伏模块的电流、电压和功率曲线的曲线图。功率-电压曲线56’示出了功率随着电压大致线性地增加，直到曲线接近功率-电压曲线56’的峰值58’处的最大功率点（MPP）。随着PV模块电压增加超过MPP，PV模块功率下降。图9中还示出了与对应于功率-电压曲线56’的相同PV模块相对应的电流-电压曲线54’。电流与电压大致线性地降低小的量，直到达到与MPP58’有关的电压。在电压高于与MPP相对应的电压时，电流随着电压增加而快速下降。

下文提供了将来自于PV阵列40的DC功率输出42与DC过程22匹配的示例。参考图7，PV阵列40具有在PV功率曲线56的峰值58处的最大功率点（MPP）。当相对于PV阵列电压考虑PV阵列功率时，PV阵列功率56将随着PV阵列电压增加，直到达到MPP。当PV阵列电压增加超过MPP时，PV阵列功率下降。图7中还示出了分别与PV阵列40和DC驱动过程22相对应的电流-电压曲线54、60。电流-电压曲线54、60的交点64大致在与MPP电压相对应的电压处。在图11和12所示的示例中，太阳能PV阵列与碱性和质子交换膜（PEM）电解槽的功率需求匹配。在图11所示的示例中，Sanyo型号HIP-190BA3 PV阵列80在其通常操作温度下(52°C)具有50.2伏DC的MPP电压。（Sanyo太阳能PV阵列的所有光伏电池串联连接。）Sanyo太阳能PV阵列连接到Avalence Hydrofiller碱性电解槽82，其通常使用49.8 V DC 电压操作。由于PV阵列80 MPP电压与负载（电解槽82）操作电压匹配，因而，PV电解槽系统84以10％的最大太阳能－氢燃料能量效率操作。该系统效率通过在PV和电解槽系统的操作条件下将太阳能－电功率效率（对于Sanyo HIP-190BA3 PV阵列来说是16%）乘以电解槽效率（60％电能－氢低热值（LHV））计算：

系统效率＝PV系统效率×电解槽效率

图12示出了与负载匹配的功率的另一个示例。具有直接PV阵列－负载连接86的20电池PV阵列81驱动的PEM电解槽系统85通过将20电池PV阵列81的最大功率点（MPP）电压（34伏）与PEM电解槽83的操作电压（33伏）匹配而优化。PV效率是16％，PEM电解槽效率是76％。通过使用上述系统效率方程，可以示出PV－电解槽组合达到12％的最大效率。

图2中示意性地示出的分配系统的第二总体类型包括将PV阵列40的DC输出42连接到RESS 44。将RESS 44与PV阵列40匹配可以通过上文用于其它负载的相同方法来完成。RESS 44中的蓄电池可以存储PV阵列输出，其可以随后用于驱动过程中使用的其它负载和设备。如果锂离子蓄电池用于RESS 44中，那么PV太阳能蓄电池充电的效率高于太阳能电解（上文所述），因为与在电解槽83中将电能转换为氢燃料能量的50－75％效率（如图12所示和上文所述）相比，充电和放电锂离子蓄电池的能量存储和恢复的效率是大约99％。

使用具有串联连接的蓄电池单元的A123系统磷酸铁类型型号AS400059-001锂离子蓄电池单元进行试验。当在其通常PV操作温度下(52°C)具有50.2伏DC的MPP电压的Sanyo型号HIP-190BA3 PV阵列直接连接到具有串联的15个蓄电池单元（49.5伏DC操作电压）的锂离子蓄电池模块时，试验显示，可恢复太阳能发电、存储和恢复的系统效率优化接近15％。“往返行程”（太阳能－蓄电池充电－电能）系统效率可以通过将操作条件下的PV太阳能－DC电能效率乘以充电效率（99％，蓄电池电荷除以能量输入）乘以放电效率（99％，蓄电池输出除以蓄电池电荷）计算，其中，三个独立效率中的每个通过电流和持续时间测量值试验确定：

系统效率＝PV系统效率（15）×蓄电池充电效率（99％）×蓄电池放电效率（99％）＝14.7％

图2中示意性示出的分配系统的第三总体类型包括使用正弦波逆变器48将来自于PV阵列40或RESS 44的DC功率转换为可以用于驱动AC负载50的AC功率。转换的AC功率还可以通过上网计量装置54供应给电力网52。

如图2示意性地示出的，PV阵列40可以有效地将功率供应给例如工业现场，从而满足所有现场功率需求。在太阳光可用时，DC功率对于DC驱动过程22来说可用。DC功率转换为用于现场处的AC负载的AC功率。此外，PV阵列40的DC输出42可用于给RESS 44充电。如果存在从PV阵列40可用的剩余功率，其可以通过AC功率的上网计量装置54“销售”给电力网52。在工业现场的功率需求超过PV阵列40和RESS 44的容量时的时间期间，来自于电力网52的功率可用于驱动AC负载50。如果从PV阵列40或RESS 44可用的DC功率不够，来自于电力网52的AC功率还可以通过AC-DC整流器60转换为DC功率，且用于驱动DC驱动负载22。

PV阵列40可用于驱动以功率负载范围操作的过程。例如，加热系统24可具有从低至高范围内的功率设置。马达28可具有例如低、中和高速度。如图10所示，刷式DC马达驱动系统所需的电流90、电压92和功率94可以随时间变化。图9示出了在接通时的DC加热和照明系统的功率94’和电压92’曲线。在该示例中，功率94’和电压92’曲线快速升高，但是在大约30秒内达到大致稳态。在另一个示例中，系统可具有需要不同输入操作电压的多个可选过程。为了将PV阵列产生的DC电流分配给具有能量效率和低净成本的功率负载，PV阵列40可以“分接”，使得PV阵列40的一部分连接以产生最高电压，在PV阵列40的该部分的最大功率点，其是最高功率设置的任何可选过程所需要的。

应当理解的是，“分接”是将PV阵列40的一部分连接到负载。PV阵列40的一部分可以是PV阵列40中包括的PV电池和/或PV模块的子组。

如图6示意性地所示，PV电池70可以串联连接，其中，总电压是所有PV电池70电压的总和。然而，如图5示意性地所示，不是使用串联的所有可用电池，可以在一对选定连接电池70之间形成电触头（分接头66），以仅仅从连接电池70的系列的一部分获取功率。电池70系列可以分成图4所示的电池70的多于一个系列，或者单个系列可以共用负载（如图3所示）。在图3所示的共用负载的情况下，网络计算可用于确定功率如何在负载之间分配。

图5示意性地示出了针对DC驱动负载22’优化的分接PV阵列的非限制性示例。在该示例中，Sanyo型号HIP-190BA3 PV模块中的一系列96硅电池（在52°C的典型操作温度下具有50伏的全MPP电压）可在电池75和76之间分接。在该示例中，从电池1开始连接到分接头66（电池75）的电压将是39伏。电压计算如下：每个电池具有0.52伏电压（50除以96），75个电池具有39伏（75×0.52v）。在该分接头66如上所述连接时PV阵列40产生的电压（39伏）可以用于驱动需要39伏操作电压的DC驱动负载22’。为了优化任何PV驱动过程的能量效率，分接头66可移动，使得最大功率点（MPP）电压与过程的操作电压匹配。PV阵列40中的其余PV电池70可连接到其它优化DC负载，使用逆变器48转换到电力网52且相对于电力网购买功率（上网计量装置）54买卖，或用于使用AC功率50驱动过程（如图2所示）。图5所示的21个剩余太阳能电池（在Sanyo HIP-190BA3 PV模块中可见）将产生11伏。然而，任何数量的PV电池70可以串联连接以产生用于过程的最有用DC电压，且使得剩余电池70驱动另一个DC过程或者转换为用于AC负载的AC功率。本地系统内不使用的任何PV功率可以发送到电力网52。

要理解的是，由PV阵列40产生的功率的有效使用可包括使得由于传输和转换功率而损失的总功率最小化。例如，当AC功率例如在公共电力网中传输经过长距离时，大量的电功率损失为热量。为了减少损失，公共事业公司以高电压传输功率，且然后在接近使用点的变压器中将电压降低。从高电压到低电压的转换具有与其有关的损失。如本文所公开的，本地产生的DC功率并不遭受远程产生的AC功率那么多的传输损失，且如果所产生功率与负载匹配，那么没有电压转换的要求，如本文所公开的那样。

还要理解的是，来自于PV阵列40的电功率的一部分可能与DC驱动过程22不匹配。与DC驱动过程22不匹配的来自于PV阵列40的电功率的该部分可转换为AC功率。来自于DC-AC转换的功率可连接到本地AC驱动过程50或者电力网52。本地AC驱动过程50可包括例如计算机、照明装置、AC马达等。DC-AC转换功率还可以与电力网52’同步且引入电力网52’，从而服务大的公众。在另一个示例中，DC-AC转换功率可与本地电力网52’同步且引入本地电力网52’。本地电力网52’的非限制性示例可以是用于军事部署医疗系统（DEPMEDS）医院的电力网。

PV阵列40可以通过选择性地包括串联网络76、并联网络77或其组合78形式的PV电池70导体36而重构，以形成PV阵列40的一部分和至少第二部分。通过示例的方式，从每个PV电池70的正侧38导向负侧39的导体36可以通过连接器72（如图6所示）连接到相邻PV电池70。如图13所示，导体36可导向开关面板79，其中，导体36可便利地通过手动或者通过自动开关装置（未示出）连接。连接器72可以是例如可拆卸跳接器。通过选择性地包括或拆卸连接器72，PV阵列40可配置成在期望网络中具有期望数量的PV电池70。

现在参考图14，PV电池70可并联77连接，从而增加可用电流；可串联76连接，从而增加可用电压；或者以并联和串联连接的组合可以产生电流和电压的期望组合。要理解的是，重构可以通过手动或者通过自动开关装置（未示出）进行。

要理解的是，PV阵列40可包括处于单个PV模块中的多个PV电池70（例如，Sanyo型号HIP-190BA3）。PV阵列40还可包括电连接的多个PV模块以匹配电流和电压负载，如本文所公开的那样。还要理解的是，可期望配置PV阵列40，使得阵列40的PV电池70中的一个或多个可以从负载断开且作为备用或更换功率源保持可用。如果阵列40中的一个或多个PV电池70不产生指定界限内的功率，那么阵列40可以配置成连接备用PV电池70，取代规定之外的PV电池70，从而保持PV阵列40的性能以产生与负载匹配的功率。在另一个示例中，备用PV电池70可连接到老化马达（图2A中的26、28），其需要比新的马达26、28更多的电压和/或电流以产生相同量的扭矩。

虽然已经详细描述了多个示例，但本领域技术人员将明白所公开的示例可被修改。因此，前面的描述应当被看作是示例性的而非限制性的。

Claims

1.一种用于优化太阳能电功率的使用的方法，包括：

确定第一过程和至少第二过程的操作电压；

将所述第一过程选择性地连接到光伏阵列的一部分上，所述部分具有与所述第一过程的操作电压匹配的最大功率点电压，所述光伏阵列具有可用电功率量；以及

其中，来自于所述阵列的所述可用电功率量被分配给所述第一过程和所述至少第二过程。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述选择性地连接的步骤中的每个还包括在所述阵列的电池之间电分接光伏阵列。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：通过选择性地包括串联网络、并联网络或其组合形式的光伏电池导体来重构光伏阵列，以形成光伏阵列的所述部分和所述至少第二部分。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一过程是直流驱动过程。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一过程包括加热系统、照明系统或其组合。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一过程包括刷式直流马达。

7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一过程包括无刷式直流马达。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少第二过程中的最后一个包括从直流功率转换为交流功率。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述至少第二过程中的最后一个包括连接到电力网。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述至少第二过程中的最后一个包括连接到本地交流驱动过程。