CN102598287B - 太阳能模组的旁路保护电路以及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种太阳能模组的旁路和保护电路包括连接太阳能模组(130)的输入端(102、104)、输出端(106、108)、与所述输出端(106、108)并联的旁路元件(112)以及连接在输入端和输出端之间的、设置用于控制输入端和输出端之间的连接的隔离元件(110)。所述隔离元件(110)根据与电路(100)相连的太阳能模组(130)是否被完全或者部分被遮蔽，或者根据与电路(100)相连的太阳能模组(130)是否被关闭，而控制输入端(102、104)和输出端(106、108)之间的连接。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能技术领域，尤其是涉及一种太阳能模组的旁路和保护电路以及一种控制被旁路元件所旁路的太阳能模组的方法。
背景技术
在太阳能模组的运行中存在多种不同的状态，其中太阳能模组不在其最优工作点上运行，或者因为内部或外部的因素导致太阳能模组损坏。另外，还存在太阳能模组会危害环境的情况。
在太阳能电池串联连接情况下，在非均匀性照射/部分遮挡的情况下，或甚至在太阳能电池具有不同特性的情况下，尤其是短路电流出现的情况下，问题在于，一方面，出现问题电池决定了整个电路的电流，另一方面，所述电池上的电压是反向的，即这些电池变为负载，而且在最坏的情况下，这些电池会损坏。不考虑所述反向电压的实际形成原因，术语“遮蔽”或者“遮蔽情况”会在下文中得到应用。一种已知的用于电池避免损坏的措施包括使用所谓的旁路二极管，所示二极管通常在一个与16到24个(举例来说)晶硅太阳能电池的子组并联连接的太阳能模组内开关。在正常运行中，所示旁路二极管是反向偏置的。在部分遮蔽的情况下，所示旁路二极管是正向偏置的并接管了未被遮蔽的太阳能电池所产生的相电流。在这种情况里，太阳能发电机中出现问题的电池上的工作点电压从正常的大约+8V到+12V(假设16到24个电池的MMP电压)降低到旁路二极管的正向电压，即大约-0.4V到-0.6V。
流经旁路二极管的最大电流依赖于电池技术和电池大小，采用具有156mm x 156mm表面积的硅光电池时，高达8.5A的最大电流在现在也是可能并常见的。因为采用了较大的电池表面积和较高的效率因数，甚至在超过10A的范围之内的电流强度在可见的未来都是可以期待的。
使用的旁路二极管通常为商业上的硅pn二极管，但也可以是肖特基二极管，较新的发展是采用MOFET作为主动旁路元件。
在正常运行中，即，没有任何阴影的遮蔽，旁路电容几乎没有导致损耗，这是因为它们是反向偏压的，而且还因为几乎没有方向电流流经它们。然而，在遮蔽的情况下，由串联连接而且没有受到遮蔽的模组产生的所有电流可流经旁路二极管。根据它们的正向电压和流经的电流，每个二极管可能会产生数个瓦特的功率损耗，在遮蔽持续一段相对来说比较长的时间的情况下，这些功率损耗会在这些元件上产生大量的热量。发热会对周围的模组组件产生有害的影响，比如对接线盒、导线或者模组结构产生负面影响，而且在最最坏的情况下所示元件或者旁路二极管本身会损坏。
专利DE102005036153B4提出了采用有源器件代替二极管，即是采用可在遮蔽产生的情况下激活的低阻抗的MOSFET。通过这种方式，产生的热量会被减少到20分之一或者更少，因而消除以上所述的过热问题。使用这种方式，目的在于提供一种与传统二极管接口兼容的电路或者组件，即同样具有两个端子。然而，这导致在遮蔽发生的情况下，主动旁路元件上只有非常低的电压可用于驱动旁路元件，这样根据DE102005036153B4的教示，一个额外提供的充电电路是必须的，其与一个孤立的电路相连接以将可用的在毫伏范围内的电压转换为合适的10到15V内的控制电压。这样，这种方法需要在电路工程上花费大量的力气，尤其是在与实现充电电路相关的方面上，例如，以扼流圈或反向换能器的形式或者实施为低压电荷泵。这令主动旁路和保护电路作为集成电路的实现更为复杂和昂贵。
另外，太阳能模组具有只要受到照射就能产生电压的属性，这意味着它们是不能被关闭的。这在安装和维护时就需要特别的预防措施。问题还在于通常太阳能发电机的高达数百伏特的高电压使在屋顶上安装有太阳能发电机的房屋容易着火。
商业太阳能模组并不具有被关闭的可能性。以上所述的专利DE102005036153B4建议使用主动旁路元件通过外部控制信号实现想要的模组关闭和/或接开启。另外一个关闭太阳能发电机的方法由Aixcon公司所提出并利用系统“ebreak”实现，其在于整个太阳能发电机在紧急情况下会被单个开关所关闭，比如通过半导体闸流管关闭。然而，这并不能解决根本的问题，因为这种方法只是将这些线路切换为一个在单元后台继续运行的无电压的状态，但在屋顶上的模组连接是分开时，高电压会再次存在。依靠外部信号有针对性的断开单个太阳能模组连接的常规上的可能性在专利DE102006060815A1中得到描述，其代表了短路太阳能模组和分开串联连接的可能性，但没有实施的具体细节。其所建议的、使用串联开关的解决方案是非常不便的，因为所述串联开关必须在其耐压能力方面适用于最大系统电压，举例来说，高达1000V，因为许多模组使用一个串联连接，其并不能保证所有的串联开关可以同步打开。因为其相对来说其较高的导通电阻，这样一种开关是非常昂贵的，而且会一直产生大量的能量损耗，因而会导致以上所述的与发热和随之产生的损坏相关的问题。使用并联开关的解决方案也具有以上所述的、提供需要电源电压是非常昂贵的缺点，而且还具有模组的短路运行会增加由所谓的“热点”所导致的损坏的可能性的缺点。
所述申请人的以上所述的专利DE102005036153B4还涉及通过一个并联的开关关闭太阳能模组。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的太阳能模组的旁路和保护电路以及一种改进的控制被旁路元件旁路的太阳能模组的方法。
这个目的通过一种在权利要求里要求保护的旁路电路和方法所实现。
本发明的实施方案提供了一种太阳能模组的旁路和保护电路，包括一种太阳能模组的旁路和保护电路，包括：
用于连接太阳能模组的输入端；
输出端；
与输出端并联连接的旁路元件；以及
连接在输入端和输出端之间的、配置为控制所述输入端和输出端之间连接的隔离元件；
所示隔离元件配置为根据与所示电路相关的太阳能模组是否被完全或部分遮蔽，或根据与所示电路相关的太阳能模组是否被打开或关闭来控制所述输入端和输出端之间的连接。
根据本发明的一个实施方案，在与所述电路相关的太阳能模组被完全或者部分遮蔽时，或者在与所述电路相关的太阳能模组被关闭时，控制信号使输入端和输出端之间常闭的连接中断。类似地，在与所述电路相关的太阳能模组被打开时，所示电路可被设置为导致输入端和输出端之间的常开连接导通。根据所述实施方案，所述电路可耦合到太阳能模组上使隔离元件产生的连接中断产生太阳能模组的一个开路运行。
所示电路可含有一个接收控制信号的控制信号端子，或者所示控制信号可通过电路的输入端和/或输出端接收。根据本发明的一个实施方案，所述电路包括一个连接隔离元件、并设置为生成控制信号的控制器。在这种情况下，所示控制器可具有与电路的输入端相连接的电源端。所示控制器可被配置为在输入端和输出端上出现的功率信号的基础上，确定与所示旁路和保护电路相连接的太阳能模组是否被部分或者完全遮蔽，并在所示太阳能模组被完全或者部分遮蔽的情况下生成控制信号。在这种情况下，同时可建立通过控制信号驱动实际上的旁路元件的规则，如果太阳能模组被认定为被完全或者部分遮蔽，控制器也生成所述控制信号。控制器可进一步配置为检查一旦完全或者部分遮蔽的情况被确定，所述被遮蔽的情况是否会持续，以便在所述遮蔽的情况不再持续的的情况下使模组返回正常工作状态
依照本发明的一个特征，建立常开连接的控制信号可在外部产生，并提供给所述电路，以便开启太阳能模组。可选地，中断常闭连接的控制信号可在一个或者多个来自内部和/或外部传感器的基础上建立，以关闭所述太阳能模组。
隔离元件可包括开关，比如晶体管或者诸如此类，并且旁路元件可包括二极管或者具有并联设置的开关的二极管。
本发明的实施方案提供了控制由旁路元件桥接/分路的太阳能模组的方法，所示方法包括：
确定太阳能模组是否被完全或者部分遮蔽，或者确定太阳能模组的关闭是否是要求的；以及
如果太阳能模组被确定为被完全或者部分遮蔽，或者如果其是被关闭的，将太阳能模组运行在开路模式下。
太阳能模组可以是一个包括有多个太阳能模组的串联连接的一部分，开路模式下的太阳能模组的运行包括将太阳能模组从所述串联连接中隔离开。另外，在太阳能模组的端子上的功率信号的基础上，以及在所述串联连接的端子上的功率信号的基础上，可决定所示太阳能模组是否被部分或者完全遮蔽；另外，可制定检查，一旦部分或者完全遮蔽的状态被确定，所述状态是否任然继续，的规定，以在需要的情况下切换回正常运行的状态。
这样，本发明的实施方案提供了太阳能模组所需的一种能力，通过外部或内部的控制信号将太阳能模组针对性的关闭或者开启，基于对不允许的运行状态的识别的自主关闭也得以实现。
本发明的实施方案提供了一种太阳能模组的旁路和保护电路，具有至少一个其开关路径与所示旁路和保护电路的输出端并联连接的电旁路元件，至少一个与所述旁路和保护电路的输入端和输出端之间的互连线路中的一条串联连接的可控制的电开关元件，所示可控制的电开关元件能够被一个控制电路所驱动。
依照本发明的另外一个特征，MOSFET可用于作为开关元件。另外，为控制电路供电的电能可来自相关的太阳能模组和/或来自旁路元件上的电压。另外，可为桥接一个短期的电源电压提供一个能量缓冲器。对于控制电路，可为电源电压提供一个DC/DC转换器。依靠一个逻辑电路，旁路和保护电路在“正常”和“遮蔽”的运行状态之间有所不同，开关元件有根据地进行开启和关闭。另外，开关元件可被一个外部控制信号所激活，以将太阳能模组打开或者关闭。另外一个可控制的开关元件可与旁路元件并联连接；所述另外一个可控制的开关元件可以是一个MOSFET。区别以上所述的运行状态的逻辑电路可进一步相应地用于打开或者关闭所有开关元件。同样地，所述开关可被一个外部控制信号激活以打开或者关闭太阳能模组。以上电路可实施为集成电路的形式。
本发明另外的实施方案提供了一种太阳能模组的旁路和保护电路，具有至少一个与所示旁路和保护电路的输出端并联连接的、并可以引导与此太阳能模组串联连接的另外一个太阳能模组或与此太阳能模组串联连接的多个太阳能模组所产生的的电流的电旁路元件；一个由控制信号所控制的可控制的电隔离元件位于所示旁路和保护电路的输入端和输出端之间的一条或所有互连线路中。
根据本发明的另外一个特征，可使用晶体管作为隔离元件，而且控制器所需要的供电能量可来自相关的太阳能电池排列和/或来自旁路元件上的电压。另外，可为控制器的供电提供一个能量缓冲器。类似地，对于控制器，可为其电源电压提供一个DC/DC转换器。依靠一个逻辑电路，旁路和保护电路在“正常”和“遮蔽”的运行状态之间有所不同，隔离元件可有根据地进行开启和关闭。另外，隔离元件可被一个外部或/和内部控制信号所激活，以将太阳能模组打开或者关闭。隔离元件可以是二极管，另外一个可控制的开关元件可与隔离元件并联连接也是可能的。可选地，一个开关元件也可作为旁路元件使用，举例来说，所示开关元件可以是晶体管。在这种情况下，所示两个开关元件被逻辑电路或者内部和/外部的控制信号所驱动以将模组开启或者关闭。再一次，以上电路可实施为集成电路的形式。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1显示了根据本发明的一个实施方案的旁路和保护电路的系统框图；
图2显示了根据本发明的一个实施方案的旁路和保护电路；
图3显示了图2中电路的控制器的系统框图；
图4显示了根据本发明的另一个实施方案的旁路和保护电路；
图5显示了图4中的电路的控制器的系统框图；
图6为状态图，其解释了图3和图5中用于确定一个太阳能模组的遮蔽状态是否持续的控制器的运行模式。
具体实施方式
在以下对本发明的实施例的描述中，相同的或者具有相同行为的元件具有相同的附图标识。
本发明的实施方案提供了一种旁路和保护电路，其
利用有源开关元件的优势减少在遮蔽情况下的发热，并可选地针对性地开启太阳能板块，但同时在提供内部所需的控制电压上具有明显减少的必须的花费，
将太阳能模组运行在一个开路模式下而不是短路模式，
与商业系统组件相兼容，比如与DC-AC转换器相兼容，以及
可在具有低耐压性的低损耗而且廉价的结构组件上实现。
图1显示了根据本发明的旁路和保护电路100的框图。旁路和保护电路100包括两个输入端102和104，以及两个输出端106和108。隔离元件(TE)100连接在第一输入端102和第一输出端106之间。旁路元件(BE)112连接在第一输出端106和第二输出端108之间。根据本发明，旁路和保护电路100还可包括控制器(ST)114，这会在下文中得到详细描述。另外，旁路和保护电路100可包括一个或者多个内部传感器(IS)116，以及一个用于从外部传感器(ES)120接收信号的端子118。另外，接口(IF)122也可包括在内。另外，其还具有用于接收外部控制信号的控制端124，所述外部控制信号来自外部控制或者通信线路(导线)126。除了隔离元件110和旁路元件112之外，保护元件(PE)128连接在第一输入端102和第二输入端104之间。太阳能电池排列(SZ)130可与电路100相连接，太阳能电池排列130的第一端子通过第一导线132连接到线路100的第一输入端102上，而太阳能电池排列130的第二端子通过第二导线134连接带到线路100的第二输入端104上。线路100的第一输出端106连接到第一端子导体136上，该第一端子导体136导向另外一个太阳能电池排列130；这里，再一次，需要如图1所示的电路100。第二输出端子108连接到第二端子导体138，该第二端子导体138导向先前的含有保护电路100的太阳能电池排列。在一个可选的线路100的实施中，隔离元件110还可以设置在第二输入端104和第二输出端108之间的负连接导体内。
在如图1所示的旁路和保护电路100中，通过两根导线132、134与输入端102、104相连接的太阳能电池排列130在遮蔽的情况下被串联的隔离元件110从输出端106、108上隔离开来。由与被遮蔽的模组串联连接的未被遮蔽的模组施加到外部端子导体136、138上的太阳能发电机的电流ISG然后经与输出端106、108并联布置的旁路元件112继续流动。与现有技术不同的是，被遮蔽的模组因此处于开路状态，并受到保护，避免因过负荷(热点)而损坏。这个运行模式在现有的大概16到24个电池的基础上进一步增加了串联连接的并附属于一个旁路和保护电路100太阳能电池的数量；因此，总共需要的旁路和保护电路更少，而一旦模组中的串联连接的电池中需要的接头更少，模组生产将得以简化。
在图1所示的旁路和保护电路100中，从被遮蔽的太阳能电池排列130的输入电压UE中获取供给控制器114所需的电压，而不是象现有技术中的惯常做法一样从旁路元件112上的低压上获取，是非常有利的。在这种情况下，使用的太阳能电池的特性在于在被遮蔽时其可用电流实际上严重减少，但负载较低时，空载电压或者低负载时的电压与在极端遮蔽的情况下未被遮蔽的太阳能电池的电压是几乎一致的。可选的，根据现有技术，供给控制器114的电压可来自旁路元件112上的电压UA，又或者所示电压可同时来自两者。
与专利DE102006060816A1中的概念相比较，本发明的旁路电路具有优势，因为存在的最大的、穿过串联的隔离元件110的反向电压为相连的太阳能电池排列130输出的空载电压，这就是为什么可以采用低电阻、低损耗和廉价开关元件实施隔离元件110的原因。除了目前所描述的主要功能组，即除了隔离元件110、旁路元件112和控制器114，旁路和保护电路100还包括可选的、如图1中的虚线所示的部件。输入端102、104可由保护电路128保护，免受反向电压或者过压的损坏。控制器114还与内部或者外部传感器116和/或120相连接，即用于感应电路本身或者太阳能电池排列或者环境的温度。通过接口122，电路和光伏装置的另外组件之间的单向或者双向通信得以存在。这类通信可通过采用经过导体136、138的电力线通信(PLC)，或者额外的通信线路126实现。所示电路还包括用于，比如保护电路的各个结构组件免受过压损坏，的组件；然而，出于更清楚地说明本发明的目的，于此它们并没有得到详述。
图2显示了根据本发明的一个实施方案的旁路和保护电路。在图2所示的实施例中，隔离元件110实施为由开关S1和二极管D2组成的并联连接。所示旁路元件同样也可实施为由开关S2和二极管D2组成的并联连接。保护元件128实施为二极管D0的形式。控制器114在输入端接收电压UE。另外，控制器114还接收通过通信线路126和控制端124提供给电路100的控制信号ST，以及输出电压UA。控制器114提供相应的信号驱动开关S1和S2。在图2所示的电路100中，供给控制器114以及驱动主动开关元件SS和S2所需的电压不再来自旁路元件112上的低压UA，而是来自切断的太阳能模组130的输入电压UE。如先前所描述的，在这种情况下，使用的太阳能电池的特性在于在被遮蔽时其可用电流实际上严重减少，但负载较低时，空载电压或者低负载时的电压与在极端遮蔽的情况下未被遮蔽的太阳能电池的电压是几乎一致的。这样，在电路100中，在遮蔽的情况下，通过开关S1涉及的子发电机(SM)130被从所述模组的串联连接中隔离开，因此除了控制器114所带来的最小内部功耗外，其可运行在开路状态下。由与被遮蔽的太阳能模组串联连接的未被遮蔽的太阳能模组施加的太阳能发动机的电流ISG经二极管D2继续流动，其中二极管D2可基本上作为一个传统的旁路二极管。同时，被遮蔽的太阳能模组几乎运行在开路状态下，并因此受到保护，避免损坏(热点)。
对于具有低电流的太阳能模组，二极管D2中产生的热量在其正向电压的上可以容忍的。在相对于较高的电流强度下，然而，以上所述的关于过热的问题可能会存在。这个问题可以通过将一个低阻开关S2并联到二极管D2上而得到解决。在出现部分遮蔽的情况下，所述电阻开关S2根据一个在下文中会通过例子解释的策略导通并接管太阳能发电机的电流ISG。根据开关S2的正向电阻，只有少量的发热现象存在。与先前描述的依据于专利DE102005036153B4的现有技术相比较，用于为控制器114提供电源电压的费用较低，这是非常有利的。如前所述，然而，可选地，所示电源电压也可以如现有技术一样，从旁路元件D2和/或S2的电压UA上获取。在图2所示的本发明的一个可选的电路100的实施例中，串联的开关S1也可以位于在第二输入端104和第二输出端108之间的负连接导体上。保护开关S1免受负反向电压损坏的二极管D1可以与开关S1并联连接。可选的，二极管D0可作为额外的保护措施，抵御反向的模组电压。另外，可选的保护元件，比如设置在旁路和保护电路的输入端和输出端或者在所示开关元件本身内的抗过压元件，出于更清晰地说明本发明的理由，并没有得到详述。
图3显示了根据本发明的一个实施方案的、图2中所示的电路中的控制器114的系统框图。如图所示，控制器114包括第一块140，其接收并测量输入电压UE。另外，控制器114包括块142，其接收并测量输出电压UA。另外，控制器114包括第一参考电源源(E)144以及第二参考电压源(A)146。另外，还具有第一比较器148和第二比较器150。第一比较器(KE)148接收被UE块140所测量的输入电压UE和来自参考电源源144的参考电压信号，并输出信号LE至逻辑电路152。比较器150接收被UA块142所测量的输出电压信号和来自参考电源146的参考电压信号，并输出信号LA至逻辑电路152。另外，逻辑电路152从计时器154接收计时信号并从接口122接收控制信号ST。通过保护电路156，逻辑电路152接收指明输入电压UE、输出电压UA、输入电流IE和输出电流IA的信号。逻辑电路152通过驱动器158接收驱动隔离元件110和旁路元件112的开关元件S1和S2的驱动信号S1和S2。控制器114还包括内部电流源160，其可具有一个DC/DC转换器。所述内部电流源160接收输入电压UE和/或输出电压UA。电流源160还耦合到缓冲器162上，比如电容或者诸如此类，以在没有外部能量可用的情况下及时提供能量。
控制器114包括两个输入块140和142，其中所有输入电压UE(太阳能模组SM的电压)和输出电压UA(旁路路径S2、D2上的电压，见图2)被测量。依靠比较器148和150，所有电压与参考电压E和A分别比较。如果各自的测量电压高于参考电压，比较器148和150的逻辑输出信号LE、LA为“1”。所有开关信号在逻辑电路152中互相连接，所述电路与计时器电路150、抗过压过流保护电路156以及，可选地，与通信接口122相通信，这样所有开关S1和S2可通过驱动器电路158被驱动。控制器114依靠内部电流源160从输入电压中得到供电，所述内部电流源160具有直流转换器(DC-DC转换器，比如电荷泵)，但因为相对现有技术来说较高的电源电压UE，其也可设计为更为简单明了。另外，所示电流源也可具有一个能量存储器162，以克服瞬时供电短缺。可选地，所述电源电压也可如现有技术一样从在关闭的情况下从旁路元件上的电压UA中获得。
本发明的另外一个实施例将结合图4在下文中得到解释。图4显示了一个根据本发明的一个实施方案、以及根据对应那些结合图2得以描述的元件的隔离元件110、旁路元件112以及保护元件128的实施的旁路和保护电路。电路100还包括内部传感器116、接口122以及端子118，以接收来自外部传感器120的信号。太阳能电池排列130包括两个太阳能模组SM1和SM2，每一模组通过相连的二极管DBYP桥接。图4中电路100的运行模式相当于图2中电路的运行模式，这样相同东西的重复描述在此会被省略，这些描述可参见以上的解释。
根据一个可选的实施例，在图4所述的电路中，仅仅使用一个采用如下所述方式控制的开关S2作为旁路元件也是可能的。继电器，但优选地选用半导体元件，也可用做开关元件S1和S2。在这种情况下，常断和常通电器元件得到使用。使用常通元件作为开关S1继承了故障自趋安全行为的优势，即在控制器114发生故障的情况下，开关S2会短路旁路和保护电路的输出并因此将其转换至一个无电压的状态。
图5显示了图4中的控制器114的框图，图5中控制器的设计本质上对应图3中的控制器的设计；然而，为代替图3中的保护电路156，指明了包括监测电路和算法的块156’，其进一步接收分别指明内部和外部温度的温度信号Tint和Text。内部电源源160可进一步包括稳压电路。
参照图6，根据图3和图4所示用于驱动开关S1和S2的控制器的功能得到了详细的解释；尤其是，关于用户如何决定太阳能模组的遮蔽状态是否应仍然持续的描述会被给出。以下描述涉及图2和图4所述的具体实施例，其包括一个通过S2的、额外的可开关的的电旁路路径，但基本上其也可应用在没有开关S2的变种上或者应用在没有二极管D2的变种上。
如以上所解释的，在遮蔽的情况下，串联开关S1打开而可选的并联开关S2闭合。一旦遮蔽的状况结束，如果不采取特别的手段所述运行状态会长期保持。这样，用户必须检查激活旁路功能是否仍然有意义，而且用户必须相应地选择S1和S2的开关位置。根据本发明的实施例，这可通过在短期的基础上建立开关S1和S2的排列并借助于对端子上或者旁路和保护电路内的电压和电流进行评估的方式实现。
借助图3和4描述的控制器114这是可行的，控制器114的功能在图6中得以解释，图6作为状态图显示了比较器信号LE、开关信号S1、比较器信号LA和开关信号S2之间的暂时连接。图6代表了没有遮蔽的正常运行和遮蔽下的运行、以及从遮蔽到正常运行的过度运行的状态。
在正常运行中，输入电压和输出电压高于所述两个参考电压E和A，这样所有的比较器信号处于逻辑“1”。相应地，逻辑电路152导致开关S1导通，开关S2断开。由太阳能电池排列130所产生的输入电流IE经低阻开关S1以几乎没有损耗的方式导给输出端106、108。
在时间T1上遮蔽出现。有问题的模组两端的电压开始暴跌到参考电压值E，比如+3V。信号LE从逻辑“1”改变到“0”。通过逻辑电路152，开关S1在一个极短的电路感应延迟时间后打开，其由箭头“a“代表。作为输出电压UA改变其极性并被限制为，比如二极管D2的-0.4V到-0.6V的正向电压，的结果，外界施加的太阳能发电机的电流ISG立刻由二极管D2接管。随后，比如为+0.1V的比较器KA的参考值A降低到水平以下，而且其输出信号LA在一个极短的延迟时间后从逻辑“1”变为“0”，其由箭头“b“代表。这导致旁路元件S2立即导通或者经过一个延迟时间TS2后导通，旁路元件S2会接管电流ISG并在此过程中几乎不产生热量消耗。延迟时间TS2可设置为在发生部分遮蔽的情况下，比如一只鸟飞过太阳能设施时，防止S2的所述导通操作。
如开始时所描述的，开关S1的打开导致恢复的电压UE快速增加数个伏特，这样，一方面，比较器KE的输出信号LE再次具有逻辑“1”(参见箭头“d”)，并且在另一方面，控制器114的电源得到永久性的保证。(比如)在所述的开关运行期间，控制器114的电源可来自被设置为电容的能量缓冲器162。
一旦遮蔽被移除，太阳能电池排列的随遮蔽存在的稳定状态也会持续。这样，用户必须检查遮蔽状态是否持续，而且用户必须相应地调整开关位置。在一个实施例中，当使用计时器电路(计时器)154时，逻辑电路152在一个时间段Ttest的周期Tper周期地打开开关S2，并同时闭合开关S1。如果遮蔽状态持续(外加的电流ISG比有问题的太阳能电池排列130所产生的输入电流IE大)，旧有的开关阵列在这个测试脉冲后会重新建立，这通过图6的中心部分中的例子得以表达。根据本发明的实施方案，挑选的时间周期Tper明显大于(5倍或者更多)测试脉冲Ttest的持续时间，这样二极管D2中的平均功率消耗就可以保持在较小的水平上。
图6中，在时间T2上遮蔽已经被移除。相应地，在下一个测试脉冲上，输入电压不会再暴跌，信号LE会保持为逻辑“1”，而且开关S1会保持导通。输出电压UA会超出参考电压A，这样信号LA也会变为逻辑“1”，而开关S2会保持打开，这样再次达到稳定的常态运行。
根据本发明的实施方案所描述的旁路和保护电路可简单地实施为集成电路，因为不需要昂贵的DC/DC转换器电路。这些电路可做得很小，因而可层合到所述太阳能模组本身上。然而，所述电路可集成到模组的终端盒中或者，与传统模组连接作为外部单元。如图4所示，与所述旁路和保护电路相连接的太阳能电池/太阳能模组还可再次设有旁路二极管DBYP，所述旁路二极管DBYP可设置为传统的二极管或者有源电路。
根据本发明的旁路和保护电路可以一个简单的方式扩展，这样模组130可通过外部控制信号ST针对性的开启，所述信号ST通过终端导体(电力线传输)136、138，或者通过额外的通信线路126或甚至是以无线的方式，通过无线电或者磁场传输。在这种情况中，处于非开启状态下打开的开关S1闭合。在非开启状态下，开关S2可永久打开或者，可选地，闭合，并且一旦模组被激活，开关S2会根据以上所述的策略而驱动。通过控制信号针对性地开启模组可用于安全地安装或者维护，或者用于在火灾的情况下关闭模组，或者使用编码的开启信号用于防盗。通信接口122也可被配置为双向的，以将状态信号从太阳能模组传递到外部评估设备。
通过使用内部和/或外部传感器，在所述电路内所述模组也可被关闭。举例来说，这包括在过流或者过压的情况下，在电路本身的温度Tint或者周围温度Text过高的情况下，或者在检测到不受许可的运行情况的情况下，比如断电或者失去与太阳能发电机的联系，的切断。
根据本发明的实施方案，小电流的旁路和保护电路可在没有开关S2的情况下实现，只要在这种情况下所述主动旁路二极管D2的功能对于减少发热不是绝对必须的。这导致成本的降低，所述保护功能以及通过从外部或者内部得到的信号以针对性地开关所述模组的可能性得到保留。
在描述的实施例中，所述旁路元件包括一个含有开关S1和二极管D2的并联连接。如上所述，举例来说，在专利DE102005036153B4中，不作为开关运行的主动旁路二极管可于此替代使用。只采用所述旁路元件两端的电压(较低)作为电源电压，所述旁路元件(MOSFET)通过一个校正电路长期保持一个线性的运行(比如，所述MOSFET两端的50mV电压)。
即使在设备的背景下本发明的一些特征得到描述，因该明白所示特征也代表了对相应方法的描述，这样设备的功能块或者结构组件也应该被理解为对应的方法步骤或者作为方法步骤的特征。以此类推，结合或者作为方法步骤解释的特征也代表了相应设备的相应功能块或者细节或者特征。
即使本发明的一些特征已经在设备的背景下得到描述，但应明白这些方面也可代表相应方法的描述，因此一个设备的一部分或者一个结构组件也应被理解为一个对应的步骤或者作为一个方法步骤的一个特征。以此类推，结合或者作为一个方法步骤而得到描述的方面也可代表对应设备的一个部分或者细节或者特征。根据具体的实施需要，本发明可在硬件或者软件中实施。在使用数字存储介质时，本发明的实施可得以实现，比如，软盘、DVD、蓝光光盘、CD、ROM、PROM、EPROM、EEPROM或者FLASH记忆体、硬盘或者或者其它磁性或者光学记忆体，具有存储在其上的电子可读控制信号，并配合可编程计算机系统使用，这样各自的方法得以执行。这就是为什么数字存储介质是计算机可读的。根据本发明的一些实施例因此包括有数据载体，所述数据载体包括有能够与可编程计算机系统协作的电子可读的控制信号，这样任何如此描述的方法得以执行。
一般说来，本发明的具体实施例可实施为具有程序代码的计算机程序产品，在所述计算机程序在计算机上运行时，所述程序代码可有效地执行任何所述方法。举例来说，所述程序代码可储存于机器可读的载体中。其它实施例包括可执行任何于此描述的方法的计算机程序，所述计算机程序储存于机器可读的载体中。
也就是说，本发明的方法的一个实施例因此可以是计算机程序，具有用于执行任何于此描述的任何方法的程序代码，同时所述计算机程序在计算机上运行。
本发明的方法的另一实施例因此可以是数据载体(或者数字存储介质或者计算机可读介质)，其中储存有用于执行任何此于描述的方法的计算机程序。
本发明的方法的另一实施例因此可以是数据流或者信号序列，代表可执行于此描述的任何方法的计算机程序。所述数据流或者信号序列立刻被配置用于，比如，通过数据通讯网络传输，比如通过互联网传输。
另一实施例包括了处理装置，举例来说，计算机或者可编程设备，用于执行于此描述的任何方法。
另一实施例包括了计算机，其中装有用于执行于此描述的任何方法的计算机程序。
在一些实施例中，可编程的逻辑设备(比如现场可编程门阵列，FPGA)可用于执行于此所描述的方法的所有功能。在一些实施例中，FPGA可与未处理协作执行于此描述的所有方法。一般说来，所述方法在一些实施例中可被硬件设备所执行。所述硬件设备可以是任何普遍适用的硬件，比如计算机处理器(CPU)，或者是专门针对某一方法的硬件，比如ASIC。
以上所述的实施例只是例证了本发明的原理。本领域的技术人员可得出于此描述的结构和细节的修改和变种。这就是为何本发明只是受到权利要求的保护范围的限制而不受到通过对实施例的描述和讨论而于此得出的具体细节的限制。
Claims (19)
1.一种太阳能模组(130)的旁路和保护电路(100)，位于多个太阳能模组的串联连接中，其包括：
连接太阳能模组(130)的输入端(102、104)；
与所述串联连接相连接的输出端(106、108)；
与输出端(106、108)并联连接的旁路元件(112)；以及
连接在输入端(102、104)和输出端(106、108)之间的、被配置为控制输入端(102、104)和输出端(106、108)之间的连接的隔离元件(110)；
其中，隔离元件(110)被配置为响应控制信号(ST)来控制输入端(102、104)和输出端(106、108)之间的连接，其中，控制信号(ST)是根据与所述电路(100)相关联的太阳能模组(130)是否被完全或者部分遮蔽来生成。
2.一种太阳能模组(130)的旁路和保护电路(100)，位于多个太阳能模组的串联连接中，其包括：
连接太阳能模组(130)的输入端(102、104)；
与所述串联连接相连接的输出端(106、108)；
与输出端(106、108)并联连接的旁路元件(112)；
连接在输入端(102、104)和输出端(106、108)之间的、被配置为控制输入端(102、104)和输出端(106、108)之间的连接的隔离元件(110)，其中，隔离元件(110)被配置为响应控制信号(ST)来控制输入端(102、104)和输出端(106、108)之间的连接，其中，控制信号(ST)是根据与所述电路(100)相关联的太阳能模组(130)是否被打开或者关闭来生成；以及
在运行中连接到隔离元件(110)并被配置为生成控制信号(ST)的控制器(114)，其中，控制器(114)被配置为从太阳能模组(130)获取用于运行控制器(114)所需的电压。
3.根据权利要求1所述的旁路和保护电路，其中隔离元件(110)被配置为接收控制信号(ST)，所述控制信号(ST)：
在与所述电路(100)相关联的太阳能模组(130)被完全或者部分遮蔽时，导致在输入端(102、104)和输出端(106、108)之间的常闭连接的中断。
4.根据权利要求2所述的旁路和保护电路，其中隔离元件(110)被配置为接收控制信号(ST)，所述控制信号(ST)：
在与所述电路(100)相关联的太阳能模组(130)被关闭时，导致在输入端(102、104)和输出端(106、108)之间的常闭连接的中断，或者
在与所述电路(100)相关联的太阳能模组(130)被打开时，导致在输入端(102、104)和输出端(106、108)之间的常开连接导通。
5.根据权利要求1或2所述的旁路和保护电路，其耦合到太阳能模组(130)上，这样使输入端(102、104)和输出端(106、108)之间的由隔离元件(110)产生的连接中断导致太阳能模组(130)的开路运行。
6.根据权利要求1或2所述的旁路和保护电路，还包括在运行中连接到隔离元件(110)上并被配置为接收控制信号(ST)的控制信号端(124)。
7.根据权利要求1或2所述的旁路和保护电路，其中输入端(102、104)和/或输出端(106、108)被配置为接收控制信号(ST)。
8.根据权利要求1所述的旁路和保护电路，还包括在运行中连接到隔离元件(110)并被配置为生成控制信号(ST)的控制器(114)。
9.根据权利要求2所述的旁路和保护电路，其中控制器(114)包括连接到输入端(102、104)和/或输出端(106、108)的电源端。
10.根据权利要求8或9所述的旁路和保护电路，其中控制器(114)被配置为在输入端和输出端上出现的功率信号的基础上确定与所述电路(100)相关联的太阳能模组(130)是否被部分或者完全遮蔽，控制器(114)还被配置为在与所述电路(100)相关联的太阳能模组(130)被确定为被完全或部分遮蔽的情况下生成控制信号。
11.根据权利要求10所述的旁路和保护电路，其中旁路元件(112)被配置为被另外的控制信号所驱动，控制器(114)被配置为在与所述电路(100)相关联的太阳能模组(130)被确定为被完全或者部分遮蔽的情况下生成所述另外的控制信号。
12.根据权利要求8所述的旁路和保护电路，其中控制器(114)被配置为在与所述电路(100)相关联的太阳能模组(130)被确定为被完全或者部分遮蔽的情况下检查遮蔽状态是否持续，控制器(114)还被配置为在遮蔽状态被确定为不再持续的情况下切换回正常状态。
13.根据权利要求8所述的旁路和保护电路，其中用于建立输入端(102、104)和输出端(106、108)之间的常开连接的控制信号在外部建立，并被提供给电路(100)以开启太阳能模组(130)，以及/或者，用于中断输入端(102、104)和输出端(106、108)之间的常闭连接的控制信号在来自内部和/或外部传感器的一个或者多个信号的基础上建立以关闭太阳能模组(130)。
14.根据权利要求1或2所述的旁路和保护电路，其中隔离元件(110)包括开关(S1)，以及/或者其中旁路元件(112)包括二极管(D2)或者具有并联设置的开关(S2)的二极管(D2)。
15.太阳能模组，包括权利要求1或2所述的旁路和保护电路。
16.运行被旁路元件(112)所旁路的太阳能模组(130)的方法，所述方法包括：
确定太阳能模组(130)是否被完全或者部分遮蔽；以及
如果太阳能模组(130)被确定为被完全或者部分遮蔽，将太阳能模组(130)运行在开路状态下；
其中太阳能模组为多个太阳能模组的串联连接的一部分，太阳能模组(130)的开路状态下的运行包括响应控制信号将太阳能模组(130)从所述串联连接中隔离开来。
17.运行被旁路元件(112)所旁路的太阳能模组(130)的方法，所述方法包括：
确定太阳能模组(130)的关闭是否是要求的；以及
如果太阳能模组(130)被确定为被关闭，将太阳能模组(130)运行在开路状态下；
其中太阳能模组为多个太阳能模组的串联连接的一部分，太阳能模组(130)的开路状态下的运行包括响应控制信号将太阳能模组(130)从所述串联连接中隔离开来，控制信号是由运行中连接到隔离元件(110)的控制器(114)生成，并且其中从太阳能模组(130)获取用于运行控制器(114)所需的电压。
18.根据权利要求16所述的方法，其中在太阳能模组(130)的端子上的功率信号的基础上，以及在所述串联连接的端子上的功率信号的基础上，确定太阳能模组(130)是否被部分或者完全遮蔽。
19.根据权利要求16所述的方法，其中一旦太阳能模组被确定为被完全或部分遮蔽，执行判断遮蔽状态是否持续的检查，如果确定遮蔽状态不再持续，则切换到正常运行状态。
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