CN103400886A - 一种pv模组 - Google Patents

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孔鹏远
张化伟
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Abstract

本发明公开了一种PV模组，包括至少一个由PV晶片组成的PV晶片组，以及与所述PV晶片组一体化连接的DC/DC转换器，所述PV晶片组与DC/DC转换器之间具有隔热层，其中，所述DC/DC转换器用于最大功率点跟踪MPPT和电压转换，所述DC/DC转换器包括Boost或N-Boost电路。本发明提供的PV模组，由于将DC/DC转换器与PV晶片组安装在一起，从而使得PV模组携带方便，且输出可并联组合，PV模组之间互不影响，提高了整体PV组阵的效率，另外，由于比传统的PV模组更薄，从而方便运输与安装的空间，节约了成本，还能够避免PV晶片局部发热引起的光伏板整体效率下降的问题。

Description

一种PV模组
技术领域
本发明涉及光伏电力系统领域，特别涉及一种PV模组。
背景技术
在风能、太阳能、燃料电池等新能源利用高速发展的今天，新能源的应用得到了各级政府、高校科研院所、企业的大力重视。
PV板是光伏发电的重要部件，但PV板的输出特性却有其独特性。PV板的输出既不是恒流的，也不是恒压的，但是它却有一个最大功率输出点。
为了有效利用PV板，就需要具有MPPT（Maximum Power PointTracking，最大功率点跟踪）功率的功率转换器。这些转换器有DC/AC，也有DC/DC。但它们都是与PV板分离的，使得应用起来会不太方便。例如一些户外光伏系统，人们会带上PV板，但可能忘记带MPPT功能的转换器，从而造成应用的不方便。另外，由于转换器对输入的PV有一定的要求，所以一款转换器可以配用的PV可能很有限，这也造成的PV使用的不方便，不灵活。上述转换器在工业实践中被称为光伏控制器。现有的光伏控制器，均是将多块PV串并联，由于PV板数量多，所以光伏控制器也拥有较大的体积和重量，其与PV板分离的，如图1所示PV板本身只包括PV晶片组而不包括相应配置的光伏控制器。若将光伏控制器直接安装在PV板背部，则会因光伏控制器发热导致PV晶片局部发热引起的PV板整体效率下降，图11表明了温度对PV晶片的影响，在PV组件中，其中一块晶片温度较高时，就会影响PV组件的输出电压，从面影响整体组件的光-电转换效率。此外，因光伏控制器设计性能，从而对其输入的PV板的串并联有一定的要求，这样造成了其应用有一定的限制，不方便。还有，对于PV的串联使用，其要求每块PV的参数要一致，这样就限制了不同型号、不同参数PV的混合使用。
另外，如图2所示，接线盒是传统PV组件的必然附件，厚度一般在35mm以上。接线盒主要有两个作用：1.将PV晶片的连接线（扁平线），转换为通用的线缆，方便与其它电气或设备的连接；2.接线盒中有旁路二极管，为防止太阳能电池在强光下由于遮挡造成其中一些因为得不到光照而成为负载产生严重发热受损，因此在太阳能电池组件输出端的两极并联旁路二极管。
发明内容
本发明的目的是提供一种PV模组，其省掉了传统PV接线盒，且比传统PV模组更薄，能够避免PV晶片局部发热引起的光伏板整体效率下降的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种PV模组，包括至少一个由PV晶片组成的PV晶片组，以及与所述PV晶片组一体化连接的DC/DC转换器，所述PV晶片组与DC/DC转换器之间具有隔热层，其中，所述DC/DC转换器用于最大功率点跟踪MPPT和电压转换，所述DC/DC转换器包括Boost或N-Boost电路。
进一步地，一种PV模组，所述Boost电路包括分别连接在PV晶片组的两端PV+和PV-之间的防雷器件TVS1和旁路二极管D1。
进一步地，一种PV模组，所述N-Boost电路包括分别连接在PV晶片组的两端PV+和PV-之间的防雷器件TVS1和旁路二极管D1。
进一步地，一种PV模组，所述隔热层所使用的材料为玻璃纤维。
进一步地，一种PV模组，所述隔热层的厚度为3mm。
进一步地，一种PV模组，所述PV晶片组的数量大于或等于2，每个PV晶片组的输出与对应的DC/DC转换器的输入端连接，所述DC/DC转换器的输出端串联/并联后连接至电池组、直流母线、DC/DC电源或DC/AC逆变。
进一步地，一种PV模组，所述PV晶片组由至少2块PV晶片串联/并联后组成。
本发明提供的PV模组，由于将DC/DC转换器与PV晶片组安装在一起，从而使得PV模组携带方便，且输出可并联组合，PV模组之间互不影响，提高了整体PV组阵的效率。另外，DC/DC转换器采用Boost、N-Boost电路，扁平化设计，比传统的PV模组更薄，从而方便运输与安装的空间，节约了成本。能够避免PV晶片局部发热引起的光伏板整体效率下降的问题。
附图说明
图1是现有技术中带有接线盒的PV模组示意图一；
图2是现有技术中带有接线盒的PV模组示意图二；
图3是现有技术中带有接线盒的PV模组的纵向剖面示意图；
图4是本发明所提供的PV模组的示意图一；
图5是本发明所提供的PV模组的示意图二；
图6是本发明所提供的PV模组的纵向剖面示意图；
图7是本发明所提供的PV模组的系统架构示意图；
图8是本发明一具体实施例中DC/DC转换器的电路示意图；
图9是本发明另一具体实施例中DC/DC转换器的电路示意图；
图10是PV晶片的I—V特性曲线示意图；
图11是PV晶片的P—V特性曲线示意图；
图12是MPPT控制方法示意图。
附图标记说明：
1PV晶片组；2隔热层；3DC/DC转换器模块。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的新型的PV模组其具体实施方式、步骤、结构、特征及其功效详细说明。
本发明提供了一种PV模组，包括至少一个由PV晶片组成的PV晶片组，以及与所述PV晶片组一体化连接的DC/DC转换器，所述PV晶片组与DC/DC转换器之间具有隔热层，其中，所述DC/DC转换器用于最大功率点跟踪MPPT和电压转换。
参照附图4和5，作为本发明的第一个具体实施例，PV模组由四个PV晶片组成的PV晶片组1，每一个PV晶片组与对应的DC/DC转换器一体化连接，DC/DC转换器组成了PV模组的DC/DC转换器模块3，PV晶片组与DC/DC转换器模块3之间具有隔热层2，其中，DC/DC转换器用于最大功率点跟踪MPPT和电压转换，DC/DC转换器包括Boost或N-Boost电路。所述Boost或N-Boost电路包括分别连接在PV晶片组的两端PV+和PV-之间的防雷器件TVS1和旁路二极管D1。
由于DC/DC转换器模块是有一定的功耗的，所以DC/DC转换器模块就会发热。从附图10和11中可以知道，光伏晶片的输出功率与输出电压受温度影响很大，且温度越高，其输出的功率就越小。因此，在DC/DC转换器模块与PV晶片组之间加入了隔热层，这样使得DC/DC电路的发热不会传导至PV晶片，从而保障了PV模组的整体功率不受影响。其中，隔热层的优选材料是玻璃纤维，厚度最好约为3mm。玻璃纤维的传热系数0.035为瓦米开，隔热效果好。对比附图3和6，可以看到本发明的PV模组的隔热层2。
本发明所提供PV模组的PV晶片组的数量大于或等于2，每个PV晶片组的输出与对应的DC/DC转换器的输入端连接，DC/DC转换器的输出端串联/并联后连接至电池组、直流母线、DC/DC电源或DC/AC逆变。所述PV晶片组由至少2块PV晶片串联/并联后组成。
如图7所示，8块PV晶片串联起来组成一个PV晶片组，每一个PV晶片组连接到对应DC/DC转换器，DC/DC转换器实现MPPT功能与电压转换功能。其中，PV晶片组也可以由多块PV晶片串并联组成，并且多个DC/DC转换器的输出端可以并联后连接到电池组、直流母线、DC/DC电源、DC/AC逆变等。
由于每一个PV晶片组对应一个DC/DC转换器，而经过DC/DC转换器后所输出的电压是可以直接接入现有直流供电系统的，这就可以灵活使用不同型号的PV晶片，并可以灵活进行并联，极大增加了应用的灵活性。
在本发明的一个具体实施例中，所采用的DC/DC转换器，电路如图8所示，其输入是PV晶片组，输出是电池组；BAT+和BAT-是DC/DC转换器的输出端口，也是PV模组的电气输出端口，其端口可连接电池或其它直流电器设备；PV+、PV-是PV晶片组接口，连接PV晶片组与DC/DC转换器。
C1是输入电容、L1是升压电感、Q1是BOOST开关管、Q1D是BOOST续流管、C2是输出电容，上述元器件组成了Boost电路拓扑，在控制单元的控制下，实现电能转换与MPPT功能。其中，Q1D是利用MOS管的同步整流技术作为BOOST电路的续流二极管，实现PV电压的升压功能。R1、R2是电路的采样电阻，用于输入、输出的电流采样，其中，R1为输入电流采样电阻，连接在PV-与GND两个电气之间，输入电流从PV+流入，经Boost电路，电流流到电气网络点GND，再由GND流向PV-，形成一个电流回路；当电流流过R1时，会在R1上产生一个电压，这时电压经控制电路运算后就可以计算出流过R1的电流即输入电流；R2输出电流采样电阻，其原理与R1相同，所不同的是采样的电流是输出回路的电流。
控制器采集电路的输入、输出的电压、电流信号及其他信号，并发出Q1和Q1D驱动信号，从而控制Q1、Q1D，使DC/DC电路输入的功率最大化，既实现MPPT功能。
Q1与Q1D是一对互补的管子，当Q1导通增大时，Q1D导通时间减小，当Q1导通时间减小时，Q1D导通增大。假设一个开关工作周期为时间T，Q1的导通时间为DT，Q1D的导通时间就为（1-D）T，其中，D是表示导通时间与一个周期时间的比值的占空比。
1.恒压控制，采用电压闭环控制原理。
当输出电压Vo高于设定输出电压Vref时（即Vo>Vref），控制电压就会控制Q1导通时间T减小，这种Boost电路，当Q1导通时间增小时，输出电压Vo就会降低；同理，当Vo<Vref时，控制电压就会控制Q1导通时间T增加，输出电压Vo就会升高。这样实现输出电压的动态稳定。电路的开关频率很高（100KHz）,输出以有滤波电容，所以输出是一个稳定在设定电压Vref的电压值（Vo=Vref）；
2.恒流控制与恒压控制原理相同，只是采样控制的对象变成了输出电流。
3.MPPT控制方式
MPPT控制使用干扰法，也叫爬坡法，是目前常用的最大功率点跟踪法之一，它的基本原理是通过调整占空比，调整PV晶片组的输出电压来寻找最大功率点。
如图12所示，假设A点是当前时刻的状态，对应的PV晶片组输出的电压和功率分别为UA、PA，这是主动改变Q1的占空比D（使D减小），工作状态就到了B点，计算A点与B点的功率并比较。若PB>PA,则扰动继续按增大电压的方向进行。从E点到F点，PE>PF，扰动应按原来相反的方向进行（使D增大），最终使PV晶片组工作在D点附近扰动，实现PV晶片组的最大功率输出。
同时输出可以控制为恒压或恒流输出，并在需要时实现其他功能。控制器所采集的信号包括PV电压采样、PV电流采样、电池电压采样和电池电流采样。
TVS1是防雷器件，连接在PV晶片组的两端PV+和PV-，当PV模组遭遇雷击时，会产生很高的电压尖峰，而TVS1可以很好的吸收这些电压尖峰，保护电路中的其它器件不会因些损坏。
D1是旁路二极管，连接在PV晶片组的两端PV+和PV-，用于替代传统PV模组接线盒旁路二极管，加上PV模组的整体结构设计，从而节省了接线盒。
在上述实施例中，一体化设计了PV和DC/DC转换器模块，省去了传统PV的接线盒，并且DC/DC转换器模块采用小体积，扁平化设计，使的PV模组整体更薄。
在本发明的另一个具体实施例中，如图9所示，DC/DC转换器的工作原理与图8所示的类似，所不同的是图9使用了一个1：N的自耦式电感，形成一个N-Boost电路，从而实现电路的高比率升压。一般的PV板在最大功率时的电压Vpv为15V～40V，而普通的Boost升压电路在在应用中升压比在8倍以内，且在升压比为3～4倍时，效率最高，所以当Vpv为15V或更小时，DC/DC的输出电压较低，为了效率只会使它升压到100V以内；那么当需要更高电压时，就可以利用图9中的N-Boost电路，其升压比是普通BOOST电路的N倍，从而可以方便地实现10～15倍升压（或者更高的升压比），达到200V、300V、500V等较高电压的输出。这个有利用高压直流电网的建设。
在现实生产中，可以根据需要，使得DC/DC转换电路除了具有MPPT功能与电压转换功能外，还执行电流限制、输出电压限制、通讯等功能。
本发明的技术方案采用BOOST电路或N-Boost电路，电路简单、元器件少，L1电路采用扁平化设计，从而使整个电路可以做的很薄，其厚度小于10mm。采用扁平化设计，可以使整个PV模组的厚度在10mm以内，从而减小了传统PV的的厚度，为运输与安装节省了空间与成本。
本发明改变了传统PV模组只完成“光-电”转换的单一功能，本发明所提供的PV模组具有“光-电”转换和MPPT跟踪的功能，其输出具有电源输出特性，既实现了最大功率电跟踪，也易于PV模组的并联应用。从而解决PV模组与转换器分离所带来的应用不方便问题；同时由于转换器，可以输出一个恒流（或恒压）值，这样就可以实现多块PV模组并联使用的问題；由于DC/DC模块电压转换功能，从而可以实现不同参数、不同型号PV模组的混合使用。
综上，本发明所提供的PV模组，将DC/DC转换器与PV晶片安装在一起，从而达到了PV模组携带方便；输出可并联组合；PV模组之间互不影响，提高了整体PV组阵的效率。因每块PV模组都有自己的DC/DC转换电路，其输出可以并联，所以可以实现不同参数PV模组的混合使用，且使每块PV模组都可以输出其最大功率。DC/DC转换器采用Boost、N-Boost电路，扁平化设计，既实现了MPPT功能的升压和高比率升压功能，同时比传统的PV模组更薄，从而方便运输与安装的空间，节约了成本。DC/DC转换器模块部分，其高度约为40mm,厚约35mm，相比于传统PV模组，其外观变化不大，对工程应用的影响不大。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然并非用以限定本发明实施的范围，依据本发明的权利要求书及说明内容所作的简单的等效变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种PV模组，其特征在于，包括至少一个由PV晶片组成的PV晶片组，以及与所述PV晶片组一体化连接的DC/DC转换器，所述PV晶片组与DC/DC转换器之间具有隔热层，其中，所述DC/DC转换器用于最大功率点跟踪MPPT和电压转换，所述DC/DC转换器包括Boost或N-Boost电路。
2.根据权利要求1所述的PV模组，其特征在于，所述Boost电路包括分别连接在PV晶片组的两端PV+和PV-之间的防雷器件TVS1和旁路二极管D1。
3.根据权利要求1所述的PV模组，其特征在于，所述N-Boost电路包括分别连接在PV晶片组的两端PV+和PV-之间的防雷器件TVS1和旁路二极管D1。
4.根据权利要求1、2或3所述的PV模组，其特征在于，所述隔热层所使用的材料为玻璃纤维。
5.根据权利要求4所述的PV模组，其特征在于，所述隔热层的厚度为3mm。
6.根据权利要求1、2或3所述的PV模组，其特征在于，所述PV晶片组的数量大于或等于2，每个PV晶片组的输出与对应的DC/DC转换器的输入端连接，所述DC/DC转换器的输出端串联/并联后连接至电池组、直流母线、DC/DC电源或DC/AC逆变。
7.根据权利要求6所述的PV模组，其特征在于，所述PV晶片组由至少2块PV晶片串联/并联后组成。
8.根据权利要求1、2或3所述的PV模组，其特征在于，所述PV晶片组由至少2块PV晶片串联/并联后组成。
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