CN103825548B - 高效的光伏组件和光伏发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效的光伏组件和光伏发电系统。其中，光伏组件包括：太阳能电池组，包括多个太阳能电池片，多个太阳能电池片串联；以及最大功率点跟踪模块，与太阳能电池组相连接，用于控制太阳能电池组以最大功率输出。通过本发明，达到了提高光伏发电系统的发电效率的效果。

Description

高效的光伏组件和光伏发电系统

技术领域

本发明涉及光伏领域，具体而言，涉及一种高效的光伏组件和光伏发电系统。

背景技术

在光伏阵列中，由于每一块光伏组件的额定输出参数均不一致，且每一块光伏组件的输出参数随外界条件（光照、温度）的变化规律也不一致，因此在光伏阵列中串联或并联安装的光伏组件的电学参数是不匹配的，这样会造成能量损失，降低光伏发电系统的发电效率。此外，由于损失的能量以热量的形式释放，时间长了会影响组件寿命。进一步地，在光伏组件中，由于每一块太阳电池片的额定输出参数均不一致，且每一块太阳电池片的输出参数随外界条件（光照、温度）的变化规律也不一致，因此在光伏组件中串联或并联安装的太阳电池片的电学参数也是不匹配的，这样会造成能量损失，降低光伏组件的转换效率。此外，由于损失的能量以热量的形式释放，时间长了会影响太阳电池片的寿命。

当在光伏组件上光照不均匀（阴影或组件表面污渍）时，在被遮挡的光伏组件的区域会发生热斑效应，少量的遮挡即会造成整个光伏发电系统大量的能量损失，发生热斑效应的组件也会加速老化甚至损坏。

针对现有技术中光伏发电系统的发电效率低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种高效的光伏组件和光伏发电系统，以解决光伏发电系统的发电效率低的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种高效的光伏组件。根据本发明的光伏组件包括：太阳能电池组，包括多个太阳能电池片，多个太阳能电池片串联；以及最大功率点跟踪模块，与太阳能电池组相连接，用于控制太阳能电池组以最大功率输出。

进一步地，太阳能电池组为多组太阳能电池组，最大功率点跟踪模块为多个最大功率点跟踪模块，多组太阳能电池组中每一组太阳能电池组分别连接多个最大功率点跟踪模块中的一个最大功率点跟踪模块，多个最大功率点跟踪模块串联。

进一步地，在最大功率点跟踪模块上设置有直流转换器，直流转换器用于将太阳能电池组输出的电流转换为预设电流值。

进一步地，直流转换器包括正极输出端和负极输出端，高效的光伏组件还包括：二极管，二极管的阳极与直流转换器负极输出端相连接，二极管的阴极与直流转换器正极输出端相连接。

进一步地，多个太阳能电池片中的任意一个太阳能电池片为单晶硅电池片、多晶硅电池片、三五族化合物电池片和薄膜电池中的子电池单元中任一种电池片。

为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了一种高效的光伏发电系统。根据本发明的光伏发电系统包括：光伏阵列，光伏阵列包括权利要求1至5任一项光伏组件；以及逆变机构，与光伏阵列相连接，用于将光伏阵列输出的直流电转化为交流电。

进一步地，光伏阵列为多个光伏阵列，逆变机构包括：逆变控制单元，与多个光伏阵列相连接，用于控制串联接入的光伏阵列的数量；以及逆变器，与逆变控制单元相连接。

进一步地，逆变控制单元包括：可控转换开关组，与光伏阵列相连接；电压采集模块，与光伏阵列相连接，用于采集光伏阵列输出的电压；以及运算控制模块，与可控转换开关组和电压采集模块分别相连接，用于输出控制信号控制可控转换开关组接入光伏阵列的数量。

进一步地，可控转换开关组包括：多个接入接口，多个接入接口中每一个接入接口分别连接一个光伏阵列。

进一步地，光伏发电系统包括多个逆变器，可控转换开关组包括多个输出接口，多个输出接口中每一个输出接口分别连接一个逆变器。

通过本发明，采用太阳能电池组，包括多个太阳能电池片，多个太阳能电池片串联；以及最大功率点跟踪模块，与太阳能电池组相连接，用于控制太阳能电池组以最大功率输出，解决了光伏发电系统的发电效率低的问题，达到了提高光伏发电系统的发电效率的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的高效的光伏组件的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的一种优选的高效的光伏组件的结构示意图；

图3a和图3b是根据本发明实施例的高效的光伏组件的外观示意图；

图4是根据本发明实施例的一种优选的光伏发电系统的示意图；以及

图5a和图5b是根据本发明实施例的光伏发电系统中光伏组件的安装示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明实施例提供了一种高效的光伏组件，该光伏组件可以用于光伏发电系统中。

图1是根据本发明实施例的高效的光伏组件的结构示意图。如图1所示，该光伏组件包括太阳能电池组10（图1中虚线框所示）和最大功率点跟踪（Maximum Power PointTracking，简称MPPT）模块20。

太阳能电池组10包括多个太阳能电池片101，多个太阳能电池片101串联。如图1所示，多个太阳能电池片101通过串联形成太阳能电池组10。其中，多个太阳能电池片中的任意一个太阳能电池片可以为单晶硅电池片、多晶硅电池片、三五族化合物电池片和薄膜电池中的子电池单元中任一种电池片。太阳能电池组中的太阳能电池片可以是全部采用相同的电池片，也可以是采用不相同的电池片。

最大功率点跟踪模块20与太阳能电池组10相连接，该MPPT模块用于控制太阳能电池组10以最大功率输出。MPPT模块可以是集成在光伏组件上的MPPT控制器。MPPT模块的功能是控制太阳能电池组工作在最大功率点。在太阳能电池组10的正、负极输出端分别连接到MPPT模块上，在MPPT模块上还可以集成有直流转换器，直流转换器将太阳能电池组10输出的电流转化为相同的电流值，通过直流转换器使得光伏组件以恒流源的形式输出功率。MPPT模块20包括正极输入端和负极输入端，正极输入端与太阳能电池组10的正极相连接，负极输入端与太阳能电池组10的负极相连接。MPPT模块20还包括正极输出端和负极输出端，其中MPPT模块20的正极输出端可以作为光伏组件的正极输出端，MPPT模块20的负极输出端可以作为光伏组件的负极输出端。

本发明实施例的太阳能电池组可以是一组也可以是多组，相应的MPPT模块可以是一个也可以是多个，其中，每一组太阳能电池组连接一个MPPT模块。

根据本发明实施例，将太阳能电池片串联形成太阳能电池组，通过MPPT模块控制太阳能电池组工作在最大功率点，使得在部分太阳能电池片被遮挡时，太阳能电池组仍然能够输出在部分太阳能电池片被遮挡时能够输出的最大输出功率。避免现有技术中由于部分太阳能电池片被遮挡导致其他太阳能电池片的输出功率降低，从而导致光伏发电系统的发电效率低的问题，达到了提高光伏发电系统的发电效率的效果。另外，本发明实施例的高效的光伏组件以恒流源的形式输出功率，光伏组件通过串联集成，相比通过并联集成的恒压型光伏组件，本发明可提高系统电压等级，减小功率损耗，适用与大容量光伏发电系统应用。

优选地，本发明实施例的太阳能电池组为多组太阳能电池组，最大功率点跟踪模块为多个最大功率点跟踪模块，多组太阳能电池组中每一组太阳能电池组分别连接多个最大功率点跟踪模块中的一个最大功率点跟踪模块，多个最大功率点跟踪模块串联。

如图2所示，太阳能电池组10为多组太阳能电池组，MPPT模块20为多个MPPT模块。其中，每组太阳能电池组包括多个太阳电池片，太阳电池片可以是单晶硅或多晶硅电池片，也可以是三五族化合物电池芯片，也可以是薄膜电池中的子电池单元。太阳电池片分为N组（N为整数，N大于等于1），每组太阳电池片以串联形式连接形成电池组串，即太阳能电池组，太阳能电池组的正、负极输出接入MPPT模块。MPPT模块的功能是控制太阳能电池组工作在最大功率点，并以恒流源的形式输出功率。MPPT模块数量与太阳能电池组数量一致，N个MPPT模块通过串联形式连接并形成正、负两极输出端。

根据本发明实施例，光伏组件中由于每一组太阳能电池组都有独立的MPPT模块控制，当发生遮挡工况时，被遮挡太阳能电池组将在遮挡条件下发出其所能发出的最大电能，同时其它太阳能电池组的电能输出完全不受影响，避免了现有的光伏组件由于受到被遮挡的太阳能电池组的影像导致其他未被遮挡的太阳能电池组输出功率降低的问题，有效抑制了遮挡造成的输出功率损失。最终光伏组件可以实现最大的集成输出功率，将遮挡造成的功率损失降到最低。

优选地，在最大功率点跟踪模块上设置有直流转换器（DC/DC）（图中未示出），该直流转换器可以与太阳能电池组相连接，用于将最大功率点跟踪模块输出的电流转换为预设电流值。MPPT模块为多个时，每一个MPPT模块上均设置有直流转换器，可以用于将多个不同的最大功率点跟踪模块输出的电流均转化为相同的电流值，即预设电流值。其中，预设电流值可以通过直流转换器设置进行设置。

需要说明的是，直流转换器可以是集成在MPPT模块上的功能模块，也可以是独立于MPPT模块之外的集成功能模块。

可选地，光伏组件还包括多个直流转换器（图中未示出）。该多个直流转换器中每一个直流转换器连接多个最大功率点跟踪模块中的一个最大功率点跟踪模块，多个直流转换器用于将多组太阳能电池组输出的电流转换为相同的电流值。

优选地，直流转换器包括正极输出端和负极输出端，光伏组件还包括二极管，该二极管的阳极与直流转换器负极输出端相连接，二极管的阴极与直流转换器正极输出端相连接。

当直流转换器设置在MPPT模块上时，本发明实施例的直流转换器包括正极输出端和负极输出端，光伏组件还包括二极管，二极管的阳极与直流转换器负极输出端相连接，二极管的阴极与直流转换器正极输出端相连接。

如图2所示，二极管30的阳极与MPPT模块20上的直流转换器的负极输出端相连接，二极管30的阴极与MPPT模块20上直流转换器的正极输出端相连接。当MPPT模块为多个MPPT模块时，二极管为多个二极管，每一个MPPT模块均设置有直流转换器，每一个MPPT模块上的直流转换器连接一个二极管。当某个或多个MPPT模块故障或无电能输出时，在该MPPT模块对应的二极管两端会形成正向偏压使该二极管导通，MPPT模块串的工作电流会绕过故障或无电能输出MPPT模块，，避免由于MPPT模块故障导致整个光伏组件中的电路中断的问题，而不影响光伏组件的正常工作和电能的正常输出。

图3a和图3b是根据本发明实施例的高效的光伏组件的外观示意图。图3a为光伏组件正面（迎光面），包括太阳能电池片及其连接线等。图3b为光伏组件背面（背光面）。3-1为光伏组件的接线盒，接线盒3-1中可以封装有图2中所示的MPPT模块20和二极管30，并输出正负两极接线端子3-2。在本发明实施例中，所有MPPT模块、二极管以及MPPT模块与二极管之间的接线完全封装在光伏组件背面的接线盒3-1中。本发明实施例中所有太阳能电池片封装在光伏组件的正面进行光电转换。

本发明实施例还提供了一种高效的光伏发电系统，该光伏发电系统可以采用本发明实施例的光伏组，当然，本发明实施例的高效的光伏组件也可以用于本发明实施例的光伏发电系统。本发明实施例的光伏发电系统包括光伏阵列和逆变机构，光伏阵列包括本发明实施例的高效的光伏组件。其中，光伏阵列可以包括多个光伏组件，逆变机构与光伏阵列相连接，用于将光伏阵列输出的直流电转化为交流电。逆变机构可以是采用多个逆变器组成的集群式逆变系统。

根据本发明实施例，通过采用本发明实施例的高效的光伏组件，将太阳能电池片串联，使得每一个太阳能电池片的输出电流相同，通过MPPT模块控制太阳能电池组工作在最大功率点，使得在部分太阳能电池片被遮挡时，太阳能电池组仍然能够输出在部分太阳能电池片被遮挡时能够输出的最大输出功率。避免现有技术中，由于部分太阳能电池片被遮挡导致其他太阳能电池片的输出功率降低，从而导致光伏发电系统的发电效率低的问题，达到了提高光伏发电系统的发电效率的效果。另外，本发明实施例的光伏组件以恒流源的形式输出功率，可以进行串联集成，提高系统电压等级，减小功率损耗。

优选地，光伏阵列为多个光伏阵列，逆变机构包括逆变控制单元和逆变器。其中，逆变控制单元与多个光伏阵列相连接，逆变控制单元用于控制串联接入的光伏阵列的数量。逆变器与逆变控制单元相连接。逆变器可以为多个逆变器，逆变控制单元为逆变机构的控制中心，可以用于控制串联接入的光伏阵列的数据和当前需要连接的逆变器的数量。

本发明实施例的光伏组件为一种恒流组件，在光伏发电系统集成时光伏组件采用串联连接，由于各光伏阵列实际输出电压难以保证一致，因此无法使用汇流箱进行汇接再接入逆变器。

为解决上述问题，本发明实施例的光伏发电系统使用可以使用多个逆变器组成一个集群式逆变系统，该集群式逆变系统通过对比光伏阵列的输入电压和光伏阵列的输入功率以及逆变器工作电压范围和最优工作功率计算出当前工况下需要投入的逆变器数量，控制逆变器的介入和接出，并进一步计算出电源的工作方式，将电源电能分别传送至运算控制模块所分配的逆变器。

图4是根据本发明实施例的一种优选的光伏发电系统的示意图。如图4所示，该光伏发电系统包括光伏阵列401、光伏阵列402、光伏阵列403和逆变机构50，图中光伏阵列均为虚线框表示。光伏阵列401包括本发明实施例的光伏组件。其中，光伏阵列401可以包括多个光伏组件，光伏阵列401包括光伏组件PV1、光伏组件PV2、光伏组件PV3、光伏组件PVn等n个光伏组件，其中，n大于等于3。逆变机构50包括逆变控制单元和逆变器51。逆变器51用于将直流电（DC）转换为交流电（AC）。

如图4所示，逆变控制单元包括可控转换开关组521、电压采集模块（未示出）和运算控制模块522。可控转换开关组521与光伏阵列相连接。电压采集模块与光伏阵列相连接，用于采集光伏阵列输出的电压。运算控制模块522与可控转换开关组521和电压采集模块分别相连接，用于输出控制信号控制可控转换开关组521接入光伏阵列的数量。

具体地，电压采集模块同时采集多个光伏阵列的电压并将采集到的电压信号送入运算控制模块。运算控制模块通过对比光伏阵列的输入电压和光伏阵列的输入功率以及逆变器工作电压范围和最优工作功率计算出当前工况下需要投入的逆变器数量以及需要串联的光伏阵列的数量，并进一步计算出可控转换开关组的连接方式，将控制信号输出至可控转换开关组。可控转换开关组接收控制信号后调整连接状态，将接入的光伏阵列串联形成一组或多组电源，并将形成的电源的电能分别传送至运算控制模块所分配的逆变器。

优选地，可控转换开关组包括多个接入接口，该多个接入接口中每一个接入接口分别连接一个光伏阵列。光伏发电系统包括多个逆变器，可控转换开关组包括多个输出接口，多个输出接口中每一个输出接口分别连接一个逆变器。

如图4所示，可控转换开关组521包括接入接口5211和输出接口5212，其中，接入接口可以为多个接入接口，输出接口可以为多个输出接口。

由于本发明实施例的光伏组件为一种恒流组件，在光伏发电系统集成时光伏组件采用串联连接，光伏发电系统中每一光伏阵列可以根据逆变器的工作电压等极确定串联的光伏组件数。一般单个光伏阵列的额定工作电压在600-1000V范围，实际工作电压在100-1000V范围，单个光伏阵列功率3-50kW。

本发明实施例的光伏发电系统使用N台（N可以在2-30台范围）小功率（例如3-50kW）逆变器组成一个集群式逆变系统（如图4中的逆变机构50），单个集群式逆变系统容量在100-1000kW。逆变机构除逆变器外还包括一个逆变控制单元。逆变控制单元主要包括N个接入接口、N个输出接口、可控转换开关组、电压采集模块和运算控制单元等。工作过程中，N对接入口分别与N个光伏阵列连接，N对输出口分别于N台逆变器连接。电压采集模块同时采集N对接入接口的电压值并将该电压值信号送入运算控制单元。运算控制单元通过对比光伏阵列的输入电压和光伏阵列的输入功率以及逆变器工作电压范围和最优工作功率计算出当前工况下需要投入的逆变器数量以及需要串联的接入接口的数量，并进一步计算出可控转换开关组的连接方式，将控制信号输出至可控转换开关组。可控转换开关组接收信号后调整连接状态，将接入接口的输入电源按适当方式串联形成一组或多组电源，并将电源电能分别传送至运算控制模块所分配的逆变器。

综上，本发明实施例的光伏发电系统的优势在于：1、可以动态调节逆变器的投入量，提高逆变器运行效率，减小逆变器无效工作时间；2、单台逆变器的损坏或维护不影响整个系统的正常运行，系统稳定性极佳。3、可延长整个光伏发电系统的日工作时间，但是单台逆变器的日工作时间减少，提高每日发电量，同时提高逆变器使用寿命。

图5a和图5b是根据本发明实施例的光伏发电系统中光伏阵列的安装示意图。如图所示，图5a为光伏阵列的正面视图，图5b为光伏阵列的背面视图，该实施例中光伏组件横向排列，即光伏组件中太阳能电池组的连接方向平行于地面。由于光伏组件使用过程中，前排阵列的阴影或灰尘积聚易发生在光伏组件靠近地面一侧，若太阳能电池组的连接方向垂直于地面，则每一组太阳能电池组都可能有一片或多片电池受遮盖，使得所有太阳能电池组输出功率减小。当太阳能电池组连接方向平行于地面时，所遮挡部分只会从光伏组件的最底端依次影响太阳能电池组。现有的光伏组件中由于所有太阳能电池片串联且没有MPPT控制，无论组件如何安装均难以抑制阴影造成的输出功率损失。在本发明实施例所提出光伏组件中，由于每一组太阳能电池组均有独立的MPPT控制，当光伏组件发生遮挡时，被遮挡太阳能电池组将在遮挡条件下发出其所能发出的最大电能，同时其它太阳能电池组的输出完全不受影响，最终光伏组件可以实现最大的集成输出功率，将遮挡造成的功率损失降到最低，充分发挥本发明实施例在太阳能电池组进行MPPT控制的优势。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高效的光伏组件，其特征在于，包括：

太阳能电池组，包括多个太阳能电池片，所述多个太阳能电池片串联；以及

最大功率点跟踪模块，与所述太阳能电池组相连接，用于控制所述太阳能电池组以最大功率输出，

其中，在所述最大功率点跟踪模块上设置有直流转换器，所述直流转换器用于将所述太阳能电池组输出的电流转换为预设电流值，所述直流转换器为独立于MPPT模块之外的集成功能模块，

其中，所述太阳能电池组为多组太阳能电池组，所述最大功率点跟踪模块为多个最大功率点跟踪模块，所述多组太阳能电池组中每一组太阳能电池组分别连接所述多个最大功率点跟踪模块中的一个最大功率点跟踪模块，所述多个最大功率点跟踪模块串联。

2.根据权利要求1所述的光伏组件，其特征在于，所述直流转换器包括正极输出端和负极输出端，所述高效的光伏组件还包括：

二极管，所述二极管的阳极与所述直流转换器负极输出端相连接，所述二极管的阴极与所述直流转换器正极输出端相连接。

3.根据权利要求1至2任一项所述的光伏组件，其特征在于，所述多个太阳能电池片中的任意一个太阳能电池片为单晶硅电池片、多晶硅电池片、三五族化合物电池片和薄膜电池中的子电池单元中任一种电池片。

4.一种高效的光伏发电系统，其特征在于，包括：

光伏阵列，所述光伏阵列包括权利要求1至2任一项所述光伏组件；以及

逆变机构，与所述光伏阵列相连接，用于将所述光伏阵列输出的直流电转化为交流电，

其中，所述逆变机构采用多个逆变器组成的集群式逆变系统。

5.根据权利要求4所述的光伏发电系统，其特征在于，所述光伏阵列为多个光伏阵列，所述逆变机构包括：

逆变控制单元，与所述多个光伏阵列相连接，用于控制串联接入的所述光伏阵列的数量；以及

逆变器，与所述逆变控制单元相连接。

6.根据权利要求5所述的光伏发电系统，其特征在于，所述逆变控制单元包括：

可控转换开关组，与所述光伏阵列相连接；

电压采集模块，与所述光伏阵列相连接，用于采集所述光伏阵列输出的电压；以及

运算控制模块，与所述可控转换开关组和所述电压采集模块分别相连接，用于输出控制信号控制所述可控转换开关组接入所述光伏阵列的数量。

7.根据权利要求6所述的光伏发电系统，其特征在于，所述可控转换开关组包括：

多个接入接口，所述多个接入接口中每一个接入接口分别连接一个所述光伏阵列。

8.根据权利要求6所述的光伏发电系统，其特征在于，所述光伏发电系统包括多个逆变器，所述可控转换开关组包括多个输出接口，所述多个输出接口中每一个输出接口分别连接一个所述逆变器。