CN107039537A - 用于向多个太阳能板施加电场的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于提高太阳能电池的效率和功率输出的太阳能电池管理系统及用于制造和使用该太阳能电池管理系统的方法。该管理系统跨一个或多个太阳能电池提供电场。所强加的电场对由入射在该太阳能电池上的光所形成的电子和空穴施加力，并且使这些电子‑空穴对加速朝向该太阳能电池的电极行进。该太阳能电池管理系统考虑太阳能电池配置中的变化，以便最大化这些太阳能电池的功率输出。这些加速的电子‑空穴对在这些电池的半导体的材料内重新组合的可能性较低。电子‑空穴重新组合率的这种降低导致这些太阳能电池的效率的总体提高和更大功率输出。

Description

用于向多个太阳能板施加电场的方法和系统
本申请为于2016年9月5日提交、申请号为201580012041.5、发明名称为“用于向多个太阳能板施加电场的方法和系统”的中国专利申请的分案申请。所述母案申请的国际申请日为2015年3月3日，国际申请号为 PCT/US2015/018552。
相关申请的交叉引用
本申请是2015年2月20日提交的美国专利申请号14/628,079的部分继续申请并且要求其权益，该美国专利申请要求2014年2月21日提交的美国临时申请号61/943,127；2014年2月21日提交的美国临时申请号 61/943,134；2014年3月3日提交的美国临时申请号61/947,326；以及2014 年7月8日提交的美国临时申请号62/022,087的美国临时专利申请的权益，这些申请的披露内容以其全文并且出于所有目的通过引用并入本申请。
技术领域
本披露总体上涉及光伏器件，并且更具体地但非排他地，涉及用于通过例如跨一个或多个太阳能电池施加外电场并调整该外电场来最大化所产生的功率或能量以及这些太阳能电池的总效率的系统和方法。
背景技术
太阳能电池(也被称为光伏电池)是通过称之为“光伏效应”的过程将光能直接转换成电力的电气装置。当暴露于光时，太阳能电池可以产生并维持电流而无需被附接到任何外部电压源上。
最常见的太阳能电池包括由半导体材料(例如，硅)制作的p-n结110，诸如在图1所示的太阳能电池100中。例如，p-n结110包括由位于较厚p型硅层的顶部上的超薄n型硅层组成的薄晶片。在这两层相接触的情况下，在太阳能电池100的顶表面附近形成了电场(未示出)，并且电子从高电子浓度区域(p-n结110的n型侧)向低电子浓度区域(p-n结110的p型侧)中扩散。
p-n结110被封装在两个导电电极101a、101b之间。顶部电极101a是入射(太阳)辐射可透过的，抑或并未完全覆盖太阳能电池100的顶部。这些电极101a、101b可以用作连接到串联耦合的外部负载30上的欧姆金属半导体触点。尽管被示出为仅是电阻性的，负载30也可以包括电阻分量和电抗分量两者。
当光子撞击太阳能电池100时，该光子：径直穿过太阳能电池材料—这总体上在较低能量光子的情况下发生；从该太阳能电池的表面反射；抑或优选地，被太阳能电池材料吸收—如果光子能量高于硅带隙的话—从而产生电子-空穴对。
如果该光子被吸收，其能量被给予该太阳能电池材料中的电子。通常，这个电子位于价带中并且被紧密束缚在相邻原子之间的共价键中，并且因此不能远距离移动。由该光子给予该电子的能量“激励”该电子进入导带中，在该导带中，该电子自由地在太阳能电池100内四处移动。该电子先前是其一部分的共价键现在少了电子-这称之为空穴。残缺共价键的存在允许相邻原子的键合电子移动到该空穴中，从而留下另一个空穴。以此方式，空穴也可以在整个太阳能电池100内有效地移动。因此，被吸收在太阳能电池100中的光子形成了移动电子-空穴对。
移动电子-空穴对朝向这些电极101a、101b扩散或漂移。典型地，电子朝向负电极扩散/漂移，而空穴朝向正电极扩散/漂移。在载流子(例如，电子)被电场捕获之前，载流子扩散是由于随机热运动。载流子漂移由跨太阳能电池100的活跃场建立的电场驱动。在薄膜太阳能电池中，电荷载流子分离的主导模式为漂移，这由p-n结110的贯穿薄膜太阳能电池厚度延伸的静电场驱动。然而，对于在活跃区中几乎没有电场的较厚太阳能电池，电荷载流子分离的主导式为扩散。在较厚太阳能电池中，少数载流子的扩散长度 (即，光生载流子在其重新组合之前行进的长度)肯定是大的。
最后，在p-n结110的n型侧上形成的、由p-n结110“收集”的、并且扫掠到n型侧上的电子可以向外部负载30提供功率(经由电极101a)并且返回太阳能电池100的p型侧(经由电极101b)。一旦返回p型侧，电子就可以与空穴重新组合，该空穴是在p型侧上作为电子-空穴对形成的，抑或从n 型侧跨p-n结110被扫掠的。
如图1所示，该电子-空穴对从形成该电子-空穴对的点行进迂回路径而到达该电子-空穴对在这些电极101a、101b处被收集处的点。由于该电子-空穴对所行进的路径较长，该电子或空穴有很大机会与另一个空穴或电子重新组合，该重新组合导致到任何外部负载30的电流损失。换句话说，当形成电子-空穴对时，这些载流子中的可以到达p-n结110(被收集载流子)并且对太阳能电池100所产生的电流有贡献。可替代地，该载流子可以重新组合而对电池电流无净贡献。电荷重新组合导致量子效率(即，当太阳能电池100 时转换成电流的光子的百分比)下降，并且因此导致太阳能电池100的总效率下降。
最近对降低太阳能电池的成本并提高其效率的尝试包括测试用于太阳能电池的不同材料和不同制作技术。另一种途径尝试增强在p-n结110周围形成的耗尽区，以用于增强电荷载流子在整个太阳能电池100内的移动。例如，参看于1991年5月3日提交的亨构莱宁等人(“Hingorani”)的美国专利(专利号5,215,599)，以及要求2010年12月3日提交日期的优先权、于 2011年12月2日提交的福纳卢奇(“Fornage”)的美国专利(专利号 8,466,582)，这些专利的披露内容以其全文并且出于所有目的通过引用并入本申请。
然而，用于增强电荷载流子在整个太阳能电池100内的移动的这些常规途径要求修改太阳能电池100的基本结构。例如，Hingorani和Fornage披露了向使用一种修改的太阳能电池结构的太阳能电池施加外电场。外电场的施加要求在电极之间施加电压以便诱导出电场(以下参考方程2更详细地描述)。在不修改太阳能电池100的基本结构的情况下，向太阳能电池100的现有电极101a、101b施加电压通过外部负载30使该外加电压短路。换句话说，向太阳能100的这些电极101a、101b施加电压对于形成外电场并增强电荷载流子的移动是无效的。因此，常规途径—诸如在Hingoriani和Fornage中披露的—必须修改太阳能电池100的基本结构，诸如通过在太阳能电池100 的基极上插入一组外部的(且电隔离的)电极。这种途径存在若干缺点。
例如，这些外部电极必须在制作过程中被放置在太阳能电池100上-将这些外部电极改装到现有太阳能电池或太阳能板上几乎是不可能的。对制作过程的这种修改显著地提高了制造成本并且降低了制造成品率。另外，将这些外部电极放置在太阳能电池100的前侧或入射侧减少了到达太阳能电池100 的光能，从而产生较低的功率输出。
另一个缺点是，为了显著地提高太阳能电池100的功率输出，必须向太阳能电池100的这些外部电极施加相当大的电压。例如，Fornage披露了必须在这些外部电极上放置伏特数量级为“1,000”的电压，从而使得该外加电场是活跃的并增大太阳能电池100的功率输出。这个电压的量值要求专业维修训练以及现有或新的太阳能板部署中当前不存在的另外的高压设备和布线。作为举例，位于这些外部电极与太阳能电池100之间的绝缘层必须足以抵抗高外加电压。在该绝缘层发生故障的情况下，存在不仅对该太阳能电池100 而且对与该故障的太阳能电池串联或并联连接的所有太阳能电池100以及外部负载30造成损坏的显著风险。
另一个缺点是，太阳能电池100的典型安装可能引入可能影响太阳能电池100的功率输出的另外的因素-诸如另外的接线、外部硬件等。例如，多个太阳能电池100可以耦合在一起(串联和/或并联)以便形成太阳能板10(图 2A-2D所示)。每个太阳能板10随后可以使用在此描述的任何合适方式(包括并联、串联或其组合)来耦合。参考图2A-2D，示出了使用至少一个太阳能板10的典型安装配置。
这些太阳能板10可以并联连接(图2A)、串联连接(图2B)、抑或以其组合的方式连接(图2C)。在图2A-2C的每一个中，太阳能板10可以驱动负载，诸如逆变器31。图2A示出了这些太阳能板10的串联耦合。转到图 2B，这些太阳能板10被示出串联连接并且驱动逆变器31。图2C示出了并联且串联连接的这些太阳能板10的一种替代性安装。在又另一个实施例中，图 2D示出了一种安装-典型地见于许多住宅安装中-其中，每一个太阳能板10连接到其自己的逆变器31上。
每种连接太阳能电池100和太阳能板10的方法要求不同的接线和安装方法，这改变了连接的太阳能板10的电特征/行为以及相应的功率输出。对提高太阳能电池效率的常规努力很少将安装障碍考虑在内，诸如用于连接多个太阳能电池100和/或多个太阳能板10的不同方法。
鉴于上述情况，需要一种致力于克服常规太阳能电池系统的上述障碍和缺陷的、用于提高效率和功率输出(诸如利用电子-空穴对的增大的迁移率) 的改进的太阳能电池系统和方法。
发明内容
本披露涉及一种用于优化至少一个光伏器件的功率输出的系统及使用和制造该系统的方法。根据在此披露的第一方面，提出了一种管理光伏器件的方法，该方法包括：
向选定光伏器件施加电压信号的第一分量，该第一分量表示用于跨该选定光伏器件产生外电场的导通状态；并且
向该选定光伏器件施加该电压信号的第二分量，该第二分量表示断开周期。
在所披露的方法的一些实施例中，该方法进一步包括在所述向该选定光伏器件施加该第一分量的同时，向第二选定光伏器件施加该第一分量；并且
在所述向该选定光伏器件施加该第二分量的同时，向该第二选定光伏器件施加该第二分量。
在所披露的方法的一些实施例中，所述施加该第一分量包括施加来自电压脉冲发生器电路的时变电压脉冲的高电压，并且其中，所述施加该第二分量包括切断该电压脉冲发生器电路。
在所披露的方法的一些实施例中，该方法进一步包括在由该选定光伏器件产生的现有电压的顶部上叠加该第一分量，其中，所述叠加该第一分量任选地包括经由耦合在所述电压脉冲发生器电路与该选定光伏器件之间的抬升注入电路来为该第一分量创建负基准(negative reference)。
在所披露的方法的一些实施例中，所述施加该第一分量包括在开关的第一位置连接电压源和该光伏器件，该开关被布置在该电压源与该选定光伏器件之间，并且其中，所述施加该第二分量包括在该开关的第二位置断开该电压源和该选定光伏器件。
根据在此披露的另一个方面，提出了一种管理至少一个光伏器件的方法，包括：
启动将耦合到选定光伏器件上的电压脉冲发生器；并且
向该选定光伏器件施加由该电压脉冲发生器产生的电压信号，该电压信号具有跨该选定光伏器件产生外电场的第一状态以及表示断开周期的第二状态。
在所披露的方法的一些实施例中，该方法进一步包括启动将耦合在该电压脉冲发生器与该选定光伏器件之间的抬升注入电路，用于为该第一状态提供负基准。
在所披露的方法的一些实施例中，该方法进一步包括向第二选定光伏器件施加该电压信号，所述任选地向该第二选定光伏器件施加该电压信号与所述向该选定光伏器件施加该电压信号同时地发生。
在所披露的方法的一些实施例中，该方法进一步包括启动将耦合到该第二选定光伏器件上的第二电压脉冲发生器电路，用于同时地跨该第二选定光伏器件提供第二时变电压脉冲，该第二时变电压脉冲提供该第一状态和该第二状态。
在所披露的方法的一些实施例中，所述施加该电压信号包括向该选定光伏器件施加可调电压。
在所披露的方法的一些实施例中，该方法进一步包括经由耦合到该电压脉冲发生器上的控制电路来控制该第一状态和该第二状态的频率和持续时间中的至少一个。
根据在此披露的另一个方面，提出了一种管理一个或多个光伏器件的方法，包括：
启动将耦合到选定光伏器件上的开关的第一端口；
启动将耦合到由该选定光伏器件驱动的负载上的该开关的第二端口；
启动将耦合到电压源上的该开关的第三端口，其中，该开关可以在第一位置和第二位置操作，该第一位置用于在该选定光伏器件与该电压源之间提供电流路径，该第二位置用于在该选定光伏器件与该负载之间提供该电流路径；并且
向该选定光伏器件施加由该电压源产生的电压信号，该电压信号具有用于在该开关处于该第一位置时用于跨该选定光伏器件产生外电场的第一状态以及在该开关处于该第二位置时用于在该电压源与该负载之间提供电隔离的第二状态。
在所披露的方法的一些实施例中，该方法进一步包括启动将耦合到该第二选定光伏器件上的第二开关的第一端口；
启动将耦合到该负载上的该第二开关的第二端口，该负载由该选定光伏器件和该第二选定光伏器件驱动；
启动将耦合到该电压源上的该第二开关的第三端口，其中，该第二开关可以在第一位置和第二位置操作，该第一位置用于在该第二选定光伏器件与该电压源之间提供电流路径，该第二位置用于在该第二选定光伏器件与该负载之间提供该电流路径；并且
同时地向该选定光伏器件和该第二选定光伏器件施加由该电压源产生的该电压信号，该第一状态用于在该开关和该第二开关处于该第一位置时跨该选定光伏器件和该第二选定光伏器件两者产生该外电场，并且该第二状态用于在该开关和该第二开关处于该第二位置时在该电压源与该负载之间提供电隔离。
在所披露的方法的一些实施例中，所述启动该开关的该第一端口包括启动将耦合到该选定光伏器件上的双投开关的第一端口。
在所披露的方法的一些实施例中，该方法进一步包括经由耦合到该双投开关上的开关控制器来控制在该第一位置与该第二位置之间进行切换的频率和持续时间中的至少一个。
在所披露的方法的一些实施例中，该方法进一步包括启动将耦合在该负载与该选定光伏器件之间、用于减轻该第一分量的任何压降的装置。
在所披露的方法的一些实施例中，所述施加该电压信号包括向该选定光伏器件施加可调电压。
附图说明
图1是示出一种现有技术太阳能电池的实施例的示例性顶层横截面图。
图2A是示出使用图1的太阳能电池的一种现有技术太阳能板阵列的一个实施例的示例性顶层方框图。
图2B是示出使用图1的太阳能电池的一种现有技术的太阳能板阵列的替代性实施例的示例性方框图，其中，每个太阳板串联耦合。
图2C是示出使用图1的太阳能电池的一种现有技术的太阳能板阵列的替代性实施例的示例性方框图，其中，每个太阳板既串联又并联耦合。
图2D是示出使用图1的太阳能电池的一种现有技术的太阳能板阵列的替代性实施例的示例性方框图，其中，每个太阳板直接耦合到负载上。
图3是示出一种太阳能电池管理系统的实施例的示例性顶层方框图。
图4是示出图3的太阳能电池管理系统的实施例的示例性方框图，其中，太阳能板阵列根据图2A所示的安排并联接线并且通过开关耦合到电压源上。
图5是示出图3的太阳能电池管理系统的替代性实施例的示例性方框图，其中，太阳能板阵列根据图2A所示的安排并联接线并且被耦合到电压脉冲发生器电路上。
图6是示出图4的太阳能电池管理系统的替代性实施例的示例性方框图，其中，该太阳能板阵列根据图2B所示的安排串联耦合。
图7是示出相对于跨图6的太阳能电池管理系统的每个太阳能板的电压的外加电压V外加的图表。
图8是示出图6的太阳能电池管理系统的替代性实施例的示例性方框图，其中，一个或多个太阳能板阵列通过一个或多个开关耦合到电压源上。
图9是示出图4的太阳能电池管理系统的另一个替代性实施例的示例性方框图，其中，一个或多个太阳能板阵列通过一个或多个开关耦合到该电压源上。
图10是示出图4的太阳能电池管理系统的另一个替代性实施例的示例性方框图，其中，一个或多个太阳能板阵列根据图2D所示的安排串既串联又并联接线并且通过开关耦合到该电压源上。
图11是示出图10的太阳能电池管理系统的另一个替代性实施例的示例性方框图，其中，一个或多个太阳能板阵列通过一个或多个开关耦合到该电压源上。
图12A-12B是示出与图2D的太阳能板阵列合作的图4的太阳能电池管理系统的替代性实施例的示例性方框图。
图13是示出图5的太阳能电池管理系统的替代性实施例的示例性方框图，其中，该太阳能板阵列根据图2B的太阳能板阵列串联接线。
图14是示出相对于跨图13的太阳能电池管理系统的每个太阳能板的电压的外加电压V外加的图表。
图15A-15B是示出图13的太阳能电池管理系统的替代性实施例的示例性方框图，其中，一个或多个太阳能板阵列被耦合到一个或多个电压脉冲发生器上。
图16是示出图5的太阳能电池管理系统的替代性实施例的示例性方框图，其中，该太阳能板阵列根据图2C所示的安排接线。
图17A-17B是示出图5的太阳能电池管理系统的替代性实施例的示例性方框图，其中，该太阳能板阵列根据图2D所示的安排接线。
图18是示出用于与图5的太阳能电池管理系统一起使用的脉冲抬升电路的实施例的示例性电路图。
应注意的是，附图不是按比例绘制的，并且出于说明性目的，所有这些附图中，具有相似结构或功能的元件总体上用类似的参考号表示。还应注意的是，附图仅旨在帮助对优选实施例的描述。附图并不展示所描述的实施例的每个方面并且不限制本披露的范围。
具体实施方式
由于当前可获得的太阳能电池系统不能最大化光伏电池的功率输出，一种增大电子-空穴对的迁移率并且减小半导体材料中的复合电流的太阳能电池系统可以证明是所希望的，并且为各种各样的太阳能电池系统提供基础，以便增大被配置为太阳能板的多个太阳能电池的效率和功率输出。根据在此披露的一个实施例，可以通过图3所示的一种太阳能电池管理系统300来实现此结果。
转到图3，太阳能电池管理系统300适用于与各种各样的光伏器件一起使用。在一个实施例中，太阳能电池管理系统300可以适用于与图1所示的太阳能电池100一起使用。例如，太阳能电池100可以表示任何适合一代的太阳能电池，诸如基于晶片的晶体硅电池(第一代)、包括非晶硅电池的薄膜太阳能电池(第二代)、和/或第三代电池。太阳能电池管理系统300有利地可以与任一代太阳能电池100一起使用而无需进行结构修改，并且没有相关联的缺陷。
在另一个实施例中，太阳能电池管理系统300可以适用于与多个太阳能电池100(诸如图2A-2D所示的太阳能板10)一起使用。如先前讨论的，多个太阳能电池100可以耦合(串联和/或并联)在一起以便形成太阳能板10。这些太阳能板10可以经由地面安装、屋顶安装、太阳能追踪系统、固定机架等被安装在支撑结构(未示出)上，并且可以用于地上和星载应用。类似地，太阳能电池管理系统300有利地可以与任一代太阳能板10一起使用而无需对太阳能板10进行结构修改，并且没有相关联的缺陷。
如图3所示，光伏器件200与电场250合作。在一些实施例中，电场 250的极性可以被施加在与光伏器件200中的这些电极101a、101b(图1所示)的极性相同的方向抑或相反的方向上。例如，如果在与光伏器件200中的这些电极101a、101b的极性相同的方向上施加电场250，电场250作用在光伏器件200中的这些电子-空穴对上以便强加力-对应地在电子或空穴上的-e- E或h+E-从而加速电子和空穴朝向对应电极的迁移率。可替代地，如果电场250的极性反过来，光伏器件200中的这些电子-空穴对的迁移率减小，从而增大光伏器件200内的复合电流。因此，可以如所希望地降低光伏器件200 的效率，以便诸如管理光伏器件200的功率输出。
此外，施加到光伏器件200的电场250可以如所希望地是静态的或时变的。在其中电场250时变的情况下，电场250具有非零的时间平均量值。换句话说，这些电子和空穴上的净力是非零的，以便使光伏器件200的电子-空穴对的迁移率增大。
太阳能电池管理体系300可以使用在此描述的任何合适装置(包括使用如图4所示的开关55)来向光伏器件200施加外部电压V外加。转到图4，光伏器件200可以表示任何数目的光伏器件，诸如如图所示的该太阳能电池100 和/或这些太阳能板10。这些太阳能板10被示出为并联接线(也在图2A示出)并且连接到开关55上，诸如单刀双掷(或三路)开关。然而，如将参考图6和图8-12讨论的，这些太阳能板10也可以串联、串并联组合、以及彼此独立地接线。在一个实施例中，开关55还被耦合到电压源50和外部负载RL (例如，被示出为逆变器31)上。逆变器31可以包括电阻分量和电抗分量两者。在一些实施例中，逆变器31可以将直流电压和电流转换成典型地在电压和频率上与常规交流供电网兼容的交流电压和电流。逆变器31的输出频率和该交流电流/电压的幅度可以是基于国家、地方和局部电网的要求。
电压源50可以包括用于维持恒压的任何合适装置，包括理想电压源、受控电压源等。然而，在一些实施例中，电压源50可以具有可变的、可调的输出(例如，时变电压)。开关控制(或控制器45)被耦合到开关55上，以便控制诸如电压源50和逆变器31与这些太阳能板10之间的连接持续时间和/或切换频率。开关控制器45可以被预设以便以固定切换持续时间D和切换频率 f操作。在一些实施例中，由电压源50施加的电压V外加的量值、连接持续时间D和/或切换频率f可以被预设和/或基于负载状况改变。
例如，开关55在第一位置连接这些太阳能板10与电压源50(如通过图 4的开关55中的箭头所示)。当在该第一位置连接时，电压源50跨这些太阳能板10的这些电极101a、101b(图1中所示)施加电压V外加，并且跨每个太阳能板10诱导出电场250(图3所示)。一旦已经跨这些太阳能板10建立了电场250，开关55就切换以便在第二位置将这些太阳能板10连接到逆变器 31(即，负载RL)上。因此，电压源50可以提供电场250而无需同时连接到这些太阳能板10和该逆变器31上。因此，施加外电压V外加并不允许负载RL (例如，逆变器31)直接从电压源50汲取电流。
当这些太阳能板10随后在该第二位置被耦合到逆变器31上时，向这些太阳能板10施加电场250可以使这些太阳能板10的电流和功率输出增大预先确定的量。该预先确定的量取决于：入射在这些太阳能板10上的光强度、由电压源50施加到这些太阳能板10的电压V外加、这些太阳能板10的厚度、电压源50被连接到这些太阳能板10上的频率f、以及在该第一位置与该第二位置之间的切换过程的占空比，其中，该占空比被定义为这些太阳能板10被连接到电压源50上的时间量除以切换时间1/f(即，乘以频率f或除以信号总周期)。应当注意的是，切换持续时间D、切换频率f以及占空比全部是相互关系的量，从而使得确定这些量中的任两个量允许确定第三个量。例如，指定切换频率和占空比允许确定切换持续时间D。例如，在高强度光照条件下，功率输出的提高可以是大约20％；在低强度光照条件下，是大约50+％。
如图4所示的实施例有利地向光伏器件200提供电场250，而不需要修改这些太阳能板10和/或太阳能电池100来包括另外的外部电极。
在一些实施例中，能量存储装置-诸如电容器41、电感器42、和/或电池组43-可以被放置在逆变器31之前，以便减轻逆变器31在开关55处于该第一位置时所经历的任何压降。因此，在开关55处于该第一位置并且电场250 跨这些太阳能板10被建立时逆变器31(即负载)与这些太阳能板10断开的情况下，该能量存储装置向逆变器31供应能量以便在这个切换周期过程中保持电流流动。换句话说，当这些太阳能板10与逆变器31断开时，该能量存储装置可以放电。
因此，来自电压源50的恒压—其进而形成电场250—不需要连续施加来看到这些太阳能板10的功率输出的提高。例如，在标称10-2000ns的切换持续时间D、标称100-500+伏的V外加以及20μs的切换频率f下，可以使用标称0.1％-10％的占空比。电感器42、电容器41、和/或电池组43被选择成具有足以在这些太阳能板10断开同时电场250跨这些太阳能板10被放置时提供足够的放电量、以便不致使逆变器31的输出下降的大小。
图5示出了图3的太阳能电池管理体系300的替代性实施例。转到图 5，光伏器件200可以表示任何数目的光伏器件，诸如如图所示的该太阳能电池100和/或这些太阳能板10。如图所示，这些太阳能板10并联接线(也在图2A中示出)，但也可以串联接线以及以其任何组合的方式接线，如将参考图13和15-17讨论的。
电压脉冲发生器60(诸如高压脉冲发生器)可以跨一个或多个太阳能板 10施加时变电压脉冲。在一个实施例中，该电压脉冲的持续时间DP可以是短的-标称10-2000ns，并且量值可以是高的-标称100-500+伏。在图5所示的实施例中，所施加的电压、脉冲宽度以及脉冲重复率固定在预先确定的水平，以便在选定操作条件下提供最佳性能。例如，该电压脉冲可以具有大约1000 ns的持续时间DP，该电压脉冲以1/f的周期重复。该电压脉冲的持续时间DP和电压脉冲的频率f被选择成使得电压逆变器31中的电感器的电抗对电压脉冲发生器60表现出高阻抗，该高阻抗允许高电压跨这些太阳能板10的这些电极101a、101b(图1中所示)产生并且不被逆变器31短路。
另外地，多个串联电感器(未示出)可以被放置在逆变器31的输入端处，这些串联电感器能够处理输入到逆变器31的电流并且充当RF扼流圈，从而使得这些电压脉冲不被逆变器31的电阻分量衰减(或有效地短路)。占空比(脉冲开始的时间/脉冲停止的时间)可以标称为0.1％-10％。
强加在光伏器件200上的电场250的强度随光伏器件200的构造变化，诸如光伏器件200的厚度、光伏器件200的材料和介电常数、光伏器件200 的最大击穿电压等。
如先前讨论的，光伏器件200可以包括任何数目的太阳能电池100和/或太阳能板10，每个太阳能电池100和太阳能板10例如并联耦合、串联耦合和 /或以其组合的方式耦合。在一些实施例中，将电场250强加在选定光伏器件 200上可以将光伏器件200的配置变化考虑在内。
对于参考图2A-2D讨论的每个安装选项，太阳能电池管理系统300可以向光伏器件200施加外电压V外加。例如，使用图4的开关55，太阳能电池管理系统300也可以向串联连接(图2B所示)以及既串联又并联连接(图2C 所示)的这些太阳能板10施加外电压V外加。转到图6，这些太阳能板10串联接线并且连接到开关55上，诸如图4的单刀双掷(或三路)开关。在一个实施例中，开关55还被耦合到电压源50和外部负载RL(例如，被示出为逆变器31)上。
在图6中，跨每个太阳能板10施加的电场250(图3所示)必须大于预先确定的最小电场E最小。因此，施加到每个太阳能板10的外加外电压V外加必须大于预先确定的最小外加电压V最小。在一些实施例中，施加到每个太阳能板10的外电压V外加还必须小于最大外加电压V最大，以便避免对太阳能板 10的电压击穿和损坏，或至少避免对这些太阳能板10的一个或多个太阳能电池100的损坏。换句话说，方程1表示外加外电压V外加的上下边界。
V最大>V外加>V最小>kVP， (方程1)
在方程1中，VP为太阳能板10的电压输出，并且k为该配置中的第k 个板。只要方程1的外加外电压V外加与最小外加电压/最大外加电压之间的关系成立，开关55就可以有效地跨每个太阳能板10施加电场250。
图7示出了在开关55处于该第二位置时，外电压V外加相对于跨图6所示的每个连续太阳能板10(例如，从节点A跨节点B、C……N)测量的电压。如图7所示，跨每个太阳能板10的电压增大了该太阳能板10的电压输出。例如，每个太阳能板10产生近似二十四伏的电压，并且在节点A与任何测量节点之间测量的电压为近似k×24伏，其中，k为正跨其测量该电压的这些太阳能板10的数目。如果不能满足方程1的不等式，图6所示的实施例可以被修改以便包括另外的开关55。例如，在一个实施例中，第二开关55(开关55b)可以耦合到这些太阳能板10的串联电路中，如图8所示。然而，多于一个开关55(即，开关55a、55b……55n)可以如所希望地耦合到这些太阳能板10上。
转到图8，拨动开关72可以被添加在电压源50与每群组k个太阳能板 10之间。为了简化附图并且仅出于说明目的，在图8中的不同点之间的互连由带边界的大写字母A和B特指，其中，A耦合到A并且B耦合到B。拨动开关72可以表示单刀、单投(双向)开关。具体地，拨动开关72可以包括 N个输入端口和1个输出端口。拨动开关72进一步限定接通状态和断开状态。在该接通状态中，N个输入端口全部同时连接到该单个输出端口上。在该断开状态中，输入端口中均未连接到该单个输出端口上。拨动开关72可以由开关控制器45激活，该开关控制器还控制这些开关55a、55b等。如图8所示，当这些开关55a、55b处于该第一位置时(如参考图4所讨论)，拨动开关72为电压源50提供电回路(return electrical path)。当这些开关55a、55 连接到电压源50上并且电场250(图3所示)被施加到这些太阳能板10时，拨动开关72被激活(该接通状态)。在这些太阳能板10向逆变器31提供功率时，拨动开关72去激活(该断开状态)。
在优选实施例中，开关控制45可以被同步成使得这些开关55a、55b同时被放置在第一位置并且连接到电压源50上，而拨动开关72与此同时地被激活成处于该接通状态。同样地，开关控制器45将开关55a、55b同时放置在该第二位置，并且还去激活拨动开关72(该断开状态)。在一些实施例中，能量存储装置-诸如电容器41、电感器42、和/或电池组43-可以被放置在逆变器31之前，以便减轻逆变器31在这些开关55a、55b处于该第一位置时所经历的任何压降。
如参考图4所讨论，太阳能电池管理系统300也可以向并联连接的太阳能板10施加外电压V外加。转到图9，多于一个开关55可以由开关控制器45 控制。在优选实施例中，开关55a、55b中的每一个可以由开关控制器45同步，并且同时地连接和断开。如前所述，能量存储装置-诸如电容器41、电感器42、和/或电池组43-可以被放置在逆变器31之前，以便减轻逆变器31在这些开关55a、55b处于该第一位置时所经历的任何压降。
使用图4的开关55，太阳能电池管理系统300也可以向既串联又并联连接(图2C所示)的这些太阳能板10施加外电压V外加。转到图10，两个或更多个太阳能板10被示出为串联接线。串联接线的太阳能板10随后并联互连。串联且并联接线的太阳能板10的数目可以如所希望地来预选。
如图10所示，一个或多个开关55可以用于跨这些太阳能板10施加电场 250(图3所示)。如果使用多于一个开关55，这些太阳能板10可以如图11 所示地接线。转到图11，串联接线的太阳能板10并联接线，并且随后互连到这些开关55a、55b上。在优选实施例中，开关控制器45使这些开关55a、 55b同步以便同时与逆变器31断开。类似地，开关控制器45在同时将开关 55a、55b两者连接到电压源50上。在一些实施例中，能量存储装置-诸如电容器41、电感器42、和/或电池组43-可以被放置在逆变器31之前，以便减轻逆变器31在这些开关55a、55b处于该第一位置时所经历的任何压降。
在又另一个实施例中，太阳能电池管理系统300可以与典型地见于许多住宅安装中的太阳能板合作，其中，每个太阳能板10连接到其自己的逆变器 31上(图2D所示)。转到图12A-12B，开关55可以按多种方式与每个太阳能板10合作。在一个实施例中，图12A示出了集成到逆变器31中的开关55、电压源50以及开关控制器45。因为逆变器31典型地被连接到电源上，电容器41可以被放置在逆变器31内。可替代地，如图2D所示，多个太阳能板10典型地组合使用并且每个太阳能板被耦合到其自己的逆变器31上，从而使得不使用电容器41。在一些实施例中，每个逆变器31独立于所有其他逆变器31操作，从而使得开关55在多个逆变器31之间不是同步的。因此，选定太阳能板上的瞬时功率下降并不明显地影响来自该多个太阳能板10和该逆变器31的功率质量。
图12A所示的实施例有利地可以针对任何新的太阳能板部署。在参考图 12B的替代性实施例中，每个太阳能板10和逆变器31对可以包括其自己的开关55a-55n。每个开关55连接到由开关控制器72控制的中央开关46以及该电压源50上。
中央开关46可以向每个太阳能板10、每个开关55以及每个逆变器31 提供两个并行输出。来自中央开关46的第一输出包括A1、B1……N1，并且如参考图4讨论，将每个开关55激活到该第一位置。外电压V外加是从电压源 50通过中央开关46的第二输出(包括A2、B2……N2)来施加。
开关控制器72通过中央开关46激活选定开关55(每次一个)，并且串行地从电压源50向太阳能板10和逆变器31对中的每一对施加外电压V外加。由于每个单独开关55的占空比低，典型地小于2％，开关控制器72控制并驱动大数目的开关55、太阳能板10和逆变器31。
只要施加到每个板的电压大于V最小，此实施例就不存在将妨碍开关控制器72切换并将电压源50连接到多个太阳能板10上的限制。在替代性实施例中，可以添加多于一个开关控制器72，其中，每个开关控制器72负责预先确定数目的太阳能板10。每个开关控制器72可以独立地起作用。
如以上参考图5所讨论，太阳能电池管理系统300也可以针对这些太阳能板10的多种配置使用电压脉冲发生器60来向光伏器件200施加外电压V外加。转到图13，电压脉冲发生器电路60连接到串联接线的这些太阳能板10 上。如以上所讨论，只要满足方程1中的不等关系，电压脉冲发生器60就如图14所示地起作用。图14示出了外电压V外加相对于跨该串联电路中的每个连续太阳能板10的电压(跨节点A到节点B、C……N处的每个太阳能板10 测量)。如图14所示，每个太阳能板10处的电压增大了该太阳能板10的电压输出。例如，每个太阳能板10产生近似二十四伏的电压，并且跨任何太阳能10(从节点A到节点B、C……N)测量的电压是近似k×24伏，其中，k 为正跨其测量该电压的太阳能板10的数目。如果不能满足方程1的不等式，图13所示的实施例可以被修改以便包括另外的电压脉冲发生器60。
参考图5，为了使跨这组太阳能电池100或太阳能板10的电场250的强度达到最大化，太阳能管理系统300考虑由每个太阳能电池100或太阳能板 10自己产生的直流电压。在一个实施例中，诸如抬升注入电路90(图18所示)的高压抬升电路可以与电压脉冲发生器60一起使用来在这些太阳能板10 自己的直流电压的顶部上叠加电压脉冲。来自电压脉冲发生器60的电压脉冲在由太阳能板10产生的直流电压的顶部上的这种叠加可以通过为所注入的高压脉冲信号形成负基准来完成，该负基准等于由太阳能板10递送的正直流电压。
转到图18，抬升注入电路90包括电容器91，该电容器与电感器92配合工作，允许电容器91保持等于由这些太阳能板10递送的电压的电荷。电容器91和电感器92为所注入的高电压脉冲信号形成抬升负基准，该负基准通过电容器94和95连接到电压脉冲发生器60上。来自电压脉冲发生器60的正基准(positive reference)通过二极管93来连接，该二极管向正电压线提供反向偏置保护，该正电压线被连接到与这些太阳能板10连接的接口以及连接到逆变器31上的接口上。为了提供RF隔离从而使得来自电压脉冲发生器60 的电压脉冲不被逆变器31短路，并且另外地为了在连接在抬升注入电路90 90与逆变器31之间的其他太阳能板10之间提供RF隔离，电感器96和97可以被串联放置在逆变器31与电压脉冲发生器60之间，以便为任何高电压脉冲提供RF扼流圈。这些电感器96和97使穿过它们的来自电压脉冲发生器 60的任何电压脉冲衰减，并且使电压脉冲发生器60与该电路朝向逆变器31 的剩余部分隔离。
如图18所示，电感器92对所注入的高电压脉冲信号提供高电抗保护，从而使得该信号免于反馈到电容器91中。结果是所注入的电压脉冲信号置于由太阳能板10递送的直流电压的顶部上并且随直流电压上升和下降，从而最大化该电压脉冲。
在优选实施例中，抬升注入电路90可以被合并作为位于每个电压脉冲发生器60与多个太阳能板10之间的接口的部分。
在一些实施例中，多于一个的电压脉冲发生器60可以用于预先确定数目的太阳能板10，如图15A所示。转到图15A，这些太阳能板10既串联又并联地被安排，并且与电压脉冲发生器60互连。每个电压脉冲发生器60负责k 个板并且互连到逆变器31上。在一些实施例中，类似于先前在图6和图8-11 中描述的切换系统，多于一个电压脉冲发生器60的使用可以是同步的。然而，在图15A所示的实施例中，多于一个电压脉冲发生器60的使用有利地并不要求在不同电压脉冲发生器60之间的同步。因为来自每个电压脉冲发生器 60的电压脉冲对于一组互连的太阳能板10是本地的，该电压脉冲的施加不影响逆变器31的输出。
图15B示出了实施用于通过串联接线的太阳能板10的多个电压脉冲发生器的另一个实施例。转到图15B，电压脉冲发生器60通过串行开关70连接到每个太阳能板10上。串行开关70可以包括用于耦合k个太阳能板10的 N个输出端口，如图15B所示。在图15B所示的实施例中，为了简化附图并且仅出于说明目的，在电路中的不同点之间的互连由大写字母A1和B1特指，其中，A1连接到A1并且B1连接到B1等。
串行开关70包括连接到电压脉冲发生器60上的一个输入端口。串行开关70的N个输出端口每一次跨k个板10连接电压脉冲发生器60。在一个示例中，串行开关70将电压脉冲发生器60连接到输出端口A1和A2上。电压脉冲发生器60跨太阳能板1至k施加外电压V外加。串行开关70将电压脉冲发生器60与输出端A1和A2断开，并且将电压脉冲发生器60连接到输出端 B1和B2上。当被激活时，电压脉冲发生器60跨串联接线的太阳能板10的那条支线中的k个板施加电压脉冲V外加。以一种类似方式，串行开关70每一次循环通过所有端口，从而向k个板施加电压脉冲V外加。在已经向所有串联的n个太阳能板10施加了电压脉冲V外加之后，串行开关70重新连接到引线 A1和A2并且该过程重复。以此方式，单个电压脉冲发生器60可以被利用来向大数目的太阳能板10施加电压脉冲V外加。因为该电压脉冲的占空比是低的 -典型地小于2％-单个电压脉冲发生器60可以控制多个太阳能板10。
转到图16，电压脉冲发生器60与以上参考图2C描述的方式既串联又并联接线的太阳能板10合作。电压脉冲发生器60跨2k个太阳能板10和该逆变器31连接。对于大多数情况，大多数太阳能板10中所存在的串联电阻和分路电阻的量值(>>1MΩ)允许电压脉冲发生器60与大数目的太阳能板10 合作。
图17A和17B示出了与太阳能板10的典型的、住宅安装合作的电压脉冲发生器60。在一个实施例中，转到图17A，电压脉冲发生器60被集成到跨太阳能板10连接的逆变器31中。
图17B示出了用于与太阳能板10的典型的住宅安装合作的并且包括通过串行开关70连接到中央脉冲发生器60上的每个太阳能板10和逆变器31 的替代性实施例。中央电压脉冲发生器60通过串行开关70并且串行地向每个太阳能板10施加电压脉冲V外加。图17b中的串行开关70被示出为N×1 开关。串行开关70具有连接到电压脉冲发生器60上的输入端口以及跨每个单独的太阳能板10连接的N个输出端口，如图17b所示。串行开关70一次一个地跨每个板10连接电压脉冲发生器60。
在一个示例中，串行开关70将电压脉冲发生器60连接到输出端口A1 和A2上。当被激活时，电压脉冲发生器60跨耦合到串行开关70上的选定太阳能板10施加电压脉冲V外加。串行开关70随后将电压脉冲发生器60与输出端口A1和A2断开，并且将电压脉冲发生器60连接到输出端口B1和B2 上。同样地，当被激活时，电压脉冲发生器60跨耦合到串行开关70上的另选定太阳能板10施加电压脉冲V外加。以一种类似方式，串行开关70每一次循环通过所有活跃端口，从而向选定太阳能板10施加电压脉冲V外加。在已经向所有的n个太阳能板10施加了电压脉冲V外加之后，串行开关70重新连接到输出端口A1和A2上并且该过程重复。以此方式，单个电压脉冲发生器60 可以被利用来向大数目的太阳能板10施加电压脉冲V外加。由于电压脉冲的占空比是非常低的，典型地小于2％，所以单个电压脉冲发生器60可以控制大数目的太阳能板10和逆变器31。
只要施加到每个板的电压大于V最小，此实施例就不存在将妨碍中央高压脉冲发生器将电压脉冲同时地切换到多个太阳能板的限制。尽管存在同时向多个太阳能板10施加高电压脉冲开关的选项，该优选实施例包括用于在这些太阳能板10之间进行切换的单个电压脉冲发生器60(诸如串行的)。在这些太阳能板10的数目变大的情况下，可以添加另外的电压脉冲发生器60和串行开关70，其中，每个电压脉冲发生器60负责多个太阳能板10。
所描述的这些实施例易于经历不同修改和替代形式，并且其具体示例已经通过在这些附图中进行举例来示出并且在此详细地描述。然而，应当理解，所描述的这些实施例并不旨在限制于所披露的具体形式或方法，而相反地，本披露旨在覆盖所有的修改、等效方案和替换方案。

Claims (11)

1.一种管理一个或多个光伏器件的方法，包括：
向选定光伏器件施加电压信号的第一分量，该第一分量表示用于跨该选定光伏器件产生外电场的导通状态；并且
向该选定光伏器件施加该电压信号的第二分量，该第二分量表示断开周期。
2.如权利要求1所述的方法，该方法进一步包括：在所述向该选定光伏器件施加该第一分量的同时，向第二选定光伏器件施加该第一分量；并且
在所述向该选定光伏器件施加该第二分量的同时，向该第二选定光伏器件施加该第二分量。
3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述施加该第一分量包括施加来自电压脉冲发生器电路的时变电压脉冲的高电压，并且其中，所述施加该第二分量包括切断该电压脉冲发生器电路。
4.如以上权利要求中任一项所述的方法，该方法进一步包括在由该选定光伏器件产生的现有电压的顶部上叠加该第一分量，其中，所述叠加该第一分量任选地包括经由耦合在所述电压脉冲发生器电路与该选定光伏器件之间的抬升注入电路来为该第一分量创建负基准。
5.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中，所述施加该第一分量包括在开关的第一位置连接电压源和该光伏器件，该开关被布置在该电压源与该选定光伏器件之间，并且其中，所述施加该第二分量包括在该开关的第二位置断开该电压源和该选定光伏器件。
6.一种管理至少一个光伏器件的方法，包括：
启动将耦合到选定光伏器件上的电压脉冲发生器；并且
向该选定光伏器件施加由该电压脉冲发生器产生的电压信号，该电压信号具有用于跨该选定光伏器件产生外电场的第一状态以及表示断开周期的第二状态。
7.如权利要求6所述的方法，该方法进一步包括启动将耦合在该电压脉冲发生器与该选定光伏器件之间的抬升注入电路，用于为该第一状态提供负基准。
8.如权利要求6或权利要求7所述的方法，该方法进一步包括向第二选定光伏器件施加该电压信号，所述任选地向该第二选定光伏器件施加该电压信号与所述向该选定光伏器件施加该电压信号同时发生。
9.如权利要求8所述的方法，该方法进一步包括启动将耦合到该第二选定光伏器件上的第二电压脉冲发生器电路，用于同时地跨该第二选定光伏器件提供第二时变电压脉冲，该第二时变电压脉冲提供该第一状态和该第二状态。
10.如权利要求6所述的方法，其中，所述施加该电压信号包括向该选定光伏器件施加可调电压。
11.如权利要求6所述的方法，该方法进一步包括经由耦合到该电压脉冲发生器上的控制电路来控制该第一状态和该第二状态的频率和持续时间中的至少一个。
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