CN108235788A - 用于生成电力的改进的太阳能电池阵组件系统 - Google Patents

用于生成电力的改进的太阳能电池阵组件系统 Download PDF

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Abstract

改进的太阳能电力生成系统，其具有至少一个太阳能电池阵组件。太阳能电池阵组件中的太阳能电池在交错矩阵网络配置中相互连接。该太阳能电池是通过输出功率的偏差水平的等级预先分类的，这样，太阳能电池的每个行中的太阳能电池按该太阳能电池能够提供的最大功率值的有规则地上升(或有规则地下降)顺序布置，其中特定行中的太阳能电池的最大功率值高于或等于同一行中的以前的(对有规则地下降顺序来说，下一个)太阳能电池的最大功率值。

Description

用于生成电力的改进的太阳能电池阵组件系统
技术领域
本发明涉及用于生成电力的太阳能电池阵组件系统，更具体地说，涉及改进的太阳能电池阵组件系统，太阳能电池阵，该太阳能电池阵具有交错的网络配置，适于使太阳能电池组件的电力生成最大化，该太阳能电池组件按多列有规则地上升(或有规则地下降)的最大功率值布置。
背景技术
太阳能光伏电池广泛地应用于各种各样的应用用来发电。通常，单个太阳能电池产生大约0.5V的输出电压并且多个电池(典型是硅基的)通常是串联连接用来提供更高的电压电平。参照图1，多个太阳能电池22通常串联连接以形成太阳能电池22的“串联单元”26，其中多个串联单元26可串联相互连接以形成串联单元串28，用来在太阳能电池阵组件20中获得理想的输出电压。每个串联单元26可包括一个或多个并联连接的，具有旁路二极管25的光伏电池，所述旁路二极管25被增加用以绕开由于比如灰尘、遮蔽阴影、其它部分遮蔽或其它故障电池的局部问题导致的发生故障的串联单元。
按阵列连接的太阳能电池的数量被设计以提供预设计的目标功率电平(targetpower level)，例如150W、200W、300W等。然而，每个太阳能电池/光伏电池具有通常在1％-7.5％范围内的偏差(tolerance)(没有任何局限)，并且对太阳能电池阵的总输出功率电平产生了影响。该偏差可以从一个制造品到另一个制造品不同。仅仅例如，QCELL制造品11个等级的在大约245W到265W范围内用于太阳能电池阵的光伏电池，其中每个等级代表不同偏差水平的输出功率。每个4W太阳能电池的最大功率可在3.75W到4.25W范围内，其转化成超过13％的差别。第1等级是具有4W-0.25W的最大输出功率电平的太阳能电池；第2等级是具有4W-0.2W的最大输出功率电平的太阳能电池；第3等级是具有4W-0.15W的最大输出功率电平的太阳能电池；第6等级是具有4W-0W的最大输出功率电平的太阳能电池等等，以此类推直到第11等级是具有4W+0.25W的最大输出功率电平的太阳能电池。所有的数值仅仅通过实例提供，(没有任何局限)并且可在数值和注释方案方面变化。
应当注意偏差甚至可以大于13％。因为QCELL的太阳能电池板中的太阳能电池是串联布置的，如图1所示，总输出功率是由具有最低的最大输出功率的太阳能电池确定的，从而损失了由其它电池提供的剩余功率(excess power)。例如，电池板20中的电池22提供了下列最大输出功率：3.9W、4.25W、3.75W、4.1W和4.2W。因此，该电池板提供了3.75X 5＝18.75W，这意味着损失(3.9+4.25+3.75+4.1+4.2)-18.75＝1.45W，这是所有单个太阳能电池的总输出的7.2％。
具有交错(矩阵)网络配置的太阳能电池阵通常被体现在单个太阳能电池组件中，其中每个太阳能电池阵组件包括多个太阳能电池。该“交错”实施涉及同一发明人以前在PCT申请号WO/2011/089607(由与本申请相同的发明人于2011年1月23日提交)和PCT/IL2013/050291(由与本申请相同的发明人于2013年3月30日提交)中描述的发明，这些申请是共同拥有的，并且在此通过援引整体并入本文中。
该“交错”实施是电线配置，该电线配置能够获得更高的输出功率，因为它能够绕过提供低功率的电池，如PCT公布的申请号WO/2011/089607中描述的。图2是显示了具有太阳能电池110的交错网络的太阳能电池阵组件100的例子的图解说明，说明了电池绕过的能力(cell bypassing ability)。在这个实例中，每个太阳能电池被设计以在光的条件下提供4W±3％。在相同光条件下，电池4d提供了4W-3％并且太阳能电池4e提供了4W+3％。因此，由太阳能电池4e产生的电流大于太阳能电池4d产生的电流。由于交错布置，一些过剩电流通过太阳能电池3d和/或5d流动，因此，太阳能电池组件和太阳能电池板的输出功率更高。
因此，需要便于获得比输出功率(该太阳能电池具有最低输出功率乘以电池数目)高的输出功率的太阳能电池配置，并且这样的太阳能电池配置是有利的。
发明内容
该“交错”实施是能够获得更高输出功率的电阵列电线配置(electrical matrixwiring configuration)，因为它能够绕过提供较低功率的电池，如PCT公开申请号WO/2011/089607中描述的。因此，具有交错配置的太阳能电池阵可被配置以提供接近该阵列中所有单个太阳能电池的输出总和的输出功率。
通过介绍，本发明的主要意图包括提供具有交错网络配置的太阳能电池阵组件中的太阳能电池之间的相互连接性配置，其中这样的配置促进太阳能电池阵组件生成的电力的最大化，并且在每个连续串中的电池中，不被具有最低输出功率的太阳能电池产生的功率界定。
根据本发明的教导，本文提供了具有交错矩阵网络配置的太阳能电池阵组件中的太阳能电池之间的相互连接性配置，其中邻近具有特定较低最大功率电平的电池，在同一行连接有至少一个具有较大或相等最大功率电平的太阳能电池，条件是这样的较高功率电平存在于该太阳能电池组件中。
本发明的一方面是提供改进的太阳能电力生成系统用于产生电力用于想要的应用，该系统包括至少一个太阳能电池阵组件。该至少一个太阳能电池阵组件包括多个太阳能电池，该多个太阳能电池按交错的，N乘以M矩阵配置物理布置。。
预配置数目(M)的太阳能电池串联电连接以形成串联单元串，作为太阳能电池的列，该串联单元串易于产生第一输出电压电平；以及预定数目(N)的该串联单元串并联电连接，形成太阳能电池的行，以形成N乘以M，交错的矩阵配置，作为太阳能电池的阵列，以及其中该太阳能电池的阵列易于产生第一输出功率电平。该太阳能电池是通过输出功率的偏差水平的等级预先分类的，其中每个行的太阳能电池中的太阳能电池按下列方式中的任一者布置：
i.太阳能电池能够提供的最大功率值的有规则地上升顺序，其中特定行中的太阳能电池的最大功率值高于或等于同一行中的以前的太阳能电池的最大功率值；或
i i.太阳能电池能够提供的最大功率值的有规则地下降顺序，其中特定行中的太阳能电池的最大功率值高于或等于同一行中的下一个太阳能电池的最大功率值。
至少一个太阳能电池阵组件包括至少一个与太阳能电池的交错矩阵阵列电连接的高效DC/DC电力变压器或至少一个与太阳能电池的交错矩阵阵列电连接的高效DC/DC转换器，该DC/DC电力变压器或DC/DC转换器被配置以将该第一输出电压电平提高到高于该第一输出电压电平的第二输出电压电平，其中该第一输出电压电平不足以满足想要的应用的工作电压电平要求。
任选地，每个串联单元串中的太阳能电池属于输出功率的偏差水平的相同等级。
任选地，具有最高的最大功率值的最后一列的太阳能电池中的太阳能电池均属于输出功率的偏差水平的相同等级。
优选地，该第一输出功率电平等于或高于想要的应用的工作功率。
应当注意在本申请的整个公开内容中，通过使用文本和相关的附图，描述了本发明。等式被包含了，仅仅作为对本领域技术人员的可能帮助并且不应当认为以任何方式限制本发明。各种其它的等式可被本领域技术人员使用。
附图说明
根据本文下面给出的详细的描述和附图，将会更充分地理解本发明。该详细的描述和附图仅仅通过图解说明和实施例给出的，并且不以任何方式限制，其中：
图1(现有技术)是图解方框图，显示了具有多个电池的传统太阳能电池组件，该多个电池串联电连接以形成串联单元，其中每个串联单元通过二极管绕道，平行连接，其中该串联单元可以串联地相互连接以形成串联单元串，并且其中每个组件被一串二极管保护。
图2(现有技术)是图解说明，显示了一个太阳能电池阵组件的例子，该太阳能电池阵组件包括太阳能电池的交错网络，说明了电池绕道能力。
图3是根据本发明的具体实施方案的图解方框图，显示了一个太阳能电池阵组件的例子，其中多列太阳能电池按照每个列生成的最大功率按上升等级顺序布置。
图4是根据本发明的具体实施方案的图解方框图，显示了另一个太阳能电池阵组件的例子，其中多列太阳能电池按照每个列生成的最大功率按上升等级顺序布置。
图5是图解方框图，显示了一个太阳能电池阵组件的例子，说明了电压平衡过程。
图6图解说明了太阳能电池的等效电路。
发明的详细描述
下文参考附图更充分地描述本发明，其中显示了本发明优选的具体实施方案。应注意各种类型的电连接、转换器、变压器、太阳能电池等等可以任选地基于先前描述的PCT申请号WO/2011/089607和PCT/IL2013/050291的教导，至完全能够公开的必要程度。但是，本发明可以以许多不同的形式体现，并且不应该被解释为是对本文阐明的具体实施方案的限制；而是提供这些具体实施方式以便使这个公开彻底和完整，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。
具体实施方案是本发明的一个例子或实现方式。“一个具体实施方案”、“具体实施方式”或“一些具体实施方式”的不同表述未必全部指代相同的具体实施方案。虽然本发明的各种特征可以描述在单个具体实施方案的情形中，该特征也可以单独地或在任何合适的组合中被提供。相反，虽然为清楚起见，在本文中本发明可以在单独的具体实施方案的情形中被描述，本发明也可以在单个具体实施方案中被实现。
说明书中提及的“一个具体实施方案(one embodiment)”、“具体实施方案(anembodiment)”、“一些具体实施方案”或“其他具体实施方案”意思是描述的与该具体实施方案有关的特定特征、结构或特点被包括在本发明的至少一个具体实施方案中，但是未必包括在本发明的全部具体实施方案中。应理解本文采用的措辞和术语不应该被解释为是限制性的，而是仅仅用于描述目的。
本发明的方法可以通过手动地、自动地或两者结合执行或完成选择的步骤或任务来实现。术语“方法”指的是完成给定任务的方式、手段、技术和过程，其包括但不局限于本发明所属的技术领域的技术人员已知的这些方式、手段、技术和过程或本发明所属的技术领域的技术人员很容易从已知的方式、手段、技术和过程获得的这些方式、手段、技术和过程。描述(例如，权利要求书和说明书中出现的方法和材料)不应被解释为是限制性的，而仅仅是说明性的。
除非另外定义，本文中使用的全部科学和技术术语具有的含义与本发明所属的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文提供的方法和例子仅仅是说明性的，不意在限制本发明。
根据本发明的教导，提供了具有交错矩阵网络配置的太阳能电池阵组件中的太阳能电池之间的相互连接配置，其中在每个串联电池串中这样的配置促进了太阳能电池阵组件生成的功率最大化并且不被具有最低的最大输出功率的太阳能电池产生的最大功率界定。该配置方法使从太阳能电池组件得到最大输出功率变得容易，该功率接近该阵列中的全部单个太阳能电池的最大输出总和。
该配置方法的原理是保证邻近具有特定较低最大功率电平的电池，在同一行连接有至少一个具有较大或相等最大功率电平的太阳能电池，条件是这样的较大功率电平存在于该太阳能电池组件中。
在本发明的一个具体实施方式中，太阳能电池连续地、按最大功率电平有规则地上升(或有规则地下降)顺序布置在阵列组件(102)中。按照QCELL例子，比如说，太阳能电池阵组件包括10个列和6个行的太阳能电池110，太阳能电池110布置在交错矩阵配置中，如图3所示。使用了10个等级的太阳能电池，每个等级6个。
具有最差偏差(worst tolerance)的等级(第1等级)的6个太阳能电池用于构成最左列的太阳能电池110，太阳能电池110串联电连接以形成串联单元180a。下一列的太阳能电池110(靠右，形成串联单元180b)由第2等级的太阳能电池组成，下一列的太阳能电池110(靠右，形成串联单元180c)由第3等级的太阳能电池组成，等等，以此类推直到该阵列包括第10列，第10列形成串联单元180j，具有第10等级的太阳能电池110。对第1-9等级的每个太阳能电池来说，这样的配置保证靠右的邻近电池具有较大的最大功率电平。在这样的情况中，位于电池110较低顺序列的太阳能电池生成的电流能完全流向负载(load)，因为每个电池列中的全部太阳能电池属于相同等级。应注意每个太阳能电池保持它的提供电流的能力，由此促进太阳能电池实际上能够提供的最大功率的生成。
在本发明的一个实施方案中(仅仅举例说明)，太阳能电池通常沿每行太阳能电池按最大功率电平有规则地上升(或有规则地下降)顺序布置在阵列组件(104)中。再次按照QCELL例子，比如说，太阳能电池阵组件包括10个列和6个行的太阳能电池110，太阳能电池110布置在交错矩阵配置中，如图4所示。6个等级的太阳能电池使用的是每个等级10个太阳能电池。
布置太阳能电池使得属于具有最差偏差的等级(第1等级)的6个太阳能电池用于组成最左列的太阳能电池110(参考图4)，太阳能电池110串联电连接以形成太阳能电池110的串联单元182a。下一列的太阳能电池110(靠右，形成串联单元182b)由第1等级和第2等级的太阳能电池的混合组成，下一列的太阳能电池110(靠右，形成串联单元182c)由第2等级的太阳能电池组成，下一个串联单元(182d)(靠右)由第2等级和第3等级的太阳能电池的混合组成，下一个串联单元(182e)(靠右)由第3等级的太阳能电池组成，等等，以此类推直到该阵列包括第10列，第10列形成串联单元182j，具有第6等级的太阳能电池。对第1-6等级的每个太阳能电池110来说，这样的配置保证靠右的邻近电池110具有较大的或相等的最大功率电平。在这样的布置中，当特定太阳能电池110上面的电池属于较低等级时，该较低等级太阳能电池的靠右电池属于具有较大的或相等的最大功率电平的等级。至于第10列，在图4显示的例子中，如果全部电池110属于相同的(高)等级，不存在问题。但是如果该电池属于不同的等级，电池110从每个行的左侧到每个行的右侧有规则地上升等级顺序布置，或从每个行的左侧到每个行的右侧有规则地下降等级顺序布置。换句话说，当在特定太阳能电池上面的电池比该特定太阳能电池生成的电流少时，该特定太阳能电池将过剩电流输送到靠右的有规则地上升等级顺序中的(或靠左的有规则地下降等级顺序中的，未示出)附近电池(在另一列中)，该附近电池具有属于更高的等级的较大电流太阳能电池。
在布置102和104的例子中，分别如图3和4所示，在电池板的最右部分(102和104)中，较大功率的电池被安排了，还产生比电池板最左部分产生的电压水平稍微高些的电压水平。例如，参考图3，在Q.PEAK类型的QCELL电池板中(具有245W的低电平瓦特数)，低电平等级电池产生电压为0.495V的Vmpp，而高电平等级电池生成0.515V的电压。由于全部太阳能电池布置在交错网络配置中，具有相同等级分类的全部电池110在相同列中连接，并且它们的靠右的电池属于较大的或相等的等级。
为清楚起见，应注意图3和4中所示的配置仅仅通过例子给出了，并且可以使用多种变化，保持太阳能电池列的有规则地上升(或有规则地下降)等级顺序布置。
还参考图5，图解方框图显示了太阳能电池阵组件106的例子，阐明了电压平衡过程。一旦光照到太阳能电池110，开始生成电流，流过DC/DC变压器或转换器150朝向负载(未显示)。第1列生成电流I1，第2列生成电流I2，第3列生成电流I3，第4列生成电流I4，等等，以此类推。但是，垂直的中心线130右边的每个列的平均电压比这些左列生成的电压稍微高些。由于具有较大功率的列(比如第10列)产生的电压比具有较低功率的列(比如第1列，连接具有较大功率的各自列的左边(在图中))产生的电压稍微高些，电流差IΔ也流向位于具有较低功率的列的左侧的太阳能电池110。电流IΔ流过等效电路的太阳能电池内部二极管“D”(参见图6，其图解说明了太阳能电池110的等效电路)。电压差(在显示的例子中，没有限制)通常是0-2％。这个过程(其中电流IΔ流过较低等级列的太阳能电池内部二极管“D”)继续，直到全部列的太阳能电池110产生相等的且平均的电压。
由于全部10个列的电压平衡过程(在这个例子中，没有限制)，产生的平均电压比第1-4列的原始电压高。每个太阳能电池列继续生成它能够产生的电流。产生的瓦特数较高，不仅是因为比等级1-4列的电压高的平均电压，更因为比第1等级列大的该级别的强电流。这是因为不同等级列生成的电压电平的改变比电流的改变小。
例如，在使用图4中所示的电池布置的电池板中，第1等级列的电压与第6等级列的电压差别为1.6％—由于电压平衡过程电压变化0.8％。第1等级列的电流与第6等级列的电流差别为1.6％。在每个列生成的电流的情况中，这些电流相加，其中第1等级列的右边的列产生的电流比第1等级列产生的电流大。
应注意在现有的串联连接的太阳能电池中，生成较小电流的电池设定整个列生成的电流。
更应注意，本文所做的计算仅仅通过例子给出，并且类似于演示由太阳能电池110的有序布置得到的功率增益，太阳能电池110在交错矩阵配置中相互连接。
例子
假定太阳能电池阵组件具有五十个太阳能电池，每个意在提供4W，10个列和5个行，布置在10个等级中(类似于图5中所示的太阳能电池阵组件106，除了具有5个行而不是6个行之外)
产生的瓦特数如下：
相反，在普通太阳能电池板中，在该电池板中，太阳能电池串联地相互连接，并且具有较小电流(瓦特数)的电池规定整串太阳能电池的输出功率电平，预期的瓦特数如下：
P串联＝3.75W*50＝187.5W。
也就是说，在这个例子中，根据本发明配置的交错太阳能电池阵组件产生的瓦特数高出大约8.2％。实际上，该差别有些低，但是高于4.1％，因为一些功率被电压平均过程消耗了。
例如，在没有限制的情况下，当与60个太阳能电池110(布置在10个列中并且在交错矩阵配置中相互连接，但是按随机顺序)比较时，类似的功率增益也适用。这里也一样，在每一个串联单元中，具有最低等级的太阳能电池决定各自串联单元生成的电流。
为了简单起见并且仅仅通过例子，让我们假定每个串联单元包含最低等级的太阳能电池。并且，忽略交错矩阵配置中的太阳能电池阵组件的能力。那么我们可以写成
P＝(I第1列*V第1列)+...(I第10列*V第10列).
因为全部列的太阳能电池110还并联连接，那么电压V相抵，如在此上面描述的，因此，全部列的太阳能电池110产生了平均电压U平均，
那么我们可以写成：
P＝U平均*(I1+I2+…I10)
对于一个普通的，交错矩阵配置，如果每个串联单元包含最低等级的太阳能电池，每个列的太阳能电池110的电流是I1，因此我们可以写成：
P＝U平均*I1*10
但是，在交错矩阵配置中，有规则地上升(或有规则地下降)等级顺序，那么根据图3中所示的例子，10个列中布置了10个等级的6个电池，根据本发明，我们可以写成：
P＝U平均*(I1+I2+...I10).
因为从I2到I10的每个电流都比I1大，我们可以写成：
P＝U平均*(I1+I1*K2+...I1*K10)，
或者P＝U平均*I1*(1+1*K2+...1*K10)，
其中K2-K10都比“一个”大，并且在上升顺序中。例如：K2＝1.012，...K10＝1.036。
P＝U平均*I1*(>10)
为了证明按列输出功率的有规则地上升(或有规则地下降)等级顺序布置的电池的交错连接大于普通交错连接，我们用普通交错连接输出功率的表达式除以有规则地上升(或有规则地下降)等级顺序连接中交错的表达式：
即，比率>1。
由此，具有交错矩阵连接，但是按多列太阳能电池的有规则地上升(或有规则地下降)等级顺序布置的整个太阳能电池组件(例如，参见图3、4)比具有普通交错矩阵连接的普通太阳能电池组件(在该组件中，该太阳能电池不是按多列太阳能电池的有规则地上升(或有规则地下降)等级顺序布置的)产生的瓦特数高。
因此按照几个具体实施例方案和例子描述了本发明。将领会到想到同样的发明可以以许多方式变化。这样的变化不认为是偏离了本发明的精神和范围，并且全部这样的变动对本领域技术人员来说是显而易见的，并且是可预期的。

Claims (4)

1.太阳能电力生成系统，所述太阳能电力生成系统用于生成电力用于想要的应用，所述系统包括至少一个太阳能电池阵组件，其中所述至少一个太阳能电池阵组件包括：
a)多个太阳能电池，该多个太阳能电池按交错的，N乘以M矩阵配置物理布置，
其中预配置数目(M)的所述太阳能电池串联电连接以形成串联单元串，作为太阳能电池的列，所述串联单元串易于产生第一输出电压电平；
其中预配置数目(N)的所述串联单元串并联电连接，形成太阳能电池的行，以形成所述N乘以M，交错的矩阵配置，成为所述太阳能电池的阵列，并且其中所述太阳能电池的所述阵列易于产生第一输出功率电平；
其中所述太阳能电池是通过输出功率的偏差水平的等级预先分类的；
其中每个所述行的太阳能电池中的所述太阳能电池按下列方式中的任一者布置：
i.所述太阳能电池能够提供的最大功率值的有规则地上升顺序，其中特定行中的太阳能电池的最大功率值高于或等于同一行中的以前的太阳能电池的最大功率值；或
ii.所述太阳能电池能够提供的最大功率值的有规则地下降顺序，其中特定行中的太阳能电池的最大功率值高于或等于同一行中的下一个太阳能电池的最大功率值；以及
b)至少一个与所述交错矩阵阵列的太阳能电池电连接的高效DC/DC电力变压器或至少一个与所述交错矩阵阵列的太阳能电池电连接的高效DC/DC转换器，所述DC/DC电力变压器或DC/DC转换器被配置以将所述第一输出电压电平提高到高于所述第一输出电压电平的第二输出电压电平，其中所述第一输出电压电平不足以满足想要的应用的工作电压电平要求。
2.根据权利要求1所述的太阳能电力生成系统，其中每个所述串联单元串中的所述太阳能电池属于相同等级的输出功率的偏差水平。
3.根据权利要求1所述的太阳能电力生成系统，其中具有最高的最大功率值的太阳能电池的最后一列中的太阳能电池均属于相同等级的输出功率的偏差水平。
4.根据权利要求1所述的太阳能电力生成系统，其中所述第一输出功率电平等于或高于想要的应用的工作功率。
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