CN111769801A - 一种检测组件中光伏电池正面遮挡的光伏组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种检测组件中光伏电池正面遮挡的光伏组件，利用光伏组件中光伏电池串并联二极管的特性，通过检测光伏组件输出电压的方式判断光伏组件遮挡情况；所述光伏组件由三个光伏电池子串电学串联连接形成，三个光伏电池子串呈单排直线排列连接方式，其中两个光伏电池子串分别位于光伏组件的两个端部，用来检测组件的遮挡，组成两个端部的光伏电池子串中的光伏电池规格与数量均相等，中部光伏电池子串分布在两个端部光伏电池子串的中间，单个端部的光伏电池子串中的光伏电池数量少于中部光伏电池子串中的光伏电池数量。

Description

一种检测组件中光伏电池正面遮挡的光伏组件

技术领域

本发明涉及光伏发电领域，尤其涉及一种检测组件中光伏电池正面遮挡的光伏组件。

背景技术

光伏组件主要是用来将太阳能转化成电能。在户外环境中，光伏发电系统的光伏组件正面中光伏电池部分经常会被周围物体或浮云阴影遮挡，影响发电效率，严重者会导致光伏组件发生热斑或烧毁现象，且从户外光伏组件使用实际情况来看，绝大多数遮挡情况会从遮挡端部开始，并逐渐扩大遮挡范围。

在常规光伏组件中，光伏电池按数量均分成三个光伏电池子串进行电学串联连接，每个光伏电池子串并联一个二极管。当光伏电池被物体遮挡一定面积后，被遮挡电池就会转变为光伏电池子串中“负载”，其所产生的负载电压将“抵消”掉光伏电池串内其他正常光伏电池产生的电压。如果遮挡面积达到一定条件，这个被遮挡的光伏电池产生的“负载”电压不仅可以抵消掉其所在光伏电池子串中其它正常光伏电池产生的电压，还会触发并联的二极管导通，从而将这一串光伏电池子串被旁路出光伏组件电学输出。此旁路机制保护了被遮挡光伏电池不继续成为“负载”，防止光伏电池持续发热，减少对光伏组件的高温伤害。

一般地，当光伏电池子串中包含光伏电池数量越多，则被遮挡光伏电池需要被遮挡的面积越大，才能产生足够高的“负载”电压启动并联二极管的旁路功能。因此，光伏电池子串中光伏电池数量越多，旁路二极管启动越困难。

然而，当这光伏电池子串被二极管旁路出光伏组件输出后，由于光伏组件内电池是被均匀等分成三个光伏电池子串的，这就意味着，当一个二极管旁路功能启动后，整个光伏组件的输出电压约下降三分之一，其输出功率随之下降。

因此，如果利用常规组件的设计来实现光伏电池正面遮挡的判断，存在二个弊端：(1)由于常规组件中被遮挡光伏电池子串中光伏电池数量较多，且多是U型两排光伏电池排列，导致对遮挡判断不敏感；(2)由于被遮挡光伏电池子串因旁路出组件而无电压输出，剩下二个光伏电池子串只能提供原光伏组件输出电压的66％，组件输出电压的大幅降低，有可能导致用电系统关闭。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种用于检测光伏电池正面遮挡的光伏组件。通过设计光伏组件中的光伏电池子串结构和排列方式，根据光伏组件输出电压的变化，判定光伏组件的端部是否被遮挡。与常规组件相比，本发明所述光伏组件具有如下优势：(1)对遮挡检测更加敏感。在光伏组件正面遮挡面积尤其是两端遮挡面积较小时，二极管就可以导通。(2)进一步提升能源负载运行的稳定性和可靠性。消除常规光伏组件中光伏电池子串被旁路后所致光伏组件输出电压和能量下降三分之一的设计缺陷，保证光伏组件的能量输出。(3)易于集结智能跟踪系统等先进技术。若将本发明中所述检测光伏电池正面遮挡的光伏组件联合跟踪支架系统，两个端部光伏电池可以随着跟踪支架的运动，在不同的时间段检测遮挡情况，并通知跟踪支架转动，避开阴影遮挡，使光伏组件正常发电。

本发明提出一种检测组件中光伏电池正面遮挡的光伏组件，光伏电池正面是指正常工作情形下光伏电池直接面对太阳的一面，包括：若干光伏电池，电池间连接导体材料，旁路二极管；其中所述光伏电池合成三个光伏电池子串，三个所述光伏电池子串按单排直线排列，空间排列顺序为：端部光伏电池子串，中部光伏电池子串和端部光伏电池子串，所述光伏组件的电学输出由三个光伏电池子串通过电学串联连接来实现。

进一步的，所述端部光伏电池子串用来检测光伏组件的遮挡情况，所述中部光伏电池子串用来保证光伏组件能量在端部光伏电池被遮挡后的能量输出；所述端部光伏电池子串中包含的光伏电池数量多于1片，同时两个所述端部光伏电池子串包含的光伏电池数量相同。

进一步的，所述端部光伏电池子串和二极管并联。

进一步的，每个所述端部光伏电池子串中光伏电池的数量少于所述中部光伏电池子串所包含光伏电池数量。

进一步的，所述光伏电池为整片光伏电池或/和切割光伏电池。

进一步的，所述光伏电池为双面光伏电池或单面光伏电池。

进一步的，所述光伏电池为单晶光伏电池或多晶光伏电池。

进一步的，所述光伏电池为P型光伏电池或N型光伏电池。

本发明的有益效果在于，本发明所提出的一种可以检测遮挡的光伏组件具有如下特点和效果：

(1)当光伏组件端部光伏电池正面发生遮挡后，由于端部光伏电池子串包含电池片数量比较少，此端部光伏电池子串并联的旁路二极管比常规光伏组件中二极管更容易启动。光伏组件的输出电压变化值可以更早被检测到。及时确认光伏组件遮挡。

(2)由于光伏组件的两个端部对称设置了用来检测遮挡的端部光伏电池子串，在光伏组件安装时，保证光伏组件的安装施工的便利性。当用于光伏电站的跟踪支架检测组件遮挡时，由于两个端部都有用于遮挡检测的端部光伏电池子串，可以更好适应跟踪支架前后运动时的光伏组件遮挡检测需求。两个端部电池子串包含光伏电池片数量一致，确保遮挡情况检测算法模型简单，判读标准一致，

(3)单块光伏组件输出功率一定时，光伏组件的中部光伏电池子串尽量连接更多光伏电池。依此设计，当端部光伏电池子串被遮挡且旁路后，可以最大程度降低光伏组件因光伏电池遮挡而启动旁路保护所致的功率输出损失比例。

(4)与常规光伏组件电路设计相比，端部光伏电池子串由于光伏电池数量少而使并联的保护二极管更容易启动。通过跟踪系统设计优化可大大降低中部光伏电池子串被遮挡的几率，甚至取消并联在中部光伏电池子串的二极管，降低光伏组件的材料成本。

附图说明

图1示出本发明的光伏组件中光伏电池子串排布示意图。

图2示出本发明的光伏组件层压件尺寸和光伏组件中光伏电池排列示意图。

其中：1.端部光伏电池子串；2.中部光伏电池子串；3.旁路二极管； 4.光伏电池。

具体实施方式

如图所示，一种用于检测光伏电池正面遮挡的光伏组件，其技术方案为：所述检测遮挡的光伏组件由三个光伏电池子串组成，包括端部光伏电池子串和中部光伏电池子串，所述端部光伏电池子串设置有两个，对称位于所述中部光伏电池子串的两端位置，与所述中部光伏电池子串按单排直线排列，并通过电学串联形成光伏组件。

进一步的，两个所述端部光伏电池子串中包含的光伏电池数量是一致，且多于一片，每一个所述端部光伏电池子串并联一个二极管电路；所述端部光伏电池子串中包含光伏电池数量越少，触发并联二极管发生旁路的可能性就越高，检测到光伏组件遮挡情况就越敏感。

实施案例：采用多片切割多晶光伏电池，用于检测正面遮挡的光伏组件光伏电池子串组成结构。

所述光伏组件两端端部光伏电池子串由N片光伏电池组成(N＞1)。中部光伏电池子串由M片光伏电池组成(M＞N)。三段光伏电池子串由N+M+N 片光伏电池串联电学连接组成，且遮挡发生在所述光伏组件的一个端部。

(1)所述光伏组件一个端部检测遮挡情况下的开路电压Voc特性。

定义：依行业相关定义，Voc是指光伏组件的开路电压。

a)Voc(中部+端部)。代表光伏组件中部光伏电池子串和一个端部光伏电池子串的开路电压(N+M)片光伏电池的开路电压)。

b)Voc(端部遮挡)。代表检测遮挡的一个端部光伏电池子串的开路电压(N 片光伏电池的开路电压)。

不同情形下光伏组件的Voc：

a)正常无遮挡情况。光伏组件的Voc开路电压由Voc(中部+端部)+Voc(端部遮挡)相加而得，即2N+M片光伏电池开路电压相加。

例如，选N＝7，M＝31，光伏电池为1/5切割多晶光伏电池时，所述光伏组件的开路电压为：

Voc＝22.80V+4.20V＝27.0V(N+M，N)

b)端部光伏电池子串发生遮挡情况。当组件一个端部发生遮挡，一个端部光伏电池子串被旁路出光伏组件电路后，光伏组件的实际开路电压为Voc(中部 +端部)，即N+M片光伏电池组成的中部光伏电池子串和一个端部光伏电池子串开路电压之和，Voc＝22.80V。比正常无遮挡情况下减少N片光伏电池的开路电压，即降低4.2V。

(2)所述光伏组件一个端部检测遮挡情况下的开路电压Vmp特性。

依行业相关定义，Vmp是指光伏组件的最大功率点输出电压。

Vmp(中部+端部)代表组件中部光伏电池子串和一个端部光伏电池子串的最大功率点输出电压(N+M片光伏电池的最大功率电输出电压)。

Vmp(端部遮挡)代表一个端部光伏电池子串的最大功率点的输出电压(N 片光伏电池相加)。

正常无遮挡情况下，光伏组件的Vmp最大功率点输出电压由Vmp(中部+ 端部)+Vmp(端部遮挡)相加而得，即2N+M片光伏电池最大功率点输出电压相加。

例如，选N＝7，M＝31，光伏电池为1/5切割多晶光伏电池时，所述光伏组件在最大功率点输出电压为：

Vmp＝19.95V+3.68V＝23.63V(N+M，N)

当组件一个端部发生遮挡，一个端部光伏电池子串被旁路出光伏组件电路后，光伏组件的Vmp输出电压由Vmp(中部+端部)，即N+M片光伏电池组成的中部光伏电池子串和一个端部光伏电池子串最大功率点输出电压Vmp(端部遮挡)之和，Vmp＝19.95V。比无遮挡情况下，输出电压降低了3.68V。

所以在发生遮挡后，光伏组件的最大功率点电压输出会降低3.68V。

正是通过测量光伏组件输出电压的下降，判定了光伏组件正面发生了遮挡。

(3)端部电池子串中数量少于中部电池子串中光伏电池数量的设计优势说明：

本发明检测光伏电池正面遮挡的光伏组件另一个特点是光伏组件内的三个光伏电池子串中包含的光伏电池数量不一致。端部光伏电池子串中的光伏电池数量少于中部光伏电池子串中包含的光伏电池数量(N<M)。

这样分配光伏电池片的优点在于当光伏组件正面端部发生遮挡时，相对三个光伏电池子串平均分配光伏电池数量的设计，遮挡面积比较小的时候，就可以将端部光伏电池子串旁路出去，光伏组件的输出电压出现下降。可以及早判断出光伏组件正面发生遮挡。

通过遮挡测试验证，对于N+M+N中由于端部光伏电池子串中只含有N片光伏电池片，遮挡端部1片光伏电池的20％时，就可以启动旁路二极管，将被端部光伏电池子串旁路出光伏组件的输出，光伏组件的输出电压出现下降，可以判断光伏电池发生遮挡。

而对于N+N+N中三个光伏电池子串均匀分配光伏电池数量的光伏组件，只有遮挡1片光伏电池的50％时，才可以启动旁路二极管，将遮挡光伏电池子串旁路出光伏组件的输出，光伏组件的输出电压才会下降。

很明显，正是由于端部光伏电池子串中光伏电池数量较少，在遮挡面积比较小的时候，可以及早启动并联的旁路二极管可以将端部光伏电池子串整个旁路出了光伏组件的输出。因此，通过测量组件输出电压，端部光伏电池数量少的光伏电池子串结构，比等分三个光伏电池子串中光伏电池数量的设计，可以更敏感判断光伏组件的正面遮挡情况，同时可以保证所述光伏组件输出能量的稳定。

(4)光伏组件的尺寸设计：

由于所发明检测正面遮挡的光伏组件是用来检测光伏电站中光伏组件是否发生遮挡。而一般来讲，光伏组件的规律性遮挡是从光伏组件的端部开始的。因此所述检测正面遮挡的光伏组件外形尺寸应该比光伏电站发电所用的光伏组件稍微长一些。目的是当所述检测正面遮挡的光伏组件检测到遮挡时，光伏电站发电所用光伏组件还没有被遮挡，此时就可以通过调整光伏电站中发电用光伏组件的位置，及时避开即将发生的遮挡，保证光伏电站中其他光伏组件的发电功率。

例如，目前市场上主流72片整片光伏电池组件的尺寸在1000*2000毫米左右，1/2切割电池的144片光伏电池组件尺寸在1000*2200毫米左右。为配合这些光伏电站发电光伏组件的使用，选N＝7，M＝31，光伏电池为1/5 切割多晶光伏电池时所述检测正面遮挡的光伏组件长度设计在2200毫米以上。以本所述设计为例，组件层压件的长度为a，宽度为b，光伏电池片宽度为d，设置a＝2040毫米，b＝196毫米，d＝158.75毫米。比144片1/2 切割电池的组件每端部长10毫米。满足遮挡首先发生在本发明光伏组件上。

由于三个光伏电池子串是单排直线排列，考虑到IEC的电器安全设计规范，从光伏电池边缘到光伏组件边缘的爬电距离c不小于15毫米。所以所述检测正面遮挡的光伏组件的宽度为一个光伏电池片的宽度b＝c+d+c。本例以158.75毫米多晶光伏电池为例，组件层压件的宽度应该不小于 158.75+2*15＝188.75毫米。

Claims (7)

1.一种检测组件中光伏电池正面遮挡的光伏组件，光伏电池正面是指光伏组件正常工作情况下，光伏电池直接面对太阳的一面，其特征在于，包括：若干光伏电池，电池间连接导体材料，旁路二极管；所述光伏电池不等分的组成三个光伏电池子串；三个所述光伏电池子串按单排直线排列，空间排列顺序为：端部光伏电池子串，中部光伏电池子串和端部光伏电池子串；所述光伏组件的电学输出由三个光伏电池子串通过电学串联连接来实现。

2.根据权利要求1所述一种检测组件中光伏电池正面遮挡的光伏组件，其特征在于，所述端部光伏电池子串用来检测光伏组件的遮挡情况，所述端部光伏电池子串中包含的光伏电池数量多于1片，同时两个所述端部光伏电池子串包含的光伏电池数量相同；所述中部光伏电池子串用来保证光伏组件能量的输出；所述端部光伏电池子串中光伏电池的数量少于所述中部光伏电池子串所包含光伏电池数量。

3.根据权利要求1所述一种检测组件中光伏电池正面遮挡的光伏组件，其特征在于，所述端部光伏电池子串和二极管并联。

4.根据权利要求1所述一种检测组件中光伏电池正面遮挡的光伏组件，其特征在于，所述光伏电池可为整片光伏电池，也可为切割光伏电池。

5.根据权利要求1所述一种检测组件中光伏电池正面遮挡的光伏组件，其特征在于，所述光伏电池为双面光伏电池或单面光伏电池。

6.根据权利要求1所述一种检测组件中光伏电池正面遮挡的光伏组件，其特征在于，所述光伏电池为单晶光伏电池或多晶光伏电池。

7.根据权利要求1所述一种检测组件中光伏电池正面遮挡的光伏组件，其特征在于，所述光伏电池为P型光伏电池或N型光伏电池。

Images