CN112930507A - 太阳能电池或太阳能面板能量提取系统 - Google Patents

太阳能电池或太阳能面板能量提取系统 Download PDF

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Abstract

一种光伏系统，其具有至少一个太阳能电池和连接到该至少一个太阳能电池的次级直流电源。该次级电源配置为恒定电压运作，以向光伏电池输入功率，从而使太阳能电池的运作维持在或接近于其最佳电压工作水平。

Description

太阳能电池或太阳能面板能量提取系统
技术领域
本发明的技术领域涉及从光伏(PV)板获取电能。实施例的应用为用于改善在最佳操作条件之外(例如在多云或阴暗条件下)运作的PV板的能量输出。
背景技术
光伏(PV)板包括电耦合的PV电池(也称为太阳能电池)阵列，用以从太阳能中产生DC电能。所有光伏太阳能面板的缺点为，太阳能电池的运作条件使其具有非常陡峭的IV曲线(电压和电流之间的关系)，该曲线随着可用光和施加到太阳能面板/太阳能电池上的负载量而不断变化。因此，当电流稍微稳定时，电压随电池上的可用光而波动。随着光照和相应的输出电压的增加，由太阳能面板提供的负载可以相应地增加。然而，如果施加过多的瞬时负载，电压会崩溃，IV曲线也会崩溃，这大大降低了太阳能电池将光能转化为电能的能力。因此，需要对太阳能电池面板的能量提取进行管理，以尽量减少电池运作效率低下的情况。
管理PV电池的能量提取的最常见形式称为MPPT(最大功率点跟踪)。最大功率点跟踪(MPPT)，有时也称为功率点跟踪(PPT)，是一种在风力涡轮机和光伏(PV)太阳能系统中常用的技术，用于在所有条件下最大限度地提取功率。虽然该技术主要适用于太阳能，但其原理一般适用于具有可变功率的电源：例如，光能传输和热光伏。MPPT方法依赖于在最大电压/电流点崩溃之前不断调整从太阳能电池/太阳能面板中提取的最大负载。
PV太阳能系统存在许多不同的配置，其关系到逆变器系统、外部电网、电池组或其他电力负荷，而不考虑太阳能的最终目的，MPPT解决的核心问题是，太阳能电池的能量传输效率取决于落在太阳能面板/太阳能电池上的日照量以及负载的电气特性。随着日照量的变化，提供最高功率传输效率的负载特性也会发生变化，因此当负载特性发生变化使得功率传输保持在最高效率，系统的效率会得到优化。这种负载特性称为最大功率点(MPP)，而MPPT是发现该最大功率点并保持该负载特性的过程。电路可以设计成向光伏电池提供任意负载，以维持当前条件下的MPP，然后转换电压、电流或频率以适应其他设备或系统。MPPT解决了为获取可用功率而为电池选择最佳负载的问题。
MPPT设备通常集成到电力转换器系统中，该电力转换器系统提供电压或电流的转换、滤波和调节，以驱动或传输各种外部负载的功率，例如电网、电池或电机。太阳能逆变器将DC电源转换为AC电源，并可结合MPPT：此类逆变器对太阳能模块的输出功率(I-V曲线)进行采样，并施加适当的电阻(负载)，以获得最大功率。MPP处的功率(Pmpp)为电压(Vmpp)和MPP电流(Impp)的乘积。
一些公司现在将最大功率点跟踪器设置到各个模块中，以允许每个模块在不均匀的阴影、脏污或电气不匹配的情况下通过使用优化器仍能达到最高效率。优化器具有有限的升压/降压能力，并在有限的受控操作窗口内协助MPPT。
虽然目前有其他的变分算法来增强MPPT方法用以定位IV的峰值，但是所有当前方法的基础主要基于MPPT方法，MPPT方法依赖于在最大电压/电流点崩溃之前不断地调整从太阳能电池/太阳能面板中提取的最大负载。光照的增加将导致工作电压升高到开路电压的最大水平，而光照的减少将导致工作电压下降。这种下降可能是由早晨/下午/多云/阴暗的条件所引起的，或者只是由于入射角使太阳能面板不垂直于太阳。目前的MPPT方法需要减少或增加负载，以确保获得相对于电流点的最佳工作电压。
该负载点不断变化，不一定与最佳电池性能负载点相匹配，并导致电池在其设计的Vmp(电压最大额定功率)以外运作。
随着人们对可再生能源使用量的需求增加，人们对替代能源系统的需求也在不断增加。
发明内容
一方面，本发明提供了一种太阳能提取系统，其包括输出电压等于最佳面板/太阳能电池电压的电源，该电源可以是单个太阳能电池或者一系列的太阳能面板，为太阳能阵列提供最佳的恒定最小电压。
一方面，提供了一种光伏发电系统，其包括至少一个太阳能电池，该太阳能电池配置为接收来自太阳辐照的初级能量输入和与所述至少一个太阳能电池并联连接的次级DC能量输入，其中所述次级DC能量输入配置为以恒定电压输出功率，选定的恒定电压与所述至少一个太阳能电池的指定电压最大功率(Vmp)的额定值相匹配，由此所述至少一个太阳能阵列能够从所述次级DC能量输入中提取功率，以将所述至少一个太阳能电池的工作电压维持在Vmp。
在一些实施例中，次级DC能量输入电压是固定的。在这种实施例的示例中，选定的次级DC能量输入电压与所述至少一个太阳能电池在其最高工作温度下的指定Vmp相匹配。
在一些替代实施例中，次级DC能量输入电压是可变的，并且控制指定的电压最大值以匹配所述至少一个太阳能电池在其当前工作温度下的指定Vmp。这种实施例可以包括至少一个温度传感器，其配置成感测至少一个太阳能电池的当前工作温度。实施例还可以包括控制器，所述控制器配置为接收当前工作温度并基于当前温度下的Vmp自动调整次级DC能量输入电压。
在一些实施例中，如果施加了负载并且在光照条件减少期间通过次级电源输入保持太阳能电池的最佳电压，则与不具备保持最佳电压的第二电源的太阳能电池相比，太阳能电池将具有更高水平的光电转换。
在一些实施例中，在全光照条件下，不从次级电源输入中提取功率。
在一些实施例中，所述太阳能电池通常以串联配置连接，这样，有阴影的太阳能电池将引起在串联配置中处于全光照下的其他所有太阳能电池将能量产出减少到与有阴影的电池相似的输出水平，太阳能面板将具有双通二极管(bi-pass diodes)，因此当其受遮蔽且电压下降到特定水平时，能量绕过太阳能面板并将串联串组的损耗降至最低，利用这种使用次级电源维持串组电压的新方法，当太阳能电池/太阳能面板受遮蔽时，其余在光照下的太阳能电池/太阳能面板不受遮蔽的太阳能电池的影响，并且由于Vmp由次级电源维持，因此可以保持完全运行，系统的损失仅为受遮蔽的电池/面板的损失。
在一些实施例中，次级电源输入可以是转换为DC电源的主AC电源、电池或可提供DC能量的其他类似电源。
附图说明
图1是系统实施例的简化框图。
图2是系统的另一个实施例的框图。
图3是说明太阳能电池或阵列的电压设定点(Vsp)随温度变化的曲线图。
图4a和4b示出了根据系统实施例，在全日照(图4a)和局部阴影(图4b)条件下提供次级DC电源时对单个电池发电的影响。
图5a和5b示出了在使用MPPT的情况下，全日照(图5a)和局部阴影(图5b)条件下对单个电池发电的影响。
图6a和6b示出了在使用MPPT的情况下，全日照(图6a)和局部阴影(图6b)条件下，对串联的太阳能电池阵列发电的影响。
图7a和7b示出了根据系统的实施例，在全日照(图7a)和局部阴影(图7b)条件下，提供了次级DC电源时对串联的太阳能电池阵列发电的影响。
图8是系统的替代实施例的示例。
图9a和9b示出了在全日照(图9a)和阴影(图9b)条件下使用MPPT的传统光伏发电系统的操作示例。
图10a和10b示出了在全日照(图10a)和阴影(图10b)条件下系统实施例的操作示例。
具体实施方式
本申请公开了光伏系统的各种实施例，该光伏系统包括至少一个太阳能电池和连接到该至少一个太阳能电池的次级直流电源。该次级电源配置为向光伏电池输入功率，以使太阳能电池的运作维持在或接近于其最佳电压工作水平。
为了从太阳能电池获得最佳性能，所公开的系统的实施例使用第二电源来人工控制太阳能电池(或太阳能电池阵列)的工作电压，以达到太阳能电池的最佳电压工作水平，而不是由太阳能电池根据各种光和负载条件的上升和下降的结果来控制该电压。
在设计的Vmp(电压最大额定功率)下运行时，太阳能电池的性能最佳。当在Vmp下运行时，电池以最大效率将太阳能光子转化为电能。因此，当以Vmp运行时，太阳能电池将获得最佳性能和最大功率输出。类似地，串联连接的电池阵列也将具有阵列的Vmp，例如，太阳能电池面板也将具有Vmp。阵列Vmp基于阵列中各个单元的Vmp，并反映阵列中所有单元在其单个Vmp或接近其单个Vmp工作时的Vmp。当在Vmp下运行时，单个电池或电池阵列可获得最佳的太阳能转换性能，从而获得最大的功率输出。基于物理属性，Vmp是太阳能电池或阵列的固有特性。电池或阵列(面板)的Vmp通常由太阳能电池或阵列的制造商传达。Vmp可能受工作温度影响，因此Vmp的热系数通常也由制造商提供。制造商通过测试确定太阳能电池面板和阵列的这些固有特性。
如上所述，当在Vmp下工作时，可实现太阳能电池或阵列的最佳效率。当运行条件良好，阳光强烈且没有阴影时，此时单个太阳能电池接收到足够的太阳能，以达到并维持在Vmp下的运行，这可以在实践中实现。但在实践中，条件往往不是最佳的，一天中的时间、云、树木的阴影会减少入射到阵列面板上的阳光，因此，这意味着至少一些电池没有足够的能量来达到Vmp。在电池串联(也称为串)的PV阵列中，阵列的总工作电压将限制在性能最低的电池的工作电压。因此，在阵列部分受遮蔽，或者面板表面上的灰尘或碎片而导致一些电池工作效率较低的情况下，总工作电压将下降，因此即使对于未遮蔽的电池，其工作电压以及转换效率也将降低。
为了实现最佳的太阳能电池性能，不管一天中的负载和日照如何变化，太阳能电池的最佳Vmp需要保持不变。虽然光照条件可能会有所不同，但如果太阳能电池的Vmp保持不变，它将在太阳能电池制造商所设计的最佳水平下运行。
本系统的实施例提供了一种平台，该平台确保对PV板/阵列的次级输入，该次级输入确保PV阵列在由PV板/太阳能电池的制造商所设定的最佳输出条件下运行。
实施例提供了连接到PV阵列的次级DC电源，以使功率能够注入到PV阵列(或电池)中，以补充由阵列的电池所产生的功率，从而能够维持Vmp或接近Vmp，并且，因此太阳能电池以或接近其最大转换效率运行。
图1示出了系统100的实施例的高层框图。第一输入是由光引起的来自太阳能电池110的能量，而第二输入是DC电源120，该DC电源具有产生组合太阳能电池的最佳电压的电压。从系统100产生的功率被负载130消耗，例如，负载130可以是逆变器，用于将来自太阳能发电系统100的DC输出功率转换成用于本地使用或供应到电网的AC电源。替代地，负载130可以是所产生的DC功率的直接消耗者，例如DC电机。
太阳能电池或阵列110可以是任何传统的太阳能电池或太阳能PV板。次级DC电源120在负载的输出端与太阳能电池或阵列并联连接140。DC电源电压为Vmp，其与太阳能电池或阵列相匹配。二极管145确保从次级DC电源向太阳能电池或阵列110的一个wat电源(watpower supply)。然而，连接140允许电流从次级DC电源引入太阳能电池或阵列。或者换句话说，在太阳能电池或阵列输出端没有阻塞二极管，从而允许电子在太阳能阵列的输出端双向自由流动。这种配置的效果是，在太阳能电池(或阵列电池)处于弱光或阴影的情况下，使得电池转换的电子不足以维持Vmp，则从DC电源提取电流以向太阳能电池或阵列电池提供电子，从而维持在Vmp下工作。其影响是，电池继续以最高效率转换太阳能。因此，即使有一些外部功率(来自次级DC电源)被太阳能电池或阵列消耗，由于维持了阵列的最佳转换效率，因此输出功率仍有净增益。
将太阳能电池设计成在小电压窗口内产生最大功率。如果该太阳能电池在这个小窗口之外工作，从光能到电能的转换会大大减少。
第二电源120将确保太阳能电池110在所有光/负载条件下始终在该窗口内工作。第二电源120是直流电源，其可以是主电源、电池、发电机或任何其他DC电源。将第二电源电压调节到太阳能电池/阵列正确的Vmp工作窗口。通常，制造商会为阵列安装的典型工作温度指定Vmp。
应当理解，系统的操作基本上是被动的，从次级DC电源提取功率是对电池的固有响应。通过将太阳能电池或阵列与次级DC电源并联连接，电路将保持Vmp，并且为了使电池保持Vmp，如果由太阳能产生的电子不足以保持Vmp，则会从DC电源中提取电子。因此，PV阵列将从本质上控制从次级DC电源提取的功率量，以维持在Vmp下的运作。例如，当PV阵列受经过的云遮蔽时，则开始从DC电源中提取功率，以补偿减少的电子产生，并且随着云的通过，电池的产量再次增加，从次级DC电源提取的电流会减少。
在一些实施例中，次级DC电源可以具有固定的电压输出，对于最常见的工作温度条件，该电压输出配置为与阵列匹配的Vmp。发明人对原型的测试表明，即使阵列的Vmp在所有工作温度下都不能与次级DC电源精确匹配，也可以实现效率的增益。在接近Vmp下运作也将提高效率。
在一些实施例中，该系统的次级电源可以是可调电压电源，并且该系统可以包括温度传感器和控制器，该控制器配置为基于PV阵列的工作温度来调节DC电源输出，以在工作温度下将阵列的次级DC电源的输出电压保持在Vmp。
图2示出了系统实施例的示例的更详细的框图。在该示例中，太阳能阵列210连接到DC电源220，以使能够向PV阵列210注入电能。DC电源可以连接到或包括控制器260，控制器260基于连接到PV阵列210的温度传感器250所检测到的PV阵列210的工作温度来调节可变DC电压。控制器可以包括微处理器或可编程逻辑控制器，其配置为基于制造商提供的Vmp和温度系数数据来计算感测温度的Vmp，该温度系数数据存储在设备存储器中或编码到程序逻辑中。应当理解，控制器不需要监控PV阵列输出，并且不控制DC电源220的输出功率，该控制器仅设置电压。DC电源提供的功率由PV阵列有机地控制。电子从输出端进入面板的有机电子流，使整个面板保持在DC电源所设定的Vmp中。
随着太阳能电池上的光减少，太阳能电池电压也会减少。第二电源抑制太阳能电池电压降至最佳电压窗口以下。优选地，将第二电源120调节为提供使太阳能电池(或阵列)能够维持Vmp的功率。次级电源向太阳能电池提供电压，因此太阳能电池和次级电源都有助于通过轴环阵列输出(collar array output)向负载提供电力。在这种情况下，电压将从次级电源提取到太阳能电池(例如，由太阳能电池根据其所需的额外电子的数量来补充其自身的产出以维持Vmp)，并且太阳能电池和次级电源向负载供电。应当理解，由DC电源供应的功率量将随着阳光的减少而增加，以维持阵列中的Vmp，并且从次级DC电源输入到系统的功率将超过由太阳能电池所产生的功率。然而，即使在这种情况下也有实际的好处，例如，当黑暗条件是暂时性的情况下(例如乌云经过或临时阴影)，逆变器的运行不会受到影响。在目前的系统中，PV阵列输出功率的下降会导致逆变器关闭。这种系统通常还将配置为具有延迟，在逆变器将要复位并恢复运行之前，必须在该延迟期间从阵列获得足够的输出。这是为了保护逆变器，并最大限度地减少从PV系统到电网的输入不一致。使用所描述的关于阵列的次级DC电源，即使在大幅度波动的太阳能条件下，也可以保持逆变器的基本恒定的输出。太阳能波动的影响将使从DC电源提取到阵列中的功率发生相应变化，而逆变器的输出保持恒定或基本恒定。
太阳能电池和次级电源的关系是线性的。这种关系由电池制造商所提供的已知Vmp和面板温度决定。图3说明了太阳能电池或阵列的电压设定点(Vsp)和功率关系，并说明了Vsp与温度的差异。不同温度下的Vmp通常由电池或PV阵列的制造商所提供，并基于电池或阵列的固有特性。如上所述，电池在Vmp下转换太阳能的效率最高。Vmp与温度有关，通常随着温度的升高而降低。
对于如图1所示的系统的实施例，其中次级DC电源在固定电压(Vsp)下工作，那么次级DC电源电压(Vsp)可以基于最高电池工作温度下的制造Vmp来固定。从图3可以看出，在较低的温度下，固定的Vsp可能略低于工作温度的Vmp。然而，由于这种运作将仅略微低于最大效率，并且即使在太阳能水平波动期间也可保持在该水平，因此与当前基于MPPT的系统相比，PV阵列的长期输出将得到改善。
考虑图2所示的实施例，通过将电池温度输入到次级DC电源(或控制器)，并针对当前工作温度将Vsp调整为Vmp，可以略微提高总输出功率增益。应当理解，当将Vsp调节为温度变量的Vmp时，一些相应的功率输出变化也可能发生。然而，这种波动会随着阵列工作温度而变化，阵列工作温度的变化速率通常是缓慢的，因此对逆变器工作(或其他负载)的影响最小。
相反，众所周知，太阳能电池的V/I关系(V/I曲线)是非线性的。太阳能电池在温度和总电阻之间具有复杂的关系，该关系会产生非线性输出效率，该输出效率可以根据I-V曲线进行分析。MPPT系统的目的是对PV电池的输出进行采样，并施加适当的电阻(负载)以获得在任何给定环境条件下的最大功率。传统的太阳能逆变器对整个PV阵列(模块关联)的整体执行MPPT。在这样的系统中，由逆变器决定的相同电流流过串(串联)中的所有模块。由于不同的模块具有不同的I-V曲线和不同的MPP(由于制造公差、局部阴影等)，这种架构意味着一些模块/单元的性能将低于其MPP，从而导致较低的效率转换率。随着入射太阳能的变化，电池产生的电能也发生变化，随着太阳光照的减少，电池产生的电能也随之减少，因此可以提取的电压和电流也随之下降。在使用MPPT的系统中，所施加的视在负载是变化的，目的是操纵电流和电压，从而在弱光条件下能够从太阳能电池(或阵列)获得最大功率。但整体功率受限于太阳光照。
图4a和4b示出了在全日照(图4a)和局部阴影(图4b)的条件下单个电池410的发电效果，其中提供次级DC电源以实现电压注入。在这个示例中，在图4a中，电池410完全照亮，并从太阳光中接收30W的能量，以在2伏和3.4安培的DC下产生5.4W的DC能量输出。图4b示出了单元410的局部阴影420。在这个例子中，电池80％受阳光照射，接收24W的光能，以及电池20％的局部阴影接收60％的太阳光强度，接收2.88W的光能。次级DC电源与电池并联，具有2伏的固定电压(Vdc)。在这些阴影条件下，0.432W的DC被动地从次级DC电源(在0.216安培的DC时为2V)提取。电池的阴影区域从入射太阳光中产生0.648W的能量，再从DC电源中提取0.432W的能量作为补充，以使太阳能电池的总输出保持在5.4W。
图5a和5b示出了在使用MPPT的情况下，全日照(图5a)和局部阴影(图5b)条件下对单个电池发电的影响。类似于图4a的示例，在30W太阳光能量入射到电池510的全日照下，电池510在2伏和3.4安培的DC下产生5.4W的DC能量输出。图5b和4b示出了单元510的局部阴影520。在该示例中，电池510的80％受阳光照射，接收24W的光能，以及20％的局部阴影520接收60％的太阳光强度，接收2.88W的光能。由于阴影使电池510的输出功率下降，MPPT可以操纵电池上的视在负载，以使功率的提取最大化。然而，在这个示例中，在1.2伏和1.62安培的DC下，这只能达到1.944W的DC。电池阴影部分的影响也损害了该电池其余部分的性能。
太阳能电池通常串联成阵列。光的减少导致单个电池产生的能量减少，这会影响整个电池阵列的运行。类似地，对于连接成阵列(通常称为串)的太阳能电池面板，一个面板的性能降低会影响阵列中其他面板的能量生产。
正常的面板产生的能量具有陡峭的电压-电流曲线，这需要常规的MPPT方法来找到不断变化的最大功率点，以根据面板上的可用光来提取可能的最大能量。当面板在MPP之外时，电池的电压会崩溃，从而导致电源崩溃并停止产生能量。一个电池将影响串联的每个电池，无论是一个面板中的电池还是一串面板中的电池。图6a和6b示出了一示例，在使用MPPT的情况下，全日照(图6a)和局部阴影(图6b)条件下，对串联的太阳能电池阵列发电的影响。图6a示出了在全日照下的太阳能电池串610。每个电池610产生5.4W的CD电能(在2伏和2.7安培DC下)，该太阳能电池串的总输出为21.6W。图6b示出了相同的串，其中一个电池620具有(50％)的局部阴影630，而剩余的电池640保持全日照。在本示例中，具有阴影的电池功率输出将下降，相应地其工作电压也会下降。MPPT系统将运行以降低阵列串上的视在负载，目的是使阵列的工作电压回到或接近Vmp，该控制基于可根据V/I曲线从阵列中提取的最大功率。因此，随着电压的增加，电流将下降(由于负载降低)，使得具有阴影的电池620在2伏和1.35安培的DC下产生2.7W的DC。由于负载减小，整个电池串的运作受到具有阴影的电池620的运作的限制。因此，具有阴影的电池620将从电池串的每个电池中提取的功率限制为1.35安培时的2伏。由于电池的V/I特性，对于来自电池串的10.8W的总输出，其余的无阴影电池640也仅产生2.7W的DC(2伏，1.35安培)。因此，受灰尘或碎屑(如树叶、鸟粪、垃圾或灰尘)遮蔽的单个电池，或甚至轻微遮蔽(如天线)都会影响整个电池串的输出。
本系统的实施例通过注入接近于因阴影所损失的等效功率的功率来防止电压崩溃，例如，太阳能电池上有阴影而导致20w损失，通过注入与损失量相似的功率量，电池的剩余部分将不受影响地运作，这将允许串联的无阴影电池继续不受影响地产生功率。图7a中示出了一个示例，使用与图6a和6b相同的串和阴影示例。类似地，在这个示例中，在全光照期间，阵列的所有电池710产生5.4W的CD能量(在2伏和2.7安培的DC下)，电池串的总输出为21.6W。图7b示出了相同的串，其中一个电池720具有(50％)的局部阴影730，而剩余的电池740保持全日照。在这个示例中，2.7W(2伏，1.35安培)的功率由次级DC电源注入，以维持具有阴影的电池中的Vmp(不像MPPT那样减少阵列上的负载)，并且具有阴影的电池产生2.7W(2伏，1.35安培)，以在2伏和2.7安培下从电池720提供5.4W的组合输出。相反，这使得串中的剩余电池能够在5.4W(在2伏和2.7安培DC下)下保持运作，向逆变器提供21.6W的总功率输出。应当理解，输出到逆变器的功率是总功率输出。由于该系统消耗来自次级DC电源的一些能量来实现这一点，所以产生的总净功率为总功率减去由次级电源注入的功率。然而，由于无阴影的电池740继续以最大效率运行，因此产生的净功率(21.6W-2.7W＝18.9W)仍然超过在相同情况下使用MPPT可以实现的输出。
当次级电源保持正确的Vmp时，太阳能电池能够在中低照度下转换更多的能量。由于Vmp得到维持，如果太阳能面板受遮挡，对电池串中剩余面板的影响将降至最低，电池串中剩余的面板可能会继续不受影响地运行。
注入电压的另一个特征是，当电池的电压由第二DC源管理时，串联串中面向不同方向的太阳能电池将在其一天中的时间/方向上以全容量运行。这允许太阳能设计的灵活性而不需要太阳能优化器，或更进一步地，由于所有的太阳能电池将在其各自的最佳电势下工作，这允许太阳能电池/太阳能面板具有弯曲的表面。
本文所述系统可称为电压注入技术方法(ViT)，ViT是从太阳能电池中提取能量的不同视角。它包括制造商规定的最佳电压的知识，并结合给定环境下最佳工作电压(Vmp)的温度系数。第二DC源(ViT)与太阳能电池并联，目的是注入计算电压，以确保太阳能电池在各种给定光照条件下以最大性能运行，并保持一致的电压，其与MPPT方法一样，电压将根据太阳能电池上的光照强度而上升和下降。
ViT确保太阳能电池中的电压保持恒定，无论负载或光照条件如何，都能为电池提供最佳工作条件。
ViT将注入/替换因阴影/非最佳方向而导致的串联串中的功率损失，并确保无阴影/最佳太阳能电池的工作不受影响，同时具有阴影/非最佳太阳能电池在给定的可用光下仍能以其最佳性能工作。
在一些PV电池板中，每个面板都安装有阻塞二极管或旁路二极管，以帮助电流流过阴影较重的太阳能电池面板。在使用ViT时，可以移除阻塞二极管。这也可以提高性能。
次级DC电源可以是一个电池单元、DC发电机或连接到DC电源的主电源。在一些实施例中，次级DC电源可以是另一个PV电源或其他可再生能源电源系统。
ViT系统的实施例的另一个优点是，由于第二DC源管理电压，在弱光条件下吸收能量的益处，其中，在正常工作条件下，电压由于具有第二DC电源而可能崩溃。太阳能电池电压不会崩溃，并且与电压降到最佳窗口之外相比，使太阳能电池能继续更有效地工作。
已经发现，在某些情况下，第二DC输入可以替代主要的太阳能输入，因此对太阳能电池没有益处，但是如果该第二电源来自能量存储源(电池)或发电机，则会有利于逆变器的持续发电。这也有利于仅从DC电源平稳过渡到电源，例如在夜间。图8示出了系统的一个示例，在该实施例中，DC电源820是电池存储器组，其存储来自逆变器830的功率输出，该功率输出超过了本地功率使用(例如，家庭或工厂)的要求或电网的输入要求，例如，在太阳能电池阵列810在全光照下运行并且没有(或很少)从次级DC电源提取功率的白天。当入射的太阳能下降时，例如在黄昏时，DC电源820将向阵列提供能量，以维持Vmp和到逆变器830的一致输出。因此，到夜晚的自然过渡将导致从电池存储器820向逆变器供电的自然过渡。这种设置的优点是避免了DC切换。此外，在黎明时，随着太阳光入射到太阳能电池阵列810上，随着太阳能电池阵列810的发电量增加以及从电池存储器提取的功率减少，将发生反向转变。这允许在主要或唯一的太阳能供应和电池电源之间平滑无缝的转换。
比较示例：
图9a和9b示出了在全日照(图9a)和阴影(图9b)条件下使用MPPT的传统光伏发电系统的操作示例。
如图9a所示，其中阵列910在全日照下以Vmp运行，MPPT930将调节可变视在负载(R＝Rm)以从阵列中获取最大功率，并且功率输出(Pout)940将处于MPP，从而导致来自逆变器920的XW功率输出950。
如图9b所示，如果PV阵列910有局部阴影915，那么阴影区域Vs970中的电压将首先下降，并且MPPT930调整视在负载R，将其降低到Rs，目的是使阵列的电压回到或接近Vmp(V？)。这导致来自整个阵列的功率960的减少和来自逆变器980YW的输出的减少，其中Y<X。
图10a和10b示出了在全日照(图10a)和阴影(图10b)条件下系统实施例的操作示例。在全日照下(图10)PV阵列1010以Vmp运行，产生最大功率。在当前工作温度下，阵列的次级DC电源1020电压输出设置为Vmp。阵列的输出处于最大功率点MPP，从逆变器1030中产生X瓦输出。图10b示出了阴影条件，其中Z瓦的功率从DC电源1020引入太阳能电池阵列，以维持PV阵列1010中的Vmp，从而维持逆变器1030的最大功率输入，逆变器1030继续输出X瓦的功率。所产生的净功率为X-Z瓦。
例如，一个Mppt系统包括5×300W的太阳能模块，产生1000W的功率。如果一个物体遮挡一个面板的30％，导致面板I-V曲线塌陷，则由于阴影导致电压显着下降，此反过来会使面板性能下降约70％，从而限制了串中的所有其他面板降低到与具有阴影的面板相同的性能，从而导致总阵列输出为300W。对于一个包含5×300W的太阳能模块的ViT系统，产生1000W。一个物体遮挡一个面板的30％。ViT维持正确的工作电压，注入75W，直接替代30％遮挡所造成的直接损失的能量。太阳能电池阵列为设备提供1000W的功率，而ViT注入75W的功率使净功率达到925W。
已发现，ViT的优点为将提供低至蜂窝级别的益处，并会导致能源生产的总体净增益，直到注入的能量等于净能量增益为止。在达到能量中性点后，尽管净增益已经减少，但太阳能电池仍继续工作。在这点上，ViT能量超过了太阳能，因此没有提供太多的好处，除非ViT能量来自能量储存源，如电池。
在不同测试情况下比较Mppt和ViT的原型的测试结果示例。
测试1。
Mppt逆变器，其具有6×300W模块串联到一个Mppt中。(总计1800W)
所有面板，朝北朝向太阳，总瓦数为1500W
·串中一块太阳能面板完全遮蔽，逆变器总功率降至80W
·串中一块太阳能面板局部遮蔽，逆变器总功率降至150W
·一个面板转向东向。所有面板下降到面向东向的功率水平，逆变器的总功率为420W
·一个面板转向西向。所有面板下降到面向西向的功率水平，逆变器的总功率为560W
测试2。
ViT逆变器，其具有6×300W模块串联在Mppt上，ViT连接在逆变器上。所有面板，朝北朝向太阳，总瓦数为1500W
·串中的一个太阳能面板被完全遮蔽，逆变器的总功率保持在1500W，ViT注入250W，导致净功率产生1250W
·串中的一个太阳能面板被局部遮蔽，逆变器的总功率保持在1500W，ViT注入75W，导致净功率产生1425W
·一个太阳能面板转向东向。逆变器总功率为1500W，ViT注入125W，导致净功率为1375W
·一个太阳能面板转向西方，逆变器总功率为1500W，ViT注入100W，净功率为1400W
尽管在上面讨论的实施例和例子中，来自PV阵列的功率输出到逆变器，但是这仅仅是系统应用的示例。输出可以是配置为接收DC功率的任何负载。例如，负载可以是电动机、蓄电池、DC-AC电力转换系统等。该系统适用于任何DC电源应用。
在随后的权利要求和本发明的前面描述中，除了由于表达语言或必要含义的上下文另有要求的地方，词语“包括”或诸如“包含”或“包含”的变化以包含的意义使用，即，指定所述特征的存在，但不排除在本发明的各种实施例中进一步特征的存在或添加。
应当理解，如果在此提及任何现有技术的出版物，这种提及并不构成承认该出版物在澳大利亚或任何其他国家形成本领域公知常识的一部分。

Claims (10)

1.一种光伏发电系统，包括：
至少一个太阳能电池，所述至少一个太阳能电池配置为接收来自太阳辐照度的初级能量输入；以及次级DC能量输入，该次级DC能量输入并联连接到所述至少一个太阳能电池，其中所述次级DC能量输入配置为以恒定电压输出功率，选定的恒定电压与所述至少一个太阳能电池的设定电压最大功率(Vmp)的额定值相匹配，由此至少一个太阳能阵列能够从所述次级DC能量输入中提取功率，以将所述至少一个太阳能电池的工作电压维持在Vmp。
2.根据权利要求1所述的光伏发电系统，其中所述次级DC能量输入的电压是固定的。
3.根据权利要求2所述的光伏发电系统，其中选定的次级DC能量输入的电压与所述至少一个太阳能电池在其最高工作温度下的指定Vmp相匹配。
4.根据权利要求1所述的光伏发电系统，其中所述次级DC能量输入电压是可变的，并且控制指定的电压最大值以匹配所述至少一个太阳能电池在其当前工作温度下的指定Vmp。
5.根据权利要求4所述的光伏发电系统，还包括至少一个温度传感器，所述至少一个温度传感器配置为感测至少一个太阳能电池的当前工作温度。
6.根据权利要求5所述的光伏发电系统，还包括控制器，所述控制器配置为接收当前工作温度，并基于当前温度下的Vmp自动调整次级DC能量输入电压。
7.根据权利要求1所述的光伏发电系统，其中如果施加了负载并且在光照条件减少期间通过次级电源输入保持太阳能电池的最佳电压，则与不具备保持最佳电压的第二电源的太阳能电池相比，该系统的太阳能电池具有更高水平的光电转换。
8.根据权利要求1所述的光伏发电系统，其中在全光照条件下，能量不从次级能量输入中提取。
9.根据权利要求1所述的光伏发电系统，其中太阳能电池通常以串联配置连接，使得具有阴影的太阳能电池引起在串联配置中处于全光照下的其他所有太阳能电池将能量产出减少到与具有阴影的电池相似的输出水平，太阳能面板具有双通二极管，因此当其受遮蔽且电压下降到特定水平时，能量绕过太阳能面板并将串联串组的损耗降至最低，利用这种使用次级电源维持串组电压的新方法，当太阳能电池/太阳能面板受遮蔽时，其余在光照下的太阳能电池/太阳能面板不受遮蔽的太阳能电池的影响，并且由于Vmp由次级电源维持以使系统保持完全运行，系统的损失仅为受遮蔽的电池/面板的损失。
10.根据权利要求1所述的光伏发电系统，其中次级能量输入可以是转换成DC能量的主AC电源、电池或能够提供DC能量的其他相似供应源。
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