CN116317831A - 复合型可调式太阳能发电系统及其切换控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及复合型可调式太阳能发电系统及其切换控制方法，发电系统的太阳能电池组件设有第一受光发电面和第二受光发电面，所用第一太阳能电池为高光照强度及高温下发电效率较高的太阳能电池，第二太阳能电池为低光照强度及低温下发电效率较高的太阳能电池（铜铟镓硒），切换控制方法为在第一太阳能电池层发电能力大于第二太阳能电池层发电能力的情形下，以第一受光面作为太阳能电池组件的实际受光面；在第二太阳能电池层发电能力大于第一太阳能电池层发电能力的情形下，以第二受光面作为太阳能电池组件的实际受光面。本发明能够提高太阳能电池组件对不同光照条件的适应性，提高发电能力。

Description

复合型可调式太阳能发电系统及其切换控制方法

技术领域

本发明涉及复合型可调式太阳能发电系统及其切换控制方法。

背景技术

现有太阳能电池板多为单面电池板，其正面为受光发电面（受光后能够发电的面），受光发光面的光伏玻璃（用于防护的表层）内侧设有受光发电层，受到光照后将太阳能转换为电能并输出，其中的发光元件可以为晶体硅太阳能电池（电池片），或者为薄膜太阳能电池等，电池板的另一面为背面，不设太阳能电池，受到光照后不能发电，因此，使用时将受光发电面迎向太阳光照方向，并可以通过坠逐日系统带动电池板上下转动和左右转动，使受光发电面在发电时段始终朝向太阳方向，以更有效地获得太阳能。例如中国专利文献CN214705951U公开了一种能够快速拆装的单体晶体硅太阳电池，包括钢化玻璃层和外壳，所述钢化玻璃层的下方设置有EVA上层、电池片层、EVA下层、TPT层、底层和防护层，EVA上层、电池片层、EVA下层、TPT层、防护层和底层自上而下互相贴合，阳光能够透过钢化玻璃层和EVA上层照射到电池片层上，进而实现太阳能发电。中国专利文献CN公开了CN115639846A公开了一种轻便易安装单轴跟踪光伏发电装置，将太阳能电池通过相应的连接组件安装在转盘上，通过转盘及相应的驱动机构控制太阳能电池板转动以配合太阳升降，还可以使得太阳能电池板倾斜，以使得在不同地域不同时间太阳照射地面的倾斜角度不同时，太阳能电池板始终可以垂直对准太阳光，继而使得可以充分的更充分的吸收太阳能完成能源转化工作。中国专利文献CN211372217U公开了一种太阳能节能路灯，包括立柱、安装在所述立柱上的安装架、安装在所述安装架上的灯杆、安装在所述灯杆上的灯罩以及安装在所述灯罩内的灯泡，所述立柱的端部对称焊接有固定板，两个所述固定板间转动连接有连接轴，所述连接轴的外侧壁焊接有支架；由于所述滑动座、所述太阳能电池板与所述活动杆的连接处均设置有销轴，所述活动杆套设在所述销轴外，并与所述销轴转动连接，滑动座通过螺杆沿着凹槽推动活动杆进行移动的同时，活动杆在进行移动的同时，可以推动或拉动太阳能电池板通过支架沿着连接轴进行翻转至合适的角度，方便工人对太阳能电池板的安装角度进行自适应的调整。

然而，在不同时间，太阳光辐射会发生明显的变化，其中不仅包括辐射角度的变化，还包括辐射强度及辐射能谱的变化，同时，环境温度等其他气象条件也会发现变化。不同材料的太阳能电池板的发电能力随辐射强度和辐射能谱等外部因素的变化曲线是不同的。例如，目前常见的单晶硅太阳能电池（例如，PERC），在光照强度（太阳光辐射强度）较高及温度较高的情形下发电效率（光电转换效率，或本征转换效率）明显高于常见薄膜太阳能电池等其他太阳能电池，在光照强度较低及温度较低的情形下发电效率则会低于常见薄膜太阳能电池，并且辐照阈值较高，当光照强度低至一定程度后，例如在早晚及阴天等情形下，甚至不能启动发电，而薄膜太阳能电池（例如，CIGS薄膜太阳能电池）尽管在强日光照射下的发电效率不及单晶硅（甚至多晶硅）太阳能电池，但却能够在光照强度较弱及温度较低的情形下具有发电优势，其辐照阈值亦低于晶体硅太阳能电池。

因此，尽管现有技术下太阳能发电装置能够实时调节太阳能电池板的朝向，使太阳能电池板能够尽可能多地获得太阳能，然而其所用电阳能电池却是单一的，不能在不同时段及不同气象条件下均实现太阳能电池板与自然条件的良好匹配，不利于实现进一步提高发电能力。

发明内容

本发明的目的提高电阳能电池构件对不同光照条件的适应性，提高发电能力。

本发明的技术方案是：复合型可调式太阳能发电系统，设有太阳能电池组件（或称为太阳能电池板），所述太阳能电池组件设有第一受光发电面和第二受光发电面，所述第一受光发电面设有第一太阳能电池层，所述第二受光发电面设有第二太阳能电池层，所述第一太阳能电池层采用第一太阳能电池，第二太阳能电池层采用第二太阳能电池，第一太阳能电池和第二太阳能电池为不同的太阳能电池，其中第一太阳能电池为高光照强度及高温下发电效率较高（与第二太阳能电池相比）的太阳能电池，第二太阳能电池为低光照强度及低温下发电效率较高（与第一太阳能电池相比）的太阳能电池。

优选地，第一太阳能电池为晶体硅太阳能电池，第二太阳能电池为薄膜太阳能电池。

进一步地，第一太阳能电池为PERC（Passivated Emitter Rear Cell）。

进一步地，第二太阳能电池为CIGS（铜铟镓硒）薄膜太阳能电池。

可选地，太阳能电池组件呈平板状，平板状的电阳能电池构件的两面分别为第一受光发电面和第二受光发电面。

可选地，太阳能电池组件呈倒V形（横截面呈倒V形），倒V形（倒V形的电阳能构件）的两个外侧面分别为第一受光发电面和第二受光发电面。

进一步地，倒V形的太阳能电池组件包括第一太阳能电池板和第二太阳能电池板，第一太阳能电池板和第二太阳能电池板分别安装在适形（例如，倒V形）的电池板架的两侧，第一太阳能电池板和第二太阳能电池板均为受光发电面朝外的单面太阳能电池板，第一太阳能电池板和第二太阳能电池板的受光发电面分别构成所述的第一受光发电面和第二受光发电面。

进一步地，平板状的太阳能电池组件转动连接于支架，且设有带动其相对于支架转动的电池板转动驱动机构，平板状的太阳能电池组件与支架转动连接的转动轴线为水平线（位于水平面内的直线）。

进一步地，倒V形的太阳能电池组件固定安装在支架上。

进一步地，所述支架转动连接于基座，且设有带动其相对于基座转动的支架转动驱动机构，所述支架与基座转动连接的转动轴线为竖线（垂直于水平面的直线）。

优选地，支架与基座通过转盘连接，方便制备。

例如，所述支架的下端安装在转盘的转动构件（转动部分）上，转盘的固定构件（固定部分）固定安装在基座上。

复合型可调式太阳能发电系统的切换控制方法，所述复合型可调式太阳能发电系统为本发明公开的任一种复合型可调式太阳能发电系统，用于控制第一受光发电面和第二受光发电面的切换，在第一太阳能电池层发电能力（发电量）大于第二太阳能电池层发电能力的情形下，以第一受光发电面作为太阳能电池组件的实际受光面，朝向太阳方向，在第二太阳能电池层发电能力大于第一太阳能电池层发电能力的情形下，以第二受光发电面作为太阳能电池组件的实际受光面，朝向太阳方向。

可以基于第一太阳能电池和第二太阳能电池的发电特性和/或实验数据，也可以采用其他方式或来运，获取第一太阳能电池层和第二太阳能电池层发电能力与光照强度（太阳光辐射强度）、环境温度（气温）等光伏（光生伏特效应）相关参数之间的函数关系，令两者的发电能力相等，获得两者发电能力相等情形下各光伏相关参数（当光伏相关参数为多个时，下同）的平衡（指第一太阳能电池层和第二太阳能电池层发电能力相同）函数关系（当光伏相关参数为多个时）或单一光伏相关参数（当光伏相关参数为一个时，下同）的平衡点值，（工作时）实时监测各光伏相关参数或单一光伏相关参数（可周期性采样），在上午各光伏相关参数满足平衡函数关系或单一光伏相关参数达到平衡点值时进行切换，将实际受光面由第二受光发电面切换为第一受光面，在下午各光伏相关参数满足平衡函数关系或单一光伏相关参数达到平衡点值时进行切换，将实际受光面由第一受光发电面切换为第二受光面。

在无需实时监测光伏相关数据的情形下（例如，相对简易的发电系统）时，依据经验和/或实验数据等任意适宜发方式，设定/确定一段时期内的上午切换时间和下午切换时间，在上午切换时间，将实际受光面由第二受光发电面切换为第一受光面，在下午切换时间将实际受光面由第一受光发电面切换为第二受光面

本发明的有益效果是：由于设置了第一太阳能电池层和第二太阳能电池层，在工作时选择相应光照强度及环境温度等气象条件下具有较高发电能力的太阳能电池层发电，发挥了不同太阳能电池的优势，有利于提高发电能力；由于平板状的混合太阳能电池组件转动连接于支架，能够通过电池板转动驱动机构带动电池板转动/翻转，使实际受光面上仰，而倒V形太阳能电池组件两个受光发电面均已呈上仰姿态，还由于支架转动连接于基座，可以通过支架转动机构带动支架转动，能够在逐日系统的控制下使选定的受光发电面始终朝向太阳方向，增加了太阳能接收量。

附图说明

图1是平板状太阳能构件的构造示意图；

图2是倒V形太阳能构件的构造示意图；

图3是采用平板状太阳能构件的发电系统的（侧视）构造示意图；

图4是采用平板状太阳能构件的发电系统的（主视）构造示意图；

图5是采用倒V形太阳能构件的发电系统的（侧视）构造示意图；

图6是采用倒V形太阳能构件的发电系统的（主视）构造示意图。

具体实施方式

参见图1-图6，本发明涉及两种构造的太阳能电池组件（简称电池构件），其中一种为平板状的太阳能电池组件（简称平板状电池构件，也可以称为平板状电池板）10，一种为倒V形（横截面为倒V形）的太阳能电池组件（简称倒V形电池构件，也可称为倒V形电池板）20。

平板状电池构件是将一个平板状的太阳能电池板的两个大面都设置成受光发电面，也就是，设有两个受光发电面，可称为双面太阳能电池板。这种结构可视为将两个单面电池板（只有一个受光发电面的电池板，也就是通常所称的太阳能电池板）正面朝外叠合在一起，共用一个背板11。实践中，可以依据现有太阳能电池板的制备方式，在同一个背板的两侧分别制备上受光发电层及受光发电层外侧的透光保护层（透明表层）13；或者，将两个制备好的相应太阳能电池板反面相对连接为一体，例如，将两电池板的反面粘结在一起，或者通过框架或其他任意形式的适宜连接件将两个电池板固定连接在一起。相互连接的两个背板固定在一起，可视为共用的背板。

两种太阳能电池层的选择可依据使用需求或设定的目标。一般而言，主要考虑因素是光照强度（电池板实际接收到的光照强度），且可以结合阴晴天比例、环境温度等气象条件。例如，可以依据产品使用区域中午和早晚的光照条件设置，选取适应于中午光照条件的太阳能电池作为第一太阳能电池层16，适应于早晚光照条件的太阳能电池作为第二太阳能电池层18。

作为一种较佳的实施例，第一太阳能电池层可采用晶体硅太阳能电池层，例如单晶硅太阳能电池，第二太阳能电池层可采用薄膜太阳能电池层，特别是CIGS薄膜太阳能电池。

涉及太阳能电池板的其他构造可依据相应的现有技术，例如，太阳能电池层的外侧设有光伏玻璃（或称光伏玻璃层）作为表面防护且不影响太阳能电池层接受太阳能。

倒V形电池构件可视为两个太阳能电池板（单面太阳能电池板）拼接成倒V形，这两个太阳能电池板中的第一太阳能电池板26为晶体硅（单晶或多晶）太阳能电池板，特别是采用PERC的太阳能电池板，所述第二太阳能电池板28为薄膜太阳能电池板，特别是CIGS薄膜太阳能电池板。

可以设置三角形的电池板架作为第一太阳能电池板和第二太阳能电池板的安装基础，电池板架可以主要由两个连接成倒V形的侧框21组成，横杆25连接在两侧框底部，形成稳定的三角形结构，连接起来的构成，将两个太阳能电池板分别固定安装在两个侧框的表面，电池板的正面朝外，形成上仰的姿态。

两电池板（第一太阳能电池板和第二太阳能电池板）相对于竖线的倾斜角度可以相同，倾斜角度依据实际需要，例如，可以为45°（与竖线之间的夹角为45°）左右，亦可依据其他现有技术。

依据所用太阳能构件的不同，可以将太阳能发电系统分为两种，一种采用平板状电池构件，另一种采用倒V形电池构件。

两种发电系统均设有用于安装太阳能电池组件的支架以及用于安装支架的基座32，当不需要支架转动时（例如，对于一些简易的发电系统），可以不设基座或将支架固定安装在基座上（参见图4）。不设基座时，可以设置其他形式的安装结构以便安装固定在地面（或其他基础）上。

作为一种优选的实施例，支架与基座之间转动连接（例如，轴承连接），设置支架驱动机构进行支架转动的驱动。一种便于实施的方式将支架安装在带有驱动机构的转盘33上（转盘可以固定设置在基座上，或者以转盘作为/替代基座），以转盘的驱动机构驱动转盘（转盘的活动部分）转动，进而带动支架转动。

可以采用现有太阳能发电系统的逐日系统实现支架的逐日转动。

对于任一种发电系统，作为一种优选的实施方式，支架设有两个立柱31，分别位于太阳能电池组件（平板状电池构件或倒V形电池构件）的两侧，以利于电池构件的支承。

两立柱的上端和下端可以设置支架横杆连接，由此形成固定的框架结构，位于底部的支架横杆的中间设置用于连接基座或转盘等的竖向连接柱。

对于采用平板状电池构件的发电系统，电池构件两端设置转轴（横向轴伸）12，通过相应的轴承转动连接于两侧的立柱，其中一个轴伸横向穿过立柱，与安装在立柱上的减速电机36的输出轴通过联轴器轴连接或通过传动机构传动连接。当设有上下依次分布的多个太阳能电池组件时，可以用同一个减速电机通过适宜的传动机构带动各电池构件同步转动。可以采用现有太阳能发电系统的逐日系统控制或带动电池构件转动，可以设定切换电池构件的实际受光面的条件，通过逐日系统控制电池构件做相应的转动。

对于采用倒V形电池构件的发电系统，电池构件两端设置连杆，固定连接在两侧的立柱上。

对于任一种发电系统，电池构件的数量都可以是多个，上下分布。在相同受光面积的情形下，设置成多个电池构件所占用的空间明显小于仅设置一个电池构件的空间占用。

对于采用平板状电池构件的发电系统，相邻电池构件的间距应保证相互间不相互妨碍。通常，在电池构件竖立情形下，上下电池构件之间应有间隙。

对于采用倒V形电池构件的发电系统，相邻电池构件的间距29应保证上方的电池构件不遮挡下方电池构件的光照。由于电池构件的倒V形特点，上下电池构件之间应具有较大间距（竖向间距）。

本发明的发电系统可配套逐日系统使用，由配套的逐日系统控制支架转动（对于任一发电系统）及电池构件翻转（对于采用平板状电池构件的发电系统），逐日系统包括对太阳光照射方向的跟踪、对光照强度的测量以及依据设定的方式对各驱动结构的控制。逐日系统可采用任意适宜的现有技术。

支架转动及电池构件转动的控制方式可以依据现有技术，通过这两个自由度（对于平板状电池构件）或一个自由度（对于倒V形电池构件）的转动，使实际受光面更好地朝向太阳光方向。

对于平板状电池构件的实际受光面切换，可以通过该电池构架转动/翻转实现，对于倒V形电池板构件，可以通过支架绕竖向轴线转动180°实现。

为实现发电量的最大化，依据光照强度及其他需要考虑的气象条件（光伏相关参数），选择发电量较大的受光发电面作为实际受光面。基于光照强度中午高早晚低的特点，中午时分以第一受光发电面为实际受光面，早晚两头（工作时间内）以第二受光发电面为实际受光面，进而，一般而言，应上午和下午各切换一次实际受光面。

可以依据经验或累积实测数据确定适宜的切换时间，例如，依据季节/月份及当日阴晴状态和/或平均气温确定上下午的具体切换时间，可以依据日历确定季节/月份，从气象部门的天气预报系统获得每天的阴晴状况和/或平均气温。适宜时，可使软件系统自动获取季节/月份及阴晴状况和/或平均气温，自动计算确定切换时间并控制相应的驱动机构工作，进行太阳能电池组件实际受光面的切换。

也可以对光伏相关参数进行实时检测，以第一太阳能电池层和第二太阳能电池层发电能力（实际功率输出）相同时，作为切换时间。在切换时间，在上午，实际受光面由第二受光发电面切换为第一受光发电面，在下午，实际受光面由第一受光发电面切换为第二受光发电面。

如上午或下午多次出现第一太阳能电池层和第二太阳能电池层发电能力（例如，实际功率输出）相同的情形，可以仅在第一次出现时切换。

实时检测可以采用周期性采样方式。

为避免偶然因素/短时状况对切换时间确定的影响，可以以连续几次采样的平均值作为实测数据，每次采样后，以本次及之前数次的实测数据的平均值作为为本次的检测数据。

为简化计算方式，减少数据采集量和处理量，在一定时期内，可以仅以光照强度作为光伏相关参数计算切换时间,忽略其他参数对发电能力的影响，依据该时期内各太阳能电池层发电能力与光照强度之间的函数关系，在两者发电能力相同时，计算获得的是一个确定的光照强度数值，在检测的光照强度等于或与该数值相差无几时，进行实际受光面的切换。具体时期的划分应符合当地的实际情况，在该时期内，被忽略的参数对切换时间的影响应足够小，实践中可以被忽略。

本说明书所称太阳能电池层（第一太阳能电池层和第二太阳能电池层）是指太阳能电池组件/电池板中实现能量转换和发电功能的层状结构（包括相应层状结构所设置/配置的导电带和电极等结构），其自身可以为多层结构或单层结构。例如，基于CIGS材料的太阳能电池层（可称为CIGS薄膜太阳能电池层）可包括Mo背电极、CIGS吸收层、CdS缓冲层、i-ZnO和AZO窗口层及Ni-Al-Ni栅电极；基于AgSbS₂材料的太阳能电池层可包括透明导电电极ITO、CdS缓冲层、AgSbS₂吸收层和金属电极；基于单晶硅材料的太阳能电池层（可称为晶体硅太阳能电池层）主要为电池片层及相应的导电条带。选用的现有技术不同，具体构造也会有所不同。

本说明书所称前、后、左、右仅用于表述电池构件或发电系统各部分之间的相对位置关系，不构成对实际使用方位的限定。

本发明公开的各优选和可选的技术手段，除特别说明外及一个优选或可选技术手段为另一技术手段的进一步限定外，均可以任意组合，形成若干不同的技术方案。

Claims (10)

1.复合型可调式太阳能发电系统，设有太阳能电池组件，其特征在于太阳能电池组件设有第一受光发电面和第二受光发电面，第一受光发电面设有第一太阳能电池层，第二受光发电面设有第二太阳能电池层，第一太阳能电池层采用第一太阳能电池，第二太阳能电池层采用第二太阳能电池，第一太阳能电池为高光照强度及高温下发电效率较高的太阳能电池，第二太阳能电池为低光照强度及低温下发电效率较高的太阳能电池。

2.如权利要求1所述的复合型可调式太阳能发电系统，其特征在于第一太阳能电池为晶体硅太阳能电池，第二太阳能电池为薄膜太阳能电池。

3.如权利要求1所述的复合型可调式太阳能发电系统，其特征在于太阳能电池组件呈平板状，平板状的电阳能电池构件的两面分别为第一受光发电面和第二受光发电面；或者，太阳能电池组件呈倒V形，倒V形的电阳能构件的两个外侧面分别为第一受光发电面和第二受光发电面。

4.如权利要求3所述的复合型可调式太阳能发电系统，其特征在于倒V形的太阳能电池组件包括第一太阳能电池板和第二太阳能电池板，第一太阳能电池板和第二太阳能电池板分别安装在适形的电池板架的两侧，第一太阳能电池板和第二太阳能电池板均为受光发电面朝外的单面太阳能电池板，第一太阳能电池板和第二太阳能电池板的受光发电面分别构成所述的第一受光发电面和第二受光发电面。

5.如权利要求1-4中任一项所述的复合型可调式太阳能发电系统，其特征在于平板状的太阳能电池组件转动连接于支架，且设有带动其相对于支架转动的电池板转动驱动机构，平板状的太阳能电池组件与支架转动连接的转动轴线为水平线；倒V形的太阳能电池组件固定安装在支架上。

6.如权利要求5所述的复合型可调式太阳能发电系统，其特征在于所述支架转动连接于基座，且设有带动其相对于基座转动的支架转动驱动机构，支架与基座转动连接的转动轴线为竖线。

7.如权利要求6所述的复合型可调式太阳能发电系统，其特征在于支架与基座通过转盘连接。

8.如权利要求1-7中任一项复合型可调式太阳能发电系统的切换控制方法，用于控制第一受光发电面和第二受光发电面的切换，在第一太阳能电池层发电能力大于第二太阳能电池层发电能力的情形下，以第一受光发电面作为太阳能电池组件的实际受光面；在第二太阳能电池层发电能力大于第一太阳能电池层发电能力的情形下，以第二受光发电面作为太阳能电池组件的实际受光面。

9.如权利要求8所述的复合型可调式太阳能发电系统的切换控制方法，其特征在于获取第一太阳能电池层和第二太阳能电池层发电能力与光伏相关参数之间的函数关系，令两者的发电能力相等，当光伏相关参数为多个时，获得两者发电能力相等情形下各光伏相关参数的平衡函数关系，实时监测各光伏相关参数，在上午各光伏相关参数满足平衡函数关系时进行切换，将实际受光面由第二受光发电面切换为第一受光面，在下午各光伏相关参数满足平衡函数关系时进行切换，将实际受光面由第一受光发电面切换为第二受光面；当光伏相关参数为一个时，获得两者发电能力相等情形下单一光伏相关参数的平衡点值，实时监测单一光伏相关参数，在上午单一光伏相关参数达到平衡点值时进行切换，将实际受光面由第二受光发电面切换为第一受光面，在下午单一光伏相关参数达到平衡点值时进行切换，将实际受光面由第一受光发电面切换为第二受光面。

10.如权利要求8所述的复合型可调式太阳能发电系统的切换控制方法，其特征在于设定/确定一段时期内的上午切换时间和下午切换时间，在上午切换时间，将实际受光面由第二受光发电面切换为第一受光面，在下午切换时间将实际受光面由第一受光发电面切换为第二受光面。

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