CN1533019A - 电路布置、辅助模块和太阳能设备系统 - Google Patents

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Abstract

对于利用由至少一个太阳能发电机(2)产生的直流电的电路布置(1)，其中该电路布置(1)包含一个电储能器(3)特别是一个电容器和连接在储能器(3)后面的逆变器电路(4)或一个耗电设备(6)，应当提供一个低成本解决方案，利用该方案具有电位分离的商业上常见的逆变器或耗电设备(6)也能够在改善效率的情况下用于薄膜太阳能电池。这是由此实现的，即在储能器(3)前面连接一个开关元件(9)，其中这样设计该电路布置(1)，在超过太阳能发电机的限定的第一发电机电压(U1)时打开开关元件，且在不超过第一发电机电压或与第一发电机电压相比较低的第二发电机电压(U2)时接通该开关元件(9)，以提高对于逆变器电路(4)或耗电设备(6)的可能的输入电压范围。

Description

电路布置、辅助模块和太阳能设备系统
技术领域
本发明涉及用于把由至少一个太阳能发电机产生的直流电压转换为交流电压的电路布置，其中该电路布置包含一个电储能器特别是一个电容器、和连接在储能器后面的逆变器(Wechselrichter)电路。
本发明也涉及一个在一个耗电设备或电气线路中使用由至少一个太阳能发电机产生的直流电压的电路布置，其中该电路布置包含一个电储能器、特别是一个电容器、和连接在储能器后面的耗电设备或者电路。
此外本发明涉及按照权利要求8的辅助模块以及按照权利要求9或者10的太阳能设备系统。
背景技术
用于产生电能的太阳能设备主要包括一个太阳能发电机和一个逆变器。
可以应用由结晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池即所谓的薄膜太阳能电池制成的太阳能发电机。太阳能电池组合为光电模块。上述第一种电池有较好的效率，而薄膜太阳能电池提供显著的成本优点。
已知仅可用于结晶硅太阳能电池的逆变器。这种逆变器不适合于薄膜太阳能电池。薄膜太阳能电池具有相对较高的空载电压即其具有在-10℃的空载电压与额定电压(在+70°时的Vmpp)例如2.6∶1的电压比(例如BP-Solar的MST-43LV)。与此相比在结晶硅太阳能电池的情况下该比值例如仅为1.8∶1(例如BP-Solar的BP585)。该逆变器有利地设计成具有电位分离的串逆变器(Stringwechselrichter)，即其设有一个变压器。这样的具有一个带有低频变压器的全桥电路的逆变器的设计方案对于薄膜电池是特别不利的，因为逆变器的效率下降。这样的原因是因为该逆变器的效率依赖于工作点的输入电压(Vmpp)。但薄膜电池的最佳工作点随着电池的老化情况和温度变化很大。逆变器或直接连接的(直流电压)耗电设备因此必须工作在较宽的工作范围，这使得无法做到使效率的最优化。
对于薄膜太阳能电池仅已知无变压器的串逆变器，这种串逆变器具有一个有电源电位的带有一个前面连接的升压变流器的全桥且在所述的工作条件下有一个可接受的效率。
发明内容
本发明的目的是，提供一个低成本的解决方案，利用该解决方案在改善效率的情况下具有电位分离的商业上常见的逆变器，或耗电设备或电路也能够应用于薄膜电池。
这样来实现该目的，即在储能器特别是电容器之前连接一个开关元件，其中这样设计该电路布置，即在超过太阳能发电机的限定的第一发电机电压时打开该开关元件，且在未超过第一发电机电压或一个与第一发电机电压相比较低的第二发电机电压时接通该开关元件，以提高了对于逆变器电路的可能电压范围。
所述目的还通过权利要求11的特征来实现。通过有效提高电压范围可以在应用薄膜太阳能电池的情况下使用商业上常见的逆变器，例如SunnyBoy系列700、1100E、2500或3000，而不会显著地降低效率。一方面，如果出现高的空载电压，即如果在逆变器上没有连接负载或连接非常低的负载，则开关元件保护逆变器。在空载情况下连接的光电模块实际上与逆变器脱离连接。另一方面由于在接通状态下开关元件非常低的损耗功率，特别是在应用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的情况下，对效率实际上没有负面影响。逆变器的效率仅仅下降例如0.05％，这实际是可以忽略的。特别是这样设计所述电路布置，以实现薄膜太阳能电池的特性曲线向具有晶体太阳能电池的太阳能电池特性曲线的特征曲线匹配。
对于后面连接的逆变器来说，发电机由于低的电池温度产生的相对高的空载电压也不重要。
在本发明的一个有利的改进中设想，通过开关元件限定的电压范围小于或等于由逆变器的生产商给出的允许的逆变器电路的输入电压范围。此时完全充分利用逆变器的电压范围。此时效率是最佳的。
如果存在用于检测逆变器电路的输入电压的第一装置，该装置这样连接，即其在超过阈值电压的情况下使开关元件打开，则能够以有利的方式直接监控逆变器电容(储能器)的电容器电压，其中在接通开关元件的情况下该电压大约等于发电机电压。
由于存在一个适当的用于检测在开关元件上存在的电压的装置，这样连接该装置，即该装置在不超过确定的电压值时使开关元件接通，因此开关元件的正向功率损耗保持较低，并且能够使用具有较低耐压强度(Spannungsfestigkeit)的开关元件以及在放电了的电容器特别是电解电容器的情况下存在接通保护。这样在放电的电容器特别是电解电容器的情况下针对过高的截止电压/反向电压(Sperrspannung)对所述开关元件进行保护。
如果使用一个设有用于至少一个太阳能发电机的输入侧的电连接端和一个用于逆变器模块的输出侧的电连接端的辅助模块，其中所述开关元件安装在辅助模块中且储能器安装在逆变器模块中，则是特别有利的。所述辅助模块不仅可以设计成外部模块而且也可以设计成内部模块，其中在内部模块的情况下所有连接端优选实施成插接连接，而在外部模块的情况下优选采用(钎)焊接连接，所述焊接连接通过布置在逆变器中的连接线与逆变器的插接点、特别是现存的插孔连接。对于不同的太阳能发电机或者说对于不同的发电机特性曲线该措施允许快速并且简单地改装(Umrüstung)商业上常见的逆变器。
代替逆变器可以连接一个耗电设备或另外一个电路。
其它的优点在从属权利要求中说明。
附图的简要说明
其中：
图1示出具有辅助电路的根据本发明的电路布置，
图2示出逆变器电容器的充电和放电过程，
图3示出具有或没有辅助电路的太阳能发电机的特性曲线比较。
具体实施形式
图1示出了根据本发明的电路布置1的一个优选实施例。
该电路布置1用于把由薄膜太阳能电池发电机或者光电模块2(PV模块)产生的直流电压变换为例如50Hz的交流电压。该电路布置1包含一个电储能器特别是一个电容器3，优选是电解电容器；和一个连接在电容器3后面的具有一个低频变压器5的逆变器电路4。电容器3、逆变器电路4和变压器5安装在一个商业上常见的具有电位分离的本身设计成用于晶体太阳能电池的逆变器模块6中。
在逆变器模块6的发电机输入端7和PV模块2之间存在一个用于使PV模块2的薄膜太阳能电池特性曲线(参见图3中的Kdf)向具有晶体太阳能电池的发电机特性曲线(参见图3中的Kkr)靠近的辅助电路或者辅助模块8，对于所述发电机特性曲线逆变器模块6具有最佳的效率。在图3中以P表示最大功率的工作点，其中对于薄膜电池和晶体电池(Kdf、Kkr)该工作点选择为相同的。
根据本发明，在电容器3之前连接一个开关元件9，优选是MOSFET晶体管。这样设计该电路布置1，以在超过PV模块2(太阳能发电机)的限定的第一发电机电压U1(图2)的情况下打开晶体管9，即变为高阻，且在不超过第一发电机电压U1或者一较小的第二发电机电压U2的情况下接通开关9，如根据下面的时序脉冲T所示的那样。正如图3所示，由此在自动的特性曲线匹配时提高了对于逆变器电路4的可能的电压范围，其中Kdf是没有辅助电路的特性曲线，Kx是有辅助电路的特性曲线。特性曲线Kx在上面的电压范围内大致对应于晶体电池的特性曲线Kkr。
因此本发明的核心在于，直接在接通发电机之后通过由与充电的电容器连接的所述晶体管(完成)的多个开关循环将所述发电机的电压高降低到一个所述逆变器可承受的电压(高)上。
在图2(上面的信号)示出了电容器3上的电压变化过程。在PV模块2的空载电压过高的情况下，即在高太阳辐射且断开逆变器模块6的输出端11上的负载或者该负载较低并且特别是较冷的电池状态的情况下，断开晶体管9(参见时刻t1)，其中电容3在此前已(至少部分地)充电。电容器3由于逆变器的固有损耗和/或由于连接了没有示出的耗电设备(负载)而放电，正如下降的倾斜部所示的那样。按照双点调节的原理，如果电容器电压不超过下面的值U2，则电容器3再次充电，正如根据上升的倾斜部看出的那样。基本上由逆变器的固有电容和PV模块2的功率确定得出的脉冲频率。
但如果连接了足够的负载，则根据太阳能电池特性曲线(参见图3)发电机电压自动下降到开关阈值U1之下，这样晶体管9在这种情况下持续地保持接通，也就是说其连接PV模块2。
优选地直接在电容器3上测量发电机电压。特别存在用于检测逆变器电路4的输入电压的第一装置12，特别是一个测量电路。该装置这样连接，(优选是并联于电容3)，以使该装置在超过阈值电压U1的情况下使晶体管9打开。在不超过电压U2的情况下该装置使晶体管9接通。
这意味着，对于从运行开始直到持续运行的第一时间，PV模块过高的例如750伏的空载电压被限制在对于逆变器有益的例如600伏的值上，其中在接通晶体管9的情况下将电容器3充电到600伏。在持续运行中特性曲线(图3)中的工作点发生偏移，即发电机电压变小(在600伏以下)，这样晶体管9可以保持接通。
由于(存在)晶体管9，PV模块2的实际电压范围小于或等于允许的、生产者规定的逆变器电路的输入电压范围(例如0至600伏)或者说小于/等于电容器3的允许电压值。根据太阳能电池特性曲线Kdf的空载电压在此大于逆变器模块6的允许输入电压。如果没有辅助电路的情况下或者没有辅助模块8，例如0至750伏的范围对于逆变器模块6是不允许这样高的。因为例如750V的过电压仅仅出现在空载中，因此得出的脉冲频率(参见图2)并因此晶体管9的开关损耗可以保持较小。
如果在发电机的空载电压(Voc，open circuit，也就是说在开路情况下)与最佳工作电压的电压比为大约2.2∶1到大约3∶1，优选为2.6∶1的情况下，这个对于逆变器电压决定性的电压比降低到大约1.5∶1到大约2.0∶1，特别是约1.8∶1，则得到电路的有利的设置(Bemessung)。可作为具有电位分离的商业上常见的模块得到具有1.8∶1比例的逆变器，其中在持续工作中的薄膜太阳能电池具有2.6∶1的通常比例。
为了在空载情况下在打开的即高阻的晶体管9(打开开关)时，没有以过高的截止电压对该晶体管加载或者可以使用具有较小电阻(RDS(on))并因此也具有较低耐压强度(例如200伏)的晶体管类型，有利地监控晶体管9的截止电压是优选的。为此存在用于检测在晶体管9上存在的电压的第二装置13，特别是一个测量电路。该装置这样连接，即在超过一确定的电压值-优选是由晶体管9的耐压强度限定的值加上一个安全裕度-的情况下，该装置使晶体管9接通，即导致导通状态和/或确保保持晶体管9接通，即低阻(状态)。装置13因此在放电了的电容器3的情况下促使形成接通保护。
例如如果在截止状态在晶体管9上存在150伏的电压，则晶体管9接通，即变为低阻，其中晶体管的允许的截止电压为200伏(150伏加上50伏安全裕度)，由此针对不允许的截止电压值对该晶体管进行保护。
如果在开始运行时电容器3是空载的，则尽管由于高的充电电流也不会达到超过600伏的空载电压，这样(由于装置13(形成的)接通的晶体管9的)接通保护可以起作用。如果电容器3充电到600伏的值，在空载时空载电压保护(装置12)起作用并且根据图12给晶体管9提供时序信号或者脉冲。装置12和13直接控制晶体管9。
晶体管9虽然是以串联形式连接，但通过例如一个保护二极管或其它布置形式例如应用降压变流器短接PV模块原则是可能的并且是同样效果的实施形式。
如图1所示，当辅助模块8具有用于PV模块2的输入侧的电连接端14和用于逆变器模块6的输出侧的电连接端15，其中辅助模块8具有插接和/或焊接连接14、15并且实施为内部或外部的附加模块8，则是特别有利的。
开关元件9原则上可以是任意的半导体开关。
代替逆变器可以连接一个耗电设备或一个其它的电路、例如直流电压逆变器。此时同样可以实现空载电压的降低或者效率的优化。对此可以类似地应用所述的措施。

Claims (11)

1.用于把由至少一个太阳能发电机(2)产生的直流电压转换为交流电压的电路布置(1)，其中该电路布置(1)包含一个电储能器(3)特别是一个电容器和一个连接在储能器(3)后面的逆变器电路(4)，其特征在于，在所述储能器(3)前面连接一个开关元件(9)，其中这样设计该电路布置(1)，即在超过太阳能发电机的一个限定的第一发电机电压(U1)时打开该开关元件，且在不超过第一发电机电压或一个与第一发电机电压相比较低的第二发电机电压(U2)时接通该开关元件，以提高对于逆变器电路(4)的可能的输入电压范围。
2.按照权利要求1的电路布置，其特征在于，通过所述开关元件(9)限定的电压范围小于或等于逆变器电路(4)允许的输入电压范围。
3.按照权利要求1或2的电路布置，其特征在于，这样给开关元件(9)提供时序，即在发电机的空载电压与额定工作电压之间的电压比为大约2.2∶1直到大约3∶1、特别是2.8∶1时，对于逆变器电路(4)有决定性影响的这个电压比下降到大约1.5∶1到大约2.0∶1、特别是约为1.8∶1。
4.按照上述权利要求之一的电路布置，其特征在于，存在用于检测逆变器电路(4)的输入电压的装置(12)，所述装置这样连接，即在超过一个阈值电压(U1)时所述装置使开关元件(9)打开。
5.按照上述权利要求之一的电路布置，其特征在于，存在用于检测在开关元件(9)上存在的电压的装置(13)，所述装置这样连接，即在不超过一个确定的电压值，优选是一个由开关元件(9)限定的值加上优选为大约25％的安全裕度的值时所述装置使开关元件(9)接通。
6.按照上述权利要求之一的电路布置，其特征在于，所述开关元件(9)串联连接在逆变器电路(4)的前面。
7.按照上述权利要求之一的电路布置，其特征在于，开关元件(9)是一MOSFET晶体管。
8.用于实现按照上述权利要求之一的电路布置(1)的辅助模块(8)，具有至少一个用于至少一个太阳能发电机(2)的输入侧的电连接端(14)和至少一个用于一逆变器模块(6)的输出侧的电连接端(15)，其中开关元件(9)安装在辅助模块(8)中，储能器(3)安装在逆变器模块(6)中。
9.具有一个按照权利要求1至7之一的电路布置和至少一个薄膜光电发电机模块(2)的太阳能设备系统。
10.按照权利要求9的太阳能设备系统，其特征在于，具有一个按照权利要求8的辅助模块，其中特别是在电气上针对于晶体光电发电机为逆变器模块(6)确定参数并且将其设计为具有一个用于电位分离的变压器的串逆变器。
11.用于使用由至少一个太阳能发电机(2)产生的直流电压的电路布置(1)，其中该电路布置(1)包含一个电储能器(3)特别是一个电容器和一个连接在储能器(3)后面的耗电设备(6)或电子电路，其特征在于，在储能器(3)的前面连接一个开关元件(9)，其中这样设计该电路布置(1)，即在超过太阳能发电机的一个限定的第一发电机电压(U1)时打开该开关元件，且在不超过第一发电机电压或一个与第一发电机电压相比较低的第二发电机电压(U2)时接通该开关元件，以提高对于耗电设备(4)的可能的输入电压范围。
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