CN202444443U - 一种适用于太阳能发电装置的能量优化装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种适用于太阳能发电装置的能量优化装置，包括太阳能电池板、DC/DC变换器，所述DC/DC变换器的输入端电连接在太阳能电池板上，其输出端的阳极输出给负载或逆变器，其阴极串联在太阳能电池板的阳极上，所述DC/DC变换器和太阳能电池板形成串联电路为负载或逆变器提供电源。并将上述能量优化装置进行串联或并联使用组成实际应用的几种优化装置，变换器和太阳能电池板电池板串联在一起共同为负载或逆变器提供电源，因DC/DC变换器只处理了太阳能电池板输出的小部分能量，而输出的大部分能量直接传递到了负载，从而能量损失极小；达到降低能量损失的目的。

Description

一种适用于太阳能发电装置的能量优化装置
技术领域
本实用新型涉及太阳能发电领域，具体地，涉及适用于太阳能发电装置的能量优化装置。 
背景技术
近几年中，以风能和太阳能为主的可再生能源发电系统在世界范围得到越来越多的应用。对于太阳能并网发电系统来说，除了目前占主流的集中式大功率太阳能电站外，分布式太阳能并网发电系统由于其能优化太阳能电池板的工作状态，在多数情况下可以提高系统的年发电量。分布式发电最重要的一个特征是每块太阳能电池板或者每串太阳能电池板能够工作在其各自最大功率点。目前，以太阳能微逆变器和太阳能最大功率优化器为代表的产品能够优化每块太阳能电池板的输出；以串型逆变器（string inverter）和多串型逆变器（multi-string inverter）为代表的产品能够优化每一串太阳能电池板的功率输出。现有的这些方案的一个显著特征是太阳能电池板通过一个DC/DC变换器工作在最大功率点，太阳能电池板输出的所有功率需要经过该DC/DC变换器，然后再送给负载。显然，该DC/DC变换器的功率等级需要与之连接的太阳能电池板匹配且由于太阳能电池板输出的所有能量都要经过该变换器处理，这其中产生较大的能量损失难以避免。 
因为分布式太阳能发电比集中式发电系统更高效，适用于在复杂地理环境中工作，比如屋顶发电系统。由于房屋周围的树木等有可能造成发电系统中的某些太阳能电池板容易受到遮挡，抑或为了避免遮挡，某些太阳能电池板的安装位置会有所不同。在这种情况下，分布式太阳能发电系统由于能够对每块太阳能电池板或者每串太阳能电池板的工作状态进行优化，在实际中能够发出更多的电力。 
除了太阳能微逆变器以外，目前主要的分布式太阳能发电技术方案有两种：太阳能最大功率优化器和串型/多串型太阳能逆变器。如图1所示为带有太阳能最大功率优化器的发电系统结构图。每块太阳能电池板各自带有一个基于DC/DC变换器的最大功率优化器。该DC/DC变换器通过调节自身的运行状态，比如，调节变换器内部功率开关的占空比，使得太阳能电池板的输出功率保证在最大功率点。同时，从图一可以看出，太阳能电池板产生的能量需要全部通过该DC/DC变换器处理。DC/DC变换器的输出端以串联的形式连接在一起，从而得到一个较高的串联输出电压，可以直接接负载或者连接后级的逆变器，最终把能量输送到电网。如图二所示为串型和多串型太阳能逆变器系统框图。这两种逆变器的基本特点是每串太阳能电池板通过一个DC/DC变换器，实现最大功率输出；输出的全部能量需要经过该DC/DC变换器处理。一个或多个DC/DC变换器的输出可以并联，然后接负载或者接后级的逆变器，最终把能量输送到电网。 
综上所述，在实现本实用新型的过程中，实用新型人发现现有技术中至少存在的缺陷为：因为DC/DC变换器对太阳能电池板输出的全部能量进行变换，且变换效率不可能为100%，因此不可避免的会造成较大能量的损失。 
实用新型内容
本实用新型的目的在于，针对上述问题，提出一种适用于太阳能发电装置的能量优化装置，以实现降低能量损失的优点。 
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是： 
一种适用于太阳能发电装置的能量优化装置，包括太阳能电池板、DC/DC变换器，所述DC/DC变换器的输入端电连接在太阳能电池板上，其输出端的阳极输出给负载或逆变器，其阴极串联在太阳能电池板的阳极上，所述DC/DC变换器和太阳能电池板形成串联电路为负载或逆变器提供电源。
根据本实用新型的优选实施例，其中装置中还设置有通信监控终端，所述通信监控终端和DC/DC变换器建立双向通信。 
另一种适用于太阳能发电装置的能量优化装置，包括N个太阳能电池板和N个DC/DC变换器，所述每个太阳能电池板单独与每个DC/DC变换器串联在一起；N个太阳能电池板和DC/DC变换器串联的电路并联在一起，组成电源电路为负载或逆变器提供电源。 
根据本实用新型的优选实施例，装置中还设置有通信监控终端，所述通信监控终端和N个DC/DC变换器之间建立双向通信。所述N大于等于2。 
再一种适用于太阳能发电装置的能量优化装置，包括N个太阳能电池板和M个DC/DC变换器，所述每N/M个太阳能电池板上串联一个DC/DC变换器；M个由太阳能电池板和DC/DC变换器串联的电路并联在一起，组成电源电路为负载或逆变器提供电源。 
根据本实用新型的优选实施例，所述N大于M，并且所述M大于等于2。 
另一种适用于太阳能发电装置的能量优化装置，包括L个太阳能电池板和L个DC/DC变换器，所述每个太阳能电池板单独与每个DC/DC变换器串联在一起；L个太阳能电池板和DC/DC变换器串联的电路串联在一起，组成电源电路为负载或逆变器提供电源。 
根据本实用新型的优选实施例，装置中还设置有通信监控终端，所述通信监控终端和L个DC/DC变换器之间建立双向通信。所述L大于等于2。 
本实用新型的技术方案通过把DC/DC变换器和太阳能电池板电池板串联在一起共同为负载或逆变器提供电源，因DC/DC变换器只处理了太阳能电池板输出的小部分能量，而输出的大部分能量直接传递到了负载，从而能量损失极小；用来实现最大功率输出控制的DC/DC变换器的功率等级也可以远小于太阳能电池板的输出功率，从而减小了变换器的尺寸，体积和制造成本。 
本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。 
下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。 
附图说明
附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中： 
图1为现有的太阳能发电装置的能量优化装置的系统框图；
图2为现有的串联多个太阳能电池板的太阳能发电装置的能量优化装置的系统框图；
图3为本实用新型实施例一所述的太阳能发电装置的能量优化装置的结构框图；
图4为本实用新型实施例二所述的太阳能发电装置的能量优化装置的结构框图；
图5为本实用新型实施例三所述的太阳能发电装置的能量优化装置的结构框图；
图6为本实用新型实施例四所述的太阳能发电装置的能量优化装置的结构框图；
图7为本实用新型实施例五所述的太阳能发电装置的能量优化装置具体应用的结构框图；
图8为本实用新型实施例六所述的太阳能发电装置的能量优化装置具体应用的结构框图；
图9为本实用新型实施例七所述的太阳能发电装置的能量优化装置具体应用的结构框图；
图10为本实用新型实施例八所述的太阳能发电装置的能量优化装置的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。 
实施例一： 
如图3所示，一种适用于太阳能发电装置的能量优化装置，包括太阳能电池板、DC/DC变换器， DC/DC变换器的输入端连接在太阳能电池板上，其输出端的阳极输出给负载或逆变器，其阴极串联在太阳能电池板的阳极上， DC/DC变换器和太阳能电池板形成串联电路为负载或逆变器提供电源。另外装置中还设置有通信监控终端，通信监控终端和DC/DC变换器建立双向通信。DC/DC变换器的输入仍然为太阳能电池板；但是它的输出没有直接接负载或逆变器，而是与太阳能电池板的输出电压串联相加，共同为负载供电。假设太阳能电池板的电压为VPV，DC/DC变换器的输出电压为VDC/DC，负载或逆变器端的电压为VOUT，那么以下关系式（1）成立：                                                              
Figure 2012200246686100002DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE001
        (1)        ，                                                 
假设流进负载或逆变器的直流电流为IOUT，且系统中能量的转换传输效率为100%，那么以下关于发电系统的功率表达式成立：                                                                     
Figure 2012200246686100002DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE002
        （2） ，                                                 
对于该DC/DC变换器，它处理的功率为：                                                                 
Figure 2012200246686100002DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE003
        （3）  。                                                        
所以，该DC/DC变换器处理的功率与其输出的电压有关：其输出的电压越低，处理的功率越小。对于分布式发电场合，其输出电压一般只占VOUT电压的小部分。由于其只处理了一小部分功率，从根本上降低了能量转换过程中的损耗。所以，该DC/DC变换器的功率等级可以设计的比发电系统的功率等级小很多，它的尺寸，重量以及制造成本都得到极大的降低。图3中所示的该DC/DC变换器可以为任意的DC/DC变换器，唯一需要满足的要求是该DC/DC变换器允许其输出的（-）端与输入的（+）端相连，也就是允许该变换器的输出与太阳能电池板的输出串联，共同为负载或后级逆变器供电。
实施例二：
图4为基于图3所示结构的一个扩展。多个图3所示的太阳能电池板和DC/DC变换器单元可以并联，然后给负载或逆变器供电。
一种适用于太阳能发电装置的能量优化装置，包括N个太阳能电池板和N个DC/DC变换器，每个太阳能电池板单独与每个DC/DC变换器串联在一起；N个太阳能电池板和DC/DC变换器串联的电路并联在一起，组成电源电路为负载或逆变器提供电源。 
其中，装置中还设置有通信监控终端，所述通信监控终端和N个DC/DC变换器之间建立双向通信。所述N大于等于2。 
实施例三：
如图5所示，一种适用于太阳能发电装置的能量优化装置，包括N个太阳能电池板和M个DC/DC变换器，每N/M个太阳能电池板上串联一个DC/DC变换器；M个由太阳能电池板和DC/DC变换器串联的电路并联在一起，组成电源电路为负载或逆变器提供电源。其中，N大于M，并且所述M大于等于2。另外装置中还设置有通信监控终端，所述通信监控终端和N个DC/DC变换器之间建立双向通信。
图5给出了本实用新型提出的分布式太阳能发电系统的另外一种结构。与图3结构相比，不同之处在于发电装置中多块太阳能电池板串联之后与DC/DC变换器连接。图5的结构适用于功率较大场合，也就是目前串型和多串型分布式发电系统的应用场合。多串太阳能电池板与各自的DC/DC变换器的输出串联后，再并联在一起，共同为负载或后级的逆变器供电。每串太阳能电池板的电压可以与其他串的电压不同，每个DC/DC变换器的输出电压以及处理的功率也可以不同。在实际当中，每串太阳能电池板的电压和DC/DC变换器工作状态受到各自的最大功率跟踪器的控制，保证每串的太阳能电池板输出在最大功率。对于该结构，以下电压关系式成立：                                       
Figure 2012200246686100002DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE004
    （4）  。                          
实施例四：
如图6所示，一种适用于太阳能发电装置的能量优化装置，包括L个太阳能电池板和L个DC/DC变换器，每个太阳能电池板单独与每个DC/DC变换器串联在一起；L个太阳能电池板和DC/DC变换器串联的电路串联在一起，组成电源电路为负载或逆变器提供电源。
其中，装置中还设置有通信监控终端，通信监控终端和L个DC/DC变换器之间建立双向通信。所述L大于等于2。 
图6所示为本实用新型提出的第3种分布式太阳能发电结构框图，在图6中，每一个太阳能电池板都带有一个独立的DC/DC变换器，该太阳能电池板的输出仍然与该DC/DC变换器的输出串联。每一个太阳能电池板和它的DC/DC变换器可以看做一个发电单元，其输出电压为VOUT1。多个这样的发电单元在图6中串联，然后连接到负载或后级的逆变器。在该结构中，每个发电单元的太阳能电池板输出电压和功率可能各不相同；每个发电单元中的DC/DC变换器都带有自己的最大功率跟踪控制器，控制该DC/DC变换器的工作状态，从而调节这个单元中太阳能电池板的输出电压和功率，最终使得太阳能电池板的输出功率最大。对于该结构，以下电压关系式成立：                                                                       
Figure 2012200246686100002DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE005
          （5）                                     
实施例五：
图7为基于图6的一个扩展：多串图6所示的发电结构并联后，共同给负载或后级的逆变器供电。图7为基于本专利提出的这几种结构框图的一个概括框图。本专利提出的各种结构可以在一个系统中混合使用，同时存在。而且后级的DC/AC逆变器也可以相互之间并联，共同为电网供电。
实施例六：
如图8所示，将图3至图7所示的各种结构串联或/和并联在一起，组成混合电源，为负载或逆变器提供电源。
实施例七：
如图9所示，在系统中加入一个监控终端，采集并监测分布式发电系统中每个发电单位的运行情况，实时记录系统的发电量并在系统出现故障的情况下，快速定位故障单元。系统中每个结构单元的发电量以及工作状态数据可以通过有线数据通信或者无线数据通信传输到监控终端。
实施例八：
如图10所示，在图3的基础上在DC/DC变换器和太阳能电池板形成串联电路后面加设一个DC/DC变换器为负载或逆变器提供电源。
最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种适用于太阳能发电装置的能量优化装置，包括太阳能电池板、DC/DC变换器，其特征在于，所述DC/DC变换器的输入端电连接在太阳能电池板上，其输出端的阳极输出给负载或逆变器，其阴极串联在太阳能电池板的阳极上，所述DC/DC变换器和太阳能电池板形成串联电路为负载或逆变器提供电源。
2.根据权利要求1所述的适用于太阳能发电装置的能量优化装置，其特征在于，装置中还设置有通信监控终端，所述通信监控终端和DC/DC变换器建立双向通信。
3.一种适用于太阳能发电装置的能量优化装置，其特征在于，包括N个太阳能电池板和N个DC/DC变换器，所述每个太阳能电池板单独与每个DC/DC变换器串联在一起；N个太阳能电池板和DC/DC变换器串联的电路并联在一起，组成电源电路为负载或逆变器提供电源。
4.根据权利要求3所述的适用于太阳能发电装置的能量优化装置，其特征在于，装置中还设置有通信监控终端，所述通信监控终端和N个DC/DC变换器之间建立双向通信。
5.根据权利要求3或4所述的适用于太阳能发电装置的能量优化装置，其特征在于，所述N大于等于2。
6.一种适用于太阳能发电装置的能量优化装置，其特征在于，包括N个太阳能电池板和M个DC/DC变换器，所述每N/M个太阳能电池板上串联一个DC/DC变换器；M个由太阳能电池板和DC/DC变换器串联的电路并联在一起，组成电源电路为负载或逆变器提供电源。
7.根据权利要求6所述的适用于太阳能发电装置的能量优化装置，其特征在于，所述N大于M，并且所述M大于等于2。
8.一种适用于太阳能发电装置的能量优化装置，其特征在于，包括L个太阳能电池板和L个DC/DC变换器，所述每个太阳能电池板单独与每个DC/DC变换器串联在一起；L个太阳能电池板和DC/DC变换器串联的电路串联在一起，组成电源电路为负载或逆变器提供电源。
9.根据权利要求8所述的适用于太阳能发电装置的能量优化装置，其特征在于，装置中还设置有通信监控终端，所述通信监控终端和L个DC/DC变换器之间建立双向通信。
10.根据权利要求8或9所述的适用于太阳能发电装置的能量优化装置，其特征在于，所述L大于等于2。
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