CN205428966U - 一种基于太阳能电池并联连接的聚光光伏模组 - Google Patents

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成纯富
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Abstract

本实用新型属于聚光光伏系统领域，具体涉及到一种基于太阳能电池并联连接的聚光光伏模组。包括菲涅尔透镜和多个三结聚光太阳能电池，多个三结聚光太阳能电池并联连接，每个三结聚光太阳能电池均由GaInP、GaInAs和Ge三个子电池串联而成。三结聚光太阳能电池的数目基于热失控现象的阈值条件确定。本实用新型有效避免因热失控现象产生的发电效率损耗，令模组发电效率最大化。

Description

一种基于太阳能电池并联连接的聚光光伏模组
技术领域
本实用新型属于聚光光伏系统领域，具体涉及到一种基于太阳能电池并联连接的聚光光伏模组。
背景技术
近年来拥有高效率、低成本的聚光光伏技术得到广泛应用，特别是针对分布式发电应用的场合，聚光光伏技术更是体现出无与伦比的优势。一个聚光光伏模组中含有多个太阳能电池，对于电池间的电气连接可以采用串联连接和并联连接。如果太阳能电池采用串联连接，则无需考虑不同太阳能电池工作电压间的差异，但是必须保证模组中各个太阳能电池输出电流匹配，否则将增加模组功率损耗、模组发电效率降低；如果太阳能电池采用并联连接，则无需考虑不同太阳能电池间输出电流的差异，但必须保证模组中各个太阳能电池输出电压匹配，否则将增加模组功率损耗、模组发电效率降低。
若聚光光伏模组内部的太阳能电池之间采用并联连接且该模组工作于太阳能电池开路电压附近，当电池间的输出电压不匹配时，输出电压高的太阳能电池会向输出电压低的太阳能电池注入电流。在实际过程中，某些太阳能电池对应的聚光单元可能被其它物体（鸟屎、树叶等）遮挡，此时被遮挡单元对应的电池表面所受光照会减弱或完全无光照（对应聚光单元被完全遮挡时），其输出电压和输出电流会明显小于其它并联的太阳能电池，由于所有并联太阳能电池的工作电压必须一致，因此来自未受遮挡太阳能电池的电流会注入到被遮挡电池中去。由于注入的电流会使得被遮挡电池的温度升高，降低电池材料的禁带宽度，使其与未遮挡电池之间的输出电压差进一步加剧，从而导致注入到被遮挡电池中的电流进一步增加。如此反复，最终可能导致被遮挡电池的温度急剧上升，即出现太阳能电池的热失控现象，导致电池损毁。
为了防止并联连接的太阳能电池被注入电流，一般在每条并联支路中都串接一个二极管。但这个二极管的引入会导致额外的功率损耗，同时也会增加聚光光伏模组的成本。基于该原因，我们不考虑保护二极管的使用。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题就在于提供一种基于太阳能电池并联连接的聚光光伏模组。该聚光光伏模组根据热失控现象的产生机理及阈值条件，有效防止太阳能电池热失控的发生，优化了模组的性能。
本实用新型的聚光光伏模组，包括菲涅尔透镜和多个三结聚光太阳能电池，
多个三结聚光太阳能电池并联连接，每个三结聚光太阳能电池均由GaInP、GaInAs和Ge三个子电池串联而成。
每个子电池等同于一个PN结、两个二极管和一个等效串联电阻组成。
三结聚光太阳能电池的数目基于热失控现象的阈值条件确定。
具体地，基于热失控的阈值条件来确定并联连接的太阳能电池数目N，过程如下：
（1）设定在A倍的聚光倍数下，聚光光伏模组由N个太阳能电池并联连接，其中一个被遮挡电池，N-1个未受遮挡电池，设定初值N，即令N=No；
（2）给每个太阳能电池配备实际模组中相同的散热单元，并对被遮挡的电池外接一个电源。当设置不同电流值时，通过温度传感器得出对应温度，拟合两者的函数关系；
（3)在某一温度下测出子电池的外量子效率（EQE)和带隙能量的温度相关特性，从而拟合求出不同温度下的各子电池的外量子效率的数据；
（4）本专利中入射到聚光太阳能电池表面的数据采用AM1.5DASTMG173-03标准太阳能光谱；
（5）根据聚光光伏系统的中GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池模型中的相关参数和（3）（4）拟合出在某温度下聚光光伏模组和被遮挡电池的I-V特性曲线，从而可以求得模组开路电压，令各太阳能电池的工作电压Vj=Voc(Tj),并且利用电压和被遮挡的电池的I-V特性曲线求出注入到被遮挡电池的电流值；
（6）利用注入电流和温度的关系算出此时的温度Tj+1,并且比较Tj+1与Tj之间的差值。如果差值达到20K以上，说明温度急剧上升，此时的N值是在聚光倍数为A的情况下可以并联电池数最多的值；若温度差值很小，则令N=N0+1，代入步骤（2）开始计算，直到温度差值达到20K时为止；
（7）根据透镜的的焦距、直径和聚光效率综合考虑选择适宜的焦径比，其中焦距的长短决定了CPV模组的箱体厚度；而聚光倍数和光伏电池的大小共同决定透镜的直径，同时并联电池数应便于模组的设计，综合考虑上述因素从满足阈值条件的点中选取合适的点作为模组的设计方案。
根据上述方法，基于热失控现象的阈值条件确定了聚光光伏模组能够并联连接的最大电池数，本实用新型的聚光光伏模组能够有效避免因热失控现象产生的发电效率损耗，令模组发电效率最大化。
本实用新型具有下列优点和积极效果：
①基于太阳能电池热失控发生的机制原理和阈值条件构建的聚光光伏模组能够有效的防止功率损耗；
②基于并联连接构造的聚光光伏模组投入成本低，相关技术成熟；
③基于聚光光伏模组，求取避免热失控现象发生的最大并联电池数的建模和方法为模组的相关设计提供了理论基础和可靠的来源；
总之，本实用新型能够避免热失控现象的发生，降低损耗，同时提高聚光光伏模组发电效率，适用面广，相关技术成熟。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图，其中：1——聚光光伏模组，用于高效率光电转换。2——菲涅尔透镜，用于高倍聚光。3——三结聚光太阳能电池，用于发电。
图2所示是本实用新型聚光三结太阳能电池等效电路（右）及模组中各三结太阳能电池之间的并联连接（左）。其中：
1——聚光光伏模组，用于高效率光电转换。
11——三结太阳能电池，通过GaInP、GaInAs和Ge三个子电池并联构成。
111——GaInP子电池，它是由两个二极管、PN结和一个等效串联电阻构成。
112——GaInAs子电池，它是由两个二极管、PN结和一个等效串联电阻构成。
113——Ge子电池，它是由两个二极管、PN结和一个等效串联电阻构成。
图3本实用新型中太阳能电池的工作温度与电池的注入电流之间关系的拟合结果。
图4聚光光伏模组以及被遮挡聚光太阳能电池的I-V特性曲线。
图5基于热失控现象的阈值条件确定聚光光伏模组能够并联连接的最大电池数。
图6基于太阳能直射辐射照度与波长的关系。
图7聚光光伏模组中GaInP/GaInAs/Ge子电池在289K温度下EQE数据。
图8聚光光伏模组中GaInP/GaInAs/Ge子电池在300K的温度下EQE数据。
具体实施方式
下面在两组不同温度下对本实用新型做进一步的说明：
本实用新型聚光光伏模组中太阳能电池的工作温度与电池的注入电流之间关系的拟合结果如图3所示。通过安装温度传感器从而确定被遮挡太阳能电池的注入电流对于温度的影响。
聚光光伏模组以及被遮挡聚光太阳能电池的I-V特性曲线如图4所示。通过实验测量后拟合得到相关曲线，该图也体现改变温度后，聚光光伏模组以及单个被遮挡电池的I—V特性曲线。
本实用新型聚光光伏模组是基于热失控现象的阈值条件确定了聚光光伏模组能够并联连接的最大电池数，如图5所示。该关系曲线图是上述中对于某一聚光倍数下最大并联电池数目，根据变化聚光倍数，重复上述的建模的方法步骤，拟合出图5所示的关系曲线。
本实用新型聚光光伏模组中基于太阳能直射辐射照度与波长的关系如图6所示。该图是基于光线在大气中实际距离为垂直距离的1.5倍的标准光谱图。
本实用新型聚光光伏模组中GaInP/GaInAs/Ge子电池分别在289K和300K的温度条件下EQE数据，如图7、图8所示。不同温度下的外量子效率是基于已有的298K和300K下的量子效率数据计算。根据不同波长对外量子效率的影响，从而将波长分为三段，即在任意温度下，每个子电池的量子效率必须分三段计算仿真，再结合三个子电池的量子效率，因而可得到在某温度下三结太阳能电池量子效率随波长的变化关系。
本实用新型由前述方法设计出在298K温度下聚光倍数为327的聚光光伏模组，该模组基于热失控现象的阈值条件确定了聚光光伏模组能够并联连接的最大电池数为25，如图1所示。
本实用新型由前述方法设计出在300K温度下聚光倍数为344的聚光光伏模组，该模组基于热失控现象的阈值条件确定了聚光光伏模组能够并联连接的最大电池数为35。

Claims (3)

1.一种基于太阳能电池并联连接的聚光光伏模组，其特征在于，包括菲涅尔透镜和多个三结聚光太阳能电池，多个三结聚光太阳能电池并联连接，每个三结聚光太阳能电池均由GaInP、GaInAs和Ge三个子电池串联而成。
2.根据权利要求1所述的聚光光伏模组，其特征在于，每个子电池等同于一个PN结、两个二极管和一个等效串联电阻组成。
3.根据权利要求1所述的聚光光伏模组，其特征在于，三结聚光太阳能电池的数目基于热失控现象的阈值条件确定。
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