DE102010022080A1 - Photovoltaisches System zur Erzeugung elektrischer Energie und photovoltaische Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie - Google Patents

Photovoltaisches System zur Erzeugung elektrischer Energie und photovoltaische Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie Download PDF

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Abstract

Es ist ein Ziel, ein photovoltaisches System zur Erzeugung elektrischer Energie zu erhalten. Ein photovoltaisches System zur Erzeugung elektrischer Energie beinhaltet mehrere Solarzellenmodule, von denen jedes eine unterschiedliche Bandlücke aufweist, und Spannungserhöhungs-Wandler (Booster), welche Ausgänge von Lastwiderständen entgegennehmen, wobei die Lastwiderstände gesteuert/geregelt werden, um Ausgänge der entsprechenden Solarzellenmodule zu maximieren. Eine Ausgangsspannung jedes Spannungserhöhungs-Wandlers (Boosters) wird gesteuert/geregelt, um eine vorbestimmte Ausgangsspannung (oder einen Ausgangsstrom) anzunehmen, und die Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) sind parallel geschaltet (oder in Reihe geschaltet), um eine vorbestimmte elektrische Leistung zu erzielen.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • (1) Bereich der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein photovoltaisches System zur Erzeugung elektrischer Energie sowie eine photovoltaische Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie.
  • (2) Beschreibung des Standes der Technik
  • Solarbatteriezellen fallen in zwei breite Kategorien: Die eine, bestehend aus zwei Arten von Halbleitern, welche einen p-n-Übergang bilden, und die andere, die Zelle des farbstoffsensibilisierten Typs genannt wird, welche in Keramik verteilte Farbstoffe verwendet. Die Solarbatterie gemäß der vorliegenden Erfindung weist beide Kategorien auf. Es ist bekannt, dass die Leerlaufspannung einer in einer Solarbatterie verwendeten Zelle im Allgemeinen ungefähr um 0,4 V niedriger ist als hauptsächlich die Breite der Bandlücke der Zelle. Darüber hinaus kann die maximale elektrische Leistung der Zelle durch Steuerung der Lastimpedanz erzielt werden; die Betriebsspannung ist jedoch noch niedriger als die Leerlaufspannung. Daher erfordert eine Solarbatterie mehrere Zellen, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Die mehreren in Reihe geschalteten Zellen werden im Allgemeinen als ein Modul bezeichnet.
  • Mehrere Solarzellenmodule werden miteinander in Reihe geschaltet, um eine Eingangsspannung für einen Umrichter herzustellen. Einer der Indizes zum Darstellen der Effizienz von Solarbatterien ist der Umwandlungswirkungsgrad. Eine Zelle einer Siliziumhalbleiter-Solarbatterie weist im Allgemeinen einen Umwandlungswirkungsgrad von ungefähr 14 bis 23% auf, wohingegen ein Modul einen Umwandlungswirkungsgrad von ungefähr 12 bis 20% aufweist. Da der Umwandlungswirkungsgrad der Solarzelle und der des Moduls einen direkten Einfluss auf die Systemkosten haben, sind Anstrengungen unternommen worden, den Umwandlungswirkungsgrad zu verbessern. Wenn Licht (Photonen), welches der Bandlücke eines Halbleiters entspricht, auf den Halbleiter eingestrahlt wird, ist der Wirkungsgrad des in Energie umzuwandelnden Lichtes, d. h., die Quanteneffizienz (das Verhältnis von Photonen zu der Energie, die verwendet wird, um Elektronen und Löcher zu erzeugen) hoch, aber Lichtenergie gleich oder oberhalb der Bandlücke wird in dem Halbleiter in Wärme umgewandelt und kann daher nicht als elektrische Energie entnommen werden, was zu einer Verminderung des Quantenwirkungsgrades führt. Darüber hinaus kann ein Halbleiter mit einer einzelnen Bandlücke nicht die gesamte Energieverteilung bewältigen, da das Spektrum des Sonnenlichtes eine breite Energieverteilung aufweist, die von Ultraviolett bis Infrarot reicht.
  • Die Erfindung in Kürze
  • Um den Umwandlungswirkungsgrad wesentlich zu verbessern, wird ein Verfahren verwendet, bei welchem mehrere Halbleiter, von denen jeder eine unterschiedliche Bandlücke aufweist, aufeinander gestapelt sind. Dieses Verfahren verwendet Halbleiter mit einem hohen Quantenwirkungsgrad in unterschiedlichen Wellenlängenbändern und verhindert daher, dass Lichtenergie als Wärmeenergie verbraucht wird. Der Gebrauch eines Halbleiters mit breiter Bandlücke liefert natürlich eine hohe Betriebsspannung, aber der Betriebsstrom nimmt um ein Maß entsprechend der nicht benutzten Lichtenergie ab. Der Halbleiter kann einen Betriebsstrom entsprechend seinem eigenen p-n-Übergang durch Aufrechterhalten des konstanten Betriebsstromes erzielen, was den Umwandlungswirkungsgrad verbessert. Eine derartige Solarzelle, die allgemein als Tandemzelle oder Tripel-Zelle bezeichnet wird, stellt eine effektive Lösung dar, um Lichtenergie in einem breiten Bereich effizient zu extrahieren, und es kann erwartet werden, dass dies in beliebigen Typen von Solarbatterien funktioniert.
  • Es gibt einige verfügbare Strukturen für die oben beschriebene Solarzelle: Beispielsweise einen Galliumarsenid-Halbleiter, gestapelt auf einem Ge-Substrat; und einen Indium-Gallium-Phosphid-Halbleiter, gestapelt auf einem Gallium-Arsenid-Halbleiter auf einem Ge-Substrat. Die Halbleiterzellen können durch ein MOCVD-Verfahren, ein MBE-Verfahren etc. hergestellt werden. Die Tandem- und Tripelzellen werden entsprechend mittels einem Tunnelübergang elektrisch miteinander verbunden.
  • Die anderen Beispiele der Zelle beinhalten siliziumbasierte Dünnfilm-Solarbatterien. Eine der entwickelten Batterien weist eine dreilagige Zelle mit p-n-Übergängen auf, die aus amorphem Silizium-Germanium, amorphem Silizium und amorphem Siliziumcarbid bestehen. Die andere weist einen Stapel eines mikrokristallinen Silizium p-n-Übergangs sowie einen p-n-Übergang in amorphem Silizium auf. Ein gemeinsames Merkmal dieser Zellen/Module besteht darin, dass sie konstruiert sind, um miteinander in Reihe geschaltet zu werden, um elektrisch jeden p-n-Übergang mit einer Tunneldiode elektrisch zu verbinden, und um den zwischen den Zellen fließenden Strom konstant zu halten.
  • Als ein Verfahren zum Verbessern des Wirkungsgrades werden aus denselben Arten von Materialien oder aus unterschiedlichen Arten von Materialien hergestellte Halbleiter gestapelt, um so die Bandlücken der Halbleiter zu nutzen, um eine Empfindlichkeit sicherzustellen, die für das Energiespektrum des Sonnenlichtes geeignet ist; es ist jedoch erforderlich, die Zellen zu konstruieren, so dass der Stromfluss konstant gehalten wird, andernfalls können die Zellen an einem Strommangel leiden.
  • Um eine derartige hocheffiziente Solarzelle/ein derartiges hocheffizientes Solarmodul herzustellen, müssen Halbleiter mit unterschiedlicher Bandlücke aufeinander gestapelt werden. Realistischerweise ist es nicht leicht, die Halbleiter, von denen jeder eine unterschiedliche Bandlücke oder, mit anderen Worten, eine unterschiedliche Gitterkonstante aufweist, zu stapeln. Tatsächlich ist es ziemlich schwierig, die unterschiedlichen Arten von Halbleitern in Herstellungsschritten einer Tandemzelle oder einer Tripelzelle zu stapeln, da jede Halbleiterschicht ihre eigene Gitterkonstante aufweist. In einem Fall, in dem eine Solarbatterie des Tandem- oder Tripel-Typs durch Stapeln der vorstehend erwähnten Galliumarsenidhalbleiters auf dem Ge-Substrat gebildet wird, kann die Kombination von Ge und GaAs relativ leicht gebildet werden, da die Fehlanpassung der Gitterkonstante zwischen Ge und GaAS klein ist. Demgegenüber stellen Kombinationen wie Ge und Silizium sowie Silizium und Galliumarsenid, in welchem die Gitterkonstanten wesentlichen voneinander unterschiedlich sind, exzessive Spannungen und Eigenspannungen in beiden Halbleiterschichten her. Die Spannungen und Eigenspannungen verursachen einen Gitterdefekt in den Halbleiterschichten, was in einer ernsten Verminderung des Umwandlungswirkungsgrades resultiert. Darüber hinaus erfordert der zum elektrischen Verbinden der Zellen eingesetzte Tunnelübergang die Bildung einer ziemlichen hohen Konzentration der Halbleiterschicht.
  • Das Erhöhen der Konzentration der Halbleiter mit einer großen Bandlücke steigert deren Störstellendichte, wodurch die Herstellung einer exzellenten Tunneldiode behindert wird.
  • Obgleich auf amorphem Silizium basierende Halbleiter als ein Verfahren zum Verbessern des Umwandlungswirkungsgrades verwendet werden können, weisen allgemein amorphe Halbleiter zahlreiche Gitterdefekte auf, welche Rekombination von Elektronen mit durch Licht angeregten Löchern verursachen, was die Quanteneffizienz vermindert. Sogar dann, wenn die amorphen Halbleiter in einer Solarbatterie des Tandem- oder Tripeltyps hergestellt werden, kann die Batterie niemals Umwandlungswirkungsgrade von mehr als 15% erreichen.
  • Nebenbei bemerkt: Eine Technik des mechanischen Stapels von Halbleitern, von denen jeder eine unterschiedliche Bandlücke aufweist, ist vorgeschlagen worden. Beispielsweise werden in einem Fall, bei dem zwei Arten von Zellen oder Modulen gestapelt werden, die Zellen oder Module mit zwei positiven Ausgangsanschlüssen und zwei negativen Ausgangsanschlüssen versehen. Da die Zellen hinsichtlich der Spannung, des Stromes und des Lastwiderstandes unterschiedlich sind, erfordern die Zellen zwei Paare von Ausgängen und zwei Umrichter. Das Erhöhen der Anzahl der gestapelten Solarbatterien verkompliziert die Verdrahtung, welche in der Tat schwierig zu erzielen ist. Wie vorstehend beschrieben, beträgt die Spannung der Zelle ungefähr 0,5 bis 1 V, was zu niedrig ist, um effizient erhöht zu werden. Sogar Spannungserhöhungs-Wandler (Booster), welche häufig in der Technologie elektronischer Schaltungen verwendet werden, haben Probleme beim Vermindern von Leistungsverlusten und beim Verbessern des Umwandlungswirkungsgrades. Insbesondere wenn eine Eingangsspannung für den Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) niedrig ist, wird der Leistungswandlungswirkungsgrad des Spannungserhöhungs-Wandlers (Boosters) niedrig.
  • Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Probleme durchgeführt worden.
  • Um die Leistungsverluste in dem Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) zu vermindern, werden die Solarzellen in Reihe geschaltet, so dass eine vorbestimmte Spannung dem Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) eingegeben wird, wodurch die Betriebsspannung der Module auf einen vorbestimmten Wert oder darüber hinaus angehoben wird. Der Lastwiderstand des Solarzellenmoduls wird variabel gesteuert, um so eine maximale Leistungspunktverfolgungsfunktion zu gewinnen. Die Ausgangsspannung des Moduls wird auf einen Wert eingestellt, der zum Verbessern des Leistungswirkungsgrades des Spannungserhöhungs-Wandlers (Boosters) geeignet ist.
  • Da die Solarzellen, jede mit einer unterschiedlichen Bandlücke, sich im Hinblick auf die Betriebsspannung voneinander unterscheiden, wird jedes Solarzellenmodul eingestellt, eine Spannung auszugeben, die äquivalent einem kleinsten gemeinsamen Vielfachen der Betriebsspannung oder einen Spannungsäquivalent zu einem ganzzahligen Vielfachen der Betriebsspannung ist.
  • Der Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) beinhaltet einen FET mit niedrigen Verlusten sowie Schaltungskomponenten (Drossel, Kondensator und Diode). Die Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) werden durch Datenkommunikation gegenseitg rückkopplungsgesteuert, so dass die Ausgangsspannungen der Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) alle den gleichen Wert annehmen. Gleichzeitig werden die Lastwiderstände durch dieselbe Datenkommunikation gesteuert, wodurch die Anzahl der Komponenten vermindert wird.
  • Die Solarzellenmodule können aufeinander in einer vertikalen Richtung ohne Rücksicht auf ihre Art, d. h., die Gitterkonstante und die Bandlücke, gestapelt werden. Derartige Solarzellenmodule können eine Kombination von Halbleitern mit hohem Quantenwirkungsgrad in spezifischen Bereichen des Sonnenspektrums aufweisen und ermöglichen daher eine effiziente Sammlung von Sonnenlichtenergie aus den gesamten Spektrumsbereichen. Die Energie wird in elektrische Energie umgewandelt und dem Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) durch die Lastwiderstände mit einer maximalen Leistungspunktverfolgungsfunktion zugespeist. Die elektrische Energie kann effizient als Ausgangsleistung bei einer vorbestimmten Spannung entnommen werden, welche durch den Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) gesteuert wird. Alle Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) werden parallel geschaltet. Alternativ werden die Ausgangsströme der Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) konstant gesteuert, während die Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) in Reihe geschaltet sind, um elektrische Leistung zu entnehmen.
  • Die vorliegende Erfindung kann Ausgangsverluste jedes Moduls im Verlauf der Leistungsumwandlung vermindern und kann die Ausgänge der Module kombinieren. Mit dieser Technik ist es möglich, Solarbatterien auszuwählen, die das gesamte Sonnenspektrum abdecken, wodurch der Leistungsumwandlungswirkungsgrad dramatisch verbessert wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Zellen leicht aufeinander gestapelt werden, ohne Rücksicht auf die Werte der Ausgangsströme der Zellen, und zusätzlich können die Ausgänge von jeder Zelle/von jedem Modul maximiert und als elektrische Leistung kombiniert werden, wodurch der Wirkungsgrad der photoelektrischen Stromerzeugung verbessert wird.
  • Darüber hinaus können gemäß der vorliegenden Erfindung in dem Stromerzeugungssystem enthaltene Verbindungsschaltungen auf einer gemeinsamen Isolationsplatte als eine Einheit montiert werden. Das Ausbilden der Verbindungsschaltungen als eine Einheit erleichtert die Montage des photoelektrischen Stromerzeugungssystems.
  • Die vorliegende Erfindung kann die Stabilität der Verbindungsschaltungen und die Zuverlässigkeit von Kabelverbindungen erhöhen.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Detail basierend auf den nachfolgenden Figuren beschrieben werden; wobei:
  • 1 das Konzept eines photovoltaischen Stromerzeugungssystems veranschaulicht, in welchem zwei unterschiedliche Arten von Zellen aufeinander gestapelt sind;
  • 2 ein Schaltbild einer Modulschaltung ist;
  • 3 ein Schaltbild einer Modulschaltung ist;
  • 4 ein Schaltbild einer Modulschaltung ist;
  • 5 ein photovoltaisches Stromerzeugungssystem veranschaulicht;
  • 6 ein photovoltaisches Stromerzeugungssystem mit einer Kühlvorrichtung veranschaulicht;
  • 7 eine Verbindungsanschluss-Platineneinheit veranschaulicht; und
  • 8 eine Verbindungsanschluss-Platineneinheit veranschaulicht.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Das photovoltaische Stromerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung beinhaltet mehrere Solarzellsystem zur Erzeugung elektrischer Energie bzw. Solarzellenmodule, von denen jedes eine unterschiedliche Bandlücke sowie Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) aufweist, welche Ausgänge von Lastwiderständen entgegennehmen, wobei die Lastwiderstände gesteuert werden, um Ausgänge der entsprechenden Solarzellenmodule zu maximieren. Eine Ausgangsspannung jedes Spannungserhöhungs-Wandlers (Boosters) wird gesteuert/geregelt, einen vorbestimmten Spannungswert anzunehmen, und die Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) sind parallel geschaltet, um eine vorbestimmte elektrische Leistung zu erzielen. Das photovoltaische Stromerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung beinhaltet mehrere Solarzellenmodule, von denen jedes eine unterschiedliche Bandlücke aufweist, sowie Spannungserhöhungs-Wandler (Booster), welche die Ausgänge von Lastwiderständen entgegennehmen, wobei die Lastwiderstände gesteuert/geregelt werden, um die Ausgänge der entsprechenden Solarzellenmodule zu maximieren. Ein Ausgangsstrom jedes Spannungserhöhungs-Wandlers (Boosters) wird gesteuert, so dass er einen vorbestimmten Stromwert annimmt, und die Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) sind in Serie geschaltet, um eine vorbestimmte elektrische Leistung zu erzielen.
  • In dem photovoltaischen Stromerzeugungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Solarzellenmodul eine oder mehrere Solarzellen, wobei die Solarzellen monolithische, in Reihe geschaltete und integrierte Solarzellen sind und gesteuert werden, um einen vorbestimmten Ausgangsspannungswert zu erzielen, und jedes Solarzellenmodul ist mit einem Lastwiderstand und einem Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) versehen.
  • In dem photovoltaischen Stromerzeugungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Solarzellenmodul eine oder mehrere Solarzellen, wobei die Zellen monolithische, in Reihe geschaltete und integrierte Solarzellen sind und gesteuert/geregelt werden, um einen vorbestimmten Ausgangsstromwert zu erzielen, und jedes Modul ist mit einem Lastwiderstand und einem Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) versehen.
  • In dem photovoltaischen Stromerzeugungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Solarzellenmodul eine oder mehrere Solarzellen, wobei die Zellen monolithische, in Reihe geschaltete und integrierte Solarzellen sind und gesteuert/geregelt werden, um einen vorbestimmten Ausgangsspannungswert zu erzielen, und jede Zelle von jedem Modul ist mit einem Lastwiderstand und einem Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) versehen ist, welche einstückig mit der Zelle gebildet sind.
  • In dem photovoltaischen Stromerzeugungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Solarzellenmodul eine oder mehrere Solarzellen, wobei die Zellen monolithische, in Reihe geschaltete und integrierte Solarzellen sind und gesteuert/geregelt werden, um einen vorbestimmten Ausgangsstrom zu erzielen, und wobei jede Zelle jedes Modules mit einem Lastwiderstand und einem Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) versehen ist, welche einstückig mit der Zelle gebildet sind.
  • Das photovoltaische Stromerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung beinhaltet ferner zusätzlich zu dem Lastwiderstand und dem Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) einen Spannungsverminderungs-Wandler.
  • Das photovoltaische Stromerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung beinhaltet ferner eine Spannungsverminderungs-Wandlerschaltung zusätzlich zu dem Lastwiderstand und dem Spannungserhöhungs-Wandler (Booster).
  • In dem photovoltaischen Stromerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung wird die Solarzelle mit gesammeltem Licht bestrahlt.
  • In dem photovoltaischen Stromerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung sind das Solarzellenmodul sowie die Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) in einer Kühlvorrichtung angeordnet.
  • Das photovoltaische Stromerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung beinhaltet ferner eine Steuerungsvorrichtung, die die Ausgangsspannung oder den Ausgangsstrom des Spannungserhöhungs-Wandlers (Boosters) rückkoppelt, sowie eine Kommunikationsvorrichtung, welche erforderliche Informationen transportiert, und der Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) weist eine Steuerungsfunktion zum Steuern der Lastimpedanz auf, um die Ausgangsleistung der Solarzellen zu maximieren.
  • In dem photovoltaischen Stromerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung sind das Solarzellenmodul sowie die Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) in der Kühlvorrichtung platziert, und die Kühlvorrichtung beinhaltet ein Kühlmittel in Rohrleitungen und ist mit einem Radiator versehen.
  • In dem photovoltaischen Stromerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung ist jedes Solarzellenmodul durch einen optisch transparenten Isolator komprimiert, und das Modul, der Lastwiderstand und Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) sind auf dem Isolator mit Drähten angeordnet.
  • Eine photoelektrische Stromerzeugungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung beinhaltet mehrere Solarzellenvorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie bzw. Solarzellenmodule, von denen jede eine unterschiedliche Bandlücke aufweist, Lastwiderstände, die gesteuert/geregelt werden, um die Ausgänge der entsprechenden Solarzellenmodule zu maximieren, und Spannungserhöhungs-Wandler (Booster), welche die Ausgangsspannungen erhöhen. Die Ausgangsspannung jedes Spannungserhöhungs-Wandlers (Boosters) wird gesteuert/geregelt, so dass sie einen vorbestimmten Spannungswert annimmt, und die Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) sind parallel geschaltet, um eine vorbestimmte elektrische Leistung zu erzielen.
  • Eine photoelektrische Stromerzeugungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung beinhaltet mehrere Solarzellenmodule, von jeden jedes eine unterschiedliche Bandlücke aufweist, Lastwiderstände, die gesteuert/geregelt werden, um Ausgänge der entsprechenden Solarzellenmodule zu maximieren, und Spannungserhöhungs-Wandler (Booster), welche die Ausgangsspannungen erhöhen, wobei ein Ausgangsstrom jedes Spannungserhöhungs-Wandlers (Boosters) gesteuert/geregelt wird, um einen vorbestimmten Stromwert anzunehmen, und die Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) sind in Reihe geschaltet, um eine vorbestimmte elektrische Leistung zu erzielen.
  • In dem photovoltaischen Stromerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Solarzellenmodul eine Zelle mit einem p-n-Übergang.
  • In dem photovoltaischen Stromerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Solarzellenmodul Silizium und Siliziumcarbid.
  • In dem photovoltaischen Stromerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Solarzellenmodul Silizium und amorphes Silizium.
  • In dem photovoltaischen Stromerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Solarzellenmodul amorphes Silizium sowie Germanium.
  • In dem photovoltaischen Stromerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Solarzellenmodul eine farbstoffsensibilisierte Zelle.
  • In einem photovoltaischen Stromerzeugungssystem, das Lastwiderstände beinhaltet, welche gesteuert/geregelt werden, um Ausgänge von Solarzellenmodulen zu maximieren, und Spannungserhöhungs-Wandler (Booster), welche die Ausgangsspannung erhöhen, wird die Ausgangsspannung der Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) gesteuert/geregelt, so dass sie einen vorbestimmten Spannungswert annimmt, und die Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) sind parallel geschaltet, um eine vorbestimmte elektrische Leistung zu erzielen, wobei eine Verbindungsplatineneinheit für die Solarzellenmodule der vorliegenden Erfindung mindestens zwei Paare des Lastwiderstands und des Spannungserhöhungs-Wandlers (Boosters) beinhaltet.
  • In einer photovoltaischen Stromerzeugungsvorrichtung, welche Lastwiderstände, welche gesteuert/geregelt werden, um Ausgänge von Solarzellenmodulen zu maximieren, sowie Spannungserhöhungs-Wandler (Booster), welche die Ausgangsspannungen erhöhen, beinhaltet, wird ein Ausgangsstrom der Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) gesteuert/geregelt, so dass er einen vorbestimmten Stromwert annimmt, und die Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) sind in Reihe geschaltet, um eine vorbestimmte elektrische Leistung zu erzielen, wobei eine Verbindungsplatineneinheit für die Solarzellenmodule der vorliegenden Erfindung mindestens zwei Paare des Lastwiderstandes und des Spannungserhöhungs-Wandlers (Boosters) umfasst.
  • Die Verbindungs-Platineneinheit für die Solarzellenmodule der vorliegenden Erfindung beinhaltet ferner einen Spannungsverminderungs-Wandler zusätzlich zu dem Lastwiderstand und dem Spannungserhöhungs-Wandler (Booster).
  • Die Verbindungs-Platineneinheit für Solarzellenmodule der vorliegenden Erfindung beinhaltet ferner einen Spannungsverminderungs-Wandler zusätzlich zu dem Lastwiderstand und den Spannungserhöhungs-Wandler (Booster).
  • 3 zeigt ein Schaltbild von Modulschaltungen gemäß der vorliegenden Erfindung. Mehrere Solarzellen, von denen jede eine unterschiedliche Bandlücke aufweist, sind von der Vorderseite aus in abnehmender Reihenfolge der Bandlückenbreite angeordnet. Jede Solarzelle ist konstruiert, um ihre maximale Leistung in Übereinstimmung mit der Sonnenenergie durch Steuerung eines Lastwiderstandes auszugeben. 3 zeigt Lastwiderstände 3, welche gesteuert werden, um den Strom konstant zu halten. Die Spannungen von den Lastwiderständen sind voneinander unterschiedlich. Da die Spannungen in Reihe geschaltet sind, werden die Spannungen an einem Anschluss aufsummiert (Stromsteuerungs-Verfahren). 4 zeigt Lastwiderstände, welche gesteuert werden, um die Spannung konstant zu halten. Die Ströme aus den Lastwiderständen unterscheiden sich voneinander. Da die Ströme parallelgeschaltet sind, werden die Ströme an einem Anschluss aufsummiert (Spannungssteuerungs-Verfahren).
  • Falls erforderlich, wird in der Schaltung eine Spannungsverminderungs-Wandlerschaltung vorgesehen.
  • 5 veranschaulicht ein photovoltaisches Stromerzeugungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung. Ausgänge, welche durch die Solarzellenmodule 51, 52, 53, 54 bei Empfang von Licht 40 erzeugt werden, werden durch entsprechende Lastwiderstände 3 und hocheffiziente Konverter 56 geleitet, wo die Spannung der Ausgänge gesteuert/geregelt und nachfolgend entnommen wird. Die hocheffizienten Konverter 56 werden gesteuert/geregelt, so dass sie die gleiche Spannung ausgeben. Selbstverständlich sind die Ausgänge der Konverter unterschiedlich, aber sie weisen dieselbe Spannung auf, was bedeutet, dass die Ausgangsströme unterschiedlich sind. Die Konverter sind parallelgeschaltet. Alternativ können die hocheffizienten Konverter 56 durch das Stromsteuerungs-Verfahren gesteuert/geregelt werden, so dass sie den gleichen Strom ausgeben und in Reihe geschaltet werden, um die Spannungen aufzusummieren. Die elektrische Leistung wird einer Übertragungsleitung 200 zugespeist. Falls erforderlich, wird in der Schaltung eine Spannungsverminderungs-Wandlerschaltung vorgesehen.
  • Zum Zwecke des Maximierens des Umwandlungswirkungsgrades des Spannungserhöhungs-Wandlers (Boosters) sind dieselben Arten von Solarzellen in Reihe angeordnet, so dass die Eingangsspannungen der Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) einen vorbestimmten Wert oder mehr erreichen, und die Betriebsspannung der Module wird auf einen vorbestimmten Wert oder höher eingestellt. Da die Solarzellen, von denen jede eine unterschiedliche Bandlücke aufweist, hinsichtlich der Betriebsspannung voneinander unterschiedlich sind, wird jedes Solarzellenmodul auf eine Ausgangsspannung, die äquivalent zu dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen der Betriebsspannung ist, oder auf eine Spannung, die äquivalent zu einem ganzzahligen Vielfachen der Betriebsspannung ist, eingestellt.
  • Ein Solarzellenmodul kann seine maximale elektrische Leistung durch Steuern/Regeln des Lastwiderstandes ausgeben; die Ausgangsspannung des Modules wird jedoch passend gesteuert/geregelt, um so den Umwandlungswirkungsgrad der Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) zu verbessern. Der Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) beinhaltet einen FET mit niedrigen Verlusten sowie Schaltungskomponenten (Drossel, Kondensator und Diode). Die Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) sind durch Datenkommunikation durch einen Kommunikations-IC-Chip gegenseitig rückkopplungsgesteuert, so dass die Ausgangsspannungen der Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) gleich sind. Gleichzeitig werden die Lastwiderstände durch dieselbe Datenkommunikation gesteuert, wodurch die Anzahl der Komponenten vermindert wird. Die Datenkommunikation kann durch andere Wege einschließlich einer Netzleitung durch eine Netzleitungs-Kommunikationstechnologie bewerkstelligt werden, wodurch die Verdrahtung sowie die Herstellungsarbeit bei der Montage der Anordnung vereinfacht wird. Die Stabilität der Ausgangsspannung kann durch Befestigen des Lastwiderstandes, des Leistungsdetektors, des Umwandlers, des Kommunikations-IC-Chips und der Rückflussverhinderungsdiode des Solarzellenmoduls auf einem einzigen Substrat sichergestellt werden.
  • Wie in 8 gezeigt, weist jedes der Solarzellenmodule Ausgangsverbindungsanschlüsse auf. Lastwiderstände 3, Leistungsdetektoren 6, 7, Umwandler, Rückflussverhinderungsschaltungen 5 sind paarweise gruppiert, und die Paare werden als Einheit definiert. Mehrere Einheiten werden mit Ausgangsanschlüssen 100 und 110 versehen, welche gemeinsam durch die Einheiten zur Entnahme elektrischer Leistung genutzt werden, wodurch Komplexität der Verdrahtung eliminiert wird. Die Einheit ist mit Eingangsanschlüssen 1 und 2 versehen, so dass die Anzahl von Eingängen von dem Solarzellenmodul von zwei auf fünf und mehr erhöht werden kann. Alternativ sind, wie in 7 gezeigt, die Komponenten in einer Einheit parallelgeschaltet.
  • Da allgemein FETs aus Halbleitern hergestellt sind, wie etwa Silizium, GaN und SiC, kann der FET in einer monolithischen Art und Weise auf dem in der Solarbatterie enthaltenen Halbleiter gebildet werden, wodurch die Herstellungskosten vermindert werden.
  • 6 zeigt eine Kühlvorrichtung mit einer Kondensorlinse gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in 6 gezeigt, ist die Kühlvorrichtung mit einer Kondensorlinseneinheit, mit mehreren Paaren einer Solarbatterie sowie mit einem Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) versehen. Die Solarbatterien und die Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) sind in der mit einem Kühlmittel verfüllten Kühlvorrichtung platziert. Das Kühlmittel wird zu einem Radiator transportiert, der die durch die Solarzellenmodule sowie durch die Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) erzeugte Wärme sammelt und die Wärme dissipiert. Obgleich durch eine Linse oder durch einen Spiegel eine enorme Menge von Solarenergie gesammelt wird, kann die Kühlvorrichtung die Verminderung des Ausganges der Solarbatterie infolge der Hitze vermindern und die durch die Wärme aus dem Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) verursachte ansteigende Temperatur niedrig halten, wodurch Verluste vermindert und Betriebskennwerte verbessert werden.
  • Die Solarzellenmodule aus zwei oder mehr Arten sind vertikal übereinander gestapelt, so dass Halbleiter, die einen hohen Quantenwirkungsgrad in einem spezifischen Bereich des Solarspektrums aufweisen, jeweils in Kombination genutzt werden, dadurch effizient Energie aus breiten Bereichen des Sonnenlichts sammeln und elektrische Energie durch Steuerung/Regelung der Spannung und des Stromes kombinieren können. Dies eliminiert die Notwendigkeit, Halbleiter von zwei oder mehr Arten auf einem einzelnen Substrat zu laminieren, wie es auch die Selektion jeglicher Art von Solarbatterien gemäß den gewünschten Lichtwellenlängen erlaubt. Die Energie aus jeder Solarbatterie wird durch den Lastwiderstand mit einer maximalen Leistungsverfolgungsfunktion umgewandelt, und die Leistung wird dem Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) zugespeist. Sogar dann, wenn der Ausgang jeder Solarbatterie mit der Solarbeleuchtungsschwankung sich verändert, kann die Solarbatterie ihre Maximalleistung gemäß der Schwankung der Beleuchtung erzielen. In dem Fall, bei dem Solarbatterien von zwei oder mehr Arten aufeinandergestapelt sind, kann, wie vorstehend beschrieben, die maximale Leistung durch Parallelschalten der Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) erzielt werden, nachdem die Ausgangsspannung gesteuert/geregelt wird, so dass sie einen vorbestimmten Spannungswert annimmt, und nachdem die Ausgänge kombiniert sind oder durch Reihenschaltung der Spannungserhöhungs-Wandler (Booster), nachdem die Ausgangsspannung gesteuert/geregelt wird, so dass sie eine vorbestimmte Spannung annimmt, und durch das Kombinieren der Ausgänge. Dies kann die Ausgangsverluste von jedem Modul im Zuge der Leistungsumwandlung vermindern und die Leistung auf einfache Weise kombinieren. Da das Solarmodul keine Tunneldiode erfordert, werden dadurch die Montageprozesse vereinfacht und Absorptionsverluste von Licht eliminiert, welche durch die Tunneldiode verursacht werden. Mit diesen Techniken ist es möglich, Solarbatterien zu selektieren, welche das Solarspektrum abdecken, und daher kann der Leistungsumwandlungswirkungsgrad dramatisch verbessert werden. Darüber hinaus kann die bei der Übertragung durch eine Netzleitung erhöhte Spannung die Übertragungsverluste vermindern.
  • Wie in 7 dargestellt, wird die Eingangsspannung für den Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) durch das Modul geliefert, nachdem die Anzahl miteinander in Reihe geschalteter Solarzellen gesteuert/geregelt wird, wodurch der Umwandlungswirkungsgrad der Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) verbessert wird. Die Platzierung des Solarzellenmoduls, des Lastwiderstandes, des Spannungserhöhungs-Wandlers (Boosters) und der Leistungsdetektionsschaltung auf einem transparenten isolierenden Substrat kann Herstellungsprozesse und Testprozesse vereinfachen. Wie in 8 dargestellt, wird eine Schaltung, welche die Verbindungsanschlüsse 1 und 2, Lastwiderstände 3, Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) 4, Rückflussverhinderungsschaltungen 5, Leistungsdetektoren 6, 7 sowie Verbindungsanschlüsse 8, 9, 10, jedoch nicht das Solarzellenmodul, einschließt, als eine Einheit festgelegt. Die mehrfachen Einheiten werden auf dem Substrat, das mit Ausgangsanschlüssen 100, 110 und einem Kommunikations-IC-Chip 120 an der letzten Stufe versehen ist, kombiniert, wodurch Herstellungsprozesse vereinfacht werden. Eine mit den Ausgangsanschlüssen verbundene Netzleitung kann als Kommunikationsleitung 130 verwendet werden.
  • [Ausführungsformen]
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden untenstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 8 beschrieben.
  • Ausführungsform 1
  • 1 veranschaulicht ein grundlegendes Konzept des photovoltaischen Stromerzeugungssystems gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. Beide, Silizium und Germanium, kristallisieren in der Diamantenstruktur mit einer Gitterkonstante von 0,543 nm bzw. 0,565 nm, und das heißt, dass Silizium und Germanium in Bezug auf das Gitter nicht zueinander passender Halbleitermaterialien sind. Sowohl für das Silizium als auch für das Germanium eingesetzte Substrate sind einkristalline Substrate vom p-Typ in <100>-Richtung. Die Oberflächenschicht wird dotiert, um eine diffundierte Schicht vom n-Typ zu bilden. Auf einem Teil der Vorderoberfläche ist eine Silberelektrode als eine Elektrode des n-Typs gebildet, wohingegen eine Aluminiumelektrode auf einem Teil der hinteren Oberfläche als eine Elektrode des p-Typs gebildet ist. Eine Germaniumzelle 13 ist in 121 Abschnitte (11×11) aufgeteilt, von denen jeder mit einem durchsichtigen isolierenden Substrat 14 in Reihe geschaltet ist. Auf ähnliche Weise ist eine Siliziumzelle 11 in 49 Abschnitte (7×7) aufgeteilt, von denen jeder mit einem transparenten isolierenden Quarzsubstrat 12 in Reihe geschaltet ist. Bevor die Zellen aufgeteilt werden, weist jede von ihnen eine Fläche von 1 cm2 auf; die Zellenfläche begrenzt jedoch nicht die vorliegende Erfindung.
  • Die Zelle wird mit dem Substrat durch Löten eines silberbeschichteten Kupfer-Streifens verbunden. Jede Zelle ist mit dem transparenten Quarzsubstrat 12 mit einem Draht verdrahtet, der teilweise aus Titan/Silber besteht. Am Ausgang jeder Zelle ist ein Lastwiderstand mit dem Leistungsdetektor platziert, um den Punkt maximaler Leistung zu verfolgen. Die Bezugszeichen 3 und 4 in 1 bezeichnen den Lastwiderstand und den Spannungserhöhungs-Wandler (Booster), die in einer Schaltung entsprechend verbunden sind.
  • Der Leistungsdetektor überträgt ein Signal über einen Kommunikations-Chip an einen externen digitalen Signalprozessor, um den Punkt maximaler Leistung zu berechnen, welcher verwendet wird, um die Impedanz des Lastwiderstandes zu steuern. Der Ausgang des Lastwiderstandes wird in einen Eingang des Spannungserhöhungs-Wandlers (Boosters) eingespeist. Der Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) 4, der auf dem Quarzsubstrat gebildet ist, beinhaltet einen Silizium-MOSFET mit einem niedrigen Durchlasswiderstand, eine Drossel, einen Kondensator sowie eine Diode mit niedrigem Widerstand.
  • Die Ausgangsspannung jedes Spannungserhöhungs-Wandlers (Boosters) 4 wird kontinuierlich durch den Leistungsdetektor überwacht und wird gesteuert, um eine vorbestimmte Spannung anzunehmen. Informationen von dem Leistungsdetektor werden in digitale Daten durch einen auf demselben Substrat wie das, auf dem der Leistungsdetektor platziert ist, befestigten Kommunikations-IC-Chip verarbeitet und an den Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) sowie an den Lastwiderstand rückgekoppelt.
  • Zum Zwecke des Beschreibens der Ausführungsform 1 zeigt die Tabelle 1 Daten einer Germaniumzelle, einer Siliziumzelle sowie einer Germaniumzelle unterhalb einer Siliziumzelle sowie Module daraus. Tabelle 2 zeigt dasselbe, aber diese werden mit Licht bestrahlt, das 300-fach stärker gesammelt ist als dasjenige in Tabelle 1.
    Figure 00170001
    Figure 00180001
  • Um die Wirkung der Ausführungsform 1 leichter verstehen zu können, zeigt Tabelle 1 die Leerlaufspannung, den Kurzschlussstrom, den Füllfaktor, den Betriebsstrom und die Betriebsspannung einer Germaniumzelle sowie eines Moduls daraus. Tabelle 2 zeigt die Leerlaufspannung, den Kurzschlussstrom, den Füllfaktor, den Betriebsstrom und die Betriebsspannung eines Siliziummoduls und eines Germaniummoduls, das gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung unter das Siliziummodul zu platzieren ist, mit darauf gesammeltem Licht.
  • Tabelle 1 zeigt darüber hinaus die Leerlaufspannung, den Kurzschlussstrom, den Füllfaktor, den Betriebsstrom und die Betriebsspannung einer Germaniumzelle, die unterhalb einer Siliziumzelle gestapelt ist. Tabelle 2 zeigt auch die Betriebsspannung und den Betriebsstrom des Moduls, wenn ein 300-fach stärkeres Licht auf das gestapelte Modul gesammelt wird, die Ausgangsleistung des Moduls, die Ausgangsleistung des Spannungserhöhungs-Wandlers (Boosters) und die Kennwerte des Moduls, nachdem die elektrische Leistung jedes Moduls kombiniert ist, als Ergebnis der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. Wenn der Stapel aus Silizium und Germanium gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung mit 300-fach stärkerem Licht belegt wird, betrug die durch den Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) kombinierte Ausgangsleistung 7,82 W bei einer Ausgangsspannung von 375 V und einem Ausgangsstrom von 0,29 A. Es wird bestätigt, dass die kombinierte Ausgangsleistung sich um 48% mehr erhöhte als die Ausgangsleistung von 5,28 W der einzelnen Siliziumzelle. Der Umwandlungswirkungsgrad des Konverters betrug 97%.
  • Es ist allgemein bekannt, dass der Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) von der Eingangsspannung und der Eingangsleistung abhängt. In der Ausführungsform 1 erzielte der Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) eine Ausgangsspannung von 375 V, wenn die Eingangsspannung 30 V und die Eingangsleistung ungefähr 5 W bis 10 W betrug, d. h. der Leistungsumwandlungswirkungsgrad betrug 97%. Der kombinierte Ausgangsstrom betrug 0,29 A. Der Strom aus den entsprechenden Ausgängen betrug 0,18 A und 0,086 A. Es ist selbstverständlich möglich, den Leistungsumwandlungswirkungsgrad durch Vermindern des Durchlasswiderstands des FET weiter zu verbessern. Das Erhöhen der Schaltfrequenz des FET des Spannungserhöhungs-Wandlers (Boosters) kann die Kapazität der Drossel und des Kondensators vermindern. Die Schaltfrequenz ist in der Ausführungsform 1 auf 50 kHz eingestellt.
  • Der Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) lieferte eine Spannung von 375 V. Die entsprechenden Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) sind miteinander parallel geschaltet und mit einer Netzleitung verbunden, um elektrische Leistung zu liefern. Da die Solarbatterie in Ausführungsform 1 Silizium verwendet, kann ein MOSFET, welcher aus einkristallinem Silizium besteht, auf dem Solarbatterie-Substrat auf eine monolithische Art und Weise gebildet werden.
  • Das monolithische Erstellen des MOSFET sowie der Solarbatterie kann nicht nur die Materialkosten vermindern, sondern auch die Länge der Schaltung vermindern, was die Konstruktion vereinfacht.
  • In Ausführungsform 1 beinhaltet jeder der auf dem Quarzsubstrat gebildeten Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) 4 einen Silizium-MOSFET mit einem niedrigen Durchlasswiderstand, eine Drossel, einem Kondensator und eine Diode mit niedrigem Widerstand. Die Ausgangsspannung jedes Spannungserhöhungs-Wandlers (Boosters) 4 wird kontinuierlich durch den Leistungsdetektor 6 überwacht und gesteuert, so dass sie eine vorbestimmte Spannung annimmt. Die Ausgangsspannung des Spannungserhöhungs-Wandlers (Boosters) 4 in der Ausführungsform 1 ist auf 400 V eingestellt. Die entsprechenden Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) sind miteinander parallel geschaltet und mit einer Netzleitung zum Liefern von elektrischer Leistung verbunden.
  • Zusätzlich zu dem Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) kann, falls erforderlich, eine Spannungsverminderungs-Wandlerschaltung mit der vorstehend beschriebenen Struktur verbunden werden.
  • Einige Solarzellen/Module wie etwa eine Dünnfilmsolarbatterie mit amorphem Silizium produzieren manchmal größere Ausgänge bei einer hohen Betriebsspannung und einem niedrigen Betriebsstrom. Für eine derartiges Modul kann die Spannungsverminderungs-Wandlerschaltung zusätzlich zu dem Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) erforderlich sein.
  • Ausführungsform 2
  • Silizium und Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs) weisen eine Gitterkonstante von 0,543 nm bzw. 0,562 bis 0,563 nm auf, sie gehören zu einer Gruppe, in welcher eine epitaxiale Aufwachstechnik nicht verwendet werden kann, da sie Distorsion verursacht. Tabelle 3 zeigt die Kennwerte von Zellen per Einheitsfläche und Daten von Modulen pro 100 cm2.
  • Als eine untere erste Zelle wurde eine Siliziumzelle verwendet. Eine obere zweite Zelle wurde aus GaAlAs hergestellt. Die GaAlAs-Zelle und die Siliziumzelle wurden auf einem transparenten isolierenden Substrat wie einem Quarz befestigt und gestapelt. Der Ausgang jeder Zelle wurde bei einem Lastwiderstand und einem Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) abgenommen. Wenn Licht bei einer Luftmasse (AM) von 1,5 aufgestrahlt wird und der Strom konstant bei 0,027 A aufrechterhalten wird, betragen die Ausgangsspannungen der Ausgangsschaltungen 17,4 V bzw. 16,6 V. Die Spannungen werden in Reihe geschaltet, resultierend in 40 V insgesamt. Die Solarbatterien sind konstruiert, um die Ausgangsspannung bei Änderungen der Beleuchtung zu ändern.
  • Es ist allgemein bekannt, dass das Spektrum des Sonnenlichtes sich während der Tageszeit verändert. Im Falle herkömmlicher gestapelter Zellen wird der kleinste Stromwert nach dem Gesetz des konstanten Stromes selektiert, wenn der Strom jeder Zelle sich ändert, und daher wird der Gesamtausgang der Module klein. Gemäß der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung kann die maximale elektrisches Leistung jedoch aus jeder Zelle entnommen werden. Selbst wenn sich das Spektrum ändert, kann die maximale Ausgangsleistung effektiv entnommen werden.
  • Figure 00220001
  • Ausführungsform 3
  • Wenn gestapelte Solarzellenmodule hergestellt werden, wird an jedem Modul eine Anschlussdose, in welcher eine Verbindungsanschlusseinheit installiert ist, angebracht. Der Schaltplan der Verbindungsanschlusseinheit ist in 7 gezeigt. Ein Eingang von dem Solarzellenmodul wird durch Anschlüsse 1 und 2 eingeführt. Die Anschlüsse 1 weisen ein höheres Potential auf als dasjenige der Anschlüsse 2. Die Anschlüsse 1 und 2 sind mit Lastwiderständen 3 verbunden, und die Eingänge werden Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) 4 zugespeist. Ausgänge aus den Spannungserhöhungs-Wandler (Boostern) 4 werden von Rückflussverhinderungsdioden 5 zu Verbindungsanschlüssen 8 und 10 eingeführt, wo die Ausgänge kombiniert werden. Die kombinierte Ausgangsleistung wird von Ausgangsanschlüssen 100 und 110 abgegriffen. Ein Kommunikations-IC-Chip 120 ist mit Kommunikationsleitungen verbunden. Obgleich es in 7 zwei Eingänge gibt, ist es nicht erforderlich, zu betonen, dass die Anzahl der Eingänge auf drei, vier oder mehr erhöht werden kann. 8 zeigt eine Struktur einer spannungssteuerbaren Verbindungseinheit.
  • 7 zeigt eine stromsteuerbare Verbindungsschaltung, wie in 3 gezeigt, für Module des photovoltaischen Stromerzeugungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Die Verbindungsschaltung beinhaltet Lastwiderstände 3, Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) 4, Rückflussverhinderungsschaltungen 5, Leistungsdetektoren 6, 7 sowie Kommunikations-IC-Chips 120. Die verschiedenen Verbindungsschaltungen werden parallelgeschaltet, um elektrische Leistung abzugeben. In der vorliegenden Erfindung wird die Verbindungsschaltung als eine Einheit gebildet und auf einer einzelnen Isolierplatine befestigt. Die Isolierplatine ist zum Zwecke der Verbindung und der Stabilität der Schaltung mit Ausgangsanschlüssen 110 versehen. Das Herstellen der Schaltung aus einer Einheit kann die Montage des Leistungserzeugungssystems erleichtern. Darüber hinaus kann die Einheit in einer Anschlussdose gebildet werden, welche allgemein an dem Modul befestigt wird. Ein derartiges Modul kann seine Ausgangsspannung erhöhen, wodurch der Durchmesser der Netzleitungen vermindert wird. Die Anzahl von Leitungen kann durch Senden von Signalen aus dem Kommunikations-IC-Chip durch Netzleitungskommunikation unter Verwendung einer Pulsdauermodulationstechnik oder dergleichen vermindert werden. Das Bezugszeichen 130 bezeichnet Kommunikationsleitungen.
  • 8 zeigt eine spannungssteuerbare Verbindungsschaltung, wie in 4 gezeigt, für Module des photovoltaischen Stromerzeugungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Die Verbindungsschaltung beinhaltet Lastwiderstände 3, Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) 4, Rückflussverhinderungsschaltungen 5, Leistungsdetektoren 6, 7 sowie einen Kommunikations-IC-Chip 120. Die verschiedenen Verbindungsschaltungen sind in Reihe geschaltet, um elektrische Leistung abzugeben. In der vorliegenden Erfindung ist die Verbindungsschaltung als eine Einheit gebildet und auf einer einzelnen Isolierplatine befestigt. Die Isolierplatine ist mit Ausgangsanschlüssen 100 und 110 versehen. Gemäß der Struktur werden die Stabilität der Verbindungsschaltungen und die Zuverlässigkeit von Kabelverbindungen sichergestellt. Das Bezugszeichen 130 bezeichnet Kommunikationsleitungen.
  • Ausführungsform 4
  • 6 zeigt ein Beispiel, in welchem ein Zellenmodul in einer Kühlvorrichtung installiert ist.
  • Mit dem in der Ausführungsform 2 beschriebenen Modul wird ein Sonnenkonzentrator mit einer Kühlvorrichtung hergestellt.
  • Das Modul wird von der Kühlvorrichtung 62 aufgenommen. Die Vorrichtung ist mit einem Kühlmittel 64 gefüllt. Selbst wenn durch eine Linse 61 gesammeltes Licht die Temperatur der in Betrieb befindlichen Siliziumzellen und Gallium-Aluminiumarsenidzellen, wie in 6 gezeigt, erhöht, absorbiert das Kühlmittel sofort die Hitze der Zellen, und das erwärmte Kühlmittel wird durch eine Leitung 66 zu einem Radiator 63 transportiert, wo das Kühlmittel 64 gekühlt wird. Das Kühlmittel 64 wird durch die Leitung 66 zu einem Solarkonzentrationsabschnitt zurückgeführt, um die Zellen/Module wiederum zu kühlen. Dies ist besonders effektiv für Solarbatterien mit einer schmalen Bandlücke, um durch Temperatur verursachte Verminderung des Ausgangs zu verhindern.
  • In Ausführungsform 4 wird der Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) 4 ebenfalls gekühlt, um so einen hohen Umwandlungswirkungsgrad zu realisieren. Der Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) 4 und die Zelle/das Modul 10 und 10' werden mit flexiblen Verbindungsleitungen 65 verbunden. Obgleich das in der Ausführungsform 4 verwendete Kühlmittel Ethanol ist, kann auch eine wässrige Lösung, ein organisches Lösungsmittel, ein Fluorchlorkohlenwasserstoff usw. verwendet werden. Demgemäß beträgt der durch den Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) hindurchgeführte Ausgangsstrom 0,0035 A, wohingegen die Ausgangsspannung 375 V beträgt.
  • Ausführungsform 5
  • Die Solarbatterie in einer Ausführungsform 5 beinhaltet eine Germaniumzelle, eine Siliziumzelle, eine Zelle mit amorphem Siliziumcarbid sowie eine Siliziumcarbidzelle.
  • In der Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung sind mehrere Zellen aufeinander gestapelt. Da es nicht erforderlich ist, den Stromwert jeder Zelle konstant zu halten, ist es relativ einfach, die Zellen zu stapeln. In der Ausführungsform 5 werden vier Zellen, d. h. eine Germaniumzelle, eine Siliziumzelle, eine amorphe Siliziumcarbidzelle und eine Siliziumcarbidzelle, verwendet. Unter Bezugnahme auf spektrale Beleuchtung durch Sonnenlicht werden die Gesamtanzahl von Photonen für jede Wellenlänge und der akkumulative Gesamtwert berechnet.
  • Es wird empfohlen, Halbleiter mit einer Bandlücke zu verwenden, die so groß ist wie möglich, um einen maximalen Ausgang zu erzielen. In einer herkömmlichen Theorie wird, wenn die durch die Zellen fließenden Ströme nicht konstant sind, der kleinste Strom verwendet, um den verfügbaren Strom der gestapelten Module zu bestimmen. Daher kann selbst dann, wenn die anderen Module mehr Strom liefern können, der Strom, welcher den kleinsten Stromwert übersteigt, nicht entnommen werden. Die vorliegende Erfindung kann eine derartige Beschränkung umgehen und es daher möglich machen, eine industriell verwendbare Solarzelle mit Flexibilität zu selektieren.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Zellen leicht in einer passenden Art und Weise für die Anzahl an in dem Solarzellenmodul verwendeten Arten von Zellen ohne Rücksicht auf die Ausgangsstromwerte der Zellen gestapelt werden, jede Zelle/jedes Modul kann seine maximale Leistung ausgeben, und die elektrische Leistung kann kombiniert werden, wodurch die photovoltaischen Stromgewinnung zu einer großen Effizienz gebracht werden kann. Diese Spezifikation beschreibt hauptsächlich die Halbleiterzellen; die vorliegende Erfindung ist jedoch auch anwendbar auf einen Stapel des organischen Halbleitertyps und auf Solarbatterien des farbstoffsensibilisierten Typs. Es ist nicht erforderlich zu sagen, dass die vorliegende Erfindung wirksam ist, um eine Halbleiterzelle und eine Zelle des farbstoffsensibilisierten Typs zu stapeln.
  • Tabelle 4 zeigt Daten jeder Zelle pro 1 cm2 der Ausführungsform 5.
  • Tabelle 4 zeigt Daten jeder Zelle pro 1 cm2.
  • Tabelle 5 zeigt Kennwerte und kombinierte Ausgangswerte der Module in der Ausführungsform 5.
  • Figure 00270001
  • Figure 00280001
  • Diese Spezifikation beschreibt hauptsächlich Halbleiterzellen; jedoch können Solarbatterien des organischen Halbleitertyps und des farbstoffsensibilisierten Typs ebenso auf die gleiche Art und Weise gestapelt werden, und derartige Batterien sind effektiv. Die Halbleiterzelle und die Zelle des farbstoffsensibilisierten Typs können auch in der gleichen Art und Weise gestapelt werden, und die Batterien sind effektiv.
  • Gemäß der vorstehend beschriebenen Erfindung können die Zellen ohne Rücksicht auf die Ausgangsstromwerte der Zellen leicht gestapelt werden, jede Zelle/jedes Modul kann seine maximale Leistung ausgeben, und die elektrische Leistung kann kombiniert werden, wodurch die photovoltaische Stromerzeugung mit einem hohen Wirkungsgrad versehen werden kann.
  • In der vorliegenden Erfindung wird jede in dem Erzeugungssystem enthaltene Verbindungsschaltung als eine Einheit gebildet und auf einer einzigen Isolierplatine befestigt. Das Herstellen der Schaltung als eine Einheit kann die Montage des photovoltaischen Stromerzeugungssystems erleichtern.
  • Einige Solarzellen/Module, wie eine Solarbatterie mit einem Dünnfilm aus amorphem Silizium, produzieren manchmal größere Ausgänge mit einer hohen Betriebsspannung und einem niedrigen Betriebsstrom. Für ein derartiges Modul kann die Spannungsverminderungs-Wandlerschaltung zusätzlich zu dem Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) erforderlich sein.
  • Es sollte für Fachleute klar sein, dass zahlreiche Modifikationen, Kombinationen, Unterkombinationen und Abänderungen in Abhängigkeit von Konstruktionserfordernissen und anderen Faktoren vorkommen können, insofern als sie innerhalb des Bereiches der angefügten Ansprüche oder deren Äquivalente liegen.

Claims (21)

  1. Photovoltaisches System zur Erzeugung elektrischer Energie, aufweisend: eine Mehrzahl von Solarzellenmodulen, von denen jedes eine unterschiedliche Bandlücke aufweist; und Spannungserhöhungs-Wandler (Booster), welche Ausgänge von Lastwiderständen entgegennehmen, wobei die Lastwiderstände gesteuert/geregelt werden, um Ausgänge der entsprechenden Solarzellenmodule zu maximieren, wobei eine Ausgangsspannung jedes Spannungserhöhungs-Wandlers gesteuert/geregelt wird, um einen vorbestimmten Spannungswert anzunehmen, und wobei die Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) parallelgeschaltet sind, um eine vorbestimmte elektrische Leistung zu erzielen.
  2. Photovoltaisches System zur Erzeugung elektrischer Energie, aufweisend: eine Mehrzahl von Solarzellenmodulen, von denen jedes eine unterschiedliche Bandlücke aufweist; und Spannungserhöhungs-Wandler (Booster), welche Ausgänge von den Lastwiderständen entgegennehmen, wobei die Lastwiderstände gesteuert/geregelt werden, um Ausgänge der entsprechenden Solarzellenmodule zu maximieren, wobei ein Ausgangsstrom des Spannungserhöhungs-Wandlers (Boosters) gesteuert wird, um einen vorbestimmten Stromwert anzunehmen, und wobei die Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) in Reihe geschaltet sind, um eine vorbestimmte elektrische Leistung zu erzielen.
  3. Photovoltaisches System zur Erzeugung elektrischer Energie nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Solarzellenmodul eine Solarzelle oder mehrere Solarzellen umfasst, wobei die Solarzellen monolithische, in Reihe geschaltete Solarzellen sind, welche integriert sind und gesteuert/geregelt werden, um eine vorbestimmte Ausgangsspannung zu erzielen oder integriert und gesteuert/geregelt werden, um einen vorbestimmten Ausgangsstromwert zu erzielen, und wobei jedes Solarzellenmodul mit einem Lastwiderstand und mit einem Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) versehen ist.
  4. Photovoltaisches System zur Erzeugung elektrischer Energie nach Anspruch 3, wobei das Solarzellenmodul eine Solarzelle oder mehrere Solarzellen beinhaltet, wobei die Solarzellen monolithische, in Reihe geschaltete Solarzellen sind, integriert und gesteuert/geregelt, um einen vorbestimmten Ausgangsspannungswert zu erzielen, oder integriert und gesteuert/geregelt, um einen vorbestimmten Ausgangsstromwert zu erzielen, und wobei jede Zelle jedes Modules mit einem Lastwiderstand und mit einem Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) versehen ist, welche einstückig mit der Zelle gebildet sind.
  5. Photovoltaisches System zur Erzeugung elektrischer Energie nach irgendeinem der Ansprüche 1, 3, 4, ferner aufweisend: Spannungsverminderungs-Wandler zusätzlich zu den Lastwiderständen und den Spannungserhöhungs-Wandlern (Boostern).
  6. Photovoltaisches System zur Erzeugung elektrischer Energie nach irgendeinem der Ansprüche 2, 3, 4, ferner umfassend: Spannungsverminderungs-Wandlerschaltungen zusätzlich zu den Lastwiderständen und den Spannungserhöhungs-Wandlern (Booster).
  7. Photovoltaisches System zur Erzeugung elektrischer Energie nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Solarzellenmodule mit gesammeltem Licht bestrahlt werden.
  8. Photovoltaisches System zur Erzeugung elektrischer Energie nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Solarzellenmodule und die Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) in einer Kühlvorrichtung angeordnet sind.
  9. Photovoltaisches System zur Erzeugung elektrischer Energie nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, ferner aufweisend: eine Steuerungs/Regelungsvorrichtung, die die Ausgangsspannung oder den Ausgangsstrom des Spannungserhöhungs-Wandlers (Boosters) rückkoppelt; und eine Kommunikationsvorrichtung, welche notwendige Information transportiert, wobei der Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) eine Steuerungs/Regelungsfunktion zum Steuern der Lastimpedanz aufweist, um so die Ausgangsleistung der Solarzellen zu maximieren.
  10. Photovoltaisches System zur Erzeugung elektrischer Energie nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Solarzellenmodule und die Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) in der Kühlvorrichtung platziert sind, und wobei die Kühlvorrichtung ein Kühlmittel in Durchführungen beinhaltet und mit einem Radiator versehen ist.
  11. Photovoltaisches System zur Erzeugung elektrischer Energie nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, wobei jedes Solarzellenmodul durch einen optisch transparenten Isolator komprimiert ist, und wobei das Modul, der Lastwiderstand und die Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) mit Drähten auf dem Isolator angeordnet sind.
  12. Photovoltaische Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, aufweisend: eine Mehrzahl von Solarzellenmodulen, von denen jedes eine unterschiedliche Bandlücke aufweist; Lastwiderstände, welche gesteuert/geregelt werden, um die Ausgänge der entsprechenden Solarzellenmodule zu maximieren; und Spannungserhöhungs-Wandler (Booster), welche die Ausgangsspannungen erhöhen, wobei eine Ausgangsspannung jedes Spannungserhöhungs-Wandlers (Boosters) gesteuert wird, um einen vorbestimmten Spannungswert anzunehmen, und wobei die Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) parallel geschaltet sind, um eine vorbestimmte elektrische Leistung zu erzielen.
  13. Photovoltaische Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, aufweisend: eine Mehrzahl von Solarzellenmodulen, von denen jedes eine unterschiedliche Bandlücke aufweist; Lastwiderstände, welche gesteuert/geregelt werden, um Ausgänge der entsprechenden Solarzellenmodule zu maximieren; und Spannungserhöhungs-Wandler (Booster), welche Ausgangsspannungen erhöhen, wobei ein Ausgangsstrom jedes Spannungserhöhungs-Wandlers (Boosters) gesteuert wird, um einen vorbestimmten Stromwert anzunehmen, wobei die Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) in Reihe geschaltet sind, um eine vorbestimmte elektrische Leistung zu erzielen.
  14. Photovoltaisches System zur Erzeugung elektrischer Energie nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11 oder die photovoltaische Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Solarzellenmodul eine Zelle mit einem p-n-Übergang beinhaltet.
  15. Photovoltaisches System zur Erzeugung elektrischer Energie nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11 oder die photovoltaische Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie nach irgendeinem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Solarzellenmodul Silizium und Siliziumcarbid beinhaltet.
  16. Photovoltaisches System zur Erzeugung elektrischer Energie nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11 oder die photovoltaische Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie nach irgendeinem der Ansprüche 12 bis 15, wobei das Solarzellenmodul Silizium und amorphes Silizium beinhaltet.
  17. Photovoltaisches System zur Erzeugung elektrischer Energie nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11 oder die photovoltaische Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie nach irgendeinem der Ansprüche 12 bis 16, wobei das Solarzellenmodul amorphes Silizium und Germanium beinhaltet.
  18. Photovoltaisches System zur Erzeugung elektrischer Energie nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11 oder die photovoltaische Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie nach irgendeinem der Ansprüche 12 bis 17, wobei das Solarzellenmodul eine farbstoffsensibilisierte Zelle beinhaltet.
  19. Verbindungs-Platineneinheit für das Solarzellenmodul in einer photovoltaischen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, welches Lastwiderstände beinhaltet, welche kontrolliert werden, um die Ausgänge von Solarzellenmodulen und Spannungserhöhungs-Wandler (Boostern), welche Ausgangsspannungen erhöhen, zu maximieren, wobei eine Ausgangsspannung jedes Spannungserhöhungs-Wandlers (Boosters) gesteuert/geregelt wird, um einen vorbestimmten Spannungswert anzunehmen, und die Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) parallel geschaltet sind, um eine vorbestimmte elektrische Leistung zu erzielen, wobei die Verbindungs-Platineneinheit für die Solarzellenmodule mindestens zwei Paare des Lastwiderstandes und des Spannungserhöhungs-Wandlers (Boosters) umfasst.
  20. Verbindungs-Platineneinheit für das Solarzellenmodul in einer photovoltaischen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, welches Lastwiderstände enthält, welche gesteuert/geregelt werden, um Ausgänge von Solarzellenmodulen zu maximieren, und Spannungserhöhungs-Wandler (Booster), welche Ausgangsspannungen erhöhen, wobei ein Ausgangsstrom jedes Spannungserhöhungs-Wandlers (Boosters) gesteuert/geregelt wird, um einen vorbestimmten Stromwert anzunehmen, und die Spannungserhöhungs-Wandler (Booster) in Reihe geschaltet sind, um eine vorbestimmte elektrische Leistung zu erzielen, wobei die Verbindungs-Platineneinheit für das Solarzellenmodul mindestens zwei Paare des Lastwiderstands und des Spannungserhöhungs-Wandlers (Boosters) umfasst.
  21. Verbindungs-Platineneinheit für das Solarzellenmodul nach Anspruch 19 oder 20, ferner aufweisend: einen Spannungsverminderungs-Wandler zusätzlich zu dem Lastwiderstand und dem Spannungserhöhungs-Wandler (Booster).
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