JP6010694B2 - Solar power generation system without bypass diode - Google Patents
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Description
(関連出願への相互参照)
本出願は、2012年7月6日に出願された、「PHOTOVOLTAIC POWER GENERATION SYSTEM FREE OF BYPASS DIODES」という題名の米国特許出願第13/543,297号に対して優先権を主張する。上記出願の全部は、参照することによって本明細書において援用される。
(Cross-reference to related applications)
This application claims priority to US patent application Ser. No. 13 / 543,297, filed July 6, 2012, entitled “PHOTOVOLTAIC POWER GENERATION SYSTEM FREE OF BYPASS DIODES”. All of the above applications are incorporated herein by reference.
(政府権利の声明)
本発明は、Sandia Corporationと米国エネルギー省との間の規約DE−AC04−94AL85000のもとで開発された。米国政府は、本発明に特定の権利を有する。
(Statement of government rights)
The present invention was developed under the contract DE-AC04-94AL85000 between the Sandia Corporation and the US Department of Energy. The US government has certain rights in the invention.
(背景)
電力を発生させるための化石燃料の利用とともに、そのような化石燃料の非再生可能な性質に関する環境懸念は、代替エネルギー源に対する需要を高めつつある。再生可能なエネルギー資源を利用する例示的電力システムとして、とりわけ、太陽光発電システム、風力発電システム、水力発電システム、地熱発電システムが挙げられる。
(background)
Along with the use of fossil fuels to generate electricity, environmental concerns regarding the non-renewable nature of such fossil fuels are increasing the demand for alternative energy sources. Exemplary power systems that utilize renewable energy resources include, among others, solar power systems, wind power systems, hydropower systems, and geothermal power systems.
従来の太陽光発電システムは、特に、電力を住居に提供するために利用されるものは、複数の比較的に大型のシリコン光電池(例えば、約6インチ×6インチ)を備える、ソーラーパネルを含む。例えば、単一ソーラーパネルは、約72個の電池を含むことができる。太陽電池は、太陽電池において受信される特定の波長の太陽放射の量にかかわらず、ほぼ一定である、ある電圧(例えば、シリコン電池の場合、0.6ボルト)を出力するように製造され、ソーラーパネルが約40ボルトを生産するように、ソーラーパネル内で直列に電気的に接続される。典型的住居用ソーラーシステムは、いくつかのソーラーパネル(例えば、5−10)を含み、パネルは、直列に電気的に接続され、それによって、数百個の電池が直列に電気的に接続され、集合的に、個々の電池の電圧の和にほぼ等しい電圧を出力する結果をもたらす。しかしながら、太陽電池およびパネルが、直列に電気的に配列されるとき、電流は、ソーラーパネルのそれぞれ内の電池のそれぞれにわたって等しくなければならないことに留意されたい。 Conventional photovoltaic systems, particularly those utilized to provide power to a residence, include a solar panel that includes a plurality of relatively large silicon photovoltaic cells (eg, about 6 inches × 6 inches). . For example, a single solar panel can include about 72 batteries. A solar cell is manufactured to output a certain voltage (eg, 0.6 volts for a silicon cell) that is approximately constant regardless of the amount of solar radiation of a particular wavelength received at the solar cell, It is electrically connected in series within the solar panel so that the solar panel produces about 40 volts. A typical residential solar system includes several solar panels (eg, 5-10), which are electrically connected in series, whereby hundreds of batteries are electrically connected in series. Collectively, the result is to output a voltage approximately equal to the sum of the voltages of the individual cells. However, it should be noted that when solar cells and panels are electrically arranged in series, the current must be equal across each of the cells within each of the solar panels.
光電池の電流は、電池に入射する光に比例するため、直列接続のうちの1個の電池が、低光レベルを受光する場合、直列接続全体が、低電流を有する。したがって、いくつかのソーラーパネルを含む、典型的太陽光発電システム構成は、1個の電池または電池の一部が低光レベル(例えば、影のため)を有するとき、深刻な電流減少(および、電力出力減少)を被り得る。多くの場合、太陽光発電システムが、住居または他の建物上に据え付けられるとき、木または他の障害物が、近傍に存在し得、故に、モジュールの少なくとも一部の影が、頻繁に生じ得る。 Since the current of the photovoltaic cell is proportional to the light incident on the cell, if one cell in the series connection receives a low light level, the entire series connection has a low current. Thus, a typical photovoltaic system configuration, including several solar panels, can cause severe current reduction (and when a battery or part of a battery has a low light level (eg, due to shadows) Power output reduction). In many cases, when a photovoltaic system is installed on a residence or other building, trees or other obstacles may be present in the vicinity, and thus shadows of at least some of the modules may occur frequently. .
影があるパターンで太陽光発電システムにわたって生じるとき、保護電気デバイスが設置されない限り、太陽電池は、深刻に損傷され得る。例えば、単一太陽電池が、障害物によって遮光され、太陽光発電システム内の全ての他の電池が照明される場合、単一電池は、他の電池によって発生される電流を支持するために逆方向絶縁破壊に駆動され得る。現在の太陽光発電設備では、電池電流は、約5アンペアであり、シリコン電池は、電池を生産するために使用される電池設計および製造技法に応じて、約60ボルト以上の絶縁破壊電圧を有する。絶縁破壊は、大型の電池にわたって均一プロセスではないため、比較的に大きな電流(5アンペア)および比較的に大きな電力(100ワット以上)は、短絡または開状態のいずれかにおいて、デバイスに故障を生じさせ、不適切な動作および恒久的損傷を電池、パネル、および/または設備に生じさせ得る。 When a shadowed pattern occurs across a photovoltaic system, the solar cell can be severely damaged unless a protective electrical device is installed. For example, if a single solar cell is shaded by an obstacle and all other cells in the photovoltaic system are illuminated, the single cell is reversed to support the current generated by the other cells. Can be driven to directional breakdown. In current photovoltaic installations, the battery current is about 5 amps, and silicon batteries have a breakdown voltage of about 60 volts or more, depending on the battery design and manufacturing technique used to produce the battery. . Since breakdown is not a uniform process across large batteries, a relatively large current (5 amperes) and a relatively large power (above 100 watts) will cause the device to fail in either a short circuit or open state. And cause improper operation and permanent damage to batteries, panels, and / or equipment.
太陽光発電設備内の光電池が、逆方向絶縁破壊に駆動されないように防止するために、バイパスダイオードが、電池にわたって選択的に位置付けられ、それによって、光電流を伴わない電池からの電流を迂回させ、そのような電池が絶縁破壊領域に入らないように防止する。しかしながら、バイパスダイオードの利用は、太陽光発電設備内の空間を消耗し、比較的に高価であり、ソーラーパネルの組立時間を増加させる。さらに、バイパスダイオードの使用は、各バイパスダイオードが、通常、パネル内の電池の3分の1を保護するため、過剰な電力生産損失をもたらし得る(例えば、通常、パネル内に3個のバイパスダイオードが存在する)。したがって、1個の電池が遮光される場合、バイパスダイオードによって被覆される電池の全てからの電力生産が、喪失されるであろう。 In order to prevent the photovoltaic cells in the photovoltaic installation from being driven by reverse breakdown, bypass diodes are selectively positioned across the cells, thereby diverting current from the cells without photocurrent. , Prevent such batteries from entering the breakdown region. However, the use of the bypass diode consumes space in the photovoltaic power generation facility, is relatively expensive, and increases the assembly time of the solar panel. In addition, the use of bypass diodes can result in excessive power production losses because each bypass diode typically protects one third of the cells in the panel (eg, typically three bypass diodes in the panel). Exist). Thus, if one battery is shaded, power production from all of the batteries covered by the bypass diode will be lost.
(要約)
以下は、本明細書により詳細に説明される、主題の簡単な概要である。本概要は、請求項の範囲に関する限定として意図されない。
(wrap up)
The following is a brief summary of the subject matter described in more detail herein. This summary is not intended as a limitation on the scope of the claims.
本明細書に説明されるのは、太陽光発電システムに関する種々の技術である。より具体的には、任意のバイパスダイオードがない太陽光発電システムが、本明細書に説明される。例示的実施形態では、太陽光発電システムは、複数の光起電サブモジュールから成る、少なくとも1個のソーラーパネル(また、モジュールとも称される)を含むことができる。各光起電サブモジュールは、50ボルト〜2000ボルトの動作電圧および複数のパネルを有することができ、したがって、並列に電気的に配列されることができる。ソーラーパネルの公称動作電圧は、概して、200ボルト〜500ボルトの範囲内であり、これは、米国では、現在の1日の規制限度が600ボルトであるため、実質的に、従来の市販のインバータに最適であるが、添付の請求項は、そのような規制限度によって限定されない。さらに、例示的実施形態では、光起電サブモジュールは、30cm未満の幅および30cm未満の長さであることができるが、他のサイズのサブモジュールも、想定される。ソーラーパネル内の光起電サブモジュールの並列配列は、特定のサブモジュールまたはサブモジュールのセットが影を被るとき、比較的に大量の電力がそのようなサブモジュールのうちの1つにわたって消散されないように防止することを促進する。 Described herein are various techniques related to photovoltaic systems. More specifically, a photovoltaic system without any bypass diode is described herein. In an exemplary embodiment, a photovoltaic system can include at least one solar panel (also referred to as a module) that consists of a plurality of photovoltaic sub-modules. Each photovoltaic sub-module can have an operating voltage between 50 volts and 2000 volts and a plurality of panels, and thus can be electrically arranged in parallel. The nominal operating voltage of solar panels is generally in the range of 200 volts to 500 volts, which is substantially lower than conventional commercial inverters in the United States because the current daily regulatory limit is 600 volts. However, the appended claims are not limited by such regulatory limits. Further, in an exemplary embodiment, the photovoltaic submodule can be less than 30 cm wide and less than 30 cm long, although other sized submodules are also envisioned. A parallel arrangement of photovoltaic sub-modules in a solar panel ensures that a relatively large amount of power is not dissipated across one of such sub-modules when a particular sub-module or set of sub-modules is shaded To prevent it.
別の例示的実施形態では、各光起電サブモジュールは、接続された電池の複数の群を備えることができ、各群は、2ボルト〜3ボルトを出力するように構成され、群の少なくともサブセットは、直列に電気的に接続される。光起電モジュール内の接続された電池の各群は、光電池の複数のストリングを備えることができ、光電池のストリングは、並列に電気的に接続される。各光電池のストリングは、直列に電気的に接続される、複数の光電池を含むことができる。ソーラーパネル内の光電池の本直列/並列/直列/並列配列は、その電池が偶然遮光される(一方、ソーラーパネル内の他の電池は、照明される)とき、比較的に大量の電流が任意の単一光電池を通して駆動されないように防止することを促進する。 In another exemplary embodiment, each photovoltaic sub-module can comprise a plurality of groups of connected batteries, each group configured to output 2 volts to 3 volts, and at least one of the groups The subsets are electrically connected in series. Each group of connected cells in the photovoltaic module can comprise a plurality of strings of photovoltaic cells, the strings of photovoltaic cells being electrically connected in parallel. Each photovoltaic string can include a plurality of photovoltaic cells electrically connected in series. This series / parallel / series / parallel arrangement of photovoltaic cells in a solar panel allows a relatively large amount of current to be arbitrary when the cell is accidentally shielded (while other cells in the solar panel are illuminated) To prevent it from being driven through a single photovoltaic cell.
ある実施例によると、ソーラーパネルを構築するために利用される光電池は、0.3ボルト〜2.0ボルトの動作電圧を有するように構成される、マイクロシステム対応光電池であることができる。所与のソーラーパネル内に含まれ得る比較的に多数の電池(例えば、30,000個を超える電池)のため、ソーラーパネル上のほぼ任意の潜在的影パターンに対して、単一電池にわたって消散され得る電力の量は、電池が逆方向絶縁破壊において動作している場合でも、任意の所与の電池に損傷を生じさせないであろう。故に、本明細書に説明されるソーラーパネルは、そのような電池のうちの1つ以上が逆方向絶縁破壊において動作しているとき、ソーラーパネル内の電池が損傷されないことを確実にするために従来採用されている、バイパスダイオードを含む必要がない。これは、本明細書に説明されるソーラーパネル内において、単一電池にわたる電力消散が、そのような電池が絶縁破壊にある場合でも、電池を損傷させるであろう閾値を超えないためである。すなわち、電池は、ソーラーパネル内の任意の電池に指向され得る電流の量が比較的に小さいため、損傷を持続することなく、無期限に逆方向絶縁破壊において動作し続けることができる。 According to one embodiment, the photovoltaic cell utilized to construct the solar panel can be a microsystem capable photovoltaic cell that is configured to have an operating voltage of 0.3 volts to 2.0 volts. Because of the relatively large number of cells that can be included in a given solar panel (eg, more than 30,000 cells), it dissipates across a single cell for almost any potential shadow pattern on the solar panel The amount of power that can be done will not cause damage to any given battery, even if the battery is operating in reverse breakdown. Therefore, the solar panels described herein are intended to ensure that the batteries in the solar panel are not damaged when one or more of such batteries are operating in reverse breakdown. There is no need to include a bypass diode, which is conventionally employed. This is because within the solar panels described herein, power dissipation across a single cell does not exceed a threshold that would damage the cell even if such a cell is at breakdown. That is, the battery can continue to operate in reverse breakdown indefinitely without sustaining damage because the amount of current that can be directed to any battery in the solar panel is relatively small.
前述のように、ソーラーパネル内の光電池は、マイクロシステム対応電池であることができる。ある実施例によると、そのような電池は、ガリウムヒ素電池、インジウムガリウムリン電池、またはインジウムガリウムヒ素電池等のIII−V電池であることができる。他の例示的実施形態では、光電池は、シリコン電池を備えることができる。さらに他の実施形態では、光電池は、ゲルマニウム光電池を備えることができる。さらに別の例示的実施形態によると、ソーラーパネルは、多接合光電池を備えることができ、各多接合光電池は、異なるバンドギャップの複数の光電池を備えることができる。ある実施例によると、多接合光電池内の各光電池は、多接合光電池の動作電圧が、その中の個別のマイクロシステム対応光電池の動作電圧の和に等しいように、直列に一体的に電気的に接続されることができる。別の例示的実施形態では、個々のタイプの光電池は、選択的に、直列および並列に配列されることができ、直列に電気的に配列されるいくつかの光電池は、所望の出力または中間電圧に依存し得る。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
(項目1)
光起電サブモジュールであって、
前記光起電サブモジュールは、相互に電気接続する複数のマイクロシステム対応光電池を備え、前記複数のマイクロシステム対応光電池内の各マイクロシステム対応光電池は、わずか2センチメートルの高さおよび2センチメートルの幅のサイズであり、前記光起電サブモジュールは、任意のバイパスダイオードがない、光起電サブモジュール。
(項目2)
第1の群をさらに備え、前記第1の群は、マイクロシステム対応光電池の第1のストリングおよびマイクロシステム対応光電池の第2のストリングを備え、前記マイクロシステム対応光電池の第1のストリング内の電池は、直列に電気的に接続され、前記マイクロシステム対応光電池の第2のストリング内の電池は、直列に電気的に接続され、前記第1のストリングおよび前記第2のストリングは、並列に電気的に接続される、項目1に記載の光起電サブモジュール。
(項目3)
第2の群をさらに備え、前記第2の群は、マイクロシステム対応光電池の第3のストリングおよびマイクロシステム対応光電池の第4のストリングを備え、前記マイクロシステム対応光電池の第3のストリング内の電池は、直列に電気的に接続され、前記マイクロシステム対応光電池の第4のストリング内の電池は、直列に電気的に接続され、前記第3のストリングおよび前記第4のストリングは、並列に電気的に接続され、前記第1の群は、前記第2の群と直列に電気的に連結される、項目2に記載の光起電サブモジュール。
(項目4)
500ボルト〜2000ボルトを出力する、項目1に記載の光起電サブモジュール。
(項目5)
第1の群をさらに備え、前記第1の群は、
マイクロシステム対応光電池の第1のストリングと、
マイクロシステム対応光電池の第2のストリングであって、前記マイクロシステム対応光電池の第1のストリング内の電池は、直列に電気的に接続され、前記マイクロシステム対応光電池の第2のストリング内の電池は、直列に電気的に接続される、第2のストリングと、
前記マイクロシステム対応光電池の第1のストリングおよび前記マイクロシステム対応光電池の第2のストリングに電気的に接続された電力管理集積回路であって、前記電力管理集積回路は、少なくとも部分的に、前記マイクロシステム対応光電池の第1のストリングおよび前記マイクロシステム対応光電池の第2のストリングによって出力される電圧に基づいて、所定の量の電力を出力し、外部動作条件またはシステム動作コマンドに基づいて、動的に調節可能である、電力管理集積回路と
を備える、項目1に記載の光起電サブモジュール。
(項目6)
30センチメートル未満の長さおよび30センチメートル未満の幅である、項目1に記載の光起電サブモジュール。
(項目7)
前記複数の光電池のうちの少なくとも1個の光電池は、前記少なくとも1個の光電池の裏側に、正および負両方の電気接点を有する、項目1に記載の光起電サブモジュール。
(項目8)
前記複数のマイクロシステム対応電池は、InGaP電池またはInGaAs電池のうちの少なくとも1つを備える、項目1に記載の光起電サブモジュール。
(項目9)
前記複数のマイクロシステム対応電池は、GaAs電池を備える、項目1に記載の光起電サブモジュール。
(項目10)
前記複数のマイクロシステム対応電池は、Ge電池およびSi電池のうちの少なくとも1つを備える、項目1に記載の光起電サブモジュール。
(項目11)
複数の多接合電池はそれぞれ、前記複数の光電池を備える、項目1に記載の光起電サブモジュール。
(項目12)
ソーラーパネルによって構成される、項目1に記載の光起電サブモジュール。
(項目13)
前記ソーラーパネルは、任意のバイパスダイオードがない、項目12に記載の光起電サブモジュール。
(項目14)
前記ソーラーパネルは、非平面である、項目13に記載の光起電サブモジュール。
(項目15)
ソーラーパネルであって、前記ソーラーパネルは、
第1の光起電サブモジュールであって、前記第1の光起電サブモジュールは、第1の複数の光電池を備える、第1の光起電サブモジュールと、
第2の光起電サブモジュールであって、前記第2の光起電サブモジュールは、第2の複数の光電池を備え、前記第1の光起電サブモジュールおよび前記第2の光起電サブモジュールは、並列に電気的に接続され、前記ソーラーパネルは、任意のバイパスダイオードがない、第2の光起電サブモジュールと
を備える、ソーラーパネル。
(項目16)
200ボルト〜600ボルトを出力するように構成される、項目15に記載のソーラーパネル。
(項目17)
前記第1の光起電サブモジュールは、30センチメートル未満の長さおよび30センチメートル未満の高さである、項目15に記載のソーラーパネル。
(項目18)
前記第1の光起電サブモジュールは、
第1の光電池群を備え、前記第1の光電池群は、
マイクロシステム対応光電池の第1のストリングと、
マイクロシステム対応光電池の第2のストリングであって、前記マイクロシステム対応光電池の第1のストリング内の電池は、直列に電気的に接続され、前記マイクロシステム対応光電池の第2のストリング内の電池は、直列に電気的に接続され、前記マイクロシステム対応光電池の第1のストリングおよび前記マイクロシステム対応光電池の第2のストリングは、並列に電気的に接続される、第2のストリングと
を備える、項目15に記載のソーラーパネル。
(項目19)
複数の多接合光電池は、前記マイクロシステム対応光電池の第1のストリングおよび前記マイクロシステム対応光電池の第2のストリングを備える、項目18に記載のソーラーパネル。
(項目20)
ソーラーパネルであって、前記ソーラーパネルは、
複数の光起電サブモジュールを備え、前記複数の光起電サブモジュールは、相互に並列に電気的に接続され、各光起電サブモジュールは、相互に直列に電気的に接続される複数のIII−V光電池または相互に直列に電気的に接続される複数のシリコン電池のうちの少なくとも1つを備え、前記ソーラーパネルは、任意のバイパスダイオードがない、ソーラーパネル。
As described above, the photovoltaic cell in the solar panel can be a microsystem compatible battery. According to certain embodiments, such a battery can be a III-V battery, such as a gallium arsenide battery, an indium gallium phosphide battery, or an indium gallium arsenide battery. In other exemplary embodiments, the photovoltaic cell can comprise a silicon cell. In still other embodiments, the photovoltaic cell can comprise a germanium photovoltaic cell. According to yet another exemplary embodiment, the solar panel can comprise a multi-junction photovoltaic cell, and each multi-junction photovoltaic cell can comprise a plurality of photovoltaic cells of different band gaps. According to one embodiment, each photovoltaic cell in the multi-junction photovoltaic cell is electrically connected integrally in series such that the operating voltage of the multi-junction photovoltaic cell is equal to the sum of the operating voltages of the individual microsystem-capable photovoltaic cells therein. Can be connected. In another exemplary embodiment, the individual types of photovoltaic cells can optionally be arranged in series and in parallel, with some photovoltaic cells arranged in series having a desired output or intermediate voltage. Can depend on.
This specification also provides the following items, for example.
(Item 1)
A photovoltaic sub-module,
The photovoltaic sub-module comprises a plurality of microsystem-compatible photovoltaic cells that are electrically connected to each other, each microsystem-compatible photovoltaic cell within the plurality of microsystem-compatible photovoltaic cells being only 2 centimeters high and 2 centimeters A photovoltaic sub-module that is the size of the width and the photovoltaic sub-module is free of any bypass diodes.
(Item 2)
The first group further comprises a first string of microsystem-capable photovoltaic cells and a second string of microsystem-capable photovoltaic cells, the cells in the first string of microsystem-capable photovoltaic cells. Are electrically connected in series, the cells in the second string of microsystem-compatible photovoltaic cells are electrically connected in series, and the first string and the second string are electrically connected in parallel. The photovoltaic sub-module according to item 1, wherein the photovoltaic sub-module is connected to.
(Item 3)
A second group, the second group comprising a third string of microsystem-capable photovoltaic cells and a fourth string of microsystem-capable photovoltaic cells, wherein the cells in the third string of the microsystem-capable photovoltaic cells Are electrically connected in series, the cells in the fourth string of microsystem-compatible photovoltaic cells are electrically connected in series, and the third string and the fourth string are electrically connected in parallel. The photovoltaic sub-module of claim 2, wherein the first group is electrically coupled in series with the second group.
(Item 4)
The photovoltaic submodule according to item 1, wherein the photovoltaic submodule outputs 500 volts to 2000 volts.
(Item 5)
And further comprising a first group, wherein the first group comprises:
A first string of microsystem compatible photovoltaic cells;
A second string of microsystem-compatible photovoltaic cells, wherein the cells in the first string of microsystem-compatible photovoltaic cells are electrically connected in series, and the batteries in the second string of microsystem-compatible photovoltaic cells are A second string electrically connected in series;
A power management integrated circuit electrically connected to a first string of microsystem-compatible photovoltaic cells and a second string of microsystem-compatible photovoltaic cells, wherein the power management integrated circuit is at least partially Based on the voltage output by the first string of system enabled photovoltaic cells and the second string of said microsystem enabled photovoltaic cells, outputs a predetermined amount of power and dynamically based on external operating conditions or system operating commands Power management integrated circuit, which is adjustable to
The photovoltaic submodule according to item 1, comprising:
(Item 6)
The photovoltaic sub-module of item 1, wherein the photovoltaic sub-module is less than 30 centimeters long and less than 30 centimeters wide.
(Item 7)
The photovoltaic submodule according to item 1, wherein at least one photovoltaic cell of the plurality of photovoltaic cells has both positive and negative electrical contacts on a back side of the at least one photovoltaic cell.
(Item 8)
The photovoltaic submodule according to item 1, wherein the plurality of microsystem compatible batteries include at least one of an InGaP battery or an InGaAs battery.
(Item 9)
The photovoltaic submodule according to item 1, wherein the plurality of microsystem-compatible batteries comprise GaAs batteries.
(Item 10)
The photovoltaic submodule according to item 1, wherein the plurality of microsystem-compatible batteries include at least one of a Ge battery and a Si battery.
(Item 11)
The photovoltaic submodule according to item 1, wherein each of the plurality of multi-junction batteries includes the plurality of photovoltaic cells.
(Item 12)
Item 2. The photovoltaic submodule of item 1, comprising a solar panel.
(Item 13)
13. The photovoltaic submodule of item 12, wherein the solar panel is free of any bypass diode.
(Item 14)
14. The photovoltaic submodule of item 13, wherein the solar panel is non-planar.
(Item 15)
A solar panel, the solar panel
A first photovoltaic submodule, wherein the first photovoltaic submodule comprises a first plurality of photovoltaic cells;
A second photovoltaic sub-module, wherein the second photovoltaic sub-module comprises a second plurality of photovoltaic cells, the first photovoltaic sub-module and the second photovoltaic sub-module The modules are electrically connected in parallel, and the solar panel is connected to a second photovoltaic sub-module, without any bypass diodes
A solar panel.
(Item 16)
Item 16. The solar panel of item 15, configured to output 200 volts to 600 volts.
(Item 17)
16. The solar panel of item 15, wherein the first photovoltaic sub-module is less than 30 centimeters long and less than 30 centimeters high.
(Item 18)
The first photovoltaic submodule is:
A first photovoltaic cell group, wherein the first photovoltaic cell group comprises:
A first string of microsystem compatible photovoltaic cells;
A second string of microsystem-capable photovoltaic cells, wherein the cells in the first string of microsystem-capable photovoltaic cells are electrically connected in series, and the cells in the second string of microsystem-capable photovoltaic cells are A first string of the microsystem capable photovoltaic cells and a second string of the microsystem capable photovoltaic cells electrically connected in series, and a second string electrically connected in parallel;
The solar panel according to item 15, comprising:
(Item 19)
19. The solar panel of item 18, wherein a plurality of multi-junction photovoltaic cells comprises a first string of the microsystem capable photovoltaic cells and a second string of the microsystem capable photovoltaic cells.
(Item 20)
A solar panel, the solar panel
A plurality of photovoltaic submodules, wherein the plurality of photovoltaic submodules are electrically connected in parallel with each other, and each photovoltaic submodule is electrically connected in series with each other. A solar panel comprising at least one of a III-V photovoltaic cell or a plurality of silicon cells electrically connected in series with each other, the solar panel being free of any bypass diodes.
他の側面も、添付の図および説明の熟読および理解によって理解されるであろう。 Other aspects will be appreciated upon reading and understanding of the accompanying figures and descriptions.
(詳細な説明)
ここで太陽光発電システムに関する種々の技術が、図面を参照して説明されるが、類似参照番号は、全体を通して、類似要素を表す。加えて、本明細書で使用されるように、用語「例示的」は、何らかの例証または実施例としての役割を果たすことを意味することを意図し、選好を示すことを意図するものではない。
(Detailed explanation)
Various techniques related to photovoltaic systems will now be described with reference to the drawings, wherein like reference numerals represent like elements throughout. In addition, as used herein, the term “exemplary” is intended to mean serving as an illustration or example and is not intended to indicate a preference.
ここで図1を参照すると、任意のバイパスダイオードがない例示的ソーラーパネル100が、図示される。例示的実施形態では、ソーラーパネル100は、1メートル〜2メートルの長さおよび0.5メートル〜1.5メートルの幅であることができる。さらに、ソーラーパネル100は、200ボルト〜300ボルトを出力するように構成されるが、他の実施形態では、ソーラーパネル100は、最大2000ボルトを出力するように構成されることができる。特定の実施例によると、ソーラーパネル100は、240ボルトを出力するように構成されることができる。しかしながら、当業者によって理解されるであろうように、ソーラーパネル100によって出力され得る電圧の量は、ソーラーパネル100が採用される用途に依存し得、200〜300ボルトの範囲を上回るまたは下回り得る。 Referring now to FIG. 1, an exemplary solar panel 100 without any bypass diode is illustrated. In an exemplary embodiment, the solar panel 100 can be 1 meter to 2 meters long and 0.5 meters to 1.5 meters wide. Furthermore, although the solar panel 100 is configured to output 200 volts to 300 volts, in other embodiments, the solar panel 100 can be configured to output up to 2000 volts. According to a particular embodiment, the solar panel 100 can be configured to output 240 volts. However, as will be appreciated by those skilled in the art, the amount of voltage that can be output by the solar panel 100 may depend on the application in which the solar panel 100 is employed and may be above or below the range of 200-300 volts. .
ソーラーパネル100は、複数の光起電サブモジュール102−148を備える。ソーラーパネル100は、24個の光起電サブモジュールを含むように示されるが、ソーラーパネル100は、ソーラーパネル100が採用される用途、ソーラーパネル100を取り付けるために利用可能な空間量、ならびにソーラーパネル100内の光起電サブモジュール102−148の配列に応じて、より多いまたは少ない光起電サブモジュールを含んでもよいことを理解されたい。 The solar panel 100 includes a plurality of photovoltaic submodules 102-148. Although the solar panel 100 is shown to include 24 photovoltaic submodules, the solar panel 100 can be used in applications where the solar panel 100 is employed, the amount of space available for mounting the solar panel 100, and solar. It should be understood that more or fewer photovoltaic submodules may be included depending on the arrangement of photovoltaic submodules 102-148 within panel 100.
例示的実施形態では、光起電サブモジュール102−148は、相互に並列に電気的に接続されることができる。したがって、光起電サブモジュールはそれぞれ、ほぼ同一の電圧(例えば、200〜600ボルト)を出力することができる。別の例示的実施形態では、光起電サブモジュール102−148はそれぞれ、並列に電気的に接続されるのではなく、光起電サブモジュール102−148の少なくともサブセットは、電力管理集積回路に接続されることができ、そのような集積回路は、そこに電気的に接続される光起電サブモジュール102−148のサブセットから生産される電力から生じる、所望の電圧および/または電流レベルを出力するように構成されることができる。例えば、ソーラーパネル100は、光起電サブモジュール102−148のそれぞれに直接接続される、単一集積回路を含むことができる。電力管理集積回路は、次いで、最終電力量が、所定の所望のレベル(電圧および電流)となるようにソーラーパネル100によって出力させることができる。別の例示的配列では、光起電サブモジュールのサブセットは、並列に連結されることができ、そのようなサブセットは、電力管理集積回路に接続されることができる。例えば、光起電サブモジュールの第1のサブセットは、並列に電気的に接続され得る、光起電サブモジュール102、104、106、および108を含むことができる。同様に、光起電サブモジュールの第2のサブセットは、並列に電気的に接続され得る、光起電サブモジュール110、112、114、および116を含むことができる。光起電サブモジュールの第1のサブセットおよび光起電サブモジュールの第2のサブセットは、次いで、電力管理を行い、所望の量の電力をソーラーパネル100によって出力させる、集積回路に接続されてもよい。他の配列もまた、想定され、添付の請求項の範囲内にあると意図される。 In the exemplary embodiment, photovoltaic sub-modules 102-148 can be electrically connected in parallel with each other. Thus, each of the photovoltaic submodules can output substantially the same voltage (eg, 200-600 volts). In another exemplary embodiment, the photovoltaic submodules 102-148 are not each electrically connected in parallel, but at least a subset of the photovoltaic submodules 102-148 are connected to the power management integrated circuit Such an integrated circuit outputs a desired voltage and / or current level resulting from power produced from a subset of photovoltaic sub-modules 102-148 electrically connected thereto. Can be configured as follows. For example, the solar panel 100 can include a single integrated circuit that is directly connected to each of the photovoltaic sub-modules 102-148. The power management integrated circuit can then be output by the solar panel 100 such that the final amount of power is at a predetermined desired level (voltage and current). In another exemplary arrangement, subsets of photovoltaic sub-modules can be coupled in parallel, and such subsets can be connected to a power management integrated circuit. For example, a first subset of photovoltaic sub-modules can include photovoltaic sub-modules 102, 104, 106, and 108 that can be electrically connected in parallel. Similarly, the second subset of photovoltaic sub-modules can include photovoltaic sub-modules 110, 112, 114, and 116 that can be electrically connected in parallel. The first subset of photovoltaic submodules and the second subset of photovoltaic submodules may then be connected to an integrated circuit that performs power management and causes the solar panel 100 to output a desired amount of power. Good. Other arrangements are also envisioned and are intended to be within the scope of the appended claims.
並列におけるソーラーパネル100内の光起電サブモジュール102−148の少なくともいくつかの配列は、光起電サブモジュール内の1つ以上の光電池が逆方向絶縁破壊において動作しているとき、光起電サブモジュール(または、その中の電池)のいずれかが損傷される潜在性を効果的に低下させる。光起電サブモジュール102−148の少なくともいくつかは、並列に電気的に配列されるため、光起電サブモジュール102−148のうちの少なくとも1つが遮光されるとき、モジュール間の電流整合は、生じる必要がない。これは、光起電サブモジュールの任意の1つにわたって消散され得る電力の量を効果的に削減し、それによって、そのようなサブモジュールの少なくとも一部が遮光されるとき、ソーラーパネル100内の光起電サブモジュールへの損傷のリスクを低下させる。故に、ソーラーパネル100は、バイパスダイオードを欠いている。 At least some arrangements of photovoltaic sub-modules 102-148 in solar panel 100 in parallel can be used when one or more photovoltaic cells in the photovoltaic sub-module are operating in reverse breakdown. Effectively reduces the potential for damage to any of the submodules (or batteries therein). Since at least some of the photovoltaic submodules 102-148 are electrically arranged in parallel, when at least one of the photovoltaic submodules 102-148 is shielded, current matching between the modules is There is no need to occur. This effectively reduces the amount of power that can be dissipated across any one of the photovoltaic sub-modules, so that at least a portion of such sub-modules are shielded from light in the solar panel 100. Reduce the risk of damage to the photovoltaic submodule. Therefore, the solar panel 100 lacks a bypass diode.
ここで図2を参照すると、ソーラーパネル100内に含まれ得る、例示的光起電サブモジュール200が、図示される。ある実施例によると、光起電サブモジュール200のサイズは、10センチメートル〜30センチメートルの長さおよび10センチメートル〜30センチメートルの幅であることができる。光起電サブモジュール200は、電気的に接続された光電池の複数の群202−240を備え、群202−240は、直列に電気的に接続される。光起電サブモジュール200は、20個の群を含むように示されるが、光起電サブモジュール200内の群の数および配列は、光起電サブモジュール200によって出力される所望の電圧に依存し得ることを理解されたい。さらに、光起電サブモジュール200は、ソーラーパネルの限定的物理的サブ要素であるように示されるが、光起電サブモジュールは、ソーラーパネル内の電池を接続するために採用される回路によって画定され得ることを理解されたい。両配列は、添付の請求項の範囲内にあると意図される。 Referring now to FIG. 2, an exemplary photovoltaic submodule 200 that can be included within the solar panel 100 is illustrated. According to one embodiment, the size of the photovoltaic sub-module 200 can be 10 centimeters to 30 centimeters long and 10 centimeters to 30 centimeters wide. The photovoltaic sub-module 200 comprises a plurality of electrically connected photovoltaic cell groups 202-240, which are electrically connected in series. Although the photovoltaic submodule 200 is shown to include 20 groups, the number and arrangement of groups within the photovoltaic submodule 200 depends on the desired voltage output by the photovoltaic submodule 200. Please understand that you can. Furthermore, although the photovoltaic submodule 200 is shown to be a limited physical subelement of a solar panel, the photovoltaic submodule is defined by the circuitry employed to connect the cells in the solar panel. It should be understood that this can be done. Both arrangements are intended to be within the scope of the appended claims.
ある実施例によると、光起電サブモジュール200は、約100個の群を備えることができ、群はそれぞれ、一貫した電圧、例えば、約2.4ボルトを出力するように構成される。そのような実施例では、光起電サブモジュール200の所望の出力は、約240ボルトである。さらに、本明細書の実施例に示されるように、群のいくつかは、並列に接続されてもよい。例えば、光起電サブモジュール200は、直列に接続される第1の複数の群および直列に接続される第2の複数の群を備えることができ、第1の複数の群および第2の複数の群は、並列に接続される。 According to one embodiment, the photovoltaic sub-module 200 can comprise about 100 groups, each of which is configured to output a consistent voltage, eg, about 2.4 volts. In such an embodiment, the desired output of the photovoltaic submodule 200 is about 240 volts. Further, as shown in the examples herein, some of the groups may be connected in parallel. For example, the photovoltaic sub-module 200 can comprise a first plurality of groups connected in series and a second plurality of groups connected in series, the first plurality of groups and the second plurality of groups. Are connected in parallel.
前述の実施例では、群202−240はそれぞれ、約2.4ボルトを出力するように構成される。群202−240のサブセットが、光起電サブモジュール200内で遮光される場合でも、電圧出力が、それによって、比較的に低く、かつ群202−240を通して通過する電流が、比較的に低い(約数ミリアンペア)ため、群内の個々の電池が、逆方向絶縁破壊において動作しても、そのような群202−240(または、その中の電池)に損傷を被らせるには不十分な電力が群202−240にわたって消散される。故に、光起電サブモジュール200は、群202−240のいずれかに接続される任意のバイパスダイオードを含む必要はない。 In the foregoing embodiment, groups 202-240 are each configured to output approximately 2.4 volts. Even if a subset of groups 202-240 are shielded in photovoltaic submodule 200, the voltage output is thereby relatively low and the current passing through groups 202-240 is relatively low ( Therefore, even if individual cells in a group operate in reverse breakdown, it is not sufficient to damage such a group 202-240 (or the cells therein) Power is dissipated across groups 202-240. Thus, the photovoltaic submodule 200 need not include any bypass diodes connected to any of the groups 202-240.
ここで図3を参照すると、光起電サブモジュール200内の群202−240のうちの1つとして含まれ得る、例示的群300が、図示される。群300は、複数の光電池302−332を備える。ある実施例によると、光電池302−332は、マイクロ加工概念を使用して構築される、比較的に薄く(1.0〜50マイクロメートル厚)、小型の(側方に50マイクロメートル〜10ミリメートル)光電池である、マイクロシステム対応光電池であることができる。別の実施例では、光電池は、2センチメートルの長さ×2センチメートルの幅未満であることができる。例えば、参照することによって本明細書に組み込まれる、以下の参考文献は、マイクロ加工技法を使用して多数の光電池を備える、光起電モジュールの構築を説明する:Nielson, et al., “Microscale C−SI (C) PV Cells for Low−Cost Power”, 34th IEEE Photovoltaic Specialist Conference, June 7−10 2009, Philadelphia, PA, 978−1−4244−2950/90、およびNielson, et al., “Microscale PV Cells for Concentrated PV Applications,” 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference, September 21−25, 2009, Hamburg, Germany 3−936338−25−6。概略すると、そのような参考文献は、統合されたマイクロ光学レンズを伴う、ある太陽光集光システムについて説明しており、さらに、10%を超える効率で、シリコン(Si)およびガリウムヒ素(GaAs)中でエピタキシャルリフトオフ法を使用して加工された比較的に薄い電池について説明している。 Referring now to FIG. 3, an exemplary group 300 that may be included as one of the groups 202-240 within the photovoltaic submodule 200 is illustrated. Group 300 includes a plurality of photovoltaic cells 302-332. According to one embodiment, the photovoltaic cells 302-332 are constructed using a microfabrication concept and are relatively thin (1.0-50 micrometers thick) and small (50 micrometers to 10 millimeters on the side). ) Photocells can be microsystem compatible photovoltaic cells. In another example, the photovoltaic cell can be less than 2 centimeters long by 2 centimeters wide. For example, the following references, incorporated herein by reference, describe the construction of photovoltaic modules comprising a large number of photovoltaic cells using microfabrication techniques: Nielson, et al. , “Microscale C-SI (C) PV Cells for Low-Cost Power”, 34 th IEEE Photovoltaic Conference, June 7-10 2009, Philadelphia, PA, 978-1904, et al. . , “Microscale PV Cells for Concentrated PV Applications,” 24 th European Photovoltaic Solar Energy Conference, September 21-25, 2009, Hamburg 38, Hamburg 63, Hamburg 63, Hamburg 63, Hamburg 63 In summary, such references describe certain solar light collection systems with integrated micro-optic lenses, and with silicon (Si) and gallium arsenide (GaAs) with an efficiency of over 10%. A relatively thin battery fabricated using the epitaxial lift-off method is described therein.
故に、光電池302−332は、Si電池、GaAs電池、および/またはインジウムガリウムリン(Phosphide)(InGaP)電池である、またはそれを含むことができる。したがって、光電池302−332のうちの少なくとも1つは、III−V光電池であることができることを理解されたい。加えて、または代替として、光電池302−332は、少なくとも1個のゲルマニウム(Ge)光電池を含むことができる。なおもさらに、光電池302−332は、異なるバンドギャップを伴う異なるタイプの光電池の層を含む、多接合電池であることができる、またはその中に含まれてもよい。その間の誘電層に対して異質に統合する(例えば、垂直に積層する)異なる電池タイプは、高性能多接合電池をもたらすことができ、光起電パネルの設計者は、モノリシック電池の格子整合および直列接続制約から解放される。 Thus, the photovoltaic cells 302-332 can be or include a Si cell, a GaAs cell, and / or an indium gallium phosphide (InGaP) cell. Thus, it should be understood that at least one of the photovoltaic cells 302-332 can be a III-V photovoltaic cell. Additionally or alternatively, the photovoltaic cells 302-332 can include at least one germanium (Ge) photovoltaic cell. Still further, the photovoltaic cells 302-332 can be or be included in a multi-junction cell that includes layers of different types of photovoltaic cells with different band gaps. Different battery types that integrate heterogeneously (eg, vertically stacked) with respect to the dielectric layers in between can provide high performance multi-junction batteries, and photovoltaic panel designers can achieve monolithic battery lattice matching and Freed from serial connection constraints.
例示的実施形態では、光電池302−332はそれぞれ、多接合電池であることができ、多接合電池毎に、層が、一体的に接続される。これは、比較的に少量の空間内で直列に電気的に接続される光電池のストリングを効果的に作成する。別の例示的実施形態では、本明細書に示されるように、多接合電池内の電池は、一体的に接続されなくてもよい。さらに別の例示的実施形態では、光電池302−332は、同一のタイプ(シリコン)であることができる。光電池の他の配列もまた、想定される。 In the exemplary embodiment, each of the photovoltaic cells 302-332 can be a multi-junction cell, and the layers are connected together for each multi-junction cell. This effectively creates a string of photovoltaic cells that are electrically connected in series in a relatively small amount of space. In another exemplary embodiment, as shown herein, the batteries in a multi-junction battery may not be connected together. In yet another exemplary embodiment, the photovoltaic cells 302-332 can be of the same type (silicon). Other arrangements of photovoltaic cells are also envisioned.
例示的実施形態では、サブモジュール300は、第1の光電池のストリング334、第2の光電池のストリング336、第3の光電池のストリング338、および第4の光電池のストリング340を備えることができる。第1の光電池のストリング334は、直列に電気的に接続される光電池302−308を備える。同様に、第2の光電池のストリング336は、直列に電気的に接続される光電池310−316を備える。第3の光電池のストリング338は、直列に電気的に接続される光電池318−324を備え、第4の光電池のストリング340は、直列に電気的に接続される光電池326−332を備える。第1の光電池のストリング334、第2の光電池のストリング336、第3の光電池のストリング338、および第4の光電池のストリング340は、並列に電気的に接続される。 In the exemplary embodiment, the sub-module 300 may comprise a first photovoltaic string 334, a second photovoltaic string 336, a third photovoltaic string 338, and a fourth photovoltaic string 340. The first photovoltaic string 334 includes photovoltaic cells 302-308 that are electrically connected in series. Similarly, the second photovoltaic string 336 comprises photovoltaic cells 310-316 that are electrically connected in series. The third photovoltaic string 338 includes photovoltaic cells 318-324 that are electrically connected in series, and the fourth photovoltaic string 340 includes photovoltaic cells 326-332 that are electrically connected in series. The first photovoltaic string 334, the second photovoltaic string 336, the third photovoltaic string 338, and the fourth photovoltaic string 340 are electrically connected in parallel.
当業者によって理解されるであろうように、異なるタイプの光電池は、異なる動作電圧を有する。例えば、光電池302−332が、Ge電池である場合、動作電圧は、約0.3ボルトであってもよい。光電池302−332が、Si電池である場合、動作電圧は、約0.6ボルトであってもよい。光電池302−332が、GaAs電池である場合、動作電圧は、約0.9ボルトであってもよく、光電池302−332が、InGaP電池である場合、動作電圧は、約1.3ボルトであってもよい。ある実施例によると、光電池302−332は、Si電池であることができる。そのような実施例では、光電池のストリング334−340はそれぞれ、出力約2.4ボルト(コモン電圧)を出力し、したがって、群300の出力は、約2.4ボルトである。この場合、ストリング334、336、338、および340は、異なる電池タイプに対して、異なる数の電池を有し、コモン電圧に近似させる。例えば、例示的実施形態では、第1の光電池のストリング334は、8個のゲルマニウム電池(8x0.3=2.4)を含むことができ、第2の光電池のストリング336は、4個のシリコン電池(4x0.6=2.4)を含むことができ、第3の光電池のストリング338は、3個のGaAs電池(3x0.9=2.7)を含むことができ、第4の光電池のストリング340は、2個のInGaP電池(2x1.3=2.6)を含むことができる。わずかな電圧不整合は、容認可能であり、所望に応じて、より多い数の電池およびより高い電圧が、より精密な電圧整合を提供するために使用されることができる。前述の別の実施形態では、電力管理回路は、独立して、異なる電池タイプの直列接続によって発生される電圧をコモン電圧にブーストするために使用されることができる。ソーラーパネル100の所望の出力が、約240ボルトである場合、光起電サブモジュール200は、直列に電気的に接続される100個の群300を含むことができる。したがって、ソーラーパネル100内の各サブモジュール102−148は、約240ボルトを出力し、ソーラーパネル100の出力は、したがって、約240ボルトである。 As will be appreciated by those skilled in the art, different types of photovoltaic cells have different operating voltages. For example, if the photovoltaic cells 302-332 are Ge cells, the operating voltage may be about 0.3 volts. If the photovoltaic cells 302-332 are Si cells, the operating voltage may be about 0.6 volts. If the photovoltaic cells 302-332 are GaAs cells, the operating voltage may be about 0.9 volts, and if the photovoltaic cells 302-332 are InGaP cells, the operating voltage is about 1.3 volts. May be. According to one embodiment, the photovoltaic cells 302-332 can be Si cells. In such an embodiment, each of the photovoltaic strings 334-340 outputs an output of about 2.4 volts (common voltage), and thus the output of the group 300 is about 2.4 volts. In this case, strings 334, 336, 338, and 340 have different numbers of batteries for different battery types and approximate the common voltage. For example, in an exemplary embodiment, the first photovoltaic cell string 334 may include eight germanium cells (8 × 0.3 = 2.4), and the second photovoltaic cell string 336 includes four silicon cells. The third photovoltaic cell string 338 can include three GaAs cells (3 × 0.9 = 2.7), and the fourth photovoltaic cell's string 338 can include four cells (4 × 0.6 = 2.4). The string 340 can include two InGaP batteries (2 × 1.3 = 2.6). Slight voltage mismatch is acceptable and, if desired, a greater number of batteries and higher voltages can be used to provide a more precise voltage match. In another embodiment described above, the power management circuit can be used independently to boost the voltage generated by the series connection of different battery types to a common voltage. If the desired output of the solar panel 100 is approximately 240 volts, the photovoltaic sub-module 200 can include 100 groups 300 that are electrically connected in series. Thus, each sub-module 102-148 in the solar panel 100 outputs approximately 240 volts, and the output of the solar panel 100 is therefore approximately 240 volts.
本実施例を使用すると、ソーラーパネル100は、38,400個の電池を含む。ソーラーパネル100の全体が照明されると、群のそれぞれ内の光電池302−332は、4ミリワットの電力を発生させる。マイクロシステム対応光電池の場合、単一電池にわたる電力約100ミリワットは、そのような電池が逆方向絶縁破壊において動作している場合でも、損傷させない。100ミリワットを超える電力は、本明細書に説明されるように、直列に/並列/直列/並列におけるソーラーパネル内の光電池、サブモジュール、およびモジュールの選択的配列のため、単一電池にわたって生じる可能性は低い。そのような例示的配列およびマイクロシステム対応光電池の利用を前提として、前述の光電池から成るソーラーパネルは、ソーラーパネルの一部が影を被るときでも、個々の電池が損傷される可能性がないため、任意のバイパスダイオードをなくすことができることは、容易に明白である。 Using this embodiment, the solar panel 100 includes 38,400 batteries. When the entire solar panel 100 is illuminated, the photovoltaic cells 302-332 in each of the groups generate 4 milliwatts of power. For microsystem capable photovoltaic cells, about 100 milliwatts of power across a single cell will not be damaged even if such a cell is operating in reverse breakdown. Power above 100 milliwatts can occur across a single cell due to the selective arrangement of photovoltaic cells, submodules, and modules in a solar panel in series / parallel / series / parallel as described herein The nature is low. Given such an exemplary arrangement and the use of microsystem-compatible photovoltaic cells, solar panels comprised of the aforementioned photovoltaic cells are not susceptible to damage to individual cells even when a portion of the solar panel is shaded. It is readily apparent that any bypass diode can be eliminated.
ここで図4を参照すると、ソーラーパネル100内に光起電サブモジュール102−148のうちの1つとして含まれ得る、例示的光起電サブモジュール400が、図示される。ある実施例によると、光起電サブモジュール400は、各多接合光電池が複数の光電池を備えるように、複数の多接合光電池を備えることができる。前述のように、各多接合光電池は、Si光電池およびIII−V光電池を備えることができる。より具体的実施例では、各多接合光電池は、Ge光電池、Si光電池、GaAs光電池、およびInGaP光電池を備えることができる。 Referring now to FIG. 4, an exemplary photovoltaic submodule 400 that can be included as one of the photovoltaic submodules 102-148 within the solar panel 100 is illustrated. According to one embodiment, the photovoltaic sub-module 400 can comprise a plurality of multi-junction photovoltaic cells, such that each multi-junction photovoltaic cell comprises a plurality of photovoltaic cells. As described above, each multi-junction photovoltaic cell can comprise a Si photovoltaic cell and a III-V photovoltaic cell. In more specific examples, each multi-junction photovoltaic cell can comprise a Ge photovoltaic cell, a Si photovoltaic cell, a GaAs photovoltaic cell, and an InGaP photovoltaic cell.
例示的光起電サブモジュール400は、72個の多接合光電池を備え、多接合光電池はそれぞれ、Ge電池、Si電池、GaAs電池、およびInGaP電池を備える。これらの異なる電池は、相互に隣接してレイアウトされるように示される。しかしながら、そのようなレイアウトは、説明の目的のためのものである。前述のように、多接合電池内の電池は、相互の上に積層される。別の例示的実施形態では、電池は、隣り合った構成に設置されることができる(例えば、スペクトル拡散光学が使用される場合)。 The exemplary photovoltaic sub-module 400 includes 72 multi-junction photovoltaic cells, each of which includes a Ge cell, a Si cell, a GaAs cell, and an InGaP cell. These different batteries are shown to be laid out adjacent to each other. However, such a layout is for illustrative purposes. As described above, the batteries in the multi-junction battery are stacked on top of each other. In another exemplary embodiment, the batteries can be installed in side-by-side configurations (eg, when spread spectrum optics are used).
光起電モジュール400は、類似中間(より高い)電圧に達するために直列に接続される異なる数の各電池タイプ(ストリングを作成する)を備える。これらのストリングは、並列に接続され、電流を効果的に追加することができる。ある実施例では、光起電モジュール400によって出力される所望の中間電圧は、約10ボルトであることができる。前述のように、Ge電池は、約0.3ボルトの動作電圧を有してもよく、Si電池は、約0.6ボルトの動作電圧を有してもよく、GaAs電池は、約0.9ボルトの動作電圧を有してもよく、InGaP電池は、約1.3Vの動作電圧を有してもよい。したがって、光起電サブモジュール400は、Ge電池402の第1のストリングおよびGe電池404の第2のストリングを備えることができ、それぞれ、直列に電気的に接続される36個の電池を備える。故に、Ge電池402の第1のストリングおよびGe電池404の第2のストリングはそれぞれ、約10.8Vを出力する。 The photovoltaic module 400 comprises a different number of each battery type (creating a string) connected in series to reach a similar intermediate (higher) voltage. These strings are connected in parallel and can effectively add current. In one embodiment, the desired intermediate voltage output by photovoltaic module 400 can be about 10 volts. As described above, Ge cells may have an operating voltage of about 0.3 volts, Si cells may have an operating voltage of about 0.6 volts, and GaAs cells have an operating voltage of about 0. It may have an operating voltage of 9 volts, and the InGaP battery may have an operating voltage of about 1.3V. Thus, the photovoltaic sub-module 400 can comprise a first string of Ge cells 402 and a second string of Ge cells 404, each comprising 36 cells that are electrically connected in series. Therefore, the first string of the Ge battery 402 and the second string of the Ge battery 404 each output about 10.8V.
例示的光起電サブモジュール400はさらに、Si電池406の第1のストリング、Si電池408の第2のストリング、Si電池410の第3のストリング、およびSi電池412の第4のストリングを備える。Si電池406−412のストリングはそれぞれ、直列に電気的に接続される18個の電池を備えることができ、約10.8ボルトを出力する各ストリングをもたらす。 The exemplary photovoltaic submodule 400 further comprises a first string of Si cells 406, a second string of Si cells 408, a third string of Si cells 410, and a fourth string of Si cells 412. Each string of Si cells 406-412 can comprise 18 cells electrically connected in series, resulting in each string outputting approximately 10.8 volts.
サブモジュール400は、加えて、GaAs電池414の第1のストリング、GaAs電池416の第2のストリング、GaAs電池418の第3のストリング、GaAs電池420の第4のストリング、GaAs電池422の第5のストリング、およびGaAs電池424の第6のストリングを備えることができる。GaAs電池414−424のストリングはそれぞれ、直列に電気的に接続される12個の電池を備えることができ、約10.8ボルトを出力するGaAs電池の各ストリングをもたらす。 The submodule 400 additionally includes a first string of GaAs batteries 414, a second string of GaAs batteries 416, a third string of GaAs batteries 418, a fourth string of GaAs batteries 420, and a fifth string of GaAs batteries 422. And a sixth string of GaAs batteries 424. Each string of GaAs batteries 414-424 may comprise twelve batteries electrically connected in series, resulting in each string of GaAs batteries outputting approximately 10.8 volts.
さらに、サブモジュール400はまた、InGaP電池426の第1のストリング、InGaP電池428の第2のストリング、InGaP電池430の第3のストリング、InGaP電池432の第4のストリング、InGaP電池434の第5のストリング、InGaP電池436の第6のストリング、InGaP電池438の第7のストリング、InGaP電池440の第8のストリング、InGaP電池442の第9のストリングを備えることができる。InGaP電池426−442のストリングはそれぞれ、直列に電気的に接続される8個の電池を備えることができ、約10.4ボルトを出力するInGaP電池の各ストリングをもたらす。 Further, the sub-module 400 also includes a first string of InGaP batteries 426, a second string of InGaP batteries 428, a third string of InGaP batteries 430, a fourth string of InGaP batteries 432, and a fifth string of InGaP batteries 434. , A sixth string of InGaP battery 436, a seventh string of InGaP battery 438, an eighth string of InGaP battery 440, and a ninth string of InGaP battery 442. Each string of InGaP cells 426-442 can comprise eight cells electrically connected in series, resulting in each string of InGaP cells outputting approximately 10.4 volts.
前述から、電池の各ストリングの中間動作電圧は、約10ボルトであることができることが確認され得る。さらに、異なる電池タイプのストリングによって出力される電圧は、同じではなく、したがって、サブモジュール400によって出力される電圧は、電池のストリングによって出力される最低電圧となるであろうことが確認され得る。 From the foregoing, it can be confirmed that the intermediate operating voltage of each string of batteries can be about 10 volts. Further, it can be ascertained that the voltages output by different battery type strings are not the same, so the voltage output by sub-module 400 will be the lowest voltage output by the battery string.
1つのみのタイプの電池が、最初に、直列に接続されるため、サブモジュール400内の他の電池から出力される電力は、あるタイプの電池対別のタイプの電池の出力に減少を生じさせるスペクトルシフトによって、比較的に影響されない。例えば、ある電池タイプからの電流の10%減少は、どの電池の太陽熱入力が減少したかに応じて、1〜4.3%のアレイ電流の減少をもたらす。したがって、サブモジュール400は、従来の光起電モジュールと比較して、不均衡様式において電池タイプの応答に影響する、スペクトルシフトからの出力電力減少をあまり被らない。 Since only one type of battery is initially connected in series, the power output from other batteries in sub-module 400 will cause a decrease in the output of one type of battery versus another type of battery. It is relatively unaffected by the resulting spectral shift. For example, a 10% reduction in current from a battery type results in a 1-4% reduction in array current, depending on which battery's solar thermal input is reduced. Thus, the sub-module 400 suffers less output power reduction from spectral shifts that affect the cell type response in an unbalanced manner compared to conventional photovoltaic modules.
再び、図1を参照すると、ソーラーパネル100は、示されないが、そのようなソーラーパネル100によって生産される電力の消費者によって所望される段階において、ソーラーパネル100によって出力される電圧をDCからACに変換する、インバータと関連付けられることができる。さらに、示されないが、ソーラーパネル100は、太陽からの光をその中の光電池上に集光するように構成される、マイクロ集光光学を備えることができる。別の例示的実施形態では、電池タイプ間で精密な電圧整合を行うのではなく、マイクロ電子機器が、中間電圧を所望のレベル(モジュール102−148のそれぞれによって出力される電圧)にさせるために採用されることができる。したがって、光起電サブモジュールまたは群は、1つ以上のDC/DCコンバータ(マイクロ電力追跡電子機器を伴う)を備え、中間出力電圧をほぼ同等に、かつ動的に調節可能にさせることができる。さらに、光電池群は、電池または電池の配列によって出力されるDC電圧をAC電圧に変換する、マイクロインバータを備えることができる。ソーラーパネル100内の個々の電池は、比較的に小さいサイズであるため、ブースト変換および電力追跡のための種々のマイクロ電子デバイスを追加するために、電池、サブモジュール、または群間に十分な空間が存在する。 Referring again to FIG. 1, the solar panel 100 is not shown, but the voltage output by the solar panel 100 from DC to AC at a stage desired by a consumer of power produced by such a solar panel 100. Can be associated with an inverter. Further, although not shown, the solar panel 100 can include micro-collecting optics configured to collect light from the sun onto a photovoltaic cell therein. In another exemplary embodiment, rather than performing precise voltage matching between battery types, the microelectronics will cause the intermediate voltage to reach the desired level (the voltage output by each of the modules 102-148). Can be adopted. Thus, the photovoltaic sub-modules or groups can include one or more DC / DC converters (with micro power tracking electronics) to allow the intermediate output voltage to be approximately equally and dynamically adjustable. . Further, the photovoltaic cell group can include a micro inverter that converts a DC voltage output by a battery or an array of batteries into an AC voltage. Since the individual batteries in the solar panel 100 are relatively small in size, there is sufficient space between the batteries, submodules, or groups to add various microelectronic devices for boost conversion and power tracking. Exists.
ここで図5を参照すると、例示的異質(非モノリシック)統合された多接合光電池500の切断図が、図示される。多接合光電池500は、複数の光電池を備え、InGaP電池508は、最初に、太陽から光を受光し、GaAs電池506は、InGaP電池508のすぐ隣に隣接し、Si電池504は、GaAs電池506のすぐ隣に隣接し、Ge電池502は、Si電池504のすぐ隣に隣接する。他の配列も、発明者らによって想定され、添付の請求項の範囲内であることが意図されることを理解されたい。 Referring now to FIG. 5, a cut-away view of an exemplary heterogeneous (non-monolithic) integrated multi-junction photovoltaic cell 500 is illustrated. Multi-junction photovoltaic cell 500 comprises a plurality of photovoltaic cells, InGaP cell 508 initially receives light from the sun, GaAs cell 506 is immediately adjacent to InGaP cell 508, and Si cell 504 is a GaAs cell 506. The Ge battery 502 is immediately adjacent to the Si battery 504. It should be understood that other arrangements are contemplated by the inventors and are intended to be within the scope of the appended claims.
ソーラーパネル100が有益に採用される例示的実施形態は、少なくとも部分的影が可能性として考えられる、任意の設備、例えば、木が近くにある建物の屋上、断続的に雲に覆われるエリア、航空交通に近接するエリア、および同等物を含む。加えて、本明細書に説明される特徴は、ソーラーパネル100、その一部、または設備全体が、ソーラーパネル100の少なくとも一部が、常時、影を被るような様式において、可撓性であり、湾曲される、適合される、または別様に非平面である設備内で有益である。そのような設備では、ソーラーパネルは、バイパスダイオードを含むソーラーパネル100を伴わずに、所望の電圧を出力することができる。 An exemplary embodiment in which the solar panel 100 is beneficially employed is any facility where at least partial shadows are possible, such as the rooftop of a building near trees, an area that is intermittently covered by clouds, Includes areas close to air traffic, and the like. In addition, the features described herein are flexible in that the solar panel 100, a portion thereof, or the entire installation is in a manner such that at least a portion of the solar panel 100 is always shaded. Useful in equipment that is curved, fitted, or otherwise non-planar. In such an installation, the solar panel can output a desired voltage without the solar panel 100 including a bypass diode.
ここで図6−7を参照すると、種々の例示的方法論が、図示および説明される。方法論は、あるシーケンスで行われる一連の作用として説明されるが、方法論は、シーケンスの順序によって限定されないことを理解されたい。例えば、いくつかの作用は、本明細書に説明されるものと異なる順序で生じてもよい。加えて、作用は、別の作用と並行して生じてもよい。さらに、いくつかの事例では、全作用は、本明細書に説明される方法論を実装するために要求されなくてもよい。 Referring now to FIGS. 6-7, various exemplary methodologies are illustrated and described. Although a methodology is described as a sequence of actions performed in a sequence, it should be understood that a methodology is not limited by the sequence order. For example, some actions may occur in a different order than that described herein. In addition, the action may occur in parallel with another action. Further, in some cases, full action may not be required to implement the methodology described herein.
ここで図6を参照すると、バイパスダイオードがないソーラーパネルの作成を促進する、例示的方法論600が、図示される。方法論600は、602から開始し、604において、複数のマイクロシステム対応光電池が、受容される。例示的実施形態では、マイクロシステム対応光電池は、その背面に正および負両方の接点を有することができる。 Referring now to FIG. 6, an example methodology 600 that facilitates the creation of a solar panel without a bypass diode is illustrated. Methodology 600 begins at 602, where a plurality of microsystem capable photovoltaic cells are received. In an exemplary embodiment, the microsystem capable photovoltaic cell can have both positive and negative contacts on its backside.
606では、複数のマイクロシステム対応光電池は、電気的に接続され、光起電サブモジュールを作成することができ、光起電サブモジュールは、バイパスダイオードがない。前述のように、マイクロシステム対応光電池を通して進行する比較的に少量の電流は、そのような電池が影を被るとき、逆方向絶縁破壊において動作しているときでも、任意の個々の光電池が損傷されないことを確実にする。 At 606, a plurality of microsystem-compatible photovoltaic cells can be electrically connected to create a photovoltaic submodule that does not have a bypass diode. As mentioned above, the relatively small amount of current traveling through the microsystem capable photovoltaic cell does not damage any individual photovoltaic cell, even when operating in reverse breakdown, when such a cell is shaded. Make sure.
608では、複数の光起電サブモジュールは、電気的に接続され、ソーラーパネルを作成する。光起電サブモジュールは、マイクロシステム対応光電池から成るため、ソーラーパネルは、バイパスダイオードをなくすことができる。しかしながら、ソーラーパネルは、例示的実施形態では、電力管理集積回路が、少なくとも部分的に、個別の光起電サブモジュールによって出力される電圧に基づいて、電力を出力し得るように、ソーラーパネル内に光起電サブモジュールに電気的に接続された電力管理集積回路を含むことができる。別の実施形態では、電力管理集積回路は、光電池のストリングが、電力管理集積回路に電気的に接続され、サブモジュールの出力が、集積回路に接続される個別の群によって出力される電圧に基づくように、群と接続して設置されることができる。方法論600は、610において完了する。 At 608, the plurality of photovoltaic submodules are electrically connected to create a solar panel. Since the photovoltaic sub-module consists of microsystem compatible photovoltaic cells, the solar panel can eliminate the bypass diode. However, the solar panel, in the exemplary embodiment, can be powered within the solar panel so that the power management integrated circuit can output power based at least in part on the voltage output by the individual photovoltaic sub-modules. A power management integrated circuit electrically connected to the photovoltaic submodule. In another embodiment, the power management integrated circuit is based on a voltage in which a string of photovoltaic cells is electrically connected to the power management integrated circuit and the output of the submodule is output by a separate group connected to the integrated circuit. As such, it can be installed in connection with the group. Methodology 600 is completed at 610.
ここで図7を参照すると、バイパスダイオードを欠いているソーラーパネルを作成するための別の例示的方法論700が、図示される。方法論700は、702から開始し、704において、複数の光起電サブモジュールが、受容される。 Referring now to FIG. 7, another exemplary methodology 700 for creating a solar panel that lacks a bypass diode is illustrated. Methodology 700 begins at 702 where a plurality of photovoltaic sub-modules are received.
706において、光起電サブモジュールは、電気的に接続され、ソーラーパネルを生成し、光起電サブモジュールの少なくともサブセットは、並列に電気的に接続され、ソーラーパネルは、バイパスダイオードがない。方法論700は、708において完了する。 At 706, the photovoltaic sub-modules are electrically connected to produce a solar panel, at least a subset of the photovoltaic sub-modules are electrically connected in parallel, and the solar panel is free of bypass diodes. Methodology 700 is completed at 708.
いくつかの実施例が、説明の目的のために提供されたことに留意されたい。これらの実施例は、添付の請求項の限定として解釈されるべきではない。加えて、本明細書に提供される実施例は、並べ替えられてもよく、依然として、請求項の範囲下にあることを認識されたい。 It should be noted that some examples have been provided for illustrative purposes. These examples should not be construed as limiting the appended claims. In addition, it should be appreciated that the examples provided herein may be rearranged and still fall under the scope of the claims.
Claims (13)
前記光起電サブモジュールは、正および負の背面を介して相互に電気接続する複数のマイクロシステム対応光電池を備え、前記複数のマイクロシステム対応光電池内の各マイクロシステム対応光電池は、わずか2センチメートルの高さおよび2センチメートルの幅のサイズであり、前記光起電サブモジュールは、任意のバイパスダイオードがなく、
前記光起電サブモジュールは、第1の群をさらに備え、前記第1の群は、マイクロシステム対応光電池の第1のストリングおよびマイクロシステム対応光電池の第2のストリングを備え、前記マイクロシステム対応光電池の第1のストリング内の電池は、直列に電気的に接続され、前記マイクロシステム対応光電池の第2のストリング内の電池は、直列に電気的に接続され、前記第1のストリングおよび前記第2のストリングは、並列に電気的に接続され、
前記光起電サブモジュールは、第2の群をさらに備え、前記第2の群は、マイクロシステム対応光電池の第3のストリングおよびマイクロシステム対応光電池の第4のストリングを備え、前記マイクロシステム対応光電池の第3のストリング内の電池は、直列に電気的に接続され、前記マイクロシステム対応光電池の第4のストリング内の電池は、直列に電気的に接続され、前記第3のストリングおよび前記第4のストリングは、並列に電気的に接続され、前記第1の群は、前記第2の群と直列に電気的に連結され、
前記群、前記ストリングおよび前記電池の直列接続および並列接続は、動作中において、任意のマイクロシステム対応光電池にわたって生じ得る最大電力が、電池が逆方向絶縁破壊の状態にある場合でも、100ミリワット以下であるように、配列されている、光起電サブモジュール。 A photovoltaic sub-module that outputs 500 volts to 2000 volts ,
The photovoltaic sub-module comprises a plurality of microsystem-compatible photovoltaic cells that are electrically connected to each other via a positive and negative backside, and each microsystem-compatible photovoltaic cell in the plurality of microsystem-compatible photovoltaic cells is only 2 centimeters of the size of the height and width of two centimeters, the photovoltaic submodule, rather name any bypass diode,
The photovoltaic sub-module further comprises a first group, the first group comprising a first string of microsystem compatible photovoltaic cells and a second string of microsystem compatible photovoltaic cells, the microsystem compatible photovoltaic cells The cells in the first string are electrically connected in series, and the cells in the second string of the microsystem-compatible photovoltaic cells are electrically connected in series, the first string and the second Strings are electrically connected in parallel,
The photovoltaic sub-module further comprises a second group, the second group comprising a third string of microsystem-capable photovoltaic cells and a fourth string of microsystem-capable photovoltaic cells, the microsystem-capable photovoltaic cells The batteries in the third string are electrically connected in series, the batteries in the fourth string of the microsystem-compatible photovoltaic cells are electrically connected in series, and the third string and the fourth string are connected in series. The first group is electrically connected in series with the second group;
The series, parallel connection of the group, the string and the battery allows the maximum power that can occur across any microsystem capable photovoltaic cell in operation to be less than 100 milliwatts, even when the battery is in reverse breakdown. As is , the photovoltaic sub-modules are arranged .
請求項1に記載の第1の光起電サブモジュールと、
請求項1に記載の第2の光起電サブモジュールと
を備え、
前記第1の光起電サブモジュールおよび前記第2の光起電サブモジュールは、並列に電気的に接続され、前記ソーラーパネルは、任意のバイパスダイオードがない、ソーラーパネル。 A solar panel, the solar panel
First and photovoltaic submodule according to claim 1,
A second photovoltaic sub-module according to claim 1 ;
With
The first photovoltaic sub-module and the second photovoltaic sub-module are electrically connected in parallel and the solar panel is a solar panel without any bypass diode.
The solar panel of claim 10 , wherein a plurality of multi-junction photovoltaic cells comprises a first string of the microsystem capable photovoltaic cells and a second string of the microsystem capable photovoltaic cells.
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