NL1004484C2

NL1004484C2 - PVIC-module en PV-module voor toepassing in een PVIC-module.

Info

Publication number: NL1004484C2
Application number: NL1004484A
Authority: NL
Inventors: Cornelis Paulus Mari Dunselman
Original assignee: Consultancy On The Applic Of S
Priority date: 1996-11-11
Filing date: 1996-11-11
Publication date: 1998-05-14

Description

Titel: PVIC-module en PV-module voor toepassing in een PVIC-module

De uitvinding heeft betrekking op een PVIC-module bevattende een PV-module met fotovoltaïsche cellen en een vermogensomzetter voor het omzetten van het door de cellen opgewekte vermogen in een uitgangsvermogen onder invloed van een extern 5 aangeboden spanning en voorzien van een uitgang voor het aanbieden van de externe spanning en voor het afgeven van het opgewekte vermogen.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een PV-module.

Onder een PV-module wordt hier verstaan een module bevattende in serie geschakelde halfgeleiderovergangen voor het opwekken van energie uit zonlicht met behulp van het 10 fotovoltaïsch effect.

Onder een PVIC-module wordt hier verstaan een PV-module met geïntegreerde omzetter voor het omzetten van het door de fotovoltaïsche cellen opgewekte vermogen in een wisselspanningsvermogen geschikt voor afgifte aan het openbare electriciteitsnet, ook wel AC-module genoemd danwel een gelijkspanningsvermogen geschikt voor 15 afgifte aan een daartoe geëigende opslagvoorziening.

Een dergelijke AC-module is bekend uit het artikel “feasiblity and development of PV-modules with integrated inverter : AC-modules” 12th European photovoltaic solar energy conference, 11-14 april 1994. Hierin wordt een AC-module beschreven welke foto-voltaïsche cellen bevat en een DC/AC-omzetter voor het in de AC-module 20 omzetten van het gelijkspanningsvermogen in een wisselspanningsvermogen dat direct afgegeven kan worden aan bijvoorbeeld het openbare electriciteitsnet in bijvoorbeeld een huis.

Een nadeel van de bekende PV-modules en AC-modules is dat het rendement relatief laag is, waardoor de kosten anders dan voor de vorming van halfgeleiderovergangen 25 relatief hoog zijn.

10 04 484 -2-

Met de uitvinding wordt onder meer beoogd de bovengenoemde nadelen op te heffen. Hiertoe vertoont een PVIC-module volgens de uitvinding het kenmerk dat de PV-module een multiterminal multilaags module is waarbij de halfgeleiderovergangen van verschillende lagen een verschillende bandgap hebben en de halfgeleiderovergangen van 5 de verschillende lagen electrisch geïsoleerd zijn.

Hierdoor wordt een veel hoger rendement bereikt en daardoor kostentechnisch een veel voordeliger oplossing waardoor het toepassingsgebied van dergelijke PVIC-modules aanzienlijk vergroot wordt.

Het zij hier opgemerkt dat het op zich bekend is om meerlaags PV-modules te 10 vervaardigen echter werden hierbij in serie geschakelde halfgeleiderovergangen toegepast met weinig verschillende band gap. Hierdoor werd het rendement niet noemenswaardig verbeterd ten opzichte van enkellaags modules.

De uitvinding berust onder meer op het inzicht dat door de halfgeleiderovergangen van de verschillende lagen een verschillende band gap te geven en door de 15 halfgeleiderovergangen van de verschillende lagen electrisch te isoleren en een vermogensomzetter op te nemen in de PVIC-module een veel hoger rendement wordt verkregen waardoor het mogelijk wordt een PVIC-module te verschaffen die technisch en kostentechnisch interessant is.

Een uitvoeringsvoorbeeld van een PVIC-module volgens de uitvinding heeft het 20 kenmerk dat de PVIC-module een interface bevat gekoppeld tussen de fotovoltaïsche cellen en de uitgang, waarbij de vermogensomzetter is opgenomen in de interface.

De interface bestuurt de PVIC-module als geheel en bestuurt het omzetten van ingangsvermogen in uitgangsvermogen.

Een verder uitvoeringsvoorbeeld van een PVIC-module volgens de uitvinding heeft het 25 kenmerk dat de interface is ingericht voor het laten functioneren van elke laag in het maximum power point.

1004 484 -3-

Het maximum power point (punt van maximale vermogensoverdracht) is die spanning, gevonden aan de uitgang van een laag in seriegeschakelde halfgeleiderovergangen, waarbij onder de gegeven (meteorologische) omstandigheden het grootste vermogen kan worden onttrokken aan deze laag halfgeleiderovergangen.

5 Hierdoor wordt een verdere rendementsverbetering verkregen. Doordat de verschillende lagen met halfgeleiderovergangen electrisch gescheiden zijn is het in de PVIC-module volgens de uitvinding mogelijk om elke laag te laten functioneren in het zogeheten maximum power point.

Een uitvoeringsvoorbeeld van een PVIC-module volgens de uitvinding heeft het 10 kenmerk dat van de verschillende lagen de absorptielaag van de als eerste door het licht bereikte halfgeleiderovergang wordt gevormd door Si,-xCx(0<x<l) en de absorptielaag van de als laatste door het licht bereikte halfgeleiderovergang wordt gevormd door Si,-xGex(0<x<l).

Hierdoor is het mogelijk om het beschikbare licht-spectrum optimaal te verdelen over 15 de verschillende lagen en daardoor het rendement verder te verhogen.

Zoals hierboven al aangegeven heeft de uitvinding ook betrekking op een PV-module voor toepassing in een PVIC-module. Het is mogelijk om een dergelijke PV-module toe te passen bijvoorbeeld los of met een andere PVIC-module.

Hieronder zal de PVIC-module volgens de uitvinding bij wijze van voorbeeld nader 20 worden toegelicht. Hierin toont:

Figuur 1 uitvoeringsvoorbeelden van bekende uitvoeringen van halfgeleiderovergangen voor toepassing in PVIC-modules,

Figuur 2 een schematisch uitvoeringsvoorbeeld van een PVIC-module volgens de uitvinding, 10 04 4 84 -4-

Figuur 3 een uitvoeringsvoorbeeld van halfgeleiderovergangen zoals toegepast in een PVIC-module volgens de uitvinding, en Figuur 4 schematisch een electrisch uitvoeringsvoorbeeld van een gedeelte van een PVIC-module volgens de uitvinding met een vermogensomzetter.

5 Figuur la toont een bekende opbouw van halfgeleiderovergangen 3 voor toepassing in een PV-module waarbij de halfgeleiderovergangen in serie zijn geschakeld. De in seriegeschakelde halfgeleiderovergangen 3 worden door electrisch geleidende lagen 1 met elkaar verbonden. Als geheel zijn de halfgeleiderovergangen en geleidende lagen geplaatst op een substraat 5. Tenslotte worden de halfgeleiderovergangen 3 aan de 10 bovenzijde door middel van een niet-geleidende laag 7 electrisch gescheiden.

Figuur lb toont een electrische weergave van n* in serie geschakelde halfgeleiderovergangen voor toepassing in een bekende PV-module.

Figuur 2 toont een schematisch uitvoeringsvoorbeeld van een PVIC-module 20 volgens de uitvinding. De PVIC-module bestaat in dit voorbeeld uit een PV-module 25 en een 15 interface 27.

De PV-module bevat meerdere lagen licht-voltaïsche cellen 251 welke onder invloed van (zon)licht 21 een spanning opwekken. Voor de opbouw van de licht-voltaïsche cellen wordt verwezen naar figuur 3 waar de verschillende halfgeleiderovergangen in meer detail zijn getoond.

20 De PV-module is in dit uitvoeringsvoorbeeld gekoppeld met de interface voor het geschikt maken van de opgewekte vermogen voor afgifte aan bijvoorbeeld het electriciteitsnet door middel van een uitgang 29. Het is in dit geval dan in ieder geval noodzakelijk om het opgewekte gelijkspanningsvermogen om te zetten in een wisselspanningsvermogen door middel van een vermogensomzetter uitgevoerd als een 25 DC/AC-omzetter 271. Een dergelijke PVIC-module wordt dan ook een AC-module genoemd.

10 0 4 4 84 -5-

De interface maakt het verder mogelijk om elke laag van halfgeleiderovergangen tijdens bedrijf te laten functioneren in het zogeheten ‘maximum power point’ (MPP). Hierdoor wordt verkregen dat de PVIC-module als geheel een veel hoger rendement oplevert dan tot nu toe bekende AC-modules.

5 Figuur 3 a toont een uitvoeringsvoorbeeld van halfgeleiderovergangen zoals toegepast in een PVIC-module volgens de uitvinding en schematisch hierboven beschreven aan de hand van figuur 2. De fotovoltaïsche cellen bestaan in dit uitvoeringsvoorbeeld uit 4 lagen respectievelijk 100,200, 300 en 400.Hierbij zijn de halfgeleiderovergangen per laag respectievelijk in serie geschakeld terwijl de halfgeleiderovergangen verticaal 10 electrisch zijn gescheiden door niet-geleidende lagen respectievelijk 137, 237, 337 en 437. De onderste laag, te weten 400, is geplaatst op een substraat 35. Figuren 3b toont de hierbij behorende electrische schematische weergave.

Figuur 4 toont schematisch een electrisch uitvoeringsvoorbeeld van een gedeelte van een PVIC-module volgens de uitvinding met een vermogensomzetter. Per laag 15 respectievelijk 100, 200, 300, en 400 wordt een spanning respectievelijk Vml,...,.Vm4 ingesteld zodanig dat het grootste electrische vermogen kan worden onttrokken (maximum power point) en via vermogensomzetter uitgevoerd als een DC/AC-omzetter 271 wordt overgedragen aan uitgang 29.

De werking van de PVIC-module volgens de uitvinding is als volgt. Een van de eerste 20 vereisten voor het verkrijgen van de gewenste eigenschappen is dat elke laag met fotovoltaïsche cellen electrisch ontkoppeld is ten opzichte van zowel de (eventuele) bovenliggende en (eventuele) onderliggende laag/lagen. Terwijl de verschillende lagen optisch gezien zo goed mogelijk gekoppeld dienen te zijn. Verder dient bij voorkeur elke volgende laag seriegeschakelde fotovoltaïsche cellen een lagere band gap te hebben 25 waardoor het mogelijk wordt om het beschikbare spectrum te verdelen tussen de verschillende lagen waardoor de PV-module (en dus ook de PVIC-module) als geheel een veel hoger rendement krijgt. Tevens wordt hierdoor bereikt dat de PVIC-module onafhankelijker wordt van meteorologische variaties in temperatuur, lichtintensiteit en 10 04 484 -6- spectrale samenstelling, hetgeen uiteraard ook van invloed is op het rendement van de PVIC-module.

Doordat de lagen met halfgeleiderovergangen electrisch van elkaar gescheiden zijn levert dit per laag 2 of meer draden op, waardoor er bij het toenemen van het aantal 5 lagen tevens het aantal draden toeneemt. Het is dan ook van groot belang om bij het toepassen van een multilaags multiterminalmodule de vermogensomzetter op een zo kort mogelijke afstand van de halfgeleiderovergangen te plaatsen. Dit wordt in de PVIC-module volgens de uitvinding verkregen door het koppelen van de interface aan de PV-module. Hierdoor worden energieverliezen tot een minimum beperkt.

10 Verder draagt de interface er zorg voor dat elke laag met halfgeleiderovergangen werkzaam is in het zogeheten ‘maximum power point’, hetgeen het rendement van de PVIC-module verder verhoogt. Het maximum power point (punt van maximale vermogensoverdracht) is die spanning, gevonden aan de uitgang van een laag in serie geschakelde halfgeleiderovergangen, waarbij onder de gegeven (meteorologische) 15 omstandigheden het grootste vermogen kan worden onttrokken aan deze laag halfgeleiderovergangen. Aangezien het maximum power point van elke laag ook afhankelijk is van het type weer, temperatuur en licht-intensiteit dient de interface hiermee bij het optimaliseren rekening mee houden.

Het zal duidelijk zijn dat een PVIC-module op allerlei manieren kan worden aangepast 20 zonder van het wezen van de onderhavige uitvinding af te wijken. Zo kan bijvoorbeeld het aantal lagen met halfgeleiderovergangen afhankelijk van de specifieke toepassing en vereiste rendementen etcetera gekozen worden.

Verder kan in een toepassing van een multiterminal multilaags PV-module andere vormen van electrische omzetters worden toegepast, bijvoorbeeld om het opgewekte 25 vermogen geschikt te maken voor een daartoe geëigende electrische opslagvoorziening zoals bijvoorbeeld accu’s.

1004484

Claims

1. PVIC-module bevattende een PV-module met fotovoltaïsche cellen en een vermogensomzetter voor het omzetten van het in bedrijf door de cellen opgewekte vermogen in een uitgangsvermogen, onder invloed van een extern aangeboden spanning 5 en voorzien van een uitgang voor het aanbieden van de externe spanning en voor het afgeven van het opgewekte vermogen met het kenmerk, dat de module een multiterminal multilaags module is waarbij de absorptielagen van verschillende opeengestapelde lagen van halfgeleiderovergangen verschillende band gap hebben en de verschillende opeengestapelde lagen van halfgeleiderovergangen van de verschillende 10 lagen electrisch geïsoleerd zijn.

2. PVIC-module volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de module een interface bevat gekoppeld tussen de fotogevoelige cellen en de uitgang waarbij de vermogensomzetter is opgenomen in de interface.

3. PVIC-module volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de interface is ingericht 15 voor het laten functioneren van elke, afzonderlijke laag van in serie geschakelde fotovoltaïsche cellen in het maximum power point.

4. PVIC-module volgens een van de conclusies 1-3, met het kenmerk, dat van de verschillende lagen de absorptielaag van de als eerste doro het licht bereikte halfgeleiderovergang wordt gevormd door Si ,.xCx(0<x<l) en de absorptielaag van de als 20 laatste door het licht bereikte halfgeleiderovergang wordt gevormd door Si,.xGex(0<x<l).

5. PVIC-module volgens een van de conclusies 1-4, met het kenmerk dat de vermogensomzetter een DC/AC-omzetter is.

6. PV-module voor toepassing in een PVIC-module volgens een van de conclusies 25 1-4. 10 0 4 4 84