TWI505598B - 太陽能電池模組遮蔽補償裝置 - Google Patents

太陽能電池模組遮蔽補償裝置 Download PDF

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Description

太陽能電池模組遮蔽補償裝置
本創作是一種太陽能電池模組遮蔽補償裝置，尤指一種太陽能電池模組遮蔽補償裝置其可對一個太陽能電池陣列中受到遮蔽或部份遮蔽之太陽能電池模組進行電流補償，以提升整體太陽能電池陣列之輸出電壓與功率。
一般住宅地區在使用太陽能電池陣列(solar cell array)時，通常會將太陽能電池陣列裝設在住宅屋頂或最高樓層的地板空間，但裝設地點的附近往往有其它凸出建物，例如水塔、樓梯間、通風口、女兒牆、電梯間等。太陽能電池陣列通常是由數個太陽能電池模組(solar cell modular)串聯組成，除了在中午時間太陽光可垂直照射地面以外，在早上或下午有很長期間中有特定一個或數個太陽能電池模組會因為周圍凸出建物的陰影影響而受到遮蔽，無法被陽光完全直接照射，由於各太陽能電池模組的裝設位置均是已知，因此，會受到遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模組一般是可事先得知的，形成所謂的太陽能電池陣列中的特定太陽能電池模組發生遮蔽或部份遮蔽情況。
在太陽能電池模組受到遮蔽或部份遮蔽情況下，該太陽能電池模組所接收到的照度明顯減小許多，造成該太陽能電池模組之輸出電流會明顯降低，此時，若控 制使得太陽能電池陣列的一整體輸出電流大於該被遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模組之輸出短路電流時，被遮蔽或部份遮蔽之太陽能電池模組將無法發電，反而轉換成為一負載，使該被遮蔽或部份遮蔽之太陽能電池模組有過熱而損壞之可能。
為避免被遮蔽或部份遮蔽之太陽能電池模組發生損壞，各個太陽能電池模組在封裝時均會並聯一個或多個反向二極體，當太陽能電池模組被遮蔽或部份遮蔽時，因二極體順向導通，該被遮蔽之太陽能電池模組電壓會被箝至趨近於0V電壓，故該被遮蔽或部份遮蔽之太陽能電池模組將無法提供任何功率，因而降低了整個太陽能電池陣列之輸出電壓與功率，且太陽能電池陣列的輸出最大功率與所對應之輸出電壓之關係曲線(P-V curve)上將會出現多個峰點，因此提高整體太陽能電池陣列其最大功率追蹤控制之困難度。
請參考圖1所示，是一種用在太陽能電池陣列的均壓電路，用於解決太陽能電池模組因受到遮蔽或部份遮蔽而導致電壓不均的問題。該均壓電路連接至每一個太陽能電池模組，該均壓電路可以有效使每一個太陽能電池模組的電壓均等，因此當特定太陽能電池模組受到遮蔽或部份遮蔽時，被遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模組其電壓仍可維持不變，使該被遮蔽或部份遮蔽之太陽能電池模組仍能輸出電能，可有效提升太陽能電池陣列之輸出功率。
若整個太陽能電池陣列包含有n個太陽能電池模組時，該均壓電路必需含有一電感器、n個電容器、(n+1) ×2個二極體與n×2個電力電子開關。以圖1所示的均壓電路作為範例說明，該太陽能電池陣列包含有四塊太陽能電池模組PV1-PV4，則該均壓電路包含有一電感器L、四個電容器C1-C4、十個二極體D1-D10與八個電力電子開關S1-S8。當該太陽能電池陣列之太陽能電池模組個數增加時，該均壓電路所需之電容器、電力電子開關、二極體等元件隨之增加，導致整體元件繁多，故有增加成本與實際應用上接線困難之缺點，而另一缺點是當部分太陽能電池模組被遮蔽或部份遮蔽時，該均壓電路中會有數個電力電子開關S1-S8必須作高頻切換，造成效率降低且控制複雜。
請參考圖2A所示，為另一種解決遮蔽或部份遮蔽問題的習用作法，在此以一串四塊太陽能電池模組PV1-PV4為例，每塊太陽能電池模組PV1-PV4的輸出端點皆連接一微型直流-直流電能轉換裝置41，再將四個微型直流-直流電能轉換裝置41的輸出端點串聯連接，串聯後再輸入一電能轉換器42，利用該微型直流-直流電能轉換裝置41可控制每一個太陽能電池模組PV1-PV4的輸出電壓，使被遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模組PV1-PV4仍能輸出部分電能，以有效提升太陽能電池陣列之總輸出功率。
上述各個微型直流-直流電能轉換裝置41的電路架構如圖2B所示，每一個微型直流-直流電能轉換裝置41需要用到二個電容器C1-C2、五個電力電子開關S1-S5、一個電感器L與一個二極體D1等。若太陽能電池陣列有n個太陽能電池模組時，此架構需要n個微型直流-直流電能轉換裝置41，因此具有元件繁多，故有成本較高 與實際應用上接線困難之缺點，且不論太陽能電池模組是否遭受到遮蔽或部份遮蔽皆需經過該微型直流-直流電能轉換裝置41進行電能轉換，造成效率降低且控制複雜。
鑑於上述習知技術中出現的問題，申請人經悉心試驗與研究，發展出一種太陽能電池模組遮蔽補償裝置，其主要目的是希望以相對簡單的電路架構、控制方式與低設置成本的方式，針對一太陽能電池陣列中特定會被遮蔽或部份遮蔽之太陽能電池模組提供補償，以有效提高太陽能電池陣列之輸出電壓與電能。
為達成前述目的，本創作太陽能電池模組遮蔽補償裝置，由一輸入埠，一具隔離之直流-直流電能轉換器及一輸出埠組成。該太陽能電池模組遮蔽補償裝置之輸入埠連接至一有數個串聯的太陽能電池模組之太陽能電池陣列之兩端，其輸出埠連接至該太陽能電池陣列之一個太陽能電池模組，當該太陽能電池模組遮蔽補償裝置所連接之太陽能電池模組受到遮蔽或部份遮蔽時，該太陽能電池模組遮蔽補償裝置可從整個太陽能電池陣列抽取部份電能，經轉換後將電能補償至被遮蔽或部份遮蔽的該太陽能電池模組，以提升該太陽能電池模組之電壓，並使受到遮蔽或部份遮蔽之太陽能電池模組可持續輸出電能，進而提升在遮蔽或部份遮蔽情況下整體太陽能電池陣列之輸出電壓與功率，整體而言，本創作至少具備以下優點及功效：
1.本創作中之太陽能電池模組遮蔽補償裝置僅需連接至會受到遮蔽或部份遮蔽影響之太陽能電池模組即 可，而非整個太陽能電池陣列中之每一個太陽能電池模組，即能提高整體太陽能發電系統輸出電壓與電能，因此本創作之太陽能電池模組遮蔽補償裝置使用元件較少，成本較低，接線較簡單，可達到簡化電路與降低製造成本的功效。
2. 習用之太陽能電池陣列之遮蔽或部份遮蔽解決方式必須處理全部太陽能電池陣列之功率，而本創作太陽能電池模組遮蔽補償裝置僅需連接至會受到遮蔽或部份遮蔽影響之太陽能電池模組，在部份太陽能電池模組遭受到遮蔽或部份遮蔽時，該太陽能電池模組遮蔽補償裝置所需處理之功率僅為受到遮蔽或部份遮蔽影響之太陽能電池模組減小之功率，因此本創作太陽能電池模組遮蔽補償裝置之損失將可有效降低。
3.本創作太陽能電池模組遮蔽補償裝置僅於太陽能電池模組被遮蔽或部份遮蔽時才運轉，而在太陽能電池模組未被遮蔽時並未動作，故不影響原本太陽能電池陣列之操作，可有效提升太陽能發電系統之電能轉換效率。
1‧‧‧太陽能電池陣列
2‧‧‧太陽能電池模組遮蔽補償裝置
20‧‧‧輸入埠
21‧‧‧具隔離之直流-直流電能轉換器
22‧‧‧輸出埠
21A‧‧‧反馳式直流-直流電能轉換器
21B‧‧‧順向式直流-直流電能轉換器
3‧‧‧電能轉換器
11-14‧‧‧太陽能電池模組
41‧‧‧微型直流-直流電能轉換器
42‧‧‧電能轉換器
C1-C4‧‧‧電容器
D1~D10‧‧‧二極體
L‧‧‧電感器
PV1-PV4‧‧‧太陽能電池模組
S1-S8‧‧‧電力電子開關
圖1：以現有均壓電路應用於太陽能電池陣列的電路圖。
圖2A：以現有微型直流-直流電能轉換器應用於太陽能電池陣列的電路方塊圖。
圖2B：圖2A當中的微型直流-直流電能轉換器的詳細電路圖。
圖3：本創作的系統方塊圖。
圖4：本創作太陽能電池模組遮蔽補償裝置一較佳實施例的電路圖。
圖5：本創作太陽能電池模組遮蔽補償裝置另一較佳實施例的電路圖。
請參考圖3所示，為本創作太陽能電池模組遮蔽補償裝置2應用於一太陽能發電系統之較佳實施例的電路方塊圖，該太陽能發電系統包含：一太陽能電池陣列1與一電能轉換器3，該太陽能電池模組遮蔽補償裝置2包含一輸入埠20、一具隔離之直流-直流電能轉換器21及一輸出埠22。
該太陽能電池陣列1由數個串聯的太陽能電池模組組成，在此較佳實施例是以四片太陽能電池模組11-14為例說明，而太陽能電池模組11-14均為相同型號之太陽能電池模組，因此每個太陽能電池模組輸出電壓與輸出功率在相同環境及照度下約略相同，各太陽能電池模組11-14的輸出電壓加總後成為該太陽能電池陣列1的輸出電壓Vtotal。
該太陽能電池模組遮蔽補償裝置2之該輸入埠20連接至該太陽能電池陣列1之兩端，會遭到遮蔽或部份遮蔽之太陽能電池模組可為太陽能電池模組11-14中之任一個，為方便說明假設該太陽能電池陣列1中僅該太陽能電池模組14可能會遭到遮蔽或部份遮蔽，但其並非用以限制本創作，因此該太陽能電池模組遮蔽補償裝置2之該輸出埠22連接至該太陽能電池模組14兩端。該電能轉換器3 可為一直流-直流電能轉換器，其用以控制該太陽能電池陣列1之輸出電壓Vtotal，以實現對該太陽能電池陣列1之最大功率追蹤。
請再參考圖3本創作太陽能電池模組遮蔽補償裝置應用於太陽能發電系統之較佳實施例，當太陽能電池陣列1未被遮蔽時，該太陽能電池模組遮蔽補償裝置2並不會運作，因此該太陽能電池模組遮蔽補補償裝置2不會產生額外損失。當該太陽能電池模組14遭受到遮蔽或部份遮蔽時，該太陽能電池模組遮蔽補償裝置2開始運作，當太陽能電池模組14在被遮蔽或部份遮蔽情況下，該太陽能電池模組14的最大功率電壓VMPP 會產生些微改變，但其最大功率電流IMPP 會明顯減少許多，該最大功率電流IMPP 減少的程度由受到遮蔽的程度決定。
該太陽能電池模組遮蔽補償裝置2具有電壓增益為1/n，其中n為該太陽能電池陣列1包含之串聯太陽能電池模組11-14之數量，在圖3之較佳實施例中包含四片太陽能電池模組11-14，因此n等於4，以使被遮或部份遮蔽之太陽能電池模組14之電壓能趨近於與其它未被遮蔽的太陽能電池模組11、12、13端電壓。加入該太陽能電池模組遮蔽補償裝置2後，該太陽能電池模組遮蔽補償裝置2將提供一補償電流ICOM 予受到遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模組14，使該遭受到遮蔽或部份遮蔽之太陽能電池模組14之電壓仍能操作在接近其最大功率之電壓VMPP ，使該遭受到遮蔽或部份遮蔽之太陽能電池模組14仍能維持輸出電流而繼續發電。
藉此避免如下問題：當太陽能電池模組14被遮蔽或部份遮蔽時，由於該太陽能電池陣列1中未受到遮蔽之太陽能電池模組之最大功率點輸出電流大於該遭受到遮蔽或部份遮蔽之太陽能電池模組14之輸出短路電流，而使該太陽能電池模組14本身內部所並接之二極體導通，造成該遭受到遮蔽或部份遮蔽之太陽能電池模組14之輸出電壓趨近於0伏特，使該被遮蔽或部份遮蔽之太陽能電池模組14無法提供任何功率，因而降低了整個太陽能電池陣列1之輸出電壓與功率，並造成輸出最大功率對輸出電壓之關係出現多個峰點，增加該電能轉換器3最大功率追蹤控制之困難度；在本創作中，該太陽能電池模組遮蔽補償裝置2將從整個太陽能電池陣列1的輸出端點抽取部份電能，進而提供一補償電流ICOM，該補償電流即為該太陽能電池陣列1中未受到遮蔽或部份遮蔽之太陽能電池模組之最大功率點的輸出電流與遭受遮蔽或部份遮蔽之該太陽能電池模組14輸出電流之差值。
該太陽能電池模組遮蔽補償裝置2只有在該第四片太陽能電池模組14遭受到遮蔽或部份遮蔽時才會運作，該太陽能電池模組遮蔽補償裝置2提供的補償功率PCOM約為1/4倍的太陽能電池陣列1的總電壓Vtotal乘以該補償電流ICOM，即PCOM=Vtotal/4×ICOM，該補償功率PCOM由太陽能電池模組14被遮蔽程度而定，但補償功率PCOM小於或等於該太陽能電池陣列1輸出功率之1/4，因此該太陽能電池模組遮蔽補償裝置2的容量很小，習用之太陽能電池陣列之遮蔽或部份遮蔽解決方式則必須處理 全部太陽能電池陣列1之功率，因此本創作太陽能電池模組遮蔽補償裝置2之功率損失將可有效降低。且當太陽能電池陣列1未被遮蔽時，該太陽能電池模組遮蔽補償裝置2並不會運作，故當太陽能電池陣列1未被遮蔽時不會降低太陽能發電系統之發電效率，因此本創作優於圖2所示的習用作法；本創作之太陽能電池模組遮蔽補償裝置2只有連接至有遮蔽或部份遮蔽困擾的太陽能電池模組14，而非連接所有的太陽能電池模組11-14，因此相較於習用的方式，本創作可達到有效簡化電路，降低製造成本，減少控制複雜度，接線較簡單，提升系統可靠度等眾多優點。
當該太陽能電池陣列1中多個太陽能電池模組可能遭到遮蔽或部份遮蔽，可使用多個太陽能電池模組遮蔽補償裝置2，每一個可能遭到遮蔽之太陽能電池模組可連接一個太陽能電池模組遮蔽補償裝置2，每一個太陽能電池模組遮蔽補償裝置2之輸入埠21連接至該太陽能電池陣列1之兩端，而每一個太陽能電池模組遮蔽補償裝置2之輸出埠22則各別連接至每一個可能遭到遮蔽或部份遮蔽之太陽能電池模組兩端。
圖4所示該太陽能電池模組遮蔽補償裝置2之該具隔離之直流-直流電能轉換器21可由一反馳式直流-直流電能轉換器21A組成；請參考圖4，該具隔離之直流-直流電能轉換器21A包含一輸入電容器2111、一變壓器2112、一電力電子開關2113、一二極體2114與一輸出電容器2115，該具隔離之直流-直流電能轉換器21之該輸入電容器2111連接至該輸入埠20，該具隔離之直流-直流電能 轉換器21之該輸出電容器2115連接至該輸出埠22。
圖5所示該太陽能電池模組遮蔽補償裝置2之該具隔離之直流-直流電能轉換器21可由一順向式直流-直流電能轉換器21B組成，該具隔離之直流-直流電能轉換器21包含有一輸入電容器2121、一變壓器2122、一電力電子開關2123、一二極體2124、一二極體2125、一電感器2126與一輸出電容器2127，該具隔離之直流-直流電能轉換器21之該輸入電容器2121連接至該輸入埠20，該具隔離之直流-直流電能轉換器21之該輸出電容器2127連接至該輸出埠22。
1‧‧‧太陽能電池陣列
2‧‧‧太陽能電池模組遮蔽補償裝置
3‧‧‧電能轉換器
11-14‧‧‧太陽能電池模組
20‧‧‧輸入埠
21‧‧‧具隔離之直流-直流電能轉換器
22‧‧‧輸出埠

Claims (5)

  1. 一種太陽能電池模組遮蔽補償裝置，應用於一包含有數個串聯太陽能電池模組之太陽能電池陣列，該太陽能電池模組遮蔽補償裝置包含：一輸入埠，供連接至該太陽能電池陣列之兩端；一輸出埠，供連接至該太陽能電池陣列之一個太陽能電池模組；一具隔離之直流-直流電能轉換器，當該輸出埠連接之該太陽能電池模組受到遮蔽或部份遮蔽時，該具隔離之直流-直流電能轉換器輸出一補償電流予該輸出埠所連接之該受到遮蔽或部份遮蔽之太陽能電池模組。
  2. 如請求項1所述之太陽能電池模組遮蔽補償裝置，該補償電流為該太陽能電池陣列中未受到遮蔽之太陽能電池模組之最大功率點輸出電流與該受到遮蔽或部份遮蔽之太陽能電池模組其輸出電流的差值。
  3. 如請求項1或2所述之太陽能電池模組遮蔽補償裝置，該具隔離之直流-直流電能轉換器為一反馳式直流-直流電能轉換器。
  4. 如請求項1或2所述之太陽能電池模組遮蔽補償裝置，該具隔離之直流-直流電能轉換器為一順向式直流-直流電能轉換器。
  5. 如請求項1所述之太陽能電池模組遮蔽補償裝置，當該輸出埠連接之該太陽能電池模組沒有受到遮蔽或部份遮蔽時，該具隔離之直流-直流電能轉換器不動作。
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