TWI656725B - 發電系統 - Google Patents
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Abstract
一種發電系統(200)包括光伏裝置(201)和電壓源(202)。電壓源(202)用於提高光伏裝置(201)的偏壓，從而提高發電系統(200)的功率輸出。
Description
本發明係有關於發電。且特別有關於一種用於提高光伏發電系統的功率輸出的系統。
發電和其隨後的使用在現代社會中無處不在。在許多社會中，所謂的“可再生能源”發電技術彌補了必要的發電容量的龐大且不斷增長的比例。可再生能源技術包括，例如，光伏發電，風力發電和潮汐發電。
大多數可再生能源發電系統是由離散的發電塊組成，這些離散的發電塊通常串聯或並聯連接。例如，在光伏發電中，多個光伏電池可連接在一起，以提供單一輸出。
光伏電池在本質上是依賴於光的固態整流器，即：光電二極體。當具有特定頻率的光子撞擊光伏電池時，由於本質偏壓產生的內部電場，電子和電洞從晶格釋放並朝電極移動。這個偏壓在常規光伏電池通常是0.5和0.7伏。
眾所周知，光伏電池所產生的電壓獨立於光電池的表面面積(例如，參見美國專利號4529832)。然而，光伏電池所產生的電流正比於光電池的表面面積。同時提高光伏電池的尺寸將顯著增加其功率輸出，作出越來越大的光伏電池有實踐和製造困難。因此，在光伏發電系統中通過多個光伏電池
連接在一起增加功率輸出。
通常，光伏電池串聯或並聯連接在一起。在光伏電池串聯連接的光伏系統中，電流被限制在由單獨的光電池提供的電流，電壓是在該系統中每個光伏模組的電壓的總和。這在光伏電池並聯連接的光伏系統中相反，即電壓限制在由單獨的光電池提供的電壓和電流是系統中的每個光伏模組的電流的總和。
目前多數使用的光伏發電系統基於串聯連接光伏電池，設計最初由蔡平等人開發(例如，美國專利號2780765)。在這樣的系統中，絕大多數的光伏電池僅需要產生高電壓，沒有對該系統的電流的增加做出貢獻。當所要求的輸出功率增加和光電系統尺寸增加，產生與入射光成比例的電流的光伏系統的面積量迅速減少。為了說明這一點，下面的例子解釋了這樣的光伏系統的結構：
典型的矽光伏電池的特性是：對於15.6×15.6釐米2的表面積(在氣團係數(AM)1.5接收100毫瓦/釐米2)，8.5A最大功率電流輸出，0.5V最大功率電壓輸出。因此，這些光伏電池必須串聯連接以在最大功率點開路狀態產生36V，而電流在短路狀態的最大功率點為8.5A的常數(等於單個光伏電池所產生的值)。因此，產生正比於光接收量的電流的實際面積僅是光伏系統的1/72，而71/72的光伏電池佔用空間僅僅是為了產生獨立於光接收量的電壓。
上面的例子說明了現有技術的光伏系統中的有效表面積沒有被充分利用。在許多情況下，可再生能源發電的可
用的表面積是有限的或沒有空間擴大當前的安裝。因此，存在明確的需要增加可再生能源發電系統的每單位面積的功率輸出。即使在空間沒有限制的情況下，能夠增加每單位面積的功率輸出具有明顯的優勢。
在第一個方面，提供了一種發電系統，包括：第一光伏裝置；以及電壓源，該電壓源耦合到該第一光伏裝置，其中該電壓源用於提供電功率給第一光伏裝置，以增加該第一光伏裝置的偏壓，從而增加該發電系統的總功率輸出。這種新穎的結構的一個優點是，光伏裝置的功率輸出可相較於現有技術的結構大大增加。
該電壓源可用於將該第一光伏裝置的偏壓保持保持在既定電位。將偏壓保持保持在既定電位允許發電系統以增加的功率輸出位準繼續運行。
較佳地，該既定電位是使該發電系統的功率傳輸最大化的偏壓。當偏壓是使發電系統的功率傳輸最大化的點時，該發電系統運行在最佳效率。
電壓源可用於將該第一光伏裝置逆向偏壓。逆向偏壓的光伏裝置工作於光電流模式以及光伏裝置的耗盡區的寬度隨逆向偏壓偏壓的增加而增加。
較佳地，該發電系統更包括第二光伏裝置，該第二光伏裝置耦合到該電壓源，其中，該第二光伏裝置用於提供電功率給該電壓源。包括提供功率給該電壓源的第二光伏裝置的優點是，需要時，可對電壓源再充電。
發電系統可進一步包括功率調節器，該功率調節器耦合到該電壓源，其中該功率調節器用於通過調節該電壓源的輸出來調節發電系統的輸出功率。功率調節器使發電系統能夠在需要時調整發電系統的輸出功率。
功率調節器可進一步用於監控第二光伏裝置提供給電壓源的功率。以這種方式，功率調節器能夠監測流過電壓源的功率流。
功率調節器可更用於：當檢測到該電壓源輸出的功率大於該第二光伏裝置提供的功率時，減少該電壓源輸出的功率。以這種方式，電源調節器能夠調節電壓源的輸出功率，以確保該電壓源的容量不會耗盡。
功率調節器可更用於：當檢測到該電壓源輸出的功率小於該第二光伏裝置提供的功率時，增加該電壓源輸出的功率。以這種方式，功率調節器能夠調節電壓源的輸出功率，以確保該電壓源不會因過充電損壞。
功率調節器可更用於：當檢測到電壓源需要充電時，將電壓源輸出的功率降低到小於該第二光伏裝置提供的功率的位準。以這種方式，功率調節器能夠對電壓源的容量再充電。
功率調節器可更用於：當檢測到電壓源過充電時，將電壓源輸出的功率增加到大於該第二光伏裝置提供的功率的位準。以這種方式，功率調節器能夠對電壓源的容量進行放電，以提供發電系統的功率輸出的臨時增加。有效地，這允許即使在沒有光可用時提供功率。
電壓源可位於遠離該第一光伏裝置和/或第二光伏裝置的位置。本發明的一個優點是，可從一電壓源提供電壓給發電系統與光伏電池的等效組合相比具有顯著較少的表面積。
發電系統可進一步包括一個或多個二極體。二極體可耦合到發電系統的任何部分。設置該一個或多個二極體用於確保電流在發電系統中只在一個方向流動和系統電流被限制到發電系統的每一個元件可以承受的位準。
電壓源可以是電池或具有與電池並聯的電容的電池，或具有低內阻的任何電壓源。多個電池和電容器並聯連接可以提供高的電壓但具有低的固有電阻，這增加了發電系統的效率。
100、200、300、600‧‧‧發電系統
101、301、601‧‧‧第一光伏裝置
102、303、603‧‧‧第二光伏裝置
104、204、304、604‧‧‧負載
201‧‧‧光伏裝置
202、302、602‧‧‧電壓源
605、606、607‧‧‧二極體
608‧‧‧功率調節器
現在結合附圖根據本發明實施例僅以舉例的方式描述系統的一些實施例，其中：第1圖是現有技術的發電系統的示意圖；第2圖是本發明的實施例的發電系統的示意圖；第3圖是本發明的另一個實施例的發電系統的示意圖；第4圖是現有技術的結構和本發明的實施例的結構的發電系統的電流/電壓曲線圖；第5圖是現有技術的結構和本發明的實施例的結構的發電系統的功率/電壓曲線；第6圖是本發明的另一實施例的發電系統的示意圖。
值得注意的是，通過以並聯關係連接光伏發電系
統的光伏元件和提供外部電壓源，每單位面積所得到的發電系統的功率可以比電流限制串聯連接的光伏發電系統大大增加。此外，如果使用外部電壓源增加在每個光伏電池的偏壓，光伏電池的輸出電流可以顯著增加。如本文使用的術語“並聯關係”較佳表示光伏元件的正和負觸點連接一個或多個光電元件的各個正和負觸點。
第1圖顯示出了現有技術的光伏發電系統100的的示意圖。發電系統100包括第一光伏裝置101和第二光伏裝置102。第一光伏裝置101串聯連接到該第二光伏裝置102。負載104的第一端連接到第一光伏裝置101。負載104的第二端連接到該第二光伏裝置102，形成一個完整的電路。由光伏裝置101和102產生的電能給負載104提供電力。
現在參考第2圖描述本發明的第一實施例。第2圖示出了發電系統200的示意圖。本領域的技術人員將會理解，該圖是示意性的，並且對元件的物理排列不具有任何限制。發電系統200具有光伏裝置201。光伏裝置201包括一個或多個光伏電池(未圖示)。在一種配置中，當光伏裝置201包括兩個或多個光伏電池時，光伏電池連接成並聯關係。通過將光伏電池並聯連接，光伏裝置201的輸出電流等於光伏裝置201中每個光伏電池電流的總和。本領域的技術人員將會理解，該光伏電池還可以串聯連接，或者是串並聯的任意組合。
在這裡描述的示例實施例中，光伏電池可以是任何合適的光伏電池如晶體矽光伏電池，薄膜光伏(如非晶矽光伏電池)，鹼性光伏電池(例如，參見英國專利號GB2468526)，
銅銦鎵硒(CIS/CIGS)光伏電池，鎘碲(CdTe)光伏電池，砷化鎵光伏電池，磷化銦光伏電池，鈣鈦礦光伏電池等。
發電系統200還具有電壓源202。在本例中，電壓源202包括一個或多個電池。該一個或多個電池可以使用先進的電池技術的任何類型的狀態來製造，如硫酸鉛，鎳金屬氫化物，鈉鎳，或鋰離子。當電壓源202包括兩個或更多的電池時，將電池以串聯關係連接(正觸點與負觸點連接)以提供每單位面積和重量的最大電壓量。本領域的技術人員將理解，電池也可並聯連接，或者串並聯的任意組合。電池是理想的，因為它們能提供高電壓和具有非常低的電阻。用具有低電阻和能夠提供高電壓的任何其它電元件如與電池並聯的電容來替換一個或多個電池是可能的。然而，本領域的技術人員將理解，也可以使用任何類型的電壓源。
雖然任何電壓源可以用於本文描述的本發明系統的例子中，較佳的是，選擇電壓源的特性以優化可以從系統中提取的最大功率。如果我們考慮最大功率傳輸定理(雅可比定律)，從輸出端看，當負載的電阻等於源的電阻時，具有有限電阻的系統產生最大功率。
在此描述的電壓源是電池的示例實施例中，該電池的安培-小時(AH)容量較佳等於或大於發電系統200的最大輸出電流200%。例如，最大電流為100A的發電系統200中，電池的AH容量將至少為400安培-小時。
此外，在這裡描述的示例實施例中，沒有限制電壓源的較佳電壓。一般地，電壓源的電壓越高，發電系統200
所得的輸出功率越高。
在這裡描述的示例實施例中，電壓源提供橫跨至少一個光伏裝置的偏壓。該偏壓延伸光伏電池的耗盡區，並因此減少了光伏電池的電容。光伏電池的額外有效體積允許產生的光電流的線性增加，將要在後面參考第4圖和第5圖更詳細地描述。較佳地，電壓源被進一步用於將偏壓維持在這種增加的既定電位。在本例子(其中，該電壓源提供62.7伏)中，既定電位較佳在50伏和70伏之間，更較佳在55伏和65伏之間，最佳在選57伏和63伏之間。本領域的技術人員將理解，如在後面更詳細的描述，該既定電位使發電系統的功率傳輸最大化。因此，既定電位將根據本發明的每個系統而有所不同。在當前實施例中，既定電位對應於標示在第3圖和4的電流倍增區的電壓。
此外，在本文中所描述的例子中的光伏裝置被逆向偏壓(即，在光電導模式工作)。
在發電系統200中施加到每個光伏電池偏壓根據發電系統200的電路電壓(主要由電壓源202提供)和放置在發電系統200上的負載的電阻進行改變。即當電路電壓增加和/或負載的電阻降低時，所施加的偏壓增加。因此，根據所需的來自發電系統的輸出功率選擇電壓源200的輸出電壓。
光伏裝置201耦合到電壓源202和負載204的一側。電壓源202耦合到光伏裝置202和負載204的第二側。因此，在這種結構中，負載204設置成可以從發電系統200拉出電功率。負載204可以是任何合適的裝置如逆變器，電動馬達
或任何其他電氣裝置。
本發明的這種結構的優點是，施加偏壓到光伏裝置可顯著增加光伏裝置的電流輸出。這之後又可以顯著提高發電系統200的功率輸出。
申請人認識到，在本發明的這種結構中，當電壓源202是電池時，光伏裝置201產生的正電流進入電池的負電極，所以電池處於充電模式。值得注意的是，必須小心，以免過充電電池。
現在將參考第3圖描述本發明的能夠延伸增強發電的第二實施例，第3圖示出了發電系統300的示意圖。發電系統300具有第一光伏裝置301。第一個光伏裝置301包括一個或多個光伏電池(未圖示)。在一個配置中，當第一光伏裝置301包括兩個或多個光伏電池時，光伏電池連接成並聯關係。通過將光伏電池並聯連接，第一光伏裝置301的輸出電流是第一光伏裝置301種每個光伏電池的電流的總和。該本領域的技術人員將理解，光伏電池也可以串聯連接，或者其串-並聯的任意組合。
發電系統300還具有電壓源302。在本實施例中，電壓源302包括一個或多個電池。該一個或多個電池可以是使用先進的電池技術的任何類型的狀態來製造，如硫酸鉛，鎳金屬氫化物，鈉鎳，或鋰離子。當電壓源302包括兩個或更多個電池，將電池以串聯關係連接(正觸點與負觸點連接)以提供每單位面積和重量的最大電壓量。本領域的技術人員將理解，電池也可並聯連接，或者是其串並聯的任意組合。電池是理想
的，因為它們能提供高電壓和具有非常低的電阻。用具有低電阻能夠提供高電壓任何其它電元件如與電池並聯的電容來替換一個或多個電池是可能的。
發電系統300還具有第二光伏裝置303。第二光伏裝置303包括一個或多個光伏電池。在本例子中，第二光伏裝置303的電特性與第一光伏裝置301的電特性匹配。然而，本領域的技術人員應當理解，光伏裝置301和303的電流特性需要匹配以實現本發明，但電壓可以不同。當第二光伏裝置303包括兩個或多個光伏電池(未圖示)，光伏電池連接成並聯關係。通過將光伏電池並聯連接，光伏裝置303的輸出電流等於光伏裝置303中每個光伏電池電流的總和。本領域的技術人員將會理解，該光伏電池還可以串聯連接，或者是串並聯的任意組合。
該第一光伏裝置301耦合到電壓源302和負載304的一側。電壓源302耦合到第一光伏裝置301和第二光伏裝置303。第二光伏裝置303耦合到電壓源302和負載304第二側。因此在該結構中，負載304設置成可以從發電系統300拉出電功率。負載304可以是任何合適的裝置如逆變器，電動馬達或任何其他電氣裝置。
發電系統300的這種結構顯示以下的電特性：˙開路電壓Voc是第一光伏裝置301，電壓源302和第二的光伏裝置303的開路電壓Voc的總和；˙系統的短路電流Isc等於單獨進行測量時第一光伏裝置301或第二光伏裝置303中的一個的特性短路電流Isc。
申請人已經通過實驗證實，本發明的上述結構產
生的電功率等於串聯電壓乘以光伏電池產生的電流乘以校正因子的乘積，校正因子在0.1和0.7之間，通常被稱為“填充因子”(FF)，也就是說：功率=Voc*Isc*FF
現在根據上述的關於第3圖的實施例描述第一示例發電系統的特性。在第一示例性系統中，第一光伏裝置301由四個15.6 x 15.6cm2的大面積矽光伏電池製成，該第二光伏裝置303由另外四個相同的大面積矽光電池製成。每個大面積矽光伏電池具有如下的典型電特性(在1000W/m2的光強度下)：˙電池開路電壓Voc=0.65伏；˙電池短路電流Isc=8.5A
當四個光伏電池並聯連接，以形成第一光伏裝置301，和另外四個光伏電池並聯連接，形成系統的第二光伏裝置303，光伏裝置301和303具有如下電特性：˙裝置開路電壓Voc=0.65V；˙裝置短路電流Isc=34A.
在本實施例中，電壓源302是48V的電池，具有120安培-小時(AH)的容量。當第一光伏裝置301串聯耦合於電壓源302和第二光伏裝置303，系統的測量的電特性是：˙系統的開路電壓Voc=裝置301的開路電壓Voc(0.65V)+電壓源302的開路電壓Voc(48V)+裝置303的開路電壓Voc(0.65V)=49.3伏；˙系統的短路電流=裝置301的短路電流Isc(34A)=裝置303的短路電流Isc(34A)=34A；
˙該系統的表面積由第一光伏裝置301，電壓源302和第二光伏裝置303的面積的總和得出。在該例子中，第一光伏裝置301和第二光伏裝置303可以設置成每個具有0.10平方米的表面積。使用先進的電池技術的狀態作為例子，電壓源302具有0.8平方米表面積。因此，該系統的總表面積=0.10M2+0.8M2+0.10M2=1.0M2。
˙因此，第一示例發電系統300具有以下特徵：系統的Voc=49.3V，電流Isc=34A，表面積=1M2，˙使用0.1和0.7之間的填充因子，第一示例發電系統300所產生的功率是分別在167瓦每平方米(W/m2)的1173W/M2之間(在1000W/m2的光強度下)。
相比之下，商業單晶矽光伏模組具有以下特性：˙矽光伏模組(包括18個串聯的15.6 x 15.6cm2的大面積矽光伏電池，每個電池的Voc=0.65V)的Voc=23.4V，電流Isc=8.5A，面積=1m2，具有0.72的填充因子，這產生大約143.2W/m2的典型發電(在1000W/m2的光強度下)。
因此，與上面的現有系統相比，申請人的第一示例發電系統顯著提高了每平方米產生功率。此外，申請人認識到電壓源302不需要見到太陽，因此可以裝在第一和/或第二光伏裝置301和303下面，或實際裝在遠端位置，進一步減少了系統所需的表面面積，從而增加了每單位面積所產生的功率。
作為一個例子，在家庭環境，典型地，光伏裝置優先位於相對於太陽的屋頂的部分。在這些情況下，可用於光伏發電的表面積是有限的。在這種情況下，電壓源302可以安裝在屋頂下方，例如在閣樓或實際上任何其他遠端位置，最大
限度地提高可用於安裝光伏裝置的屋頂的表面積。
上述實施例的第二示例發電系統的特性現在將相對於第1圖和第3圖進行描述，在第二示例中，京瓷®製造的(型號KD135SX)多晶矽太陽能光伏板用於第一光伏裝置301和第二光伏裝置303。京瓷®的每個光伏面板具有135瓦(+/-5%)的額定標稱峰值功率。
為了描繪第二示例發電系統的特性，兩個京瓷®光伏板(分別作為第一光伏裝置101和第二光伏裝置102)如第1圖所示連接在現有的結構中，然後再連接到適用於光伏發電系統的電流-電壓(IV)曲線測試儀。
I-V曲線測試儀從HT儀器(型號HT光伏I-V)採購。I-V曲線測試儀是測量光伏系統的性能的標準的參考裝置。在實踐中，它是可變電阻負載，該可變電阻負載測量完整的I-V曲線和關鍵參數，例如：開路電壓(Voc)，短路電流(Isc)，最大功率點電流(Impp)，最大功率(Pmax)以及最大功率點電壓(Vmpp)。
系統的這種現有技術的結構中，(即沒有電壓源302的串聯連接)，得到以下值：‧Voc=40.6V；‧Vmpp=33.0V；‧Impp=3.60A；‧Isc=4.04A；‧Pmax=119W；‧FF=0.72；
‧光伏照射下的每平方米功率=405W/m2；這個參考試驗後，發電系統的第二個示例被修改成本發明的結構，如第3圖所示，通過引入5個12.5V的鉛酸電池(每個具有44AH容量，表面積207 x 175 x 175毫米)作為電壓源302。電池彼此串聯連接(從電池產生62.7V的總電壓)，並在作為分別在第一光伏裝置301和第二光伏裝置303的兩個京瓷®面板之間串聯。這種第二結構，得到發電系統的以下值：‧Voc=103.3V；‧Vmpp=57.1V；‧Impp=8.45A；‧Isc=8.42A；‧Pmax=483W；‧FF=0.55；‧光伏照射下的每平方米功率=402W/m2；上述資料十分明顯，兩個比較的系統的最大功率(Pmax)在目前描述的本發明的結構顯著更高。
第4圖和第5圖示出了上面描述的本發明第二示例的第一種結構和第二種結構的電流/電壓曲線和功率/電壓曲線。在第4圖和第5圖，現有技術的結構(根據第1圖)的資料由虛線示出，並且由本發明的結構(根據第2圖)的資料由實線示出。
相較於發電系統的現有結構，從第4圖和第5圖可以看出系統的新的特性是明顯的。首先來看第4圖，大約60V到103V之間，兩個發電系統的功率-電壓(IV)曲線的形狀相
同，雖然本發明的系統的曲線由於電壓源302偏移到較高電壓範圍。本發明的結構的Pmax在IV曲線的正常部分為350W(94V)，與此相比，現有技術的結構的Pmax在33V為119W。Pmax的這種差異可以通過系統增加的電壓來解釋。
然而，低於約60V，本發明的結構的I-V曲線相比現有技術的結構顯著變化。電流隨電壓下降線性增加，即標有“電流倍增”的區域。該電流增加允許Pmax遷移到在57伏482.58W(僅由I-V曲線測量系統限制，該系統不能承受超過10A的電流)。本領域的技術人員將會理解，本發明的一個目的是至少保證發電系統的第一光伏裝置被偏壓到在電流倍增區內的一個電壓。在本例中，“電流倍增區”和因此既定電位在大約57伏和60伏之間。本領域的技術人員將理解，在電流倍增區中，發電系統的功率傳輸得到最大化。然而，根據本發明既定電位對每個系統而有所不同。
之後查看第5圖，發電系統300的功率輸出的增加的電流和電壓的效果是明顯的。也就是說，本發明的發電系統的功率/電壓(P-V)曲線的形狀與現有技術的設置的功率/電壓(P-V)曲線的形狀相同，但是遷移到顯著更高的Pmax。低於約60伏，第二結構的P-V曲線顯著改變，也就是說，功率隨電壓減少線性增加。
發電系統300的I-V/P-V曲線的新特性可以以下面的方式解釋：在現有技術的結構中，每個光伏電池被偏壓到0.5V。在本發明中，提供了額外的偏壓，該偏壓擴展了光伏電池的耗盡區，並因此減少了光伏電池的電容。光伏電池的額外
有效體積允許產生的光電流的線性增加。這種現象用於輻射檢測的光電二極體，在輻射檢測中工作電壓(10到100伏)比現有技術的光伏發電系統的0.5伏高得多，以允許更好的光電流和更高的信噪比。
由於所施加的逆向偏壓，電壓電容的改變增加了電子和電洞的收集速度(上升時間)，因此，產生較高的電流。在現有技術的結構中，沒有施加偏壓，因此上升時間由小於5mm2的擴散區域的擴散時間支配，和由所有波長的光的較大擴散區域的RC時間常數支配。發電系統300工作於光電導模式(通過施加逆向偏壓)時，如果光電池完全耗盡，影響上升時間的主導因素是漂移時間。然而，在非完全耗盡光電二極體，所有這三個因素對上升時間有影響。
當每個光伏電池的偏壓增大時，在光伏電池形成中的電子-電洞對的速度增加，即，載流子遷移率合成增加。此外，如果偏壓達到“雪崩”電壓，則因為“碰撞電離”電流會進一步增加。碰撞電離是以下過程：電荷載流子獲得了足夠的能量，載流子可以與晶格相互作用以通過電子從晶格原子噴射產生進一步的電子-電洞對(增益)。當大於100伏的偏壓施加到每個光伏電池時，通常發生雪崩擊穿。
因此，電壓源302可以提供三個功能。首先，電壓源302提高了發電系統300的電路電壓，其增加了由發電系統300產生的功率，電壓源302至少提高了第一光伏裝置301偏壓，這增加了光伏裝置301的耗盡區，從而提高了光伏裝置的輸出電流，這進一步增加了由發電系統300產生的功率。第
三，在足夠高的偏壓，可以在光伏裝置301發生碰撞電離，進一步增加了輸出電流。
返回到最大功率傳輸定理，可以看到第4圖的I-V曲線是發電系統300的測量電流和外部負載電阻上的電壓降。為了獲得最大的功率傳輸，從輸出端看，負載的電阻必須等於源的電阻。當I-V曲線遵循的標準特性時，即60伏到130伏之間，最大的功率傳輸發生在大約93伏。
低於60伏負載的電阻減小，從而更多的電壓施加在源的電阻上(作為“分壓器”)。這又意味著電壓用於偏壓系統中的每一個太陽能電池，因此隨著負載的電阻減少，電流線性增加。在實踐中，源的內阻減小，因此，低於60伏具有更高的輸出電流。同樣，最大功率傳輸的更多的點明顯低於58伏。
要注意的是，在低階光下，也發生相同的線性電流增加，例如，在200W/m2，這意味著，即使在低光條件下，電流輸出及功率可仍然在發電系統300中達到高位準。
申請人認識到，當負載304從發電系統300拉出比高電流塊301和303產生的更多的功率時，該高電壓塊302將貢獻淨功率，從而高電壓塊302的功率容量會降低，最終降低從系統300拉出的可用功率。因此，本發明可以在兩個狀態中運行，平衡狀態和非平衡狀態。
在平衡狀態下，從電壓源302輸出的功率由從光伏裝置303輸入到電壓源302的功率平衡。在此操作狀態中，電壓源302的功率容量不被耗盡。而在平衡狀態下，由發電系統300產生的功率取決於光伏輻射的入射通量和發電系統300的特性。
在非平衡狀態下，從電壓源302輸出的功率不是由從光伏裝置303輸入到電壓源302中的功率平衡。在這種狀態下，電壓源302可處於充電條件，或放電條件。放電條件允許發電系統300利用電壓源302的功率容量給發電系統300的輸出功率提供臨時增加。然而，由於電壓源302被耗盡，輸出電壓將下降，從而降低了系統的效率。在這種情況下，發電系統300將減少從系統抽取的功率，從而電壓源302進入平衡或充電條件。
現在將參考第6圖描述本發明的第三實施例。第6圖包括第一和第二實施例的所有的特徵。即，第6圖示出了發電系統600的示意圖。發電系統600具有第一光伏裝置601。第一光伏裝置601包括一個或多個光伏電池(未圖示)。在一種結構中，當第一光伏裝置601包括兩個或多個光伏電池，光伏電池連接成並聯關係。通過將光伏電池並聯連接，第一光伏裝置601的輸出電流是第一光伏裝置601種的每個光電池的電流的總和。本領域的技術人員將會理解，該光伏電池也可以串聯連接，或者是串並聯的任意組合。
發電系統600還具有電壓源602。在這個例子中，該電壓源602包括一個或多個電池。該一個或多個電池可以使用先進的電池技術的任何類型的狀態來製造，如硫酸鉛，鎳金屬氫化物，鈉鎳，或鋰離子。當電壓源602包括兩個或更多的電池時，將電池以串聯關係連接(正觸點與負觸點連接)以提供每單位面積和重量的最大電壓量。本領域的技術人員將理解，電池也可並聯連接，或者串並聯的任意組合。電池是理想的，因為它們能提供高電壓和具有非常低的電阻。用具有低電
阻的能夠提供高電壓的任何其它電元件如電容來替換一個或多個電池是可能的。
發電系統600還具有第二光伏裝置603。第二光伏裝置603包括一個或多個光伏電池(未圖示)。在本例子中，第二光伏裝置603的電特性與第一光伏裝置601的電特性匹配。然而，本領域的技術人員應當理解，光伏裝置601和603的電特性不需要匹配來實現本發明。當第二光伏裝置603包括兩個或多個光伏電池，光伏電池連接成並聯關係。通過將光伏電池並聯連接，光伏裝置603的輸出電流等於光伏裝置603中每個光伏電池電流的總和。本領域的技術人員將會理解，該光伏電池還可以串聯連接，或者是串並聯的任意組合。
該第一光伏裝置601耦合到電壓源602和負載604的一側。電壓源602耦合到第一光伏裝置601和第二光伏裝置603。第二光伏裝置603耦合到電壓源602和負載604第二側。因此在該結構中，負載604設置成可以由發電系統600提供電功率。負載604可以是任何合適的裝置如逆變器，電動馬達或任何其他電氣裝置。
該第一光伏裝置601，電壓源602和第二光伏裝置603可以通過一系列的二極體605，606和607耦合到負載604。電壓源602通過二極體606耦合到該第一光伏裝置601，以及通過二極體605耦合到第二光伏裝置603。第二光伏裝置603通過二極體607連接到負載的一側。在該例子中，二極體設置成允許電流只從該第二光伏裝置603流到電壓源602，從電壓源602流到高電流塊601，和從高電流塊601流到負載604。
當發電系統600進入第4圖中所示的電流倍增區，有可能系統的電流將快速增加到損壞發電系統600的一個或多個電元件的位準。因此，二極體605到607用於限制發電系統600中的電流，以防止過電流條件損壞部件。
在現有技術的發電系統，二極體是光伏模組中的標準元件，它們通常額定為15A。因為發電系統600用於產生更高的電流，二極體605至607必須能夠承受較高的電流。二極體605到607的具體的電特性需要根據發電系統600的每個裝置進行調整。二極體605到607至少額定為發電系統600工作的最大電流。然而，所需的二極體的特徵的選擇是本領域的技術人員熟知的知識，因此將不會進一步討論。
發電系統600還包括功率調節器608。功率調節器608用於調節發電系統600的功率輸出。功率調節器608可通過任何普通的功率調整技術實現這一點，如添加可變電阻或從系統除去負載。較佳地，功率調節器608通過調整電壓源602的功率輸出調整發電系統600的功率。調整電壓源602的功率輸出改變電壓系統600的電路電壓。此外，調整電壓源602的功率輸出也將至少改變第一光伏裝置601的偏壓，這將反過來改變第一光伏裝置601的輸出電流。因此，調整電壓源602的功率輸出可以顯著地調整發電系統的電壓和電流，這允許容易地調節系統的輸出功率。
功率調節器608還可以用於充當功率監視器。功率調節器608可以檢測發電系統600的任何電特性，如發電系統的電壓，電流或電阻。對於本發明的發電系統的每一個結
構，存在有將功率最大化而同時限制電路中的最大電流的負載。功率監視器608用於為最大功率傳輸尋求最佳負載，同時將電流限制在發電系統的每一個元件可以承受的位準。
本文所描述的發電系統的第二和第三實施例可以在平衡或非平衡狀態下運行。在平衡狀態，功率調節器608用於平衡電壓源602的功率輸出和該第二光伏裝置603供給電壓源602的功率。因此，如果電源調節器608檢測到提供給電壓源602的功率小於提供給第一光伏裝置的功率，功率調節器608降低電壓源602的功率輸出。類似地，如果功率調節器608檢測到提供給電壓源602的功率大於提供給第一光伏裝置的功率，功率調節器608增加的電壓源602的功率輸出。
申請人認識到，在某些情況下，發電系統600將較佳在非平衡模式下運行。如果，例如，電壓源602已過度放電時，功率調節器608可以減少電壓源602的輸出功率並將電壓源602的功率輸出保持低於提供給電壓源602的功率的位準。同樣地，如果電壓源602處於過充電狀態，功率調節器608可以增加電壓源602的輸出功率並將電壓源602的功率輸出保持高於提供給電壓源602的功率的位準。此外，在某些情況下，較佳給發電系統的輸出提供臨時增加，這可以通過功率調節器608增加電壓源602的輸出功率並保持高於提供給電壓源602的功率的位準進行設置。
功率調節器608的功率監視功能可以，例如，可通過商業逆變器實施。最常見的商業逆變器具有電流，電壓和電源監控特性。此外，最常見的商業逆變器可以很容易地由本
領域的技術人員調整來控制本發明的發電系統600。因此，該發電系統600的控制電路將不作進一步討論。
發電系統600的這種結構顯示以下電特性：˙開路電壓Voc是第一光伏裝置601，電壓源602和第二光伏裝置603的開路電壓Voc的總和；˙系統的短路電流Isc等於單獨進行測量時第一光伏裝置601或第二光伏裝置603中的一者的特性短路電流Isc。
在本文中所描述的實例中，已經描述了一個或兩個光伏裝置以說明本發明。熟悉技術的讀者將理解，本發明可以顯著提高到任意數量的光伏裝置。事實上，本發明的一個顯著優點是易於按比例放大本文的發電系統。已提供了說明性實例，僅用於說明熟悉技術的讀者，而不應被理解為限制本發明的範圍。
Claims (12)
- 一種發電系統，包括：第一光伏裝置；以及電壓源，該電壓源耦合到該第一光伏裝置，其中該電壓源用於提供電功率給第一光伏裝置，以增加該第一光伏裝置的偏壓，從而增加該發電系統的總功率輸出；以及該電壓源用於逆向偏壓該第一光伏裝置，使得該第一光伏裝置的耗盡區的寬度增加；以及其中該第一光伏裝置的偏壓達到該第一光伏裝置的雪崩電壓。
- 如申請專利範圍第1項所述的發電系統，更包括：第二光伏裝置，該第二光伏裝置耦合到該電壓源，其中，該第二光伏裝置用於提供電功率給該電壓源。
- 如申請專利範圍第2項所述的發電系統，更包括：功率調節器，該功率調節器耦合到該電壓源，其中該功率調節器用於通過調節該電壓源的輸出來調節發電系統的輸出功率。
- 如申請專利範圍第3項所述的發電系統，其中該功率調節器進一步用於監控第二光伏裝置提供給電壓源的功率。
- 如申請專利範圍第4項所述的發電系統，其中該功率調節器更用於：當檢測到該電壓源輸出的功率大於該第二光伏裝置提供的功率時，減少該電壓源輸出的功率。
- 如申請專利範圍第4項所述的發電系統，其中該功率調節器更用於：當檢測到該電壓源輸出的功率小於該第二光伏裝置提供的功率時，增加該電壓源輸出的功率。
- 如申請專利範圍第4項所述的發電系統，其中該功率調節器更用於：當檢測到電壓源需要充電時，將電壓源輸出的功率降低到小於該第二光伏裝置提供的功率的位準。
- 如申請專利範圍第4項所述的發電系統，其中該功率調節器更用於：當檢測到電壓源過充電時，將電壓源輸出的功率增加到大於該第二光伏裝置提供的功率的位準。
- 如申請專利範圍第1項所述的發電系統，更包括：一二極體，連接在第一光伏裝置和電壓源之間，其中該二極體用於防止該電壓源過電流。
- 如申請專利範圍第1項所述的發電系統，其中該電壓源是電池或電容。
- 如申請專利範圍第1項所述的發電系統，其中該電壓源位於遠離該第一光伏裝置的位置。
- 如申請專利範圍第2項所述的發電系統，其中該電壓源位於遠離該第二光伏裝置的位置。
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