动态可重配置光伏系统的制作方法
【专利说明】动态可重配置光伏系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年8月29日提交的题目为“DYNAMICALLY RECONFI⑶RABLEPHOTOVOLTAIC SYSTEM”的第14/014266号美国专利申请的优先权，该美国专利申请要求2012年8月31日提交的第61/695，884号美国临时申请的更早提交日的权益。本申请也还要求2012年8月31日提交的第61/695，884号美国临时申请的更早提交日的权益。这些申请的整体通过引用方式并入于此。
[0003]政府权利声曰月
[0004]本发明按照Sandia公司和美国能源部之间的合约DE-AC04-94AL85000开发。美国政府具有本发明的某些权利。
技术领域
[0005]本发明的实施例涉及能量采集光伏(PV)发电系统，诸如在航天器中所使用的那些。还描述了其它实施例。
【背景技术】
[0006]能量采集PV发电系统(还称为太阳能发电系统)已经用于在包括住宅以及诸如卫星和无人机之类的航空和航天飞行器的各种应用中提供电力。对于住宅应用，太阳能板具有相对小数目的电池，其中每个电池相当大(诸如面积可以是大约6英寸乘以6英寸的硅PV电池)，并且在单个住宅太阳能板内可以有大约72个这种电池。每个太阳能电池通常设计为产生某个电压，例如，对于硅电池大约为0.6伏特，该电压对于在电池处接收到的光辐射量仅具有微弱依赖。这种电池可以在板内串联电连接，以便增加所采集的能量输出电压，例如，40伏特dc (Vdc)。典型的住宅太阳能系统可以包括若干这样的板(例如在5个和10个之间)，从而提供高达数百伏特。然后使用dc-ac转换电路以获得更常用的120Vac输出电压。
[0007]对于航空和航天器应用，PV系统用作供给诸如蓄电池之类的能量存储设备以及航空器或者航天器的其它部件(诸如推进系统)的主要发电系统。虽然蓄电池可以具有小于5伏特的相对低的电压，但是推进系统可能在其功率供应输入处需要数百伏特。因此，dc-dc上转换器或者升压电路用于例如将40伏特PV输出增加到800或者甚至1000伏特。对于空间应用或者无人机应用，可以看到的是，需要可以根据航天器或者航空器的操作模式来支持低、中和高电压的功率供应母线。例如，需要高电压用于在轨道转移和其它机动期间通过卫星推进单元的加速，然而需要中电压用于常规操作，以及需要低电压用于安然度过太阳风暴或者安全关闭模式。此外，航天器或者航空器的可靠性、可用性以及维护需要强烈影响其为这种应用中的关键部件的电力系统的设计。
【发明内容】
[0008]本发明的实施例是动态可重配置能量采集光伏(PV)系统，其在同一采集能量输出节点处既可以产生低电压并且又可以交替地产生高电压，其中高电压可以是低电压的至少10倍大。本发明的这个方面可以帮助减少对于分离式升压转换器的需要，这将帮助提高诸如卫星(其中散热可能是难题)之类的应用中的功率效率。此外，假如其中PV系统上的入射光是激光束或者来自远程源的非相干、非宽带光束(与太阳光相反)，可配置性实现更高效的功率接收器。当光束或者光斑在PV系统之上“游走”使得给定的电池组未被连续照射时，难以高效地采集能量。本发明的实施例是可以将自身适配为产生预定输出电压或者输出功率电平的PV系统，不管游走的光斑。
[0009]以上概述不包括本发明的所有方面的穷举式列表。设想本发明包括可以从如下方面的所有合适组合实践的所有系统和方法:以上概述的各种方面、以及在下文的【具体实施方式】中公开的和在与本申请一起提交的权利要求书中特别指出的那些方面。这些组合具有未在以上概述中具体记载的特定优点。
【附图说明】
[0010]在附图的图中，通过示例的方式而非限制的方式图示了本发明的实施例，在图中相同的参考指示相似的元件。应该注意的是，在本公开中参照本发明的“实施例”或者“一个实施例”不一定参照同一实施例，并且它们意指至少一个。
[0011]图1描绘了可重配置光伏系统。
[0012]图2示出了作为航天器应用的部分的一种配置中的光伏系统的更详细视图。
[0013]图3示出了另一配置中的可重配置光伏系统。
[0014]图4示出了其中电池串联连接到彼此的子阵列。
[0015]图5示出了其中电池以串并联组合方式连接到彼此的子阵列。
[0016]图6描绘了具有dc-dc转换器的子阵列功率管理电路。
[0017]图7以框图形式描绘了电池或者多结功率管理器电路。
[0018]图8更详细地描绘了具有关联的电池或者多结功率管理器电路的光伏电池。
[0019]图9示出了游走激光或者非相干光束斑如何覆盖连接的子阵列，而在该斑外部的其它子阵列断开。
[0020]图10示出了在光伏系统上的不同位置中的游走光束斑。
[0021]图11图示了光伏系统的各种应用。
【具体实施方式】
[0022]现在解释参照附图的本发明的若干实施例。每当下文描述的部分的形状、相对定位以及其它方面未明确定义，本发明的范围未仅限于所示出的部分，这些示出的部分仅意在用于说明的目的。同样地，虽然阐述了大量细节，但是要理解的是，可以实践本发明的一些实施例而无这些细节。在其它实例中，未详细示出熟知的电路、结构以及技术，以便不模糊对本描述的理解。
[0023]图1描绘了依照本发明的实施例的可重配置PV系统I。系统由许多PV能量采集子阵列2构成。虽然仅示出了 4个，系统当然不限于该数目，因为可以有少达2个子阵列2或者可以有多于4个。每个子阵列2包含PV电池3的组，这些PV电池串联电连接到彼此用于期望的更高输出电压(见图4)，并联电连接到彼此用于期望的增加的电流，或者以串并联组合方式电连接到彼此以产生更高输出电压和更高电流两者(见图5)。并联连接的串联电池串的混合或者非对称布置也是可能的。电池3可以是微系统使能光伏(MEPV)电池，其可以使用半导体微电子制造技术来制备并且可以相对小，例如直径在100微米和5毫米之间，并且诸如在II1-V族半导体电池中厚度低达I微米。考虑MEPV电池的小尺寸，子阵列2可以具有数千个电池3 (相比于常规PV模块中的72个电池)。还要注意，子阵列3中的所有的电池3不需要都是复制品或者甚至不需要都是相同类型的。例如，一些可以是硅电池，其它的可以是Ge或者II1-V族电池。电池3可以备选地是具有两个或者更多结的组合的多结电池，这些结可以串联连接，或者如下文中依照图7至图8中描绘的本发明的实施例所描述的那样。例如，每个子阵列2可以由光电池构成，每个光电池具有面积小于五(5)平方毫米的活性或者光检测区域，并且其中每个子阵列2可以具有几千个MEPV光电池并且可以产生在I伏特(例如，串联的两个Si硅电池)和1000伏特之间的dc，其中电流在I微安培到若干安培的范围内，微安培用于其中仅需要高电压和低电流或者基本上无电流的应用(例如，电子/离子加速网)，而若干安培用于高电流汲取应用(例如，热负载等)，使用本文描述的功率转移配置转移mW到kW的功率将是可能的。
[0024]仍然参照图1，在存在入射光时，子阵列输出电压由每个子阵列2在子阵列功率节点的相应对处从子阵列2的连接的电池3产生。有时这些节点用标记(+)和(_)来指定，以指示输出电压的极性。子阵列的输出电压和电流或者输出功率通过导体和有源电路的分布式网络(本文中称为电力网)来递送。电力网(或者电力母线互连)由多个母线行和多个母线列构成。如可以见到的那样，