专利名称：光电源产生系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光电源产生系统，特别是涉及一种具有雪溶化功能的光电源产生系统。
近年来，一种用于在屋顶上安装有太阳能电池的居民的光电源产生系统已经被推广。在一个多雪的地区具有这样的一个问题，即雪粘在一个太阳能电池板表面上，由此在下雪期间不能产生电能。因此已经发明了一种利用给太阳能电池板组件加热而除雪的系统。
例如，在日本专利申请特许公开8-250756中公开一种雪溶化系统，为了加热，该系统借助于一个外部电源给一个太阳能电池或一个发热体供电。
在日本专利申请特许公开9-23019中公开一种雪溶化系统，为了加热，该系统利用一个双向逆变器给太阳能电池供电，该系统具有一个被设置用于使反向电流阻断二极管旁路的开关。
由于不仅利用太阳能电池作为一个电源产生装置，而且也作为一个加热器。该电池加热系统能够简单地除去雪而不需要用于加热器的导线，并且如果能够提供双向的操作性还能够变得容易安装，因此它作为一个用于光电源产生系统的除雪方法是有前途的。
然而，在到目前为止所公开的方案中可能具有下列问题。
(1)由于整个太阳能电池阵列必须被加热，所以增加了一个外部电源的容量。利用在正方向上流过一个3kW的太阳能电池的电流作为加热的最佳电流需要等级为大约4.2KW的功率，对于电源来说需要足以提供这部分功率的容量。特别是对于具有定向利用一个栅极连接的逆变器系统，该逆变器的容量增加了并且为了提供用于雪溶化的功率需要大容量的逆变器，而这些用于雪溶化的容量在平常是不用的。
(2)在把功率同时提供整个太阳能电池阵列的情况下，由于对太阳能电池不平衡的加热使电阻减小，所以在一个太阳能电池电路中具有产生电流集中的可能性。在应用中，该太阳能电池基本上作为并联连接的二极管来工作并且需要防止不平衡加热的措施。电流集中的产生可能导致像由于过热使太阳能电池损坏这样的危险事故。
(3)由于这些原因，不可能进行在雪溶化方式中的运行，即使存在一个故障条板的情况下也是如此。
考虑到这些问题，本发明的一个目的是在光电源产生系统中，特别是在具有雪溶化功能的光电源产生系统中实现减少一个外部直流电源的容量，该外部直流电源为雪溶化提供功率。
此外，本发明的另一个目的是在存在一个故障条板的情况下预先防止产生一个事故。
此外，本发明的另一个目的是提供一种光电源产生系统，该系统具有由多个并联连接的条板构成的太阳能电池阵列，每个条板是由多个串联连接的太阳能电池组件构成的，该系统能够借助于一个外部电源使太阳能电池阵列产生热，该系统包括一个为每个条板设置的单独地可用开关控制的电流导通/关断装置和一个控制单元，用于单独地控制电流开关装置的导通/关断，其中按顺序给每个条板提供电流，以致于产生热。顺便说一下，在本发明中，提供给每个条板的电流即可以是与产生电能时的方向相反也可以相同(提供的电压即可以与产生的电压相同也可以相反)。
此外，在本发明中，在上述外部直流电源中设置了过电流检测装置和报警装置，以便在过电流产生时，停止提供电流并且发出报警信号。
本发明具有一个用于每个条板的开关并且通过该开关的导通/关断控制仅给用于雪溶化的目标条板供电。因此，在根据本发明的一种系统中，不在同时给整个太阳能电池阵列供电。因而，只需要小容量的外部直流电源并且还设置了报警装置，如果存在故障状态下的条板，该报警装置能够单独地检测到故障状态下的条板。此外，由于每个条板被单独地供电，所以除了故障的条板之外能够进行供电，虽然局部故障，但是仍然能够进行雪溶化运行。
图1是根据本发明的一种实施例的光电源产生系统的方框图；图2是表示在图1所示系统中的一种操作实例的流程图3是根据本发明的另一种实施例的光电源产生系统的方框图；图4是一种用于图3所述系统的双向逆变器的结构方框图；图5是表示在图3所示系统中的一种操作实例的流程图；图6是根据本发明的第三种实施例的光电源产生系统的方框图；图7是表示在图6所示系统中的一种操作实例的流程图；下面参照实施例详细地描述本发明。实施例1在该实施例中，为了使本发明更清楚，尽可能利用简单的结构来描述本发明。
在图1中示出了一种根据该实施例的系统。
利用2个串联和2个并联的4个太阳能电池组件(36个10厘米的正方形电池串联构成；短路电流3.25A，最大功率50W)来构成太阳能电池条板1a和1b(即2个组件串联连接来构成一个条板环)。
太阳能电池条板1a和1b的输出经过条板开关5a和5b、反向电流阻断二极管2a和2b和一个负载开关6与一个电阻负载3(5Ω、400W等级)连接。
作为一个外部电源4，设置一个由市电交流(未示出)电得到的可变电压直流电源(最大输出50V,5A)并且该直流电源的输出经过条板开关5a和5b分别与太阳能电池条板1a和1b连接。
此时，外部电源4的正端和负端分别地与太阳能电池条板1a和1b的阳极和阴极连接。如果能够给太阳能电池条板提供功率，那么可以利用适合于外部电源4的各种电源，并且也可以利用一个蓄电池和一个DC/DC变换器或一个发电机的组合。
此外，虽然这些具有直流输出的装置是简单和需要的，但是根据该装置也可以采用交流输出(足够的电压设置)。可变电压功能不是特别必要的。这是因为一个规定的太阳能电池结构允许预先确定一个合适的供电电压。
对于一个不具有加热功能(例如，雪溶化的系统)的系统来说，条板开关5a和5b只需要经受太阳能电池条板1a和1b的输出电压和输出电流，但是在根据本发明的一个系统中，需要经受在加热(雪溶化)方式的操作期间的输出电压和输出电流(在许多情况下，这些输出电压和输出电流大于太阳能电池条板的操作电压和操作电流)。此外，为了响应一个电信号，它们最好是可导通/关断控制的。
根据该实施例，为了使写入控制程序简化，控制单元7包括一个私人计算机和一个并行IO接口(借助于一个光耦合器使一个PC的电路和被控制的电路相互绝缘)。如果允许一个按序的控制，那么对于控制单元7来说能够采用除了该结构之外的其它各种结构，并且一种由单片微处理机构成的装置在实际应用中是方便和便宜的。
下面将描述图1中所示装置的操作。在图2中示出了图1所示装置的一种操作流程图的实例。
首先，该装置通常在电能产生方式中操作。这种状态是一种从太阳能电池条板1a和1b给负载3提供电源的状态。其中条板开关5a和5b都处在导通状态，负载开关6也处于导通状态，而外部电源开关8处于关断状态。对于外部电源4来说，它本身处于运行状态不存在问题，但是从节电的角度来看，更希望外部电源4处于静止状态。在这个实施例中，外部电源4被设置到它的静止状态。该状态持续到该系统进人到加热(雪溶化)方式。
下面将描述加热(雪溶化)方式。在许多情况下，在晚上进行加热(雪溶化)方式。同样在白天进行加热(雪溶化)方式也是可能的，但是需要考虑一个太阳能电池产生电能的操作。也就是，对于一个下雪的周期来说，由于一个太阳能电池不产生电能，所以可以进行与晚上相同的操作，但是当下雪逐渐地停了和阳光开始照射到太阳能电池上时，太阳能电池开始部分地产生电能，因此需要一种促使从外部电源和类似电源提供电压的装置。
在加热(雪溶化)方式中，负载开关6首先被关断，由此切断与一个负载3的连接。
接着，利用从控制单元7来的一个条板导通/关断指令信号使一个条板开关关断(在此，5b)，以便允许电流只经过一个单个条板流动。
接着，外部电源4被设置到运行状态并且外部电源开关8被导通，以便给太阳能电池提供一个用于加热的电流。在此，它们被加热30分钟。已经证明这时的电压是46V和功率大约是140W，并且对于30分钟来说温度大约上升了10℃。
然后，处于导通状态的条板开关5a被关断而另一个条板开关(5b)被导通，由此与利用上一个条板来进行雪溶化操作一样加热另一个条板。
最后，外部电源开关8被关断以便停止由外部电源4来供电，条板开关5a和负载开关6被导通(5b保持导通)以便使该系统返回到初始状态并且该加热操作结束。
在该实施例中设置的外部电源的容量是电压为50V和电流为5A，但是，为了同时加热两个条板，显然需要更大容量的外部电源，由此导致了该装置的费用上升。同样可以理解的是随着条板数的增加，费用差也增加。
顺便说一下，对于一个常规光电源产生系统来说，该实施例也适用于一个任意的装置。
此外，可以利用一个常规的市电电源和蓄电池。实施例2在这个实施例中，一种整体构成的非晶组件的实施例将作为一个更实际的结构被示出。图3示出了这个实施例的结构。
太阳能电池条板1a和1b是由10个串联和2个并联连接的非晶太阳能电池组件与一个光电变换层构成的，其中光电变换层包括由非晶硅构成的3个层。
与一个晶体型太阳能电池相比，在该实施例中使用的太阳能电池具有相对低的单位面积上的电能产生效率，因此屋顶的覆盖率大于在利用相同容量的一个晶体型太阳能电池系统中获得的覆盖率。这就适合于“雪溶化”的目的。具体地说，由于通过雪溶化希望尽可能地除去在一个屋顶的整个表面上的大量积雪，所以屋顶的覆盖率越高，因此反而越好。另一方面，由于产生电能输出的每个单元的太阳能电池的价格是很高的(所谓的每瓦的价格)，所以为了雪溶化的目的，利用一个低效率的太阳能电池来提高一个屋顶的覆盖率是有效和便宜的。
一个逆变器9被设置成允许双向变换并且与一个200V的市电网连接。在图4中示出了这样一种逆变器结构的例子。在图4中，通过利用一个虚线包围的部分来解释通常被使用的一种栅极连接的逆变器9的结构。通常，希望用于雪溶化的逆变器包括一个用于雪溶化的具有升压/降压功能的输出电压控制电路，以便使从市电来的电流流入到一个太阳能电池中，如在该实施例中所示的。最好把在实施例1中的外部电源4的一部分电路加入到栅极连接的逆变器9中。顺便说一下，由于它与本发明没有实质上的关系，所以在此将不对双向栅极连接的逆变器9的详细结构进行描述。该实施例涉及一些已知的技术，因此这些已知技术在此将被参考。在该实施例中，由于一个太阳能电池的操作电压大约是130V，所以由200V市电网整流得到的电压290V直流电压将导致产生过电流。因此利用一个具有降压功能的直流斩波电路41作为用于雪溶化的电压控制电路。根据一个太阳能电池电压的选择，具有不需要升压/降压的情况，但是这些情况被限制到很少的情况。
此外，当然，这个实施例必须设置用于控制条板开关5a和5b的装置7。由于在几乎所有的情况下，在栅极连接的逆变器9中设置一个单片微处理机作为一个控制单元7，所以只通过把雪溶化方式的运动状态加入到它的控制软件中就能实现本发明。在这个实施例中也能够利用这种方法。顺便说一下，为了控制条板开关5a和5b也需要用于输出一个控制信号的端。
在这个实施例中，条板开关5a和5b如此被连接以致能够旁路反向电流阻断二极管2a和2b。另外，在具有反向电流阻断二极管2a和2b的情况下，电流不能流入到太阳能电池条板1a和1b中，因此必须把条板开关5a和5b设置在务必能够旁路反向电流阻断二极管2a和2b的位置上。
在这个实施例中，在图4中所示的位置上仅设置一个过电流检测装置42，即在用于加热(雪溶化)的降压斩波电路与太阳能电池之间设置过电流检测装置。当一个电流只流过像本发明这样的一个单个条板时，只设置一个这样的过电流检测装置就能够精确地检测到过电流。在某种意义上，为了同时经过所有的条板来提供电流，能够进行绝对可靠的过电流检测，除非对于每个条板都没有检测到电流。特别是当一个太阳能电池的不平衡加热产生时，一个系统的稳定性可能被损坏。
在图5中示出了这个实施例的操作流程图。即使一个太阳能电池的类型和一个用于雪溶化的电源结构被变型，也能够完全地实现本发明的目的。顺便说一下，在图5所示的操作流程图中，在以能量产生方式运行期间两个条板开关5a和5b被关断，并且在以雪溶化方式运行期间双向逆变器9以整流方式运行。
此外，如果控制单元7如此被设置以致能够储存一个故障的条板(过电流流过的条板)，那么除了故障的条板之外，能够进行其它条板的雪溶化操作，因此，虽然雪溶化没有覆盖整个屋顶，但是能够把雪溶化的效率提高到一个固定范围。
此外，例如，通过利用在屋顶的顶部上设置的条板来按顺序开始雪溶化，利用雪溶化的水能够提高在雪的下部分中的雪溶化。实施例3图6示出了反向电流型的一种实施例。
在这个实施例中，由于也是在加热(雪溶化)期间被供电，所以在雪溶化期间反向电流阻断二极管2a和2b必须经受流过的电流。
此外，由于设置一个旁路二极管(没有示出)不能使电池加热，所以必须注意可以不用旁路二极管。一个适合于在这种结构中使用的组件被建议，例如，在日本专利申请号特许公开8-250756中的一个组件。相关的组件有意地做成具有不良的反向特性，以致于没有电流流动。在一个没有旁路二极管的太阳能电池组件中，虽然采用这种装置，但是如在该实施例中所看到的一种装置原则上是可能的。然而，每个组件上的供电电压变为非常高(为此相反能够减小电流值)并且在实际使用中必须采取充分的安全措施。
同时，在这个实施例中，太阳能电池条板1a和1b与在实施例1中使用的太阳能电池条板1a和1b是相同的，逆变器9与实施例2中的逆变器是类似的，并且还设置一个极性转换开关10以便使待提供的电压与能量产生周期的方向相反。而不需要与实施例2一样的用于旁路反向电流阻断二极管2a和2b的条板开关5a和5b，但是它与实施例1一样只需要控制普通条板开关5a和5b的导通/关断。
图7示出了在这个实施例中的操作流程图。在这个实施例中，在执行用于每个条板的雪溶化操作中本发明的目的也明显地能够被实现。顺便说一下，在图7的操作流程图中，在以能量产生方式运行期间两个条板开关5a和5b被导通，并且在以雪溶化方式运行期间双向逆变器9以变换器方式运行。
顺便说一下，应该指出的是在这个实施例中提供给一个条板的电压应该达到360V(每个电池5V)以便产生与实施例1相同的加热。甚至对于这样一种结构，即它使电流在与该实施例1类似的能量产生周期中的电流方向相同的方向上流动，本发明也适合于这种结构。
如上所述，本发明适用于一种光电源产生系统，该系统具有一个并联连接成条板的太阳能电池阵列，其中条板是由串联连接的太阳能电池组件构成的，太阳能电池组件具有使雪溶化的雪溶化功能，例如通过把从用于加热的外部直流电源来的电流提供给太阳能电池阵列以便使太阳能电池组件上的雪熔化。特别是，由为每个条板设置的单独地可用开关控制的电流导通/关断装置和单独地控制电流导通/关断装置的导通/关断的控制单元构成的本发明能够把电流按顺序提供给每个单个条板以便加热(雪溶化)，由此本发明具有下列优点(1)在根据本发明的一个系统中，不同时给太阳能电池阵列供电。为此，在用于加热(雪溶化)的电源中只需要小容量的电源。
(2)由于给每个单个条板按顺序提供电流能够在一个条板的单元中检测到某些故障，所以如果存在的话，能够单独地检测到故障状态下的条板。
(3)由于每个单独的条板按顺序被供电，所以除了故障的条板之外能够进行供电，并且能够使局部条板进行加热运行。
(4)对于每个单个条板的加热(雪溶化)消除了对由于一个太阳能电池不平衡加热而产生的电流集中的担忧。
(5)利用一个低效率的非晶整体构成的组件能够使具有太阳能电池的屋顶的覆盖率被提高，并且能够增加雪被除去的面积。
具有这些优点的本发明在工业使用价值上是非常高的。
权利要求
1．一种光电源产生系统，该系统具有由多个并联连接的条板构成的太阳能电池阵列，每个条板是由多个串联连接的太阳能电池组件构成的，该系统能够借助于一个外部电源使太阳能电池阵列产生热，该系统包括一个为每个条板设置的单独地可用开关控制的电流导通/关断装置；和一个控制单元，用于单独地控制电流开关装置的导通/关断，其中按顺序给每个条板提供电流，以致于产生热。
2．根据权利要求1的光电源产生系统，其中所述外部电源以与电源产生周期的方向相反的方向把一个直流电流提供给每个条板。
3．根据权利要求2的光电源产生系统，其中所述外部电源是一个双向栅极连接的逆变器，该逆变器不仅能够把所述太阳能电池阵列的直流输出变换成一个交流输出，以便把运行中的所述太阳能电池阵列与一个交流电源连接，而且能够把交流电源的交流输出变换成一个直流输出，以便把所述直流输出提供给所述太阳能电池阵列一侧。
4．根据权利要求3的光电源产生系统，其中所述电流导通/关断装置与反向电流阻断二极管并联连接，所述反向电流阻断二极管分别地与所述单独的条板串联连接。
5．根据权利要求1的光电源产生系统，其中所述外部电源以与电源产生时的电流方向相同的方向把一个直流电流提供给每个条板。
6．根据权利要求5的光电源产生系统，其中所述外部电源是一个双向栅极连接的逆变器，该逆变器不仅能够把所述太阳能电池阵列的直流输出变换成一个交流输出，以便把运行中的所述太阳能电池阵列与一个交流电源连接，而且能够把交流电源的交流输出变换成一个直流输出，以便把所述直流输出提供给所述太阳能电池阵列一侧，并且具有一个用于使所述双向栅极连接的逆变器的直流输出的极性反相的装置，以便把一个直流输出以正方向提供给每个条板。
7．根据权利要求1的光电源产生系统，其中所述太阳能电池组件具有一个多层电池，该电池具有两个或三个光电转换层。
8．根据权利要求1的光电源产生系统，其中所述外部电源具有一个过电流检测装置和一个信号报警装置，当产生一个过电流时，停止提供电流并且发出报警信号。
9．根据权利要求1的光电源产生系统，其中由第一个条板按顺序使所述电流导通/关断装置导通/关断。
全文摘要
为了减小外部直流电源的容量,该外部直流电源提供用于雪溶化的能量,和为了防止在出现故障条板的情况下产生问题,本发明包括一个为每个条板设置的单独地可用开关控制的电流导通/关断装置和一个控制单元,用于单独地控制电流开关装置的导通/关断,其中按顺序给每个条板提供电流。
文档编号H01L31/042GK1236213SQ9910337
公开日1999年11月24日 申请日期1999年3月3日 优先权日1998年3月3日
发明者竹原信善, 真锅直规 申请人:佳能株式会社