用于太阳能电池的连接系统和方法

专利名称：用于太阳能电池的连接系统和方法
技术领域：
本申请一般涉及太阳能电池，更具体地涉及太阳能电池的器件和连接系统，以及 用于构成和配置太阳能电池的方法。
背景技术：
太阳能是潜在的大型替代能源。最常见形式的太阳能电池基于光伏(PV)效应，其 中照射在一双层半导体器件上的光在这些层之间产生光电压或电势差。通常，将这样的电 池串联连接以提供大的工作电压。例如，一般的电池板通常包括10到36个串联的全尺寸 太阳能电池，从而产生6-20V和10-100瓦。然而，串联配置的太阳能电池板存在某些缺点。例如，该太阳能电池板对各个电池 的输出非常敏感。具体而言，在串联的任一单个太阳能电池出故障的情况下，由于这个不希 望有的单点故障，整行太阳能电池都无法工作。此外，在阳光不均勻地照射在太阳能电池板 上时，诸如当太阳能电池板的一部分处于阴影或影子中时，接收更多光的太阳能电池相对 于接收更少光的太阳能电池将产生更多电流。在该情况下，每行电池输出的电流将被限制 为该行中任一太阳能电池所产生的最低电流。这又会引起太阳能电池板输出功率下降。此 外，随着太阳能技术从商用环境发展到居住环境，这样的问题会变得更加重要。这是因为使 用太阳能电池的居住环境将具有有限的照准(或位置)选择，从而所受维护相对商用环境 而言更糟糕。解决这些故障的常规方法包括使用旁路二极管。在这种情况下，当电池上的电压 降升高时，旁路出故障的电池，但当串联太阳能电池中存在一个以上输出较低的太阳能电 池时，这不是好的解决方案。因此，存在对解决现有技术的这些和其它问题、并提供太阳能电池的器件和连接 系统以及用于构成和配置太阳能电池的方法的需求。

发明内容
根据多个实施例，本发明包括太阳能电池连接系统。该连接系统可包括多个太阳 能电池单元和多个开关组件，其中每个开关组件可具有至少一个开关。多个太阳能电池单 元中的至少一个太阳能电池单元可与多个开关组件中的一个或多个毗邻开关相关联，以与 一个或多个毗邻的太阳能电池单元构成超连接(super connection)。可将各个关联的开关 设置成支持多个太阳能电池单元的连接配置以供受控功率输出。根据多个实施例，本发明还包括旁路连接系统。在该系统中，可通过一个或多个相应开关的设置将一个或多个表现不佳的太阳能电池单元从多个太阳能单元的超连接断开。 然后可将该多个太阳能电池单元的余下太阳能电池单元超连接，以得到第二超连接并提供 期望的功率输出。根据多个实施例，本发明还包括用于连接太阳能电池单元的方法。在该方法中，可 设置多个开关组件，其中每个开关组件具有至少一个开关。可将多个开关组件中的一个或 多个开关与多个太阳能电池单元中的各个太阳能电池单元连接，以使各个太阳能电池单元 能与一个或多个毗邻的太阳能电池单元超连接。然后可根据多个太阳能电池单元的期望连 接配置来设置所连接开关中的各个开关。根据多个实施例，本发明还包括用于旁路表现不佳的太阳能电池的方法。在该方 法中，可通过切断相关联的开关来断开或旁路一个或多个表现不佳的太阳能电池。然后可 将该多个太阳能电池单元的余下太阳能单元超连接，以提供期望的连接配置和功率输出。根据多个实施例，本发明还包括一种用于制造太阳能电池板的方法，该方法包括 将多个输出引线与多个太阳能发电器件电连接；辐照第一太阳能发电器件至模拟太阳辐 照；将来自第一太阳能发电器件的信号输出至与第一太阳能发电器件电连接的输出引线； 标识与第一太阳能发电器件电连接的输出引线的第一地址；辐照第二太阳能发电器件至该 模拟太阳辐照；将来自第二太阳能发电器件的信号输出至与第二太阳能发电器件电连接的 输出引线；标识与第二太阳能发电器件电连接的输出引线的第二地址；以及将第一地址和 第二地址编程到控制器中，以使该控制器能使用该第一地址访问该第一太阳能发电器件， 且能使用该第二地址访问该第二太阳能发电器件。在该方法中，还包括在该第一太阳能发 电器件的辐照期间，辐照仅一个太阳能电池；以及在该第二太阳能发电器件的辐照期间，辐 照仅一个太阳能电池。本发明的其它目的和优点部分地将在以下说明书中进行陈述，而部分地根据描述 将会显而易见，或通过实施本发明来获知。通过在所附权利要求中特别指出的元素和组合， 将能认识和获知本发明的目的和优点。应当理解上述一般描述和以下详细说明仅是示例性和说明性的，而不限制声明要 求保护的本发明。


被包括在说明书中且构成说明书一部分的附图示出了本发明的若干实施例，且与 说明书一起用于解释本发明的原理。图IA描绘根据本发明的示例性集成太阳能电池器件。图IB描绘根据本发明的第二示例性集成太阳能电池器件。图IC描绘根据本发明的图1A-1B的示例性太阳能电池器件的截面。图2描绘根据本发明的另一示例性太阳能电池器件。图3描绘根据本发明的示例性太阳能传感器。图4描绘根据本发明的图3中所示的使用图1A-1C的示例性集成的器件的示例性 太阳能传感器部分沿方向A-A’的截面。图5示出根据本发明的示例性太阳能电池器件。图6A-6B描绘根据本发明的用于太阳能电池单元的示例性超连接系统。
图7A-7C描绘根据本发明的用于示例性太阳能电池板的多种连接系统。图8A-8C描绘根据本发明的用于旁路表现不佳的太阳能电池的多种连接系统。图9描绘包括发电器件阵列以及能单独寻址和控制各个太阳能发电器件的控制 器的组件。图IOA和IOB描绘可用于编程控制器以调节在器件制造或组装期间会出现的误接 线的测试固定装置。应当注意的是，附图的某些细节已被简化，并绘制成便于理解本发明实施例，而非 保持严格的结构准确性、细节以及比例。
具体实施例方式将详细参照本发明的示例性实施例，在附图中示出了实施例的示例。在可能的时 候，将在全部附图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部分。在以下描述中，参照 构成本发明一部分的附图，而且在附图中通过图解示出了可实施本发明的特定示例性实施 例。以足够的细节描述了这些实施例，以使本领域技术人员能实施本发明，而且应当理解的 是，可利用其它实施例，而且可作出修改而不背离本发明的范围。因此以下描述仅仅是示例 性的。诸示例性实施例提供一种太阳能电池器件，以及用于通过将开关组件集成到太阳 能电池单元中而构成太阳能电池器件的方法。诸示例性实施例还提供一种太阳能传感器， 以及用于构成和使用该太阳能传感器来检测有缺陷或有阴影的太阳能电池区域的方法。诸 示例性实施例还提供一种太阳能电池单元的连接系统，以及用于超连接太阳能电池单元以 提供期望连接路径或期望功率输出的方法。诸示例性实施例进一步提供用于旁路太阳能电 池组件中表现不佳的太阳能电池的系统和方法。如本文所使用的那样，术语“太阳能电池单元”可包括单个太阳能电池、诸如一组 或一串太阳能电池之类的太阳能电池阵列、或诸如一组太阳能电池阵列之类的太阳能电池 板(或太阳能电池模块)。该太阳能电池单元可具有至少两个太阳能电池端子。在多个实 施例中，所公开的“太阳能电池单元”以及相关器件、系统以及方法可进一步扩展至包括例 如电池组或电容器。开关组件可包括集成到太阳能电池端子本身中、或作为分立元件独立于太阳能电 池添加的一个或多个开关。在多个实施例中，被集成到太阳能电池端子中的任一个或两个 中的开关可包括基于MOS的结构，包括但不限于能利用相应的太阳能电池端子作为例如基 于DMOS的结构的漏极的VDM0S(垂直扩散金属氧化物半导体)或LDM0S(横向扩散金属 氧化物半导体)晶体管。这样的DMOS元件根据太阳能电池端子的极性可包括N型和P型 DMOS (NDM0S和/或PDMS0)。在集成开关的多个实施例中，优选DMOS配置，因为它允许低导 通电阻(漏源导通电阻)且不会降低太阳能电池单元的输出。虽然还能将双极晶体管开 关——包括垂直和横向PNP和NPN晶体管集成到太阳能电池单元的一个或两个端子中，但 这些不是优选的，因为它们即使在其饱和区中工作时也会有高电压降。对于包括未集成到太阳能电池端子中的分立开关的实施例，存在可使用的多个 开关，包括但不限于任何MOS (金属氧化物半导体)晶体管，包括PMOS、NMOS, LDMOS以及 VDMOS ；任何双极晶体管，包括NPN、PNP或IGBJT (绝缘栅双极晶体管)；任何FET (场效应晶体管)，包括PFET或NFET ；或任何机械操作开关，包括在SPST (单极单掷)、SPDT (单极双 掷)中使用常规机械致动或电致动(诸如继电器)的配置，以及连接至太阳能电池单元的 单个或两个端子的集成用SPMT(单极多掷)配置、或DPST(双极单掷)、DPDT(双极双掷) 中的开关，以及连接至太阳能电池单元的两个端子的DPMT (双极多掷)配置。在多个实施例中，可将基于MOS的开关与太阳能电池单元的一个或两个端子集 成。可将集成的太阳能电池端子与基于MOS的开关组件的源区和漏区之一组合，以获得所 公开的太阳能电池器件的公共触点。在某些实施例中，集成或组合的太阳能电池端子仍可 保持其触点，这称为“外部触点”，以提供更多连接灵活性。如本文所公开的那样，术语“外部触点”指的是对太阳能电池端子的电触点，例如 用于旁路开关组件以允许到太阳能电池单元的受影响端子的单独电连接。在多个实施例中，当多个基于MOS的开关用于开关组件时，可根据太阳能电池器 件的集成设计将基于MOS的开关形成为具有公共漏区或公共源区。图1A-1C描绘根据本发明的具有集成在单个太阳能电池中的基于MOS的开关组件 的示例性太阳能电池器件。具体而言，图IC描绘根据本发明的图1A-1B的示例性太阳能电 池器件100C的截面图。对本领域技术人员显而易见的是，图1A-1C中描绘的器件表示一般化的示意图， 而且可添加其它组件或可去除或修改现有组件。此外，虽然将图1A-1C中的太阳能电池单 元描绘为单个太阳能电池，但本领域技术人员将会理解，其它太阳能电池单元，包括但不限 于太阳能电池阵列或太阳能电池板可用于所公开的太阳能电池器件。此外，与MOS技术的 材料和制造兼容的任何太阳能电池单元可用于图1A-1C中所公开的太阳能电池器件。图1A-1B中的太阳能电池单元110还有可能可表示常规的电池组甚至高值电容 器。例如这样的配置能允许电池组中或包括多个连接的电池或电容器的其它电源的电池均 衡应用。为简单起见，图1A-1C示出了一个基于MOS的结构120与示例性的单个太阳能电 池110的示例性集成。如图所示，太阳能电池100可具有两个端子或两个触点扩散区112 和114。基于MOS的结构120可具有例如漏区123、源区129以及栅极126。基于MOS的结构120可用作开关，例如利用栅极126来控制即接通和切断太阳能 电池110，从而控制太阳能电池110的功率输出，例如电流和/或电压。在示例性实施例中， 诸如VDMOS之类的基于MOS的结构120可仅需要几伏的击穿电压，而且可被指派低的导通 电阻(漏源导通电阻)。在所示示例中，基于MOS的结构120可与太阳能电池110的示例性端子114集成。 例如，基于MOS的结构120的漏区123可与太阳能电池110的端子114集成或组合。集成 的太阳能电池端子114可保持如图IA和IC所示的其自身的外部触点，或者可如图IB所示 与基于MOS的结构120的漏区123使用公共触点来去除外部触点114c。如图IC所示，可将示例性的DMOS开关120集成到常规太阳能电池的端子之一中， 即η端子114中，以将该太阳能电池接通和切断。常规的太阳能电池的一个示例可包括具 有包括交替的P和η触点扩散的太阳能电池阵列或太阳能电池板的硅基光伏电池。在图IC 所示的实施例中，可通过示例性的基于DMOS的结构集成太阳能电池的η端子，尽管本领域 技术人员能理解可将任一其它基于MOS的开关用于所公开的太阳能电池器件。
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因此器件100C可包括太阳能电池ρ端子112、太阳能电池η端子114以及在半导 体衬底130中形成的基于DMOS的结构120。例如，该基于DMOS的结构120可以是垂直的基于DMOS的结构，其包括本领域技 术人员已知的P体区125、122中的源区(η+) 127,ρ体触点区124 (例如重掺杂区ρ+)、漏区 123、栅极126以及绝缘区105。集成的太阳能电池η端子114，例如重掺杂(η+)区114也可用作基于DMOS的结构 120的漏区触点。P体122和125可在漏区123的顶部上形成，例如，该漏区123可以是通 过注入和/或扩散工艺在典型的硅衬底(也参见130)中的ρ型层中形成的深η阱。通过 P体触点区124与ρ体源触点金属喷镀129c的组合能将源区127和ρ体区122 —起短路。在多个实施例中，诸如例如太阳能电池ρ触点112c、太阳能电池η触点114c以及 源区、漏区以及栅极的触点129c、114c以及126可包括使用铜互联以及与太阳能电池和半 导体加工兼容的其它金属。在多个实施例中，栅极材料可进一步包括例如通过离子注入或 原位掺杂而成为N+或P+极性的多晶硅。在某些实施例中，太阳能电池η端子触点114c可用作太阳能电池器件IlOC的外 部触点(还可参见图1A)。在其它实施例中，也如图IB中所示，可从图IC去除电池η端子 触点114c。在多个实施例中，可反转太阳能电池器件100C以及本文中公开的任何其它器件 的半导体区的导电性即P型和η型半导体区的用途。在多个实施例中，所公开的太阳能电池器件中的开关组件可包括多个开关。例如， 图2描绘根据本发明的另一示例性太阳能电池器件。对本领域技术人员显而易见的是，图2 中描绘的器件200表示一般化的示意图，而且可添加其它组件/器件或可去除或修改现有 组件/器件。如图2所示，示例性的太阳能电池器件200可包括具有两个端子(或触点扩 散)112和114的太阳能电池110。该器件200还可包括与太阳能电池端子之一例如端子 114集成的多个基于MOS的开关120a-c。在多个实施例中，如与图1A-1C描述的相似地，端 子114可存在或不存在，但与基于MOS的开关组件120的漏区123共用公共触点。在图2的特定实施例中，虽然将三个基于MOS的结构120与太阳能电池110集成， 并共用太阳能电池器件200的公共漏区123，但本领域技术人员能理解，可在太阳能电池中 集成任意数量的开关结构。此外，器件200的构成结构可类似于图IC中所示的结构，不同之 处在于可在该太阳能电池器件中形成共用公共漏区的串联的多个开关(例如用于器件200 的两个以上开关)。在多个实施例中，用于所公开的太阳能电池器件的开关的多重性能提供 与关联到太阳能电池的任何其它组件的多种连接灵活性。因此多个实施例可包括用于构成太阳能电池器件的方法。例如，首先可在半导体 衬底中设置或形成包括P触点扩散区和η触点扩散区的半导体太阳能电池单元。然后可将 基于MOS的结构与半导体衬底中的η触点扩散区和ρ触点扩散区中的至少一个集成，以将 该半导体太阳能电池单元作为开关控制。在多个实施例中，可在具有公共漏区或公共源区 的半导体衬底中形成多个基于MOS的结构。在多个实施例中，集成的多个基于MOS的结构可具有与叠层中的太阳能电池的数 量一致的击穿电压。例如，单个太阳能电池开关能以约1伏或2伏的击穿电压工作，而太阳能电池叠层能要求约10伏的击穿电压。多个实施例还可包括根据本发明的太阳能传感器及其构成。例如，图3描绘了根 据本发明的多个实施例的示例性太阳能电池组件300的一部分。对本领域技术人员显而易 见的是，图3中描绘的传感器300表示一般化的示意图，而且可添加其它组件/器件或可去 除或修改现有组件/器件。如图所示，太阳能传感器组件300可包括多个太阳能电池区310和多个开关组件 320。太阳能传感器组件300可包括多个传感器单元，其中各个传感器单元(例如300a或 300b)包括一个太阳能电池区(例如310a或310b)和与之关联的一个开关组件(例如320a 或 320b)。各个太阳能电池区310可例如通过阵列中像素大小为P并与太阳能传感器组件 300分开的单个像素来定义。该像素大小P可取决于空穴和/或电子在该半导体中漂移的 扩散长度。例如，在硅光伏电池中，当光辐射落在硅n-p结上时，波长小于1. 13 μ m的光子能 产生电子-空穴对。耗尽层中的电场能将电子驱动至η型侧，且将空穴驱动至ρ型侧。这 能在电子与空穴复合之前将它们中的大多数分离。可根据少数载流子——电子或空穴在它 们复合或到达结之前能在该区域中漂移或扩散的距离来确定“扩散长度”。因此各个太阳能 电池区310可包括至少一个单太阳能像素。各个开关组件320能独立地寻址相关联的太阳能电池区310。在多个实施例中，各 个开关组件320可集成在太阳能电池区310之一中，或可与相应的太阳能电池区310分立。注意，虽然图3中所示的太阳能传感器组件包括36个太阳能传感器单元或6X6 阵列的太阳能传感器区，但本领域技术人员能理解，可将任何其它数量的太阳能传感器单 元或太阳能传感器单元/区域的任何其它合适配置/阵列用于所公开的太阳能传感器组件 300。图4描绘根据本发明的利用图IC中所示集成的示例性太阳能传感器400的截面 部分。图4的截面示出沿图3的方向Α-Α’的太阳能传感器部分，其中该部分可包括传感器 单元 300a-b。在多个实施例中，可将图1的集成用作各个传感器单元的示例。如图所示，可将图 IC中所示的器件100C用作太阳能传感器400的单元300a或300b，其中各个开关组件独立 地控制相关联或相应的太阳能电池。在多个实施例中，太阳能传感器300和/或400还可包括用于显示来自受相应的 独立开关组件控制的各个太阳能电池区的电输出的读出组件。通常，对于太阳能电池，可横 跨半导体结连接电负载电阻R。电子和空穴会产生电流，从而可将太阳照射中的能量转换成 电路中的电能。当太阳能电池传感器的一个太阳能电池区具有缺陷、杂质或被遮挡时，载流子，即 空穴和电子的扩散长度和寿命会减少。可能会未测量这单个太阳能电池区的电功率输出。 然后可检测缺陷和阴影。在一个实施例中，太阳能传感器300或400可用于感测光暗区。例 如，可通过局部收集电输出来执行阴影或光子辐照检测。多个实施例还可包括用于利用例如图1A-1C和2所描述的方法构成太阳能传感器 的方法。在另一示例中，该方法可包括首先构成或设置具有多个太阳能电池区的太阳能电 池组件。可通过电子或空穴的扩散长度的像素来定义各个太阳能电池区。然后可构成或设置多个开关，各个开关独立地控制一个太阳能电池区。为了确定有缺陷的太阳能电池区或 阴影区，可监测各个太阳能电池区的电输出。在多个实施例中，可为基于太阳能电池的应用提供超连接方案、系统以及方法。超 连接可为太阳能电池单元提供多种配置和连接路径，以获得期望的电输出。为说明简单起见，图5表示根据本发明的用于太阳能电池器件的示例性标记。如 图所示，太阳能电池器件500可包括具有两个端子512和514的太阳能电池单元510。该太 阳能电池单元510可以是例如如图1A-1C和图2所示的单个太阳能电池、诸如太阳能电池 阵列之类的一组太阳能电池、和/或诸如一组太阳能电池阵列之类的太阳能电池板。太阳能电池器件500还可包括开关组件520，该开关组件具有与太阳能电池端子 之一例如514相关联的一个或多个开关520a-c。在多个实施例中，开关组件520可以是例 如在如图IC和图4中所示的太阳能电池单元中形成的集成开关组件，或来自太阳能电池单 元510的分立开关组件。本文中公开或本领域技术人员已知的任何合适的开关可用于该分 立开关组件。虽然图5描绘了用于开关组件520的三个开关，但多个实施例可包括用于开关组 件520的多于或少于三个的开关。图6-8提供太阳能电池单元的连接系统和连接方法的多个实施例。在多个实施 例中，术语“超连接”指的是在任何毗邻的太阳能电池单元之间提供所有可能跨接的连接方 案。可通过将开关组件与各个太阳能电池单元相关联来实现超连接，其中各个开关组件还 可包括多个开关。这样的超连接可提供连接太阳能电池单元的阵列或电池板的灵活性，从 而提供功率输出灵活性。在示例性实施例中，可按照串联-并联管理的方式超连接多个太 阳能电池单元。即，可并联超连接一串或多串太阳能电池单元。图6A-6B描绘根据本发明的示例性超连接系统。对本领域技术人员显而易见的 是，图6A-6B中描绘的系统表示一般化的示意图，而且可添加其它组件/器件或可去除或修 改现有组件/器件。在多个实施例中，可将与图5中所示的太阳能电池器件500有关的单元、组件以及 器件用作太阳能电池单元的超连接的示例。在图6A中，连接系统600A可包括多个太阳能电池单元610a_f，其中各个太阳能电 池单元与来自多个开关组件的一个和多个毗邻的开关620a-f相关联以构成超连接。在多 个实施例中，连接至特定太阳能电池单元的开关可来自不同的开关组件，而且每个开关组 件可包括至少一个开关。因此太阳能电池单元可通过利用例如相关联的开关620和/或外 部触点612a-f或614a-f的多个连接来超连接。在具有超连接系统的情况下，可将各个关 联的开关设置成支持多个太阳能电池单元的期望连接配置以供受控功率输出。在图6A中，例如，太阳能电池单元6IOb可利用示例性的串联-并联连接方案来超 连接。如图所示，太阳能电池单元610b可通过外部触点612b和开关620al连接至第一毗 邻的太阳能电池单元610a ；太阳能电池单元610b还可通过开关620bl和外部触点612c连 接至第二毗邻的太阳能电池单元610c ；太阳能电池单元610b还可通过外部触点612b和开 关620e2、和/或通过开关620b2和外部触点612e连接至第三毗邻的太阳能电池单元610e ； 以及，太阳能电池单元610b甚至还可通过例如跨接线634、635或跨接线632/633以及相关 开关连接至第四或第五毗邻的太阳能电池单元610d或610f。
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在多个实施例中，当需要更多太阳能电池单元与示例性太阳能电池单元610b连 接时，更多的开关620b、诸如614b之类更多的外部触点和/或更多的跨接线按需可用。同 样，其它太阳能电池单元，例如图6A中的610a和610c-f可履行这样的超连接过程。在多个实施例中，可通过去除一个或多个冗余的开关组件或跨接线并使用某些公 共节点作为代替以简化或净化图6A的超连接。例如，可将开关组件620c、620e以及620f 以及跨接线631和633从连接系统600A “有效去除”，从而留下如图6B所示的“经简化”的 超连接系统600B。如本文所使用的那样，“有效去除”的开关和跨接线可在物理上存在，即没必要从 物理上去除，而是被电切断从而使得没有电流从中流过。例如，通过电旁路例如使用外部触 点可“有效去除”开关；而通过适当的开关设置而不允许电流流过可“有效去除”跨接线。如图6B所示，连接系统600B可包括多个太阳能电池单元610a_f，其中至少一个 太阳能电池单元与来自多个开关组件的一个和多个毗邻的开关620a_f相关联以构成超连 接。在多个实施例中，可将与太阳能电池单元相关联的各个开关设置成支持多个太阳 能电池单元的期望连接配置以供受控功率输出。即，通过控制开关，能获得任何期望的配置 和输出。图7A-7C描绘根据本发明的用于具有6个太阳能电池单元的示例性太阳能电池板 的多种连接系统。如图所示，该连接系统使用框705表示包括太阳能电池单元和相关联开 关的一个太阳能电池器件(例如图5中所示的器件500)。对本领域技术人员显而易见的 是，图7A-7C中描绘的系统表示一般化的示意图，而且可添加其它组件/器件/方框或可去 除或修改现有组件/器件/方框。在多个实施例中，通过首先超连接例如图6A或6B中所示的6个示例性太阳能电 池单元、然后设置与这些太阳能电池单元相关联的各个开关以构成所需的多种连接配置， 可获得图7A-7C中所示的连接系统。在将串联一并联管理用于这6个示例性的太阳能电池板的一个实施例中，可能的 连接配置可包括例如1X6配置(参见图7A)、2X3配置(参见图7B)、3X2配置(参见图 7C)和/或6X1配置(未示出)。在这种情况下，各个开关组件可具有针对具有6个太阳 能电池单元的太阳能电池板的两个开关。在图7A中，1 X 6连接配置可具有串联连接的6个太阳能电池单元(参见方框705) 的一个回路(参见700a)，从而为该电池板提供两个连接触点700al和700a2。在图7B中，2 X 3连接配置可具有串联连接的3个太阳能电池单元(参见方框705) 的2个并联回路(参见700b)，从而为该电池板提供四个连接触点700bl-700b4。在图7C中，3 X 2连接配置可具有串联连接的2个太阳能电池单元(参见方框705) 的3个并联回路(参见700c)，从而为该电池板提供六个连接触点700cl-700c6。通过开关图6A或6B所示的超连接的太阳能电池系统，可获得这样的连接配置 700a-c。例如，为了获得图7A的1X6的连接配置，可将超连接的系统600A(参见图6A)的
开关-包括例如 620al、620bl、620cl、620dl、620el 接通，而将开关 620a2、620b2、620c2、
620d2、620e2、620fl 以及 620f2 切断。此外，跨接线 631、632、633、634 以及 635(参见图 6A) 会被有效去除，因为由于开关设置而不存在电流路径，同时跨接线636保持连接，因为相应的开关设置允许电流流动。虽然在图7A中未示出跨接线631、632、633、634以及635，这些 “有效去除”的跨接线可在物理上存在，但被电切断。此外，在多个实施例中，通过针对所示 出的连接配置使用外部触点(例如触点614c)，可旁路某些开关(例如开关620cl以及开关 620c2)。在多个实施例中，通过设置来自图6B的简化超连接系统的开关，可获得图7A的连
接配置。同样，类似于针对图7A的配置过程所描述的那样，通过设置来自图6A-6B的超连 接系统的相关开关，可获得图7B和图7C中所示的连接系统。此外，使用开关设置可将某些 跨接线从图6A-6B中所示的超连接系统中“有效去除”，但不一定从物理上去除。例如，对于 连接系统700b，可将所有的跨接线631-636“有效去除”，而对于连接系统700c，可将跨接线 631,633以及635 “有效去除”。以此方式，通过选择适当的开关或通过重新开关所公开的超连接系统的适当开 关，可重新配置太阳能电池单元的连接。在多个实施例中，太阳能电池板可具有来自使用图 6-7所示的示例性系统和方法的相关超连接系统的按需连接的多种数量的太阳能电池单兀。例如，该太阳能电池板还可具有需要连接的12个太阳能电池单元。对于合乎需要 的电输出以及由此的合乎需要的太阳能电池连接，可利用图6-7中描述的相似方法通过开 关、外部触点和/或跨接线将这12个太阳能电池单元与各个太阳能电池单元超连接，其中 各个太阳能电池单元与所有毗邻的太阳能电池单元互连。因此，可获得用于这12个太阳能电池单元的多种配置，包括(1)具有串联连接的 12个太阳能电池单元的1个回路的IX 12连接配置，从而为电池板提供两个连接触点；(2) 具有串联连接的6个太阳能电池单元的2个并联回路的2X6连接配置，从而为电池板提供 四个连接触点；(3)具有串联连接的4个太阳能电池单元的3个并联回路的3X4连接配置， 从而为电池板提供四个连接触点；(4)具有串联连接的3个太阳能电池单元的4个并联回 路的4X3连接配置，从而为电池板提供八个连接触点；(5)具有串联连接的2个太阳能电 池单元的6个并联回路的6X2连接配置，从而为电池板提供10个或更多个连接触点；和/ 或(6)具有用于电池板的12个单独的太阳能电池单元的12X1连接配置。在多个实施例中，可使用本文中公开的超连接系统将一个或多个表现不佳的太阳 能电池单元(例如至少部分被遮挡或有缺陷)从太阳能电池单元组中旁路出来。因此，如 果单个太阳能电池单元出故障，则可以有替代的路径，所有其它的太阳能电池单元/器件 的输出功率通过这替代的路径能对太阳能电池阵列或电池板的总输出功率作贡献。在多个 实施例中，在例如使用开关将表现不佳的太阳能电池旁路之后，可根据所公开的超连接工 艺配置或重新配置所有其它余下的太阳能电池单元。仍以超连接系统600A为例，图8A-8C示出根据本发明的多种旁路连接系统。对本 领域技术人员显而易见的是，图8A-8C中描绘的系统表示一般化的示意图，而且可添加其 它组件/器件或可去除或修改现有组件/器件。在多个实施例中，首先可通过切断相关联的开关将多个太阳能电池单元中表现不 佳的太阳能电池断开，同时可将多个太阳能电池单元中的其它太阳能电池单元保持连接或 重新连接或重新配置，以提供第二合适的超连接。在多个实施例中，经重新配置的其它太阳能电池单元根据功率输出可包括太阳能电池串联的一个或多个回路。在图8A中所示的一个示例性实施例中，当一个太阳能电池器件805e表现不佳 时，可通过切断所有相关联的开关将太阳能电池器件805e——包括相关的太阳能电池单元 (还可参见图6A的太阳能电池单元610e)和/或其相关的开关从多个太阳能电池器件断 开。然后可将余下的太阳能电池器件(参见610a-d和610f)重新配置或重新超连接，例如 串联连接(参见800a)，藉此提供连接触点800al和800a2。同样，在图8B中所示的另一示例性实施例中，当另一太阳能电池器件805f (仍参 见图6A的太阳能电池单元610f)表现不佳并从多个太阳能电池器件断开时，可将其它余下 的太阳能电池(参见610a_e)重新配置或重新超连接在一个串联组(参见800b)中，藉此 提供连接触点800b 1和800b2。在图8C中所示的另一示例性实施例中，当太阳能电池器件805f表现不佳并被断 开时，可重新配置或重新超连接其它余下的太阳能电池器件(参见610a_e)，以获得所连接 的太阳能电池串联组(参见600a-c和600d-e)的两个回路800c，从而提供连接触点800c 1、 800c2、800c3 以及 800c4。上述连接方案实施例通过将一个或多个无产出的电池或无产出的电池板旁路，可 提供优化来自太阳能电池板或太阳能模块的阵列的电池的功率输出的方法。此外，它们能 提供电池或模块之间的提高的连接控制水平。代替使用常规的串联连接，利用提高的互连 复杂程度可实现允许将电池或电池板旁路的连接。电池之间的连接更加复杂，到电池板的 连接亦然。到电池板的连接可包括电池输出和控制接线，电池输出便于监测电池或模块的 效率，而控制接线便于调节连接以将电路元件旁路。图9描绘具有控制设计的太阳能发电系统，该系统可与上述电池和电池板互连方 案一起使用。图9描绘包括多个太阳能电池区902的太阳能传感器组件900。应当理解的 是，太阳能传感器组件900可以是太阳能电池阵列或太阳能模块，而太阳能电池区902可以 是单个太阳能电池或单个太阳能电池板、子电池板等。为进行描述，按照具有子阵列902的 太阳能电池板900对图9进行讨论，其中每个子阵列包括多个太阳能电池。图9还描绘了调节器控制模块(控制器)904，例如包括微处理器的控制器电路系 统、专用集成电路(ASIC)、计算机系统等。虽然将控制器904描绘为与电池板900分离的单 元，但这两个单元可存在于同一外壳中。控制器904通过电池输出总线906接收与电池板 900的工作特性有关的信息。电池板的各个子阵列902输出包括其工作专属的工作特性的 信息。控制器904处理电池板工作信息，并通过到电池板900的电池控制输入908调节电 池板互连，例如在图6A、6B等等中描述和在以上所附的文本中讨论的那些互连。控制器可通过数据输出总线910例如向主系统控制器(未描绘)输出数据，且可 通过数据输入总线912例如从主系统控制器接收数据。可使用来自控制器的经调节的标准 输出914例如与其它电池板连接。可将控制器编程为监测和控制电池、电池板、子系统以及系统工作的多个方面。例 如1)控制器可检测、监测电池输出线且将它们求和，并连续确定电池板在给定时间 的功率输出。2)利用电池板输出的信息，控制器可向电池板发出将表现不佳的电池、子阵列等旁路的信号以使电池板的功率输出最大化。可利用如上所述的电池控制信号线完成电池旁路。3)控制器可将求和输出调节成标准的输出电压或电流，以便于通过标准连接914 的电池板到电池板连接。4)控制器可通过输入912接收数据。数据可包括例如控制器在工厂里的初次编 程，以及在现场更新的固件。输出910可将有关电池板和控制器工作的信息提供给主控制
ο5)控制器固件可包括使控制器执行最大功率点跟踪(MPPT)的指令。通过调节对 电池或子阵列的电输入，可追求和控制最大功率，以优化电池板的功率输出。来自电池板的 输出通过各个电池板连接被监测，并向控制器提供可用功率方面的工作反馈信息。控制器 可调节对电池的电输入，并监测所产生的功率结果的提高，且在需要时重新调节，直到达到 最大功率点且电池在输出最大功率。控制信号驱动各个电池或电池板子阵列(子区)中的 开关(例如120，图IA和1B)的栅极(例如126，图IA和1B)。在本发明的一方面中，控制器可监测电池板的功率输出，并在必要时作出互连修 改以使输出功率最大化。通过分析该信息，可识别循环功率变化，可提前调节该功率变化以 使功率输出最大化。例如，如果控制器检测到来自某组电池的按照基于时间的重复方式的 功率降低(例如亚标准发电水平)，该重复方式如果在电池板被阴影遮挡时会出现，则控制 器可最高效地将表现不佳的电池组从电路中去除。如果控制器在电池板的一个区域中的一 组电池检测到功率的突然连续降低，就像电池板表面上有外部碎片时可能出现的那样，则 控制器可最高效地将这些电池从电路去除，直到该电池板被清洁而且这些电池的功率输出 恢复。一旦清洁了该电池板，则控制器从这些电池接收工作信息、分析该信息、并确定这些 电池在产生至少标准的功率电平。控制器发出将这些电池恢复回电路的信号。在本发明的某些实施例中，会需要大量的电池板接线，以允许将一个或多个电池 从电路去除。已经认识到，在组装期间，在电池板与控制模块之间可能存在未正确连接的连 接。在这种情况下，可对控制器编程以调节这种状况。如果电池输出与电池控制线之间的 连接正确，则尤其是这样；考虑电池输出与电池控制线之间的连接可能会是相对电池板与 控制模块之间的连接而言不同的计量接线的情况，这是可能的。图IOA和IOB描绘使用固定装置来编程控制器，以校正错误接线的太阳能电池板 的接线。可在所有制造的电池板上使用该固定装置，以确保将控制器编程为克服制造误差， 这也会使控制器对于正确制造的电池板正确地编程。图IOA描绘输出辐照922的光源920，该辐照922足以在电池板子阵列902中产 生发电。将其中具有孔径926的挡光掩模924放置在太阳能电池板900的表面上，以使仅 一个子阵列902 (例如太阳能电池的一行或一列)通过孔径924从光源920接收辐照922。 被辐照的特定电池的位置由测试固定装置跟踪。被辐照的子阵列因为其发电增多而在其相应的电池输出引线(即其控制引线)上 输出信号。电池控制引线具有唯一的地址，而且可以被唯一寻址。发电增多而产生的信号 由测试固定装置接收，然后测试固定装置将被辐照的特定电池的位置与电池控制引线的地 址匹配。即，测试固定装置标识电连接至被辐照的电池的控制引线的地址。如图IOB所示 的那样，将掩模924横跨电池板的表面移动，以使按顺序辐照各个电池板子阵列。沿行然后沿列扫描电池板(或反之)提供将控制和输出引线与电池板中的电池或子阵列位置唯一配 对的输出。将所有子阵列与它们连接的信号地址(控制引线)匹配，而且例如使用图9中 描绘的编程输入912将该信息编程到控制器中。利用该测试固定装置方法，尽管信号引线 路由错误，也可将错误接线的电池板编程为正常工作。可构想此测试固定装置的多种变体。在一种变体中，光源和掩模保持固定，而使电 池板相对于孔径移动。在另一实施例中，使准直光源相对于电池板子阵列移动。诸如LED 或激光器之类的光源可被准直或遮蔽，而且在另一实施例中，该光源被充分遮蔽从而不需 要掩模。在另一实施例中，将有关被辐照的子阵列的位置和来自各个子阵列的功率输出数 据的信息直接输入控制器。在编程模式下，控制器将各个被辐照子阵列的位置与各个子阵 列连接的信号地址匹配。尽管陈述本发明的宽泛范围的数值范围和参数是近似值，在特定示例中陈述的数 值仍然尽可能精确地报告。然而，任何数值固有地包含必然来自它们相应的试验测量中存 在的标准差的某些误差。而且，本文中公开的所有范围应当被理解为包含其中所包含的任 何和所有的子范围。例如，“小于10”的范围可包括在最小值0和最大值10之间(含0和 10)的任何和所有子范围，即具有等于或大于0的最小值和等于或小于10的最大值的任何 和所有子范围，例如1到5。在某些情况下，该参数所述的数值可取负值。在这种情况下，陈 述为“小于10”的示例值范围可取以上定义的值加上负值，例如-1、-1. 2,-1. 89,-2,-2. 5、-3、-10、-20、-30 等。虽然已经关于一个或多个实现示出了本发明，可对所示示例作出变化和/或修 改，而不背离所附权利要求的精神和范围。此外，虽然已经关于若干实现中的仅一个实现公 开的本发明的具体特征，但在任何给定或具体功能需要和有利时，可将这样的特征与另一 实现的一个或多个其它特征组合。此外，在术语“包括”、“包括”、“具有”、“具有”、“具有”或 它们的变化用于详细描述和权利要求的范围内，这些术语旨在以与术语“包括”相似的方式 包括。如本文所使用的那样，相对于诸如例如A和B之类的项目的列表的术语“一个或多 个”表示仅有A、仅有B或A和B。术语“至少一个”用于表示可选择所列出项目中的一个或 多个。通过考虑说明书和实施本文所公开的发明，本发明的其它实施例对于本领域技术 人员将变得显而易见。说明书和示例旨在被认为仅仅是示例，而本发明的真实范围和精神 由所附权利要求指明。
1权利要求
一种太阳能发电系统，包括太阳能发电器件阵列；多个太阳能发电器件输入，其中一个输入连接至各个太阳能发电器件，以使各个太阳能发电器件能被唯一地寻址；多个太阳能发电器件输出，其中一个输出连接至各个太阳能发电器件，以使各个太阳能发电器件能输出信息；以及连接至所述多个太阳能发电器件输入且连接至所述多个太阳能发电器件输出的控制器，其中所述控制器适于从各个太阳能发电器件接收信息，并基于所接收到的信息输出用于寻址所述太阳能发电器件中的至少一个器件的信号。
2.如权利要求1所述的太阳能发电系统，其特征在于，所述控制器适于基于所接收到 的信息向所述太阳能发电器件中的至少一个器件输出信号，所述信号将所寻址的太阳能发 电器件中的至少一个器件旁路。
3.如权利要求1所述的太阳能发电系统，其特征在于，所述控制器适于基于所接收到 的信息向所述太阳能发电器件中的至少一个器件输出信号，所述信号提高所寻址的太阳能 发电器件中的至少一个器件所产生的功率电平。
4.如权利要求1所述的太阳能发电系统，其特征在于，所述太阳能发电器件的阵列包 括从由太阳能电池、太阳能电池阵列、太阳能电池板或太阳能电池模块组成的组中选择的 多个器件。
5.一种用于产生太阳能的方法，包括将来自太阳能发电器件阵列的信息输出到控制器，其中所述阵列中的各个太阳能发电 器件输出包括其操作专属的工作特性的信息； 分析所述控制器接收到的信息；以及将来自所述控制器的控制信号输出至所述太阳能发电器件阵列，所述信号改变所述太 阳能发电器件阵列中的一个或多个太阳能发电器件的电路工作特性。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括分析所述控制器接收到的信息，以确定所述太阳能发电器件中的一个以上器件正在产 生亚标准发电水平；以及将来自所述控制器的所述控制信号输出到所述太阳能发电器件阵列，以将所述太阳能 发电器件中的所述一个以上器件从所述电路去除。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括在将所述太阳能发电器件中的所述一个以上器件从所述电路去除之后，从所述太阳能 发电器件中的一个以上器件输出信息至所述控制器；分析所述控制器接收到的所述信息，以确定所述太阳能发电器件中的一个以上器件正 在产生至少一个标准发电水平；以及将来自所述控制器的控制信号输出到所述太阳能发电器件阵列，以将所述太阳能发电 器件中的所述一个以上器件恢复至所述电路。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括分析所述控制器接收到的所述信息，以确定来自所述阵列中的至少一个太阳能发电器件的所述功率输出；将来自所述控制器的所述控制信号输出至所述至少一个太阳能发电器件，以调节对所 述太阳能发电器件的电输入；以及监测对所述太阳能发电器件的所述电信号的所述调节是否提高了所述太阳能发电器 件所产生的功率。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述太阳能发电器件是单个太阳能电池，而 所述方法是最大功率点跟踪模式，该方法包括将来自所述太阳能发电器件阵列中的每个太阳能电池的信息输出至所述控制器； 分析来自所述阵列中的每个太阳能电池的所述信息，以确定来自每个太阳能电池的功 率输出；向所述阵列中的各个太阳能电池输出控制信号，所述信号针对各个太阳能电池定制以 调节对各个太阳能电池的电输入；以及监测对所述电池的所述电输入的所述调节是否提高了所述电池产生的电力。
10.一种用于制造太阳能电池板的方法，包括 将多个输出引线与多个太阳能发电器件电连接； 辐照第一太阳能发电器件至模拟太阳辐照；将来自所述第一太阳能发电器件的信号输出至与所述第一太阳能发电器件电连接的 所述输出引线；标识与所述第一太阳能发电器件电连接的所述输出引线的第一地址； 辐照第二太阳能发电器件至所述模拟太阳辐照；将来自所述第二太阳能发电器件的信号输出至与所述第二太阳能发电器件电连接的 所述输出引线；标识与所述第二太阳能发电器件电连接的所述输出引线的第二地址；以及 将所述第一地址和所述第二地址编程到所述控制器中，以使所述控制器能使用所述第 一地址访问所述第一太阳能发电器件，且能使用所述第二地址访问所述第二太阳能发电器 件。
全文摘要
诸示例性实施例提供太阳能发电器件阵列和用于构成该阵列的方法。各个太阳能发电器件可被定义为电池、电池组、电池板子阵列、来自电池板阵列的电池板等。该太阳能发电器件可包括能单独寻址和控制各个太阳能发电器件的控制器。还描述了测试方法和固定装置，该装置可用于对控制器编程，以克服阵列在制造期间的错误组装。
文档编号H02N6/00GK101917135SQ201010118628
公开日2010年12月15日 申请日期2010年1月28日 优先权日2009年1月28日
发明者S·J·高尔 申请人:英特赛尔美国股份有限公司