堆叠式光伏电池温度控制装置与方法与流程

本发明涉及的是对堆叠式光伏电池进行温度控制的装置和方法，特别是涉及获取太阳能电池电衰减数据的装置与方法。

背景技术：

在电池温度上升和载流子增加的时候，硅太阳能电池的注入水平可能会衰减。例如，在典型的光伏系统运行条件下，也就是温度低于80℃且光照条件最高为阳光照射的时候，就会出现这种情况。光伏电池的衰减体现在效率的降低上，这种情况经常在运行开始时即已出现。已发生的衰减，可以在特定的框架条件内，通过一个复原过程进行恢复，但是这意味着支出的增加。人们目前还没有充分理解导致出现衰减的效应，所以无法采取合适的应对措施。因此就存在获取光伏模块衰减情况的需求，并遵循以下目标。在特定的衰减周期中，太阳能电池要在规定的注入水平上经历一定的温度，而这两个参数在该过程中既可以保持恒定也可以是变化的。例如，该结果可以用于进行质量控制。此外，应对每个电池的衰减特性(或者时间性的衰减变化)进行研究，而在这里温度同样可保持恒定或者有变化。

例如，在常规设备中，会使用加热板或者金属涂层对各个光伏电池进行温度控制，或者将电池模块放入空调室中。此类光伏电池温度控制系统在DE 10 2011 051 112 A1和DE 10 2012 022 825 A1标准中有说明。

这些系统有以下问题。首先，需要有大量/大面积的加热板，或者必须进行大面积的用于加热的均匀照明。用于研究整个模块的常规方法有缺陷，因为首先必须构件一个模块，并且测量值仅对该模块有效(例如60个电池的平均值)或者必须构件专用的模块。此外还需要有一个空调室，根据其结构会出现从上到下或者其它方向上的显著温度差。因此，根据模块的堆叠方式(水平或者垂直)，将在模块内部或者不同模块之间存在梯度。

人们经常需要记录每个电池的衰减变化，而这就需要对每个电池进行接触。而在平面布置方式中，这反过来又需要进行昂贵的布线和接触连接。此外，还要在电池背面设置一个触点(例如以焊接的方式)，如果没有其它措施，这将导致电池与加热板隔开，没有最佳的热接触。另外，在模块中，每个电池上都必须有一个触点从模块引出。

常规系统的另一个问题在于，在拱形电池中，与加热板的热接触会导致电池温度出错。作为选择，必须在加热板中安装一个真空抽吸装置，而这么做又将导致花费增加。例如，DE 10 2009 059 300 A1标准中说明的另一种常规系统，里面的光伏电池输送容器就有一个电极， 用于往光伏电池施加电压。这样就能够以通电的方式，给已进行电连接的光伏电池加热，从而启动恢复过程。DE 10 2006 012 920 B3标准中公布了另外一种制造带有稳定的有效截面的光伏元件的方法，在该方法的制造过程中，通过施加电压产生电流，使温度被保持在特定的范围内。

但是，在这种系统中，给各个电池通电流很麻烦，要有额外的投入才能实现。在温度控制方面也是一样，它很难控制并且无法提供均匀的温度分布效果。尤其是在堆叠式光伏电池中，它会导致其内部温度超过平均水平，而边缘区域却相对较冷。

出于上述原因，常规的针对性衰减方法投入大、易出错且昂贵。

当前发明的任务是，创造一种能够避免所述的缺点，特别是能够有针对性地测量和研究衰减及其过程的装置和方法。

技术实现要素：

当前发明通过一个符合权利要求的堆叠式光伏电池温度控制装置和一种符合权利要求的温度控制方法来解决上述任务。从属权利要求是符合装置的改进方案。

当前发明的基础理念是，如果在衰减位置和测量位置内部给太阳能电池通电，有针对性地对电池进行加热，就可以让大量的太阳能电池同时开始衰减，并且可以同时控制所产生的废热的排出，达到均匀加热光伏电池的目的。

为了达到这一效果，符合本发明要求的堆叠式光伏电池温度控制装置带有：一个用于安装堆叠式光伏电池的区域；一个第一和一个第二电源接口，用于将堆叠式光伏电池连接到外部电源上，提供电流流过堆叠式光伏电池；和一个温度控制单元，设计用于让冷却剂流过安装区域，使安装区中的堆叠式光伏电池的温度可控。例如，可以将空气用作冷却剂，通过冷却来控制电池温度。

在其它结构形式中，电池在堆垛中沿着导电轨(即所谓的汇流条)，通过导电的隔片或者模块横向连接杆彼此隔开。这样，电池就可以在汇流条方向上通过空气全面冷却，同时不同的堆垛层彼此有电接触。

此外还可以通过温度传感器获取电池温度。例如，温度传感器可以设置在电池和横向连接杆之间。这样就可以准确地测量电池的温度。

此外，在给光伏电池通电的过程中，可以单独测量每个电池或者电池组的电压降，并将测量值保存下来。同样可以通过有针对性的温度控制和/或者电流或者电压控制，实现相应的波动。这样就可以将光伏电池置于时间性的温度影响中，同时测量各个电池上的相应电压降。每个电池的衰减变化都可以用这样的方式获取，同时电流强度和温度可以保持恒定或者有变 化。

因此，当前发明的优点尤其体现在：在所需的条件下对大量的太阳能电池进行衰减，即没有温度梯度的衰减，这方面所需的成本明显更低。这可带来可观的成本节约潜力。此外，符合本发明要求的方法节省了空间，并且可以以相对较快的速度实现。甚至可以采集和保存大的数据量。电池的接触方式简单并且可以相对较快地实现。在测量之后，电池还可以继续使用。

因此，本发明能提供前述常规手段无法实现的优点。结构示例的优点尤其体现在，衰减时，可以快速、低成本地扩大容量。为了加深对衰减机制的理解，可以进行大量的研究和获取衰减特征。这样就可以在生产中和/或者在质量监控过程中，对晶片材料和电池过程进行质量控制。

附图说明

用下面的详细说明和随附的不同结构示例的图纸可以更好地理解当前发明的结构示例，但是不应将其理解为，它将公开的内容限制为特定的结构类型，应理解为，它仅作释义和促进理解用。

图1是一个温度控制装置的结构示例。

图2是带有其它可选构件的装置的另一个结构示例。

图3显示的是图2所示的装置，位于与示例性气流垂直的横截面中。

图4是用在光伏电池堆垛中光伏电池之间的隔片的细节图。

图5是改进方案的其它细节。

图6是该装置的安装区可能的设计结构。

图7是一个温度控制方法流程图。

具体实施方式

图1显示的是温度控制装置的一个结构示例，它具有以下特点：一个堆叠式光伏电池50的安装区110；一个第一和一个第二电源接口121、122，用于将堆叠式光伏电池50连接到外部电源(未显示)上，提供电流流过堆叠式光伏电池50。此外该装置还有一个温度控制单元130，设计用于让冷却剂F流过安装区110，使安装区110中的堆叠式光伏电池50的温度可控。

图2是带有其它可选构件的装置的一个结构示例。在所示的结构示例中，温度控制单元130包含一个鼓风机131和一个附加加热装置132，能够让鼓风机131引发气流F，例如从附加加热装置132流到鼓风机131(或者反过来)。附加加热装置132有触点133，能够 在上面施加电压，使得附加加热装置132的加热功率可调(例如，在使用了控制单元的情况下)。

因此在空气流经堆叠式光伏电池50之前，可以用附加加热装置132给气流F加热。此外，在结构示例中还可以看到很多隔片60，分别布置在光伏电池堆垛50中两个相邻的光伏电池51、52之间。隔片60的作用是将光伏电池50隔开，产生间隙，让气流F可以作为冷却气流流过。

此外，图2结构示例中还有一个绝热层210，位于装置的边缘区域，垂直于气流F。它的作用是，让位于边缘区域的光伏电池，在热量上与环境隔开，使其不会在较低环境温度作用下过分冷却。因此，即使是在与气流方向F垂直的方向上，堆叠式光伏电池也有均匀的温度变化过程。

也有可能在边缘区域还存在其它(与绝热层210相邻)的光伏电池53、54，并且这些光伏电池53、54之间并没有设置隔片60。这有个好处，即其它光伏电池53、54可以发挥热反射镜的效果(隔开明显较冷的环境)，特别是在绝热效果不理想的情况下，可改善边缘区域热分布的均匀性。但是，如果绝热效果非常好，就不需要这些光伏电池54、54。

也可以选择让光伏电池和隔片在堆垛中松散地堆放/堆叠，彼此不固定连接在一起，仅通过安装区的外部框架在侧面对准。为了保证光伏电池50和隔片60之间依然有充分的电接触，可以用重物加重(例如在15kg和30kg之间的重物)。这样可以快速地检查电池，无需进行任何改动，所以电池过后可以立即使用。

同样地，也可以选择让通过鼓风机131导出的空气至少部分经过回流通道再次返回附加加热装置132旁的气流F入口。在这种情况下，将不会有或者只有少量冷却空气被带入光伏电池堆垛中，进入其中的将是已进行预热的空气。这样可以沿着气流F的流动方向，在光伏电池50中形成均匀的温度分布。

图3显示的是图2所示的装置，位于与气流F垂直的横截面中，也就是说，在图3中，气流F的方向与图纸平面垂直。从图3可以看出，绝热层210可以在所有面上与气流F垂直，即绝热层210包括一个第一绝热层211，一个布置在相对侧面上的第二绝热层212，此外还有同样是布置在光伏电池50堆垛的两个相对面上的第三绝热层213和第四绝热层214。隔片60依然布置在相邻的两个光伏电池51、52之间，并且在一个平面内的两个隔片60之间将产生一个气流F可以流过的空隙70。

图4显示了隔片60的其它细节，它同样也可以用作横向连接片，让相邻的光伏电池51、52有电接触。在具有导电性的隔片60末端分别设计了一个绝热层63，该绝热层空出 了一个中间段61，可以用于在相对的光伏电池51、52之间产生电接触。因此，在堆垛上面或者底面导入的电流就可以通过隔片60流经堆垛中的所有光伏电池50。

图5显示了改进方案的其它细节。

在图5所示的结构示例中，光伏电池50之间或者堆垛内部布置了一个第一温度传感器151和一个第二温度传感器152，其中，温度传感器可以沿着气流方向F彼此交错布置。根据选择，还可以有其它温度传感器，例如在不同的层面中。另外，依然在光伏电池50堆垛上方和下方设计了一个绝热层210。

光伏电池50将通过第一触点121和第二触点122实现电接触并与电源300连接，而在电源300和第一接头121之间，例如设计了一个开关114，可以有针对性地(用I_const电流)控制通电。

在图5的结构示例中，鼓风机131和附加加热装置132同样被设计为温度控制单元130的一部分。鼓风机131通过控制线201、202连接到控制单元140上，并且同样也与一个独立的电源350相连。

控制单元140包括一个微控制器141、一个存储单元142(例如带有RTC、SD卡和/或者输出装置143)、一个显示器144和一个附加加热装置控制器(例如电压控制器)145。电压控制器145通过输电线133与附加加热装置132相连，实现对加热功率的控制。微控制器141的设计功能是，通过操作开关134开启或者关闭附加加热装置132。此外，微控制器141还通过一条传感器线203和第一运算放大器351与第一温度传感器151相连，从第一温度传感器151接收温度数据。同样地，微控制器141通过传感器线204和第二运算放大器352与第二温度传感器152相连，从该传感器采集温度数据。例如，可以将第一和第二运算放大器351、352设计用于放大第一温度传感器151和第二温度传感器152的数据，然后将放大后的信号通过信号线203、204传输到控制单元140的微控制器141上。例如，为了控制鼓风机131，微控制器141将通过第一控制线201给鼓风机131发送脉冲宽度调制信号，控制鼓风机131的转速或者旋转时间。通过第二传感器线202可以进行反馈，例如利用取决于鼓风机131转速且被发送回微控制器141的信号来实现。

此外，图5的结构示例还包含一个信号采集单元310。信号采集单元310通过信号线314与各个光伏电池相连，因此可以采集光伏电池50堆垛内部各个光伏电池或者多个光伏电池的电压降。例如，可以用具有导电能力的隔片60的末端63来实现接触，例如，可以为此让这些末端从堆垛50侧面突出。例如，在末端63中可以存在直通连接，以将导电的横向连接杆61(参见图4)与信号线314相连。

例如，可以按照以下方法进行数据采集。信号采集单元310有众多开关312，例如可以让这些开关分别选择两个隔片60，在这两个隔片之间存在一个或者多个要探测的光伏电池并且要对其电压降进行测量。电压降数据可以通过信号线401传输给微控制器141进行分析。为了能依次对众多光伏电池进行测量，信号采集单元310配有一个用于此用途的乘法器311。乘法器311可以依次选择多个相邻的光伏电池或者任意的光伏电池对，以这样的方式测量所选电池的电压降。乘法器311通过控制线313与微控制器141相连，所以微控制器141就可以确定所需光伏电池的电压降。

此外，控制单元140还可以根据所采集的温度数据和各个光伏电池的电压降数据，对以下单元进行控制:鼓风机131(例如通过PWM信号)和/或者附加加热装置132(通过对开关134进行控制)和/或者电源300(通过开关114)。这样就可以有针对性地以通电的方式对光伏电池50堆垛进行加热，并且保证堆垛内部的温度变化恒定且均匀，同时根据采集的电压降数据获取衰减数据。

根据光伏电池堆垛50的电池数量，可以依次连接多个乘法器。例如，在图5的例子中就有7x8(即56)个开关。未采集电压降的其它光伏电池可以继续有电流流过。

将气流F的流动方向反转，让气流往相反方向运动，可以避免示范性的空气冷却装置在冷却空气入口和冷却空气出口之间，气流方向F上出现大的温度梯度。在这种情况中，鼓风机131会将空气压入堆垛50。此外，仍然可以对冷却空气进行预热，让空气入口不会出现过于强烈的冷却。最后，也可以对电池间距进行选择，使其存在足够的冷却空气，实现有效的冷却。

图6A-F显示了本发明装置安装区110可能的设计结构。图6A显示的是，与气流方向F垂直的横截面方向上的安装区110。图6B和6F显示的是安装区110不同视角的空间视图。在图6C和6D显示的安装区110中，气流方向是垂直的。在6E显示的视图中，空流方向F是水平的。

图7是一个温度控制方法流程图。该方法包含以下步骤：将S110堆叠式光伏电池50安排到安装区110中；然后S120将堆叠式光伏电池50连接到外部电源300上，以便提供电流I通过堆叠式光伏电池50；通过S130流经安装区110中堆叠式光伏电池50的冷却剂流量F改变堆叠式光伏电池50的温度，从而控制安装区110中堆叠式光伏电池50的温度。

虽然之前的说明主要涉及堆叠式光伏电池，但是所述的结构也可以类似地应用在堆叠式光伏模块上。这样的结构应用形式也是本发明的一部分。

可以对本发明的主要内容作如下总结。

衰减的类型所需的注入，可通过给光伏电池通电来实现。它的优点是，在室内也可以出于测试用途(例如进行定期的质量检查)进行衰减。

遵照当前发明，完全制造完成的太阳能电池(例如已进行金属喷镀)上下堆叠并通电，以达到所需的注入水平。这样，在每个电池上都有功率P＝I*U的电能被转化成热能，其中I是流过电池的电流，U是经过每个电池而下降的电压。

在电池之间，沿着汇流条分布着具有导电能力的隔片(例如模块横向连接杆)。这样就可以通过电池之间、沿着隔片纵向流动的冷却空气流控制电池的温度。电池堆垛的两面以及向上和向下面均进行了热量(和电)隔离(即在与气流垂直的所有方向上隔离)。这样可以保证，在与冷却空气垂直的方向上没有温度梯度或者只有小的温度梯度。在电流强度大约2安培、电池温度75℃、室温25℃且电池间距大约0.3mm的条件下，流入和流出空气之间的典型温度梯度大约为4开尔文。

冷却效果可能因冷却空气流量、电池和环境空气之间的温度差以及电池间距而出现变化。电池间距通常为0.2至1mm。但是该间距也可以比该数值高，例如2或者3mm。可以设置合适的间距，用既有的温度控制单元达到所需的温度。典型的电流强度与短路电流Jsc或者较低的电流一致。如果是更高的电流强度，在垂直于汇流条的金属喷镀中会产生电压降，可能导致不均匀通电和衰减。如果要使用更高的电流强度，应采用平行于汇流条的其它间隔装置。

为了让电池和间隔装置之间有良好的接触，可以往电池堆垛上施加压力，例如使用重物(例如5和30kg之间的或者大约20kg的重物)。

当前发明的结构示例还包含一种机械结构，用于堆放堆叠式光伏电池。温度降在电池堆垛中的一个或者多个位置上测量，然后测得的温度将在控制装置中与额定值进行对比并对冷却空气流量进行控制。冷却气流的方向可以在操作过程中多次更改，让空气入口和空气出口之间的温度梯度保持在较小的水平或者低于规定的阀值。

吸入的空气也可以进行事先冷却(例如通过Peltier元件)，或者预热(例如通过电热丝或者也用Peltier元件)。这可以加快加热和冷却过程，或者以所需的方式影响空气入口和空气出口之间的温度梯度。对冷却空气进行预热的时候，至少可以将一部分排出的空气作为冷却空气使用。

采集到的测量值可以保存起来，例如测量值可以包括电池温度、电池电压、电池电流，必要时也可以包括这些值的静态平均值或者环境温度和风扇转速等。

此外，本发明的装置或者控制器还可以配置输入输出设备，例如显示器、键盘、存储器、网络接入口或者其它设备，让用户可以进行相应的设置和采集数据。

除了恒定地通电和选择恒定的温度之外，也可以使其有波动，例如用于模拟室外条件。

设备还包括一个安全装置，用于在过热或者冷却装置故障的时候切断电流。

说明内容、权利要求和结构图中公开的发明特征，即可以单独也可以以任意方式组合，构成实现发明要求的要素。