利用叠层嵌入式远程访问模块开关的太阳能光伏模块功率控制和状态监控系统的制作方法
【专利说明】利用叠层嵌入式远程访问模块开关的太阳能光伏模块功率 控制和状态监控系统
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年4月13日提交的美国临时专利申请61/811，736和2013年10 月24日提交的美国临时专利申请61/895326的利益，所述美国临时专利申请均以引用的方 式整体并入本文。
技术领域
[0003] 本公开大体涉及太阳能光伏（PV)电池和模块领域，且更具体地说，涉及用于太阳 能光伏模块的功率控制和状态监控系统。
[0004] 背景
[0005] 太阳能光伏（PV)和太阳能电池技术的进步已经为作为可再生清洁能源产生机制 的太阳能电池和模块的降低成本的批量生产以及大规模采用铺平道路。随着该技术被实 施，越来越需要电池级、模块级和系统级的安全性和功率效率改进。典型的太阳能系统包括 安装和连接在太阳能模块叠层（laminate)中的太阳能电池和各种种类的串行和太阳能系 统级组件用于传递和收集由太阳能电池在载荷（例如像DC到AC功率逆变器单元的功率转 换器单元）处生成的电力。太阳能模块电气连接若干太阳能电池（通常为一个或多个串联 连接的太阳能电池串）以用于功率采集，且通常将电气互连（例如，通过接片/串接）的太 阳能电池密封或封装在太阳能模块叠层中，该叠层包括透明保护前盖（诸如玻璃）和保护 背板以及诸如乙烯醋酸乙烯酯（EVA)的合适密封剂层。
[0006] -般来说，太阳能系统电力从模块叠层（或若干电气连接的太阳能模块，诸如以 电气串联或并联或串联和并联的组合方式连接的模块）的正极和负极引线/端子收集，所 述引线/端子依赖外部电气布线来连接模块和收集功率。因此，当太阳能电池正在接收太 阳光并生成电力时，太阳能模块输出引线处于电气高温状态（也就是，它们具有电压且可 输送电力至载荷）。另外，常常难以控制模块的电力输出，且现有控制系统依赖于外部电气 断路器开关或其它模块外部构件来连接或断开模块输出。这些解决方案常常为会留下高温 模块电线、易于发生故障且需要复杂制作的离散外部模块级组件。一些其它现有技术配置 使用在外部附接至外部模块输出引线的外部微逆变器或DC-DC功率优化器。外部微逆变器 或DC-DC功率优化器可断开至载荷的模块功率输送，但是它们给PV模块增加可观的成本和 复杂性，且不会断开模块叠层内的内部模块功率输送。
[0007] 另外，随着太阳能PV模块被越来越多地运往和安装于商用和居住建筑物的屋顶 和外墙以及公用事业规模的太阳能发电站和其它特殊应用（例如像汽车应用的便携式和 移动式发电应用），安全且高效地运输、安装及控制太阳能模块的需求增加。并且，随着太阳 能PV系统使用增加，操作和维护期间的模块盗取和安全性要求的警觉性和防范的关注不 断增加。 发明概要
[0008] 因此，已经出现对易于实施且可靠的模块功率控制和状态监控系统的需要，所述 系统提供提高的模块安全性和防盗改进，且具有最低限度的模块发电影响（也就是，最低 限度的插入损耗）。根据公开的主题，提供一种利用远程访问控制开关（RAMS)的模块功率 控制（和状态监控）系统，该系统基本上消除或减少与先前开发的模块功率控制系统相关 联的缺点。
[0009] 根据公开的主题的一个方面，提供一种用于发电的太阳能光伏模块叠层。太阳能 模块叠层包括多个太阳能电池，所述多个太阳能电池嵌入在模块叠层内且电气互连以便在 该模块叠层内形成至少一串电气互连的太阳能电池。模块叠层通常包括保护透明盖板（例 如，玻璃或诸如ETFE或PFE的柔性轻质含氟聚合物）、正面密封剂层（例如，EVA或聚烯烃 或其它合适的密封剂）、所述多个电气互连的太阳能电池和任何嵌入式功率电子组件（诸 如本发明的实施方案）、背面密封剂层（例如，EVA或聚烯烃或另一合适的密封剂）以及合 适的保护背面板（例如，Tedlar或另一合适的保护基板）。以及嵌入在模块叠层内的至少 一个远程访问模块开关（RAMS)功率电子电路（实施为单封装单片式集成电路或多组件小 型印刷电路板），其电气互连至所述至少一串电气互连的太阳能电池且利用所述至少一串 电气互连的太阳能电池（以电气串联方式或并联/串联的混合组合方式互连）供电，并且 充当远程控制的模块功率输送门开关。任选地，RAMS装置还可提供对PV模块进行实时状 态监控的能力，包括但不限于对输送的实际模块电功率和模块温度的监控。
[0010] 根据本文提供的描述，所公开的主题的这些方面和其它方面以及额外新颖特征将 明显。该概要的意图并非是对要求保护的主题进行综合描述，而是对主题的一些功能提供 简短概述。当检查以下附图和详细描述时，此处提供的其它系统、方法、特征和优势对于本 领域技术人员将变得明显。意图是，该描述所涵盖的所有这些额外系统、方法、特征和优势 在任何权利要求的范围内。
[0011] 附图简述
[0012] 当结合附图考虑下面阐述的详细描述时，公开的主题的特征、性质和优势可变得 更加明显，在附图中相同参考数字指示相同特征，且其中：
[0013] 图1为嵌入在模块叠层内的远程访问模块开关（RAMS)功率电子电路（可实施为 单封装单片式集成电路或多组件印刷电路板）的图解；
[0014] 图2为描绘连续AC信号以及示例性调制信号和产生的AC脉冲序列的图解；
[0015] 图3为具有四个端子引线或焊盘（两个输入端子和两个输出端子）的RAMS芯片 的水平示意图；
[0016] 图4至图6说明使用四个端子RAMS芯片的这种设计多样性；
[0017] 图7为示出利用模块供电的嵌入式RAMS功率电子电路实施方案的高级功能示意 代表电路图；
[0018] 图8为具有六个端子引线或焊盘的RAMS芯片的水平示意图，所述六个端子引线或 焊盘用于连接至来自一串互连的太阳能电池的多个连接点；
[0019] 图9为使用嵌入式RAMS功率电子电路的太阳能模块叠层的图解；
[0020] 图10为具有六个端子引线或焊盘（包括四个输入端子和两个输出端子）的RAMS 芯片的水平示意图；
[0021] 图11为具有嵌入式RAMS功率电子电路的太阳能模块叠层的图解；
[0022] 图12和图13为示出利用模块供电的嵌入式RAMS电路的高级功能示意代表电路 图；并且
[0023] 图14至图16为使用本发明的RAMS嵌入式模块与PV阵列控制和状态监控系统 (PACS)协作的代表性PV系统实例。
[0024] 详述
[0025] 以下描述没有限制性含义，而是仅用于描述本公开的一般原理的目的。本公开的 范围应参考权利要求加以确定。本公开的示例性实施方案在附图中说明，相同编号用于指 代不同附图的相同和对应部分。
[0026] 并且，虽然参考具体实施方案和组件（诸如，由命令信号控制的远程访问模块开 关（RAMS)功率电子电路）来描述本公开，但是本领域技术人员可将本文所讨论的原理应用 于其它组件和电路系统（诸如具有嵌入式存储器或无线控制的控制开关）、技术领域和/或 实施方案而无需过多的实验。
[0027] 本申请提供一种解决方案，该解决方案在于有效且高效地控制太阳能模块功率输 出同时提高模块处理安全性并解决与已知的太阳能模块控制系统相关联的制作和可靠性 挑战，同时还提供增强的防盗和任选的模块状态监控功能。除了远程控制的模块功率打开/ 关闭开关之外，本申请的稳健太阳能模块系统还可提供：包括多个PV模块叠层的模块阵列 或太阳能系统内的模块识别（各自具有嵌入式RAMS功率电子电路，该电子电路任选地具有 独特模块识别符）；凭借防盗功能的盗窃威慑；实时模块状态监控和更新（诸如，模块叠层 或RAMS电路温度以及模块功率输送）；以及针对PV模块叠层内的模块功率控制组件（RAMS 电路）和太阳能电池的电涌和静电放电（ESD)保护。另外，公开的系统的电气组件可实施为 低成本及最低限度影响组件，且其可由模块自身供电（也就是自供电RAMS功率电子电路， 无需外部功率供给）。
[0028] 太阳能电池模块（或太阳能PV模块叠层）大体上包括定位在正面和背面密封剂 /叠层层（例如，EVA或聚烯烃或其它合适的密封剂）之间的多个太阳能电池。其它层尤其 可包括诸如刚性光透玻璃层的正面保护盖（用于刚性玻璃覆盖型模块），或柔性轻质光透 覆盖层（例如含氟聚合物盖板，诸如透明正面盖与太阳能电池之间的ETFE或FPE)，以及背 面保护层（在太阳能电池与背面保护层之间）。PV模块叠层可为柔性（和/或轻质）或刚 性（通常为玻璃覆盖型）叠层结构，还可被加框或为无框，并且还被修改用于诸如光伏建筑 一体化（BIPV)的多种应用。
[0029] 本申请的太阳能模块功率控制系统利用嵌入在模块叠层内的至少一个远程访问 模块控制开关（RAMS)电路，该开关电路充当模块的功率门或功率开关（换句话说为根据 本发明的实施方案的远程控制的模块级旁路开关和控制），能够选通和控制模块功率输出 (也就是，启用或禁用至模块叠层外部的模块功率输送）。在本发明的主要实施方案中，远 程控制的RAMS开关为旁路开关，该旁路开关当模块功率输送被关闭时在内部将模块功率 引线分流（因此，在内部循环模块电流）。当模块功率输送被打开时，远程控制的RAMS旁路 开关位于打开位置处（未分流模块引线）。例如，RAMS可为具有旁路开关设计的单封装单 片式CMOS芯片，或为具有嵌入在模块叠层内的旁路开关设计的多组件印刷电路板（PCB)。 单个RAMS电路可每光伏（PV)模块嵌入，且定位在模块密封剂内，且模块的功率输出通过该 电路流动。或可选地，多个RAMS功率电子电路（例如，与模块叠层内的三个电气互连的太 阳能电池子串相关联的三个RAMS电路）可嵌入在模块叠层内，各自连接至（多个）串联连 接或并联-串联混合连接的太阳能电池阵列。RAMS电子电路自身（例如，单封装单片式集 成电路或多组件PCB)可使用多种机制定位和附接（例如，通过焊接和/或导电粘合剂）至 一串电气互连的太阳能电池（例如，如果/当太阳能电池安装在具有互连结构的底板上时， 则附接至支撑底板），或作为离散组件（单片式集成电路或多组件PCB)定位靠近太阳能电 池串输出电气引线和/或定位在其之间，并通过模块叠层内的电气总线连接器连接至所述 引线。重要的是，在模块功率可通过模块外部输出在外部输送之前必须经过嵌入式RAMS电 路（当远程控制的RAMS通过将其旁路开关打开且不在内部分流模块