专利名称：太阳能面板中热点的检测与防止的制作方法
太阳能面板中热点的检测与防止相关申请案交叉参考本申请案与轲纳罕(Kernahan)等人在2008年4月2日提交的第12/061，025号共同拥有的美国专利申请案相关，所述申请案以全文并入本文中。
背景技术：
太阳能面板的制造者预期太阳能面板能持续至少二十五年。为实现此长寿命而待处理的许多寿命限制条件之一是面板上的热点。热点可由于归因于所产生的热导致对面板的损坏及/或归因于扩散老化对面板电池材料的较长期降解而限制寿命。故障模式包含电池中的熔化的焊料接点、引脚孔或开路及对面板外壳的损坏。热点的一些原因为制造相关的，例如太阳能电池的组装缺陷、不合标准的材料、污染及始终存在的制造变化。虽然面板可能已制造有若干缺陷，但其很可能使用达延长的时间，但少于预期的时间。其它原因是制造商或安装员所不能控制的。举例来说，面板中的一些电池可归因于局部区域中的部分荫蔽、灰尘或鸟粪、跨越面板的温度变化及不同电池之间扩散区的不均勻老化而被暴露于比其它电池多或少的太阳光。可通过使用旁路二极管来规避热点加热的破坏效应。旁路二极管是并联但以相反极性连接到太阳能电池。在正常操作下，每一太阳能电池将被正向偏置且因此旁路二极管将被反向偏置且实际上将成为开路。然而，如果太阳能电池归因于数个串联连接的电池之间的短路电流的不匹配而被反向偏置，那么旁路二极管便导通，借此允许来自良好太阳能电池的电流在外部电路中流动而非正向偏置每一良好电池。跨越不良电池的最大反向偏置由旁路二极管减小到约单个二极管压降，因此限制所述电流并防止热点加热。图1中展示太阳能面板的典型电路模型。为清晰地解释起见，实例仅为两个串联的电池。很明显，典型的面板具有多得多的串联电池以形成“串”，且一些面板具有多个并联的串。在图1的模型中，将每一太阳能电池建模为与经反向偏置二极管并联的电流源。图 1的实例包含与电池104串联的电池102，其分别具有旁路二极管110、112。在暴露于充足光时，所述模型的电流由光电二极管106、108产生。考虑与在功率容量上相等及不相等的太阳能电池相关的四种情况，每一情况呈开路及短路配置。在短路条件中且在匹配的电池的情况下，跨越太阳能电池及旁路二极管两者的电压为零；所述旁路二极管不具有影响。在开路时(还在匹配的电池的情况下)，来自每一电池的短路电流正向偏置所述电池。旁路二极管被反向偏置且同样对电路不具有影响。现在假定电池104被荫蔽，因此具有比电池102的功率提供容量小的功率提供容量。对于短路条件，一些电流从电池102流动，从而正向偏置电池102。旁路二极管110同样被反向偏置且不具有影响。良好电池102的电压正向偏置弱电池104的旁路二极管112， 从而导致其传导电流。经荫蔽电池104自身通过近似约-.5伏的二极管压降反向偏置。对于第四条件，即，弱电池104及开路，经荫蔽电池104具有减小的电压。旁路二极管110、112 被反向偏置且不具有影响。然而，实际上，每太阳能电池一个旁路二极管通常为太昂贵且替代地旁路二极管
3通常跨越太阳能电池群组放置。跨越经荫蔽或低电流太阳能电池的电压等于共享相同旁路二极管的其它串联电池的正向偏置电压加上所述旁路二极管的电压。跨越未经荫蔽太阳能电池的电压取决于对低电流电池的荫蔽程度。举例来说，如果电池被完全荫蔽，那么未经荫蔽太阳能电池将由其短路电流正向偏置且电压将为约0.6V。如果不良电池仅被部分地荫蔽，那么来自良好电池的电流中的一些电流可流动穿过电路，且剩余部分用于正向偏置每一太阳能电池结，从而导致跨越每一电池的较低正向偏置电压。经荫蔽电池中的最大功率耗散近似等于群组中的所有电池的发电能力。在不导致损坏的情况下，每二极管的最大群组大小为约15个电池/旁路二极管(针对硅电池)。因此，对于正常的36电池模块，使用 2个旁路二极管以确保所述模块将不易于受到“热点”损坏。现在考虑典型的太阳能面板配置及对部分荫蔽的响应。具有串联连接的25个模块的集合在11. 23A或5，250W下形成467. 5V的标称Vmpp。假定每一模块由各自具有38个电池的三个串构造而成(在492mV、3. 743A下的mpp)且连接每一串的顶部、中间与底部。在中间到顶部及中间到底部之间是旁路二极管(Vf 410mV)。如果一个电池被荫蔽或弄污达其电流下降374mA或374mA以上(10% )的程度，那么将通过对所述串的MPPT扫描来找出两个候选操作点在10. 853A 或 5，075W 下的近似 467. 5V,或在11. 230A 或 5，140W 下的近似 457. 7V由于模块的具有经荫蔽电池的部分仅产生10. 853A，因此追使其旁路二极管导通， 从而迫使从所述模块电压减去旁路二极管的410mV及19个经旁通电池的9. 350V(来自模块串的总损失为9. 760V)。在经旁通的19个电池内，于经荫蔽电池的电流下，跨越良好的18 个电池的电压加上跨越经荫蔽电池的电压的和必须等于_410mV(跨越旁路二极管的电压) (因为所有的19个电池为串联的)。解决方案为在经荫蔽电池中的3. 369A或31. 2w的功率耗散下跨越18个良好电池的近似8. 856V及跨越经荫蔽电池的-9. 266V。注意，对于具有19个电池的另两个集合也存在类似情形，因为其也被迫使成共计达旁路二极管的_410mV。旁路二极管具有模块串电流减去经旁通区段的差。所述模块正在的损失内产生97. 026W且以热量形式耗散额外的100w。串监测构件(例如ADC)将记录所述串的标称Vmp的IOV压降。被派去调查的技术员将发现当其预期18V时模块在9V下操作，当其跨越所述模块的一半投下阴影时功率无改变，且所述模块中的一些电池是异常地热(全部为标准故障查找观测)。所述技术员可得出以下结论所述模块低于80%的极限且断定其已出故障。然而，在工厂，此模块将在18. 7V及10. 853A或203w下击穿测试为仅低于标称 3.4%，但其将在约8.94(^下展示出374mA(3. 3% )的电流步长。一个或一个以上电池的反转的结果针对不同的太阳能电池技术而变化。对于单晶类型的电池，可不存在持续的损坏但存在效率的损失。对于薄膜构造的电池，在给定电池上电压的反转立即为灾难性的。那么，如所看出，旁路二极管为用于减弱由部分荫蔽或弱电池的其它原因导致的热点的必需且有效的方法。然而，查看图2，看出串202、204、206、208、 210、212具有某一大小(将称为大小“X”)的导体互连件。如果旁路二极管213、222导通， 那么其可载运多达所述串中的一者的电流的3X，因此每一旁路二极管的导体通常被定大小为单个串导体的大小的3X。旁路二极管互连件230、232的大小接着便向用于构造太阳能面板的最小面积添加显著的面积。需要一种用于在不具有旁路二极管及其对太阳能面板的伴随面积增加的情况下避免热点的手段。
发明内容
本发明在不使用效率降低保护二极管的情况下避免热点的条件。本发明的方法假定使用一种设备来控制面板的操作条件，其中所述设备包含用于测量跨越串的总电压的构件及用于改变所述面板的操作条件的构件。也不需要使用旁路二极管，从而节省了如在现有技术的情况下为典型的互连件所需的面积。在本发明中，将瞬时电压与针对所测量操作温度的预期电压进行比较。如果所述电压比预期的小某一量以上，那么减小向面板需求的功率(电流)使得所述电压小于所述预期电压的二极管压降，借此避免热点。在避免为对弱电池的反向偏置的热点的情况下，便不需要旁路二极管。
图1是太阳能面板的电模型。图2是典型太阳能面板的实例性物理布局，具体来说，其与互连件所需的面积相关。图3是使太阳能面板的输出电压与太阳能面板的温度相关的曲线图。
具体实施方式
权利要求
1.一种用于通过电子模块来控制太阳能面板的操作的方法，其包括确定所述太阳能面板的温度；依据所述温度确定所述太阳能面板的预期输出电压；确定所述太阳能面板的当前输出电压；将所述当前输出电压与所述预期输出电压进行比较；及控制所述太阳能面板使得从所述太阳能面板汲取的电流的值防止所述输出电压的瞬时值下降大于预定量而低于所述预期输出电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其中依据所述太阳能面板的规格来确定所述预期输出电压。
3.根据权利要求1所述的方法，其中依据特性数据来确定所述预期输出电压。
4.根据权利要求1所述的方法，其中根据气象数据来确定所述预期输出电压。
5.根据权利要求1所述的方法，其中通过计算随时间的滚动平均值来确定所述预期输出电压。
6.根据权利要求1所述的方法，其中通过将给定太阳能面板的所述输出电压与共用系统中的其它太阳能面板的所述输出电压进行比较来确定所述预期输出电压。
7.根据权利要求1所述的方法，其中由所述太阳能面板的制造商确定所述预定量。
8.根据权利要求1所述的方法，其中通过以下操作来确定所述预定量通过减去公差值且通过减去所述太阳能面板特有的温度校正因子来调整最大功率点电压条件。
全文摘要
本发明涉及一种电子模块，其将太阳能面板的输出电压与预期值进行比较并控制向所述太阳能面板的功率需求，使得所述输出电压不从所述预期值变化大于预定值。可通过针对构成所述太阳能面板的光电二极管的温度相依性及制造公差校正室温值来确定所述预定值。
文档编号G05F5/00GK102265235SQ200980150610
公开日2011年11月30日 申请日期2009年12月14日 优先权日2008年12月15日
发明者肯特·克纳汉 申请人:亚雷转换器公司