专利名称：太阳能电池组件和发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能电池组件和一种发电装置，更具体地，涉及一种包括太阳能电池和电子功率变流器的太阳能电池组件以及一种利用所述太阳能电池组件的发电装置。
背景技术：
近年来广泛应用的光电式发电系统包括关联型系统和向负载供电的独立型系统，关联型系统提供一种工业用的交流电力系统，此交流电是通过变流器对太阳能电池产生的功率进行DC/AC转换而得到的。
用于输出交流电的AC组件近年来已投入实际应用，它集成有太阳能电池和变换器电路。作为AC组件的一种配置，日本专利申请特开平10-14111提出一种能通过顺序重复级联而增加并联AC组件数量的AC组件。
在日本专利申请特开平10-14111中公布的AC组件通过级联而使得多个AC组件的并联简单易行。另一方面，联接数量不经济的增多导致AC组件的连接器或电流通路中的电流超过额定电流。进而，如果在假定日照变得极其强烈的情况下AC组件的连接器或电流通路中的额定电流增加，那么AC组件的成本就会增加。
发明内容
本发明已提出解决上述每个或所有的问题，并且本发明目的在于防止太阳能电池组件中的过电流。
根据本发明，通过设置后述太阳能电池器件而实现前述目的，此太阳能电池器件包括太阳能电池；为转换太阳能电池所输出的电功率而设置的功率转换器；为从所述器件外部输入电功率而设置的输入连接器；为集流所述输入连接器输入的电功率和所述功率转换器输出的电功率、并输出所集流的电功率到所述器件外部而设置的输出连接器；为检测所述输出连接器的电流值而设置的检测器；以及当所述检测器所检测到的电流值超过预定值时为控制所述功率转换器的输出而设置的控制器。
从以下结合附图的描述中，本发明的其它特征和好处是显而易见的，在所有附图中，对于相同或相似的部件分配给相同的参考号。
图1为解释使用多个AC组件的光电式发电装置的结构的方框图；图2为光电式发电装置的外部视图；图3为示出根据第一实施例的AC组件的结构的方框图；图4为AC组件的外部视图；图5为示出变换器单元的结构的方框图；图6示出在日照改变的情况下在根据第一实施例的光电式发电装置中，以相同相联接的AC组件所集流的电流值以及每个AC组件的操作状态；图7为示出根据第二实施例的AC组件的结构的方框图；图8示出在日照改变的情况下在根据第二实施例的光电式发电装置中，以相同相联接的AC组件所集流的电流值以及每个AC组件的操作状态；图9为示出联接到单相三线系统线路的AC组件的结构的方框图；图10为示出联接到单相三线系统线路的AC组件的结构的方框图；图11为示出光电式发电装置的结构的方框图，在此装置中，如图9和10所示的AC组件交替联接。
图12为示出光电式发电装置的结构的方框图，此装置使用采纳单相三线输出系统的AC组件；以及图13示出在AC组件的功率变换单元中设置指示器的实例。
配电线包括两根输电线U和V以及一根中性线O。U相和V相分别为AC 100V，并且这些配电线构成200V的单相三线输电线路。因此，每个AC组件1具有100V的单相输出。如图1和2所示，用AC组件1的输出连接器联接输入连接器，使并联AC组件的数量增多。图1和图2示出U相和V相各联接五个AC组件1的实例(总共10个AC组件1)。
包括开关和系统异常检测器的关联型系统保护器31设置在AC组件1和工业用电力系统(以下简称系统)之间。当关联型系统保护器31检测到该系统电压升高、频率异常或断电等时，它切断开关，以使光电式发电装置与该系统断开。
由10个AC组件1产生的100V单相电输送到U相和V相，并送到200V单相三线系统。假设AC组件象图2所示那样联接，那么如果AC组件1与关联型系统端靠得越近，在AC组件1的输出连接器中的电流就越大。[AC组件的主要结构部件]图3为示出AC组件1结构的方框图；图4为AC组件1的外部视图。-太阳能电池单元如图4所示，太阳能电池单元2占据AC组件1的大部分。优选用作太阳能电池单元2的是在其光电子传感器中使用非晶硅、或多晶硅或晶状硅的单元。从太阳能电池单元2的电极(未示出)输出直流电。注当日照为1kW/m2时，第一实施例中太阳能电池单元2的额定输出为额定电压25V；额定电流4A；以及额定功率100W。-功率变换单元功率转换单元21包括变换器单元3、过电流检测器27以及电流通路7、8和9。功率变换单元21把太阳能电池单元2输送的直流电转换成50/60Hz和100V的交流电。被转换的交流电与从输入连接器5输入的交流电一起集流，然后输出到输出连接器6。注在第一实施例中，功率变流单元21的转换效率为90％，并且在太阳能电池单元2输入100W额定功率的情况下，功率转换单元21输出100V、0.9A和90W的交流电。-变换器单元图5为示出变换器单元3结构的方框图。
变换器单元3包括DC输入端18、输入噪声过滤器10、升压电路12、变换器电路13、联合反应器14、控制电路17、输出噪声过滤器16、AC输出端19、以及信号输入端20。输入到DC输入端18的大约25V的DC电压被含升压断路器的升压电路12转换成160V的DC电压。在此阶段，控制电路17基于DC电流22和DC电压23执行众所周知的最优工况点跟踪控制。
变换器电路13包括多个桥接的开关元件。包含微处理器等的控制电路17按以下方式产生PWM开关控制信号，此信号输送到变换器电路13。
控制电路17比较输入到变换器电路13的链电压24和电压命令值Vref，并产生输入误差信号。同时，带通滤波器从AC电压28分离出关联型系统端电压的基频成份。然后，使输入误差信号乘以分离出的基频成份，产生指示控制参考值的电流命令值信号。计算电流命令值信号和AC电流值15，产生电流误差信号。
用作控制电路17一部分的门控制电路比较电流误差信号和大约20kHz的参考三角形波信号，产生PWM开关控制信号，此信号输送到变换器电路13。注意当中止信号从信号输入端20输入到控制电路17时，PWM开关控制信号不输出到变换器电路13。
通过前述反馈控制，变换器单元3输出功率因数为1的交流电，并且具有与系统相同的相位。注可以使用许多其它已知的构造变换器单元3的方法和其它PWM控制方法。-过电流检测器过电流检测器27包括电流检测器4、参考电流设定电路25以及比较器26等。
串联到电流通路用于测量电流通路两端电压的分流电阻、或者使用能检测电流并同时与电流通路绝缘的线圈或霍尔元件的电流传感器，均可用作电流检测器4。在第一实施例中，利用霍尔元件的电流传感器用作电流检测器4，用于检测电流通路9中的电流。
参考电流设定电路25设定将要与电流检测器4所检测到的电流值相比较的参考值。参考电流设定电路25可配置成输出固定电压，或者配置可变电阻等以使参考值可以调整。
注在以下描述中，把输出连接器6和电流通路的额定值设定为参考值。然而，此参考值可设成小于额定值以便留出一点安全余量。
比较器26比较电流检测器4的输出和参考电流设定电路25的设定值。当电流检测器4的输出大于设定值时，比较器26发送变换器中止信号给变换器单元3的信号输入端20。-输入和输出连接器AC组件1的输入连接器5和输出连接器6用成对设置的可联接的插头和插座构造。如图1所示，联接在级联端部的AC组件1的输入连接器5不作联接。因此，不允许与带电部位容易接触的插座用于输入连接器5，而插头用于输出连接器6。[AC组件的操作]以下描述具有上述结构的AC组件1的操作。
由太阳能电池单元2产生的直流电被变换器单元3转换成交流电，通过电流通路8传输，而且，与其它AC组件1产生并且从输入连接器5输入的电流集流在一起，然后通过电流通路9传输，并输出到输出连接器6。
相应地，AC组件1的最大额定电流值由允许从电流通路9通过到达输出连接器6的电流值决定。在第一实施例中，基于电流通路9的最大电流值，AC组件1的最大额定电流值为4.5A。参考电流设定电路25的参考值设定为4.5A，以便使比较器26在电流检测器4所检测到的电流值超过4.5A的情况下发出变换器中止信号。
图6示出在日照改变的情况下在图1所示光电式发电装置中，以相同相联接的AC组件所集流的电流值以及每个AC组件的操作状态。注最靠近关联型系统端的AC组件分配的参考号为1a，而最远离关联型系统端的AC组件分配的参考号为1e。
如图6所示，每个AC组件1所集流的电流值(即电流通路9中的电流值)随着日照增加而增大。当日照在时间t超过1.0kW/m2时，每个AC组件1的输出超过0.9A并且总输出超过4.5A。
在时间t，AC组件1a的电流检测器4传送大于4.5A的检测值给比较器26。由于参考电流设定电路25的参考值设定为4.5A，因此，比较器26输出变换器中止信号。接收变我器中止信号的控制电路17停止提供给变换器电路13的PWM控制信号。变换器电路13被门阻断。
同时，当日照为1.0kW/m2时，AC组件1b-1e集流的电流值分别为0.9A、1.8A、2.7A和3.6A；因而，变换器电路13的操作继续进行。换而言之，在时间t以前，从五个AC组件1集流的功率输送给系统。在时间t以后，从四个AC组件1集流的功率输送给系统。
如上所述，在根据第一实施例的AC组件1中，有可能防止电流通路9和输出连接器6中的过电流。与其中关联型系统保护器31检测过电流并切断开关的配置不同地是，即使在日照骤增的情况下，除了最靠近关联型系统端的AC组件1以外，其它AC组件1还可以继续进行它们的操作，因为AC组件1的功率转换是从最靠近关联型系统端的AC组件1开始顺序中止的。第二实施例以下描述根据本发明第二实施例的光电式发电装置。注在第二实施例中，与第一实施例相同的配置分配相同的参考号并省略其详细描述。
在第一实施例中，当电流检测器4的检测值超过设定值时，AC组件1的输出被中止。而相反，根据第二实施例，AC组件1的输出降低，以便电流检测器4的检测值不超过设定值。
图7为示出根据第二实施例的AC组件1的结构的方框图。设置减法器54以取代图3中AC组件1结构中所示的比较器26。
减法器54从电流检测器4的输出值减去参考电流设定电路25的设定值。当所得到的结果是正值时，输出所得到的值；但当此结果为负值时，输出零作为输出降低信号。
控制电路17计算前述电流命令值信号、AC电流值15以及从减法器54通过信号输入端20输入的输出降低信号，产生电流误差信号。如上所述，接收电流误差信号的门控制电路比较电流误差信号和大约20kHz的参考三角形波信号，并产生将要提供给变换器电路13的PWM开关控制信号。
假如第二实施例中AC组件1的最大额定电流与第一实施例中的一样，为4.5A，那么参考电流设定电路25的设定值就为4.5A。当电流检测器4的检测值超过4.5A时，减法器54把输出降低信号输出给控制电路17。控制电路17通过把电流命令值信号降低到例如为输出降低信号的水平而产生电流误差信号，由此降低变换器电路13的输出电流。
图8示出在日照改变的情况下在图1所示光电式发电装置中，以相同相联接的AC组件1所集流的电流值以及每个AC组件1的操作状态。注最靠近关联型系统端的AC组件分配的参考号为1a，而最远离关联型系统端的AC组件分配的参考号为1e。
如图8所示，每个AC组件1所集流的电流值(即电流通路9中的电流值)随着日照增加而增大。当日照在时间t超过1.0kW/m2时，每个AC组件1的输出超过0.9A并且总输出超过4.5A。
在时间t，AC组件1a的电流检测器4传送大于4.5A的检测值给比较器26。由于参考电流设定电路25的参考值设定为4.5A，因此，比较器26输出一输出降低信号。接收输出降低信号的控制电路17限制变换器电路13的输出功率，由此把AC组件1a的操作改变为输出控制操作。
同时，当日照为1.0kW/m2时，AC组件1b-1e集流的电流值分别为0.9A、1.8A、2.7A和3.6A，继续它们的正常操作。因此，在时间t以前，从五个为正常操作状态的AC组件1集流的电流输送给系统。在时间t以后，从四个为正常操作状态的AC组件1和一个处于输出控制状态的AC组件1集流的电流输送给系统。
如上所述，在根据第二实施例的AC组件1中，有可能防止电流通路9和输出连接器6中的过电流。即使在日照骤增的情况下，最靠近关联型系统端的AC组件1的输出功率被限制，但其它AC组件1还可以继续进行它们的操作。这样，第二实施例可以比第一实施例中的光电式发电装置更有效地利用太阳能电池单元2产生的功率。第三实施例以下描述根据本发明第三实施例的光电式发电装置。注在第三实施例中，与第一实施例相同的配置分配相同的参考号并省略其详细描述。
第一和第二实施例采用联接到单相双线系统线路的AC组件1。第三实施例采用联接到单相三线系统线路的AC组件1。
图9为示出联接到单相三线系统线路的AC组件1的结构的方框图。尽管图9示出向U相线路供电的结构，但也可向图10所示的V相线路供电。
与图3和图7中所示的AC组件1不同，根据第三实施例的AC组件1的输入连接器51和输出连接器61是三极连接器。电流检测器4布置在集流通路91中电流被集流的一相，即联接有变换器单元3的那相。
图11为示出光电式发电装置的结构的方框图，在此装置中图9和10所示的AC组件1交替联接。图9所示的五个AC组件1联接到U相，图10所示的五个AC组件1联接到V相。
图11所示的结构也可防止集流通路91和输出连接器61中的过电流。对第一至第三实施例的修改上述每个实施例不仅可用于系统关联型光电式发电装置，也可用于向与系统无关的负载提供交流电的光电式发电装置。
而且，上述每个实施例不但使用集成有太阳能电池单元2和变换器单元3的AC组件；而且使用具有后述太阳能电池单元2的DC组件，在此单元2中集成DC-DC转换器单元以取代变换器单元3。
换句话说，每个实施例的基本原理是检测集流的电流值且当检测值超过设定值时停止功率输出。因此，本领域中技术人员容易理解，可对不涉及实施例本质的元件作许多改变。
进一步地，在使用其中采纳图12所示单相三线输出系统的AC组件1的情况下，基于电流检测器4所检测到的电流值来控制变换器3的操作，其中电流检测器4布置在集流通路9的U相和V相，由此与上述每个实施例相似地，防止集流通路9和输出连接器6中的过电流。第四实施例上述每个实施例可配置指示变换器3的操作中止或操作控制状态的指示器。
图13示出在功率转换单元21中设置指示器的实例。如图13所示，当变换器3的操作被中止时或当变换器3的输出被控制时，例如LED等的灯67由控制电路17打开/关闭。或者，当变换器3执行正常操作时灯67打开，而当操作被中止或输出被控制时灯67关闭或闪烁。
为取代在AC组件1中设置灯67，指示操作中止或输出控制的信号也可由AC组件1输出，并且在例如与每个AC组件1相对应的关联型系统保护器31中设置的灯也可以开/关或闪烁。
在任何情况下，借助此种指示器，光电式发电装置的操作者都能知道变换器3因过电流而引起的操作中止或输出控制状态。当变换器3频繁发生操作中止或输出控制状态时，操作者就可采取适当措施例如，减少级联AC组件1的数量。
根据上述每个实施例可达到以下效果。
(1)根据第一实施例，当集流通路中的电流值超过设定值时，AC组件1的输出中止。相应地，与其中关联型系统保护器31检测过电流并切断开关的配置相对照，最靠近关联型系统端的AC组件1被中止而其它AC组件1还可继续它们的操作。
(2)根据第二实施例，当集流通路中的电流值超过设定值时，AC组件1的输出降低。相应地，与其中关联型系统保护器31检测过电流并切断开关的配置相对照，最靠近关联型系统端的AC组件1的输出被限制而其它AC组件1还可继续它们的操作。
(3)由于上述每个实施例都可防止集流通路或连接器中的过电流，即使在级联的AC组件1数量不经济增多的情况下，也有可能事先防止问题的发生。
(4)由于集流通路或连接器中的过电流得以防止，即使日照变得极其强烈，对于AC组件1的集流通路或连接器也不再需要大的额定电流。相应地，AC组件1的成本可降低。
(5)根据第四实施例，可以显示变换器3因过电流而引起的操作中止或输出控制状态。因此，光电式发电装置的操作者可判断过电流的发生并能采取适当的措施，如改变AC组件的联接。
由于只要不偏离本发明的精神和范围就可对本发明制作许多明显不同的实施例，因此可以理解，除了后附权利要求，本发明并不局限于这些具体的实施例。
权利要求
1.一种太阳能电池器件，其中包括太阳能电池；为转换太阳能电池所输出的电功率而设置的功率转换器；为从所述器件外部输入电功率而设置的输入连接器；为集流所述输入连接器输入的电功率和所述功率转换器输出的电功率、并输出所集流的电功率到所述器件外部而设置的输出连接器；为检测所述输出连接器的电流值而设置的检测器；以及当所述检测器所检测到的电流值超过预定值时为控制所述功率转换器的输出而设置的控制器。
2.如权利要求1所述的器件，其中，在所述检测器所检测到的电流值超过预定值的情况下，所述控制器中止所述功率转换器的输出。
3.如权利要求1所述的器件，其中，在所述检测器所检测到的电流值超过预定值的情况下，所述控制器降低所述功率转换器的输出功率。
4.如权利要求1所述的器件，其中，所述输入和输出连接器是可互相联接的插头和插座，其中插头用于所述输入连接器，插座用于所述输出连接器。
5.如权利要求1所述的器件，其中，进一步包括为指示所述功率转换器输出的控制状态而设置的指示器。
6.如权利要求1所述的器件，其中，所述功率转换器是用于把所述太阳能电池输出的直流电转换成交流电的变换器。
7.如权利要求1所述的器件，其中，所述功率转换器是用于把所述太阳能电池输出的直流电转换成直流电的DC-DC变换器。
8.一种包括如权利要求1所述的太阳能电池器件的发电机，其中，太阳能电池器件是级联的。
9.一种包括多个如权利要求1所述的太阳能电池器件的发电机，其中，对于采用单相三线系统的每一相功率通路，所述太阳能电池器件是级联的。
全文摘要
集成有太阳能电池和变换器的AC组件可通过级联而方便地与其它多个AC组件并联。然而,当所联接的AC组件的数量不经济地增多时,在AC组件的电流通路或连接器中的电流超过额定电流。因此,电流检测器检测AC组件的集流通路中的电流,而当所检测到的电流值超过在参考电流设定电路中设定的值时,电流检测器中止变换器的操作。
文档编号H02N6/00GK1347181SQ01135339
公开日2002年5月1日 申请日期2001年9月29日 优先权日2000年9月29日
发明者近藤博志, 竹原信善, 黑神诚路 申请人:佳能株式会社