光电模块行并联电连接以向dc电压总线提供dc电压的制作方法

专利名称：光电模块行并联电连接以向dc电压总线提供dc电压的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电模块的领域，诸如太阳能电池模块。更具体地，本发明涉及有效收获光电能量并且用于将该能量有效提供给能量需要设备，尤其是在局部环境中。
背景技术：
近年来，直接将太阳能转换成电能的太阳能电池已经日益被预期为用作下一代能源，特别是从全球环境问题的观点来看。在各种类型的太阳能电池中，诸如使用混合半导体或有机材料的太阳能电池中，近来主要使用的是利用硅晶体的太阳能电池。然而，已经研究出其它材料合成物并且可证明它们能在将来有利地得到使用。DE 40 32 569公开了一种光电系统，该系统包括带有多个串联连接的成行模块的太阳能发生器，在其中可并联排列多个行。在每个模块内提供DC/AC转换器，以允许将获得的DC电压转换成主网的AC馈电电压。光电系统经由中央监视和控制设备耦连至主网，中央监视和控制设备经由公共的数据总线从各个模块接收数据。
背景技术：
的光电系统的缺点在于，在串联装置中的效率最低的模块(例如由于该模块被临时遮蔽)决定整个模块列的效率。而且，必须为每个模块提供DC/AC转换器。

发明内容
本发明的一个目标是提供具有改进效率的光电装置。公开一种至少包括成行的第一光电模块和第二光电模块的装置。第一光电模块和第二光电模块并联电连接并且将被排列成向电压总线提供DC电压。此外，公开了被配置为连接至光电模块的电连接设备。电连接设备包括用于从光电模块接收第一 DC电压的第一和第二触点以及被配置为连接至DC电压总线用于根据第一 DC电压向DC电压总线提供第二 DC电压的第三和第四触点。此外，公开一种安装光电装置的方法，该光电装置至少包括第一和第二光电模块以及DC电压总线。第一和第二光电模块并联电连接至DC电压总线。通过在光电模块行中并联设置第一和第二光电模块，与在其中串联电连接所有光电模块的行相比，这些并联连接的光电模块中的一个或两者的减少效率对整个光电模块列的总效率具有较小的影响。这样的并联连接易于使用连接设备来获得。而且，用于这些模块释放所产生的DC光电能量的DC电压并联总线消除了每个模块对DC/AC转换器的需求。 从安装该装置的观点来看，DC电压总线减少了背景技术的串联连接的光电模块通常所需的布线量。与AC电压相比，DC电压在处理时较简单且有效。本发明的一个实施例提供这样的优点只需要单个逆变器来将电压总线的DC电压转换成AC主网的AC电压。本发明的另一个实施例提供一种将多个光电模块并联连接到DC电压总线的简易方式。电连接设备或者可以是光电模块的插件模块或者可被集成到光电模块中。本发明的又一个实施例提供一种用于将由每一个光电模块提供的第一 DC电压(例如0-100V，特别是20-80V)提高到DC电压总线的第二 DC电压(例如400V)的有效方法。有效增益约为2-5%。变压器的开关式线圈(switched-coil)装置，有时也称为开关式自动变压器装置，提供减少的感应泄漏并且因而显著地提高DC-DC电压转换的效率。具体地，这些线圈可以是包含平面型铁氧体磁心的扁平线圈。开关可以是(MOS)FET或者IGBT， 用于进一步减少损耗。开关的控制可用于进一步提高效率，例如通过以组合频率和脉宽调制切换方案来操控开关。本发明的另一个实施例提供一种用于使用所测量到的DC电压总线的瞬时DC电压来确定是否将能量提供给DC电压总线的方法。权利要求6和12提供用于操控该装置的合适且有效的DC电压范围。可在连接设备中实现若干功能。电源插座跟踪器监视由光电模块供应的电压和电流处在用于获得最佳光电转换效率的最佳范围之内。在光电模块中特别是在触点中可形成火花，例如在有不良触点的情形中。火花会导致热点并且随后会导致着火。通过测量温度(例如连接设备的第一和第二触点的温度) 和/或其它特性并且将该测量通信传送到外部控制系统，可预防性地禁用个别光电模块或连接设备以避免着火。作为并联连接至DC电压总线的结果，光电模块的禁用只是少量地对包括被禁用的光电模块的行的总效率有所损害。可用无线方式将每个光电模块的测量和其它数据提供给外部系统，例如使用 ZigBee。光电连接设备可包括无线收发器，用于发送数据并且从外部系统接收命令。光电模块和/或这些模块的连接设备还可通过建立小范围的网状网络来相互通信。本发明的另一个实施例基于以下的见解相当大数量的(家用)器具能够使用DC 电压输入(例如包括开关模式电源的那些输入)工作并且因此通过直接将器具连接至DC 电压总线而不需要DC-AC转换器。在下文中，将更详细地描述本发明的实施例。然而应当理解，不可将这些实施例解释为限制本发明的保护范围。


在附图中图1是连接至DC电压总线的能量供应装置和能量需要装置的系统的示意图；图2是图1的持续性能量供应器的示意图，它包括连接至DC电压总线的光电模块的光电装置；图3是光电模块和用于将这些模块连接至DC电压总线的连接设备的示意图；图4-6例示用于增加光电模块的DC电压的电子电路的部件的各种实施例；图7提供将光电模块连接至包括DC/AC转换器的DC电压总线的示意性示例；以及图8A和8B提供图1的系统的光电模块和DC/AC转换器的工作图。
具体实施例方式图1是包括多个能量供应装置(设备)或者源、多个能量需要装置(设备)、以及连接能量供应装置和能量需要装置的DC电压总线2的配电网系统1的示意图。此外，系统1包括同样连接至能量供应装置和能量需要装置的控制网络3。控制网络3可以是电源连接(power connection)。控制网络3可以独立于DC电压总线2或者集成在DC电压总线 2中，并且用于提供能量至能量供应和能量需要装置和/或与能量供应和能量需要装置通信，如将在下面更详细地说明的。能量供应装置较佳地包括持续性能量供应装置，包括光电装置、风能装置和/或燃料电池装置。本专利申请主要集中于包括一个或多个太阳能电池模块的光电供应装置。能量需要装置包括可在DC电压总线的DC电压输入上运行的设备，包括计算机、光源、电视等等。一般地，包括开关式电源的设备能够以DC电压运行。以DC电压运行设备节省电能，同时可以节省特定组件(例如电容器)或者增加特定组件的寿命。在DC电压总线的DC电压上运行的其它设备包括能量管理系统、大型逆变器系统、 岛式逆变器系统(用于单独的AC电源，典型地用于在局部提供AC功率)和双向有源DC/AC 电桥。能量管理系统被配置为通过控制网络3或者无线地管理能量供应和需要装置中的至少一种。具体地，能量管理系统可用于否决由能量供应或需要装置内部做出的判定，例如有关一个装置是否可对电压总线提供和/或需要能量。逆变器用于将DC电压转换成AC主网 4的AC电压。双向有源电桥还可将AC主网的AC电压转换至DC电压总线，作为在能量供应器无法为DC总线提供足够功率时的后备。然而，配电网系统1还包括被配置为用于临时存储电能并且用于在后续阶段为能量需要装置释放能量的能量供应装置。在图1中，这些能量供应装置包括特大电容器 (super capacitor)和电池。特大电容器可用于在有限的时间段期间供应来自能量需要装置的瞬时峰能需要。电网系统1的DC电压总线2能够呈现多个DC电压状态。能量供应装置和能量需要装置被配置为感测DC电压总线2的DC电压状态，并且被配置为调整能量供应，即相应地调整对感测DC电压状态的能量需求。这种感测对于持续性能量供应装置特别有利，因为此类装置表征为不可预测的行为。DC电压总线2的DC电压状态对于能量供应装置和DC需要装置两者都是直接可见的。对DC电压总线供应或需要能量的判定可被如图1所示的能量管理系统否决。作为一个示例，能量供应装置可包括微处理器，该微处理器被连接以使得DC电压总线的DC电压可以被检测并且将检测到的电压与预设电压电平相比较。举例而言，如果检测到DC电压总线2的DC电压在最大例如400Vdc的DC电压与最小例如360Vdc的DC电压之间，则供应能量。另举一例，能量需要装置可被配置为如果检测到的DC电压小于最小例如360Vdc的DC电压则不向DC电压总线2要求能量。再举一例，被配置为存储和释放能量的能量供应装置可被编程为在电压总线2的DC电压小于特定的阈限时立即释放能量。能量供应装置和能量需要装置都不要求依赖于供应或需要装置类型的专用逆变器。此外，如果能量需要装置能量过剩，那么就可以将这些能量提供回DC电压总线2。 当然，这类能量需要装置必须被配置为感测DC电压总线2的DC电压状态，并且被配置为根据如上关于能量供应装置所述的感测DC电压状态而将过剩能量供应给DC电压总线。归因于将能量反馈回AC主网的非常严格的限制和复杂的电子装置，以上操作对于此类AC主网而言一般是不可能的。DC电压总线2可以为成行的光电模块10传输4_8kW的功率(见图幻。这类电压总线在局部环境(如房屋、轮船、办公室等)中特别有用。如果提供这类DC电压总线2，就能够最小化AC主网的使用。图2和3提供包括多个光电模块10以及DC电压总线2的光电(PV)能量供应装置的示意图。控制网络3被集成在DC电压总线2中(见图3)。光电模块10各自包括多个太阳能电池11并且使用连接设备12连接至DC电压总线2。光电模块10连接至DC电压总线2，以使得这些模块并联排列。与在成行的光电模块中串联连接所有光电模块的现有装置相比，通过在光电模块行中并联设置光电模块10，这些并联连接的光电模块10中的一个光电模块的效率降低对整个光电模块行的总效率具有较小的影响。具体地，为每个光电模块10提供连接设备12。连接设备12包括用于连接至PV 模块的第一和第二触点Ι、Π，以及用于将PV模块连接至DC电压总线2的第三和第四触点 III、IV，使得彼此相关的光电模块10被并联电连接。触点V用于连接至控制网络3。一般地，PV模块10响应于太阳能电池11接收的辐射生成DC电压(一般在0-100V 之间，例如在20-80V之间)。连接设备12将该电压升压为DC电压总线2的DC电压，例如至400Vdc，如将在下面参考图4-7更详细地说明的。连接设备12可以是能够附连到PV模块10的独立模块，但也可以集成在光电模块 10中。用于模块10释放生成的DC光电能量的DC电压总线2消除了在要供应AC电压的情况下每个模块10对DC/AC转换器的需要。单个DC/AC转换器13 (例如图1的大型系统逆变器、岛式逆变器或者双向电桥逆变器)可以连接至DC电压总线2以便将400Vdc转换成主网的230Vac。DC并联电压总线2减少了现有串联连接的光电模块通常所需的布线量。使用连接设备12将PV模块10以与其它PV模块10并联的方式连接至DC电压总线2。除了其它功能外，还使用连接设备12将PV模块10的电压升压为并联电压总线2的合适电压。在图4中，PV模块10生成应当被升压为400Vdc的例如MV的DC电压。较高的电压一般支持较低的电流，并由此降低损耗。PV模块10使用触点I和II连接至连接设备12。出于EMC屏蔽目的设有变压器 20。使用由感应线圈H和二极管D并联连接的第一电容器Cl和第二电容器C2来增加DC 电压。设有开关(在这里是场效应晶体管FET)将来自第一电容器Cl的电荷抽吸到第二电容器C2以使用触点III和IV获得电压总线2所需的DC电压。在微处理器uC的控制下执行切换动作。微处理器uC监视输入电Vin和输入电流Iin用于电源插座跟踪器功能。微处理器uC还监视输出电压Vout和输出电流Iout用于监视输出功率和用于安全目的。微处理器uC还监视DC电压总线2的DC电压Vdcbus以便控制开关S的切换。如果总线2的电压是400Vdc，则按微处理器uC中的预设电压电平所确定的那样不再供应能量。连接设备12 使用局部电源单元(即指定的局部PSU)工作，该单元经由触点IV和V连接形成控制网络 3。局部PSU有在通过触点IV、V接收到合适电压(例如-48V)的情况下才为连接设备12 供电。否则，开关S断开并且不向电压总线2供应能量。可由图4的连接设备的实施例获得的升压效率大约是80%。可通过使用由开环线圈变压器装置代替图4完整线圈H的图5的电子电路获得更
7大的效率增益。线圈中的“线圈1”和“线圈2”可以是包括由电容器C3分开的平面型铁氧体磁心的扁平磁心线圈。平面型组件允许在PV模块2之后集成这些组件。再次设有开关用以将电荷从电容器Cl抽吸到电容器C2，并且可使用处理设备uC控制该开关(未在图5 中示出，见图4)。线圈1和电容器C2之间经由D2、D3的电流路径允许剩余的能量在开关断开状态时流至电容器C2。开关的控制可用于进一步提升效率，例如通过以组合频率和脉宽调制开关方案来操控开关。典型的切换频率在20-70kHz之间变化。微处理器可进一步执行与参考图4讨论的相同的监视功能。可由平面型铁氧体磁心开环线圈变压器获得的升压效率在180W处大约为97%。注意可使用其它方法用来增加PV模块10的DC电压。举例而言，可使用开关式电容器装置。然而，这类装置一般要求采取更多的措施用于控制输出电压并且在相关的功率处的电容器的寿命预期一般太短。在图4和图5的连接设备12中可以实现若干其它功能。当然，这些功能需要功率并且会降低PV模块/连接设备12组合的效率。微控制器uC可包括电源插座跟踪器，通过测量PV模块10的Vin和Iin来监视所获得的功率是否处于用于获得最佳光电转换效率的最佳范围之内。此外，在光电模块12中，尤其在触点I、II和III、IV处，在例如不良触点的情况时会形成火花。火花会导致热点并且随后会导致着火。温度(例如连接设备的第一和第二触点I、II的温度)和/或其它特性可结合图4中所示的微控制器uC使用火花检测器来测量。在每个连接设备12中设有火花检测器。火花检测器包括被配置为检测在单个PV模块 10的主电流回路中的火花的电路。该测量可被传送至外部的控制系统(例如图1中的能量管理系统或其它监视系统)并且可以预防性地禁用个别光电模块10或连接设备12以避免着火。禁用光电模块10 的指令可源自内部(例如源自微处理器)或者外部(例如源自监视系统)。作为并联连接至DC电压总线2的结果，该光电模块10的禁用对包括被禁用光电模块10的行的总效率的损害很小。可以使用例如ZigBee将每个光电模块10的测量和其它数据(电流、电压、功率、 状态)无线发送至外部系统(中央网关)。光电PV模块10/连接设备12的群集可与特定的中央网关通信。连接设备12可包括用于发送数据和从外部系统接收命令的无线收发器。 光电模块10和/或这些模块10的连接设备12还可通过建立小范围的网状网络来相互通信。可以监视单个PV模块10的性能，并且如果需要，可为其提供服务。微控制器uC、测量电路、火花检测器和/或无线发送器或收发器也可以是图5的连接设备12的一部分。可在连接设备12中的印刷电路板上设有微控制器uC、测量电路、火花检测器和/ 或无线发送器或收发器。应当注意，可代替微控制器使用其它控制器。图6示出PV模块10和连接设备12的框图，在其中连接设备12为成批的太阳能电池11并联提供多个触点I、II。每一批包括10-15个太阳能电池11以提供7-14Vdc的 DC电压。分别使用图5的开环线圈变压器装置为每一批将该DC电压升压至400Vdc。结果， 不再需要像现有技术的PV模块中通常观测到的那样由二极管来提供旁路，如由图6中在二极管上的叉所示。通过消除对旁路二极管的需求，增加了转换效率并且消除了缺陷和火灾的潜在源。微处理器控制开关S确定是否将升压的400V的DC电压供应给触点III、IV并且因而供应给电压总线2。通过触点IV和V从例如连接至DC电压总线2的DC/AC转换器为连接设备12供电，如在图7中完整PV模块10所示。举例而言，触点IV在-48V的电位并且触点V在大约OV的电位(因而，如果DC电压总线应当在400V处，则触点II在352V的电位处)。如果没有电压施加在连接设备12的触点IV和V上，则开关S默认断开。从如图7所示的DC/AC转换器13经由DC电压总线2更具体地经由有关控制网络 3的线路获得局部电源的功率。该控制网络还可用于通信和安全(例如UOVP 低电压和过电压保护)。可以针对连接设备12与逆变器之间的通信(例如以太网)调制DC电压。此外，触点V还可用作安全触点(例如后合先断(last make, first break))以禁用连接设备 12直至触点III、IV被安全连接为止。触点V可以是在例如触点III或IV内的独立引脚。图8A和8B分别例示PV模块10/连接设备12和逆变器13的工作图。如果DC电压总线2的DC电压总计为400Vdc，则达到最大电压并且能量可用于能量需要装置。DC电压总线的该状态由能量需要装置感测。这些能量需要装置可包括微处理器来感测该状态并且控制用于连接至DC电压总线2以接收DC电压的开关。另一方面，如果DC电压总线是 400V，则能量供应装置感测到总线不再需要能量，使得例如图6的微处理器uC断开开关S 并且不再将能量从PV模块10供应至DC电压总线2 (假设特大电容器和电池也满了)。如果DC电压总线2上的电压是380V，则能量供应装置和能量需要装置两者均可分别供应能量、从DC电压总线2吸取能量，如按这些装置感测的由DC电压总线2的DC电压状态用信号表示的。如果总线2的DC电压是360V，则总线2的负载是最大值并且能量需要装置感测不再从DC电压总线2吸取功率。如果需要能量，则图1的AC/DC双向电桥转换器可用于从 AC主网4在DC电压总线2处获得DC电压。如可从图8B观测到的，转换器13的DC/AC转换被设计为380V的最大值。当然， 转换器还可被设计为具有在360-400V的整个范围上的最大值转换。
权利要求
1.一种至少包括成行的第一光电模块和第二光电模块的装置，所述第一光电模块和第二光电模块并联电连接并且被排列为向电压总线提供DC电压。
2.如权利要求1所述的装置，还包括连接至所述电压总线的DC/AC转换器，用于接收所述第一光电模块和所述第二光电模块的所述DC电压并用于将所述DC电压转换成AC电压。
3.如权利要求1或2所述的装置，其中所述第一光电模块包括第一连接设备并且所述第二光电模块包括第二连接设备，所述第一连接设备和所述第二连接设备被配置为用于将所述第一光电模块和所述第二光电模块分别并联电连接至所述DC电压总线。
4.如权利要求3所述的装置，其中所述第一连接设备和所述第二连接设备中的至少一个包括用于向所述电压总线提供所述DC电压的DC升压转换器。
5.如权利要求4所述的装置，其中所述DC升压转换器包括具有开关式线圈装置的变压ο
6.如权利要求3所述的装置，其中所述第一连接设备和所述第二连接设备中的至少一个包括传感器，所述传感器被配置为用于感测所述电压总线的DC电压状态并且用于根据所述DC电压状态向所述电压总线供应所述DC电压。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述传感器是包含感测软件的微处理器。
8.如权利要求6所述的装置，其中所述电压总线被配置为在360-400V的DC电压状态范围内工作，并且其中所述传感器被配置为仅在感测的DC电压在所述DC电压状态范围之内时才供应所述DC电压。
9.如权利要求4所述的装置，其中所述第一连接设备和所述第二连接设备中的至少一个包括下列各项中的至少一项-电源插座跟踪器，用于跟踪所述第一和/或第二光电模块的最佳工作点；-火花检测器；以及-无线射频通信模块。
10.如权利要求1所述的装置，其中所述电压总线被电连接到至少一个能量需要设备用以向所述能量需要设备提供所述DC电压。
11.一种被配置为连接至光电模块的电连接设备，所述电连接设备包括用于从所述光电模块接收第一 DC电压的第一触点和第二触点以及被配置为电连接至DC电压总线以便根据所述第一 DC电压将第二 DC电压提供给所述DC电压总线的第三触点和第四触点。
12.如权利要求11所述的电连接设备，还包括用于将所述第一DC电压转换成所述第二 DC电压的DC升压转换器，所述第二 DC电压高于所述第一 DC电压。
13.如权利要求12所述的电连接设备，其中所述DC升压转换器包括具有开关式线圈装置的变压器。
14.如权利要求11或12所述的电连接设备，其中所述连接设备包括传感器，所述传感器被配置为感测所述电压总线的DC电压状态并且根据所述DC电压状态将所述第二 DC电压供应给所述电压总线。
15.如权利要求14所述的电连接设备，其中所述传感器是包含感测软件的微处理器。
16.如权利要求14所述的电连接设备，其中所述电压总线被配置为在360-400V的DC 电压状态范围内工作，并且其中述传感器被配置为仅在感测的DC电压在所述DC电压状态范围之内时才供应所述DC电压。
17.如权利要求11所述的电连接设备，其中所述连接设备包括下列各项中的至少一项-电源插座跟踪器，用于跟踪所述光电模块的最佳工作点； -火花检测器；以及 -无线射频通信模块。
18.一种安装至少包括第一光电模块、第二光电模块和DC电压总线的光电装置的方法，所述方法包括下列步骤-将所述第一光电模块并联电连接至所述电压总线； -将所述第二光电模块并联电连接至所述电压总线。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述装置还包括第一连接设备和第二连接设备， 所述方法包括下列步骤-将所述第一连接设备的第一触点和第二触点连接至所述第一光电模块以从所述第一光电模块获得第一 DC电压；-将所述第一连接设备的第三触点和第四触点并联电连接至所述DC电压总线以向所述DC电压总线提供第二 DC电压；-将所述第二连接设备的第一触点和第二触点连接至所述第二光电模块以从所述第二光电模块获得第三DC电压；以及-将所述第二连接设备的第三触点和第四触点并联电连接至所述DC电压总线以向所述DC电压总线提供第四DC电压。
全文摘要
公开一种涉及至少包括成列的第一光电模块和第二光电模块的装置的本发明。第一光电模块和第二光电模块并联电连接并且被排列成向电压总线提供DC电压。此外，公开了配置为连接至光电模块的电连接设备。电连接设备包括用于从光电模块接收第一DC电压的第一和第二触点以及配置为并联电连接至DC电压总线用于根据第一DC电压向DC电压总线提供第二DC电压的第三和第四触点。
文档编号H02N6/00GK102170167SQ201010125870
公开日2011年8月31日 申请日期2010年2月25日 优先权日2010年2月25日
发明者R·什埃克 申请人:费姆托格理德能源解决方案有限责任公司