专利名称：太阳能电池组件保护电路、太阳能接线盒及发电系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及太阳能电池组件发电系统的过热保护领域，具体涉及对由多个串联连接的电池片组成的太阳能电池组件的过热保护，更具体涉及对并联了旁路二极管的太阳能电池片组件保护电路的过热保护。
背景技术：
为了避免太阳能电池组件发电系统中由若干串联连接的电池片组成的电池组件出现热斑效应而过热损坏，现有技术的解决方式如图I所示，箭头表示太阳光照，虚线表示串联的太阳能电池片数量可以是多个，而不限于图上实际画出的三个，在串联连接的若干电池片I组成的太阳能电池组件上并联一个极性反向的旁路二极管2。当其中一片或多片电池片I被遮挡时，被遮挡的电池片将阻碍电流通过其余正常的电池片，旁路二极管2自动变成正向偏置导通，提供一个电流旁路通路，避免被遮挡的电池片I由于热斑效应而过热 损坏。当被遮挡的电池片I恢复正常时，旁路二极管2自动变成反向偏置阻断开路。1969年公布的美国专利US 3，437，818就是一种基于旁路二极管的太阳能电池片组件的保护电路。其太阳能电池组件系统中串联连接的电池片分别地并联有旁路二极管，从而避免电池片由于过热而损坏。然而，最近随着太阳能电池组件发电系统发电功率的不断增加以及对太阳能接线盒安全性、小型化要求的不断提升，安装于太阳能接线盒内的旁路二极管在旁路工作状态下所耗散的功率越来越大，导致旁路二极管的温度和其所在太阳能接线盒内的温度迅速升高，以至于满足太阳能接线盒结构完整性、小型化及安全性要求变得越来越困难；同时旁路二极管作为典型的半导体器件如果持续工作在高温状态下，将严重影响使用寿命，带来严重的可靠性问题，容易导致丧失对该太阳能电池组件乃至整个发电系统的保护作用。为了解决上面的问题，美国专利US 7,796, 391 B2 (2010年)公布了一种带高效热沉结构的太阳能接线盒方案以解决散热问题。美国专利US 20100002349 Al (2010年)公布了一种保护电路方案，该方案周期性地将功率耗散分配到并联结构的二极管和功率MOSFET上，使功耗降低了 4至5倍，从而使得太阳能接线盒内温升达到按IEC61215 Ed. 2标准可接受的水平。类似的解决方案还有美国专利US 20110068633 (2011年)和美国专利US 2009/0184746 Al (2009年)，都有效地降低了功率密度，从而降低了太阳能接线盒内的温升。然而，上述技术方案比较复杂，使得其成本会比类似图I所示的技术方案高出3-5倍。因此，目前需要一种低成本的保护电路方案，能够有效的用于太阳能电池组件发电系统的过热保护；同时，有效地降低太阳能接线盒内的热耗散密度以满足其小型化及可靠性需求，并能自动保证旁路二极管持续处于安全工作温度范围内。
实用新型内容本实用新型的目的之一是提供一种太阳能电池组件保护电路，它结构简单、成本较低，能自动使旁路二极管工作温度处于安全工作温度范围内，从而提高旁路二极管可靠性，进而提高太阳能电池组件过热保护电路的可靠性；应用这种太阳能电池保护电路，也有利于满足太阳能接线盒尺寸小型化的要求。本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的一种太阳能电池组件保护电路，包括与由串联连接的电池片组成的太阳能电池片组反极性并联的旁路二极管，所述保护电路还包括与所述旁路二极管并联且热耦合并能够在设定温度自动电气短路所述旁路二极管的常开型过热保护开关器件，所述常开型过热保护开关器件能在另一设定温度自动恢复至断开的常态。
当并联有旁路二极管的电池片由于阳光被遮挡等因素而不能正常工作时，旁路二极管导通，以使除该不能正常工作电池片及与该不能正常工作电池片串联并被同一旁路二极管并联的电池片以外的其它电池片得以继续工作。此时，旁路二极管承受了其它正常电池片产生的全部电流，旁路二极管的功耗由其阳极和阴极之间的非欧姆接触的势垒高度决定，功耗较高，因此，旁路二极管的工作温度不断升高。当温度达到第一设定值时，与该旁路二极管电气并联且热耦合的常开型过热保护开关器件被热触发而闭合导通，从而电气短路该旁路二极管，使正常电池片产生的电流的绝大部分从该过热保护开关器件流过。由于过热保护开关器件闭合时的欧姆接触电阻很低，因此功耗很低，发热很少，且此时流过该旁路二极管的电流很小，从而使旁路二极管的温度逐步下降。当温度下降至第二设定值时，与该旁路二极管热耦合的过热保护开关器件自动断开，恢复到断开的常开状态，从而使正常电池片产生的电流又再次全部由该旁路二极管承受。当此旁路二极管的温度再次上升，达到足以触发过热保护开关器件的上述第一设定值时，所述过热保护开关器件再次被触发而自动导通并电气短路该旁路二极管以承受正常工作电池片产生的绝大部分电流。上述过程，周而复始，直至因遮挡等原因而不能正常工作的电池片恢复正常为止。据此，该旁路二极管的工作温度可以一直被控制在预先设定的安全工作温度范围内，避免旁路二极管由于过热而损坏，避免不能正常工作的电池片由于失去旁路二极管的保护而出现热斑效应过热而损坏；同时，由于对旁路二极管温升的限制，当该保护电路应用于太阳能接线盒时，也可以使得太阳能接线盒的温升得到限制，从而解决因为散热需求而给太阳能接线盒带来的体积大型化问题，有利于满足太阳能接线盒小型化的要求；再者，通过在旁路二极管和过热保护开关器件之间轮流导通电流，避免旁路二极管及相邻器件过热，有利于使整个太阳能电池组件发电系统持续有效地保持安全工作状态，进而有效提高太阳能电池组件发电系统的可靠性。所述热耦合包括了热传导、热对流、热辐射等热耦合方式。作为本技术方案的优选，所述过热保护开关器件是常开型双金属片热开关。常开型双金属片热开关由热膨胀系数不同的金属材料制成。当其温度变化时，由双金属片制成的电极将产生形变，使电极开关触点闭合或者断开。所述常开型双金属片热开关，当其温度升高达到前述第一设定值时，开关触点闭合实现电气导通，从而电气短路与其并联且热耦合的旁路二极管。双金属片热开关本身发热非常少。当与其热耦合的旁路二极管的温度下降时，此双金属片热开关的温度也相应下降。当旁路二极管的温度降至第二设定值时，此双金属片热开关自动断开。此后，旁路二极管的温度会再次上升，当旁路二极管的温度再次达到第一设定值时，此双金属片热开关自动闭合而再次导通。上述过程，周而复始。双金属片热开关不仅机构简单、成本低廉，而且与旁路二极管的热耦合方案容易实施且效果稳定。本实用新型的另一目的在于提供一种太阳能接线盒，它具有温升可控、温度较低、寿命较长的优点，且能够满足太阳能接线盒小型化的要求。本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的一种太阳能接线盒，具有用于与太阳能电池组件电连接的接线柱，所述太阳能接线盒内部包括如前述太阳能电池组件保护电路中所述旁路二极管及与所述旁路二极管并联且热耦合并能够在设定温度电气短路所述旁路二极管的常开型过热保护开关器件，所述常开型过热保护开关器件能在另一设定温度自动恢复至断开的常态。太阳能电池片或太阳能电池组件产生的电流通过在旁路二极管和过热保护开关器件间轮流导通，避免旁路二极管及相邻器件过热，使内部包含了旁路二极管的所述太阳 能接线盒的温度不至于因为电流持续通过旁路二极管使其升温而升高到足以影响接线盒寿命甚至直接损毁接线盒的程度，从而使所述太阳能接线盒温升可控，继而满足太阳能接线盒安全性、可靠性和小型化的要求。作为本技术方案的优选，所述太阳能接线盒包括模压有所述旁路二极管和常开型过热保护开关器件的塑封体。作为本技术方案的优选，所述常开型过热保护开关器件是双金属片热开关。作为本技术方案的进一步优选，所述旁路二极管的芯片被设置于所述双金属片热开关的金属基座或其延伸部上，并且所述旁路二极管和所述双金属片热开关被整体模压于一个塑封体内。采用这样的技术方案，不仅可以实现双金属片热开关与旁路二极管之间直接而有效的热耦合关系，保证所述太阳能接线盒工作稳定可靠，而且能使由双金属片热开关与旁路二极管作为保护器件组成的太阳能电池组件保护电路具备良好的机械性能和装配便捷性。本实用新型的另一目的在于提供一种太阳能发电系统，它具有更好的可靠性。本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的一种太阳能发电系统，它包括前述太阳能电池组件保护电路。通过在旁路二极管和过热保护开关器件间轮流导通电流，避免旁路二极管及相邻器件过热，该太阳能电池组件保护电路对太阳能电池组件可以进行有效保护。即使由于随着电池片尺寸增大以及电池片转换效率提高而增大太阳能电池组件的发电功率，使得旁路二极管承受电流越来越大，也能够利用上述周而复始的电流通路转换而使旁路二极管一直工作于安全工作温度范围内，从而实现整个太阳能发电系统保持持续有效的工作状态。本实用新型的再另一目的在于提供一种太阳能发电系统，它包括前述的太阳能接线盒。综上所述，本实用新型在背景技术所述旁路二极管保护电路方案的基础上，通过引入一个与旁路二极管并联且热耦合后可以电气短路所述旁路二极管的常开型过热保护开关器件形成了太阳能电池组件新的保护电路方案。该新方案通过热耦合方式，产生周期性功率耗散分配，提供了一种热平衡的自动控制机制，使旁路二极管的温升、进而太阳能接线盒的温升可以控制在一个预先设置的安全温度工作范围内。本实用新型具有以下有益效果结构简单，成本低廉，工作有效，相比现有技术能更有效地避免太阳能电池片由于热斑效应而过热损坏；而且本实用新型满足太阳能接线盒高可靠性和小型化的要求；并本实用新型有利于提高太阳能发电系统的可靠性。
图I是背景技术示意图；图2是实施例I示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。本具体实施例仅仅是对本实用新型的解释，其并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，t匕如使用热磁开关器件替代上述双金属片热开关器件，但只要在本实用新型的权利要求范围内都受到专利法的保护。实施例I :如图2所示，一种太阳能电池组件保护电路，包括了与若干片串联连接的电池片I组成的太阳能电池片组反极性并联的旁路二极管2，以及与旁路二极管2电气并联且热耦合的常开型双金属片热开关3。以下利用图2详述上述太阳能电池组件保护电路的工作过程。假设并联有旁路二极管2的串联连接的电池片I电池组中的某一片或几片电池片I由于被遮挡等因素而不能正常工作，在此简称为失效时，相应的旁路二极管2导通，该组电池片I被整体旁路，使太阳能发电系统中其余正常的电池片组得以继续工作。此时，旁路二极管2承受了其它正常电池片组产生的全部电流，旁路二极管2的功耗由其阳极和阴极之间的非欧姆接触的势垒高度决定，功耗较高，因此，旁路二极管2的工作温度不断升高。旁路二极管2与常开型双金属片热开关3之间通过热传导、热对流、热辐射等方式进行热耦合。当温度达到第一设定值时，与该旁路二极管2并联且热耦合的常开型双金属片热开关3被热触发而闭合导通，从而电气短路该旁路二极管2，使正常电池片I产生的电流的绝大部分从该常开型双金属片热开关3流过。由于常开型双金属片热开关3闭合时的欧姆接触电阻很低，因此其本身功耗非常低而发热量小，同时此时流过旁路二极管2的电流很小，功耗很低，从而使旁路二极管2的温度逐步下降。当该旁路二极管2的温度下降，以至于达到足以触发常开型双金属片热开关3断开的第二设定值时，该常开型双金属片热开关3自动断开，恢复到常开状态，从而使正常电池片I产生的电流又再次全部由该旁路二极管2承受。当此旁路二极管2的温度再次上升，使常开型双金属片热开关3的温度再次达到上述第一设定值时，所述常开型双金属片热开关3再次自动导通并电气短路该旁路二极管2以承受正常工作电池片组产生的绝大部分电流。上述过程，周而复始，直至因遮挡等原因而失效的电池片I恢复正常为止。据此，该旁路二极管2的工作温度可以一直被控制在预先设定的安全工作温度范围内，避免旁路二极管2由于过热而损坏，也避免失效电池片I因为旁路二极管2失效而失去保护作用出现热斑效应而过热损坏。事实上，为每个所述旁路二极管2并联两个或两个以上所述双金属片热开关3，也是可行的，尽管这样的做法并没有多大的实质意义。实施例2 :根据实施例I所述的太阳能电池组件保护电路，所述的旁路二极管2和常开型双金属片热开关器件3通过热耦合、电气并联连接设计，被模压于一个塑封体内。该塑封体可以作为一个独立的保护电路模块而被单独应用。实施例3 :根据实施例I所述的太阳能电池组件保护电路，所述的旁路二极管2以芯片形式电气并联连接双金属片热开关3，且所述旁路二极管2以芯片的形式安装于常开型双金属片热开关3的金属板基座或金属板基座延伸部上以实现热耦合，并且旁路二极管2芯片与双金属片热开关3被整体模压于一个塑封体内。该塑封体可以作为一个独立的保护电路模块而被单独应用。实施例4 :一种太阳能接线盒，具有用于与太阳能电池组件的电池片I电连接的接线柱，所述接线盒包括采用如实施例I所述的旁路二极管2和双金属片热开关3，按实施例I所述原理进行热学和电学设计组装后，被整体模压于一个塑封体，该塑封体直接被作为太阳能接线盒使用；或者，采用如实施例2或者实施例3所述的塑封体形式制成独立的保护电路模块，然后经组装形成更大的器件而作为太阳能接线盒使用。实施例5 :—种太阳能接线盒，具有用于与太阳能电池组件的电池片I电连接的接线柱，所述太阳能接线盒内包括安装了如实施例I所述的旁路二极管2和常开型双金属片热开关3，按实施例I所述原理进行热学和电学设计组装安装形成；或者按实施例2或者实施例3所述的塑封体形式首先制成独立的保护电路模块，然后进行组装后形成。实施例6 :—种太阳能电池发电系统，包括实施例I。实施例7 :—种太阳能电池发电系统，包括实施例2。实施例8 :一种太阳能电池发电系统，包括实施例3。实施例9 :一种太阳能电池发电系统，包括实施例4。实施例10 :—种太阳能电池发电系统，包括实施例5。
权利要求1.一种太阳能电池组件保护电路，包括与由串联连接的电池片(I)组成的太阳能电池片组反极性并联的旁路二极管(2)，其特征在于，还包括与所述旁路二极管(2)并联且热耦合并能够在设定温度自动电气短路所述旁路二极管(2)的常开型过热保护开关器件，所述常开型过热保护开关器件能在另一设定温度自动恢复至断开的常态。
2.根据权利要求I所述的一种太阳能电池组件保护电路，其特征在于，所述过热保护器件是常开型双金属片热开关(3)。
3.一种太阳能接线盒，具有用于与太阳能电池组件电连接的接线柱，其特征在于，所述太阳能接线盒内部包括如权利要求I所述太阳能电池组件保护电路的旁路二极管(2)和与所述旁路二极管(2)并联且热耦合并能够在设定温度电气短路所述旁路二极管(2)的常开型过热保护开关器件，所述常开型过热保护开关器件能在另一设定温度自动恢复至断开的常态。
4.根据权利要求3所述的一种太阳能接线盒，其特征在于，所述太阳能接线盒包括模压有所述旁路二极管(2)和常开型过热保护开关器件的塑封体。
5.根据权利要求3所述的一种太阳能接线盒，其特征在于，所述常开型热保护开关器件是双金属片热开关(3)。
6.根据权利要求5所述的一种太阳能接线盒，其特征在于，所述旁路二极管(2)的芯片被设置于所述双金属片热开关(3)的金属基座或其延伸部上，并且所述旁路二极管(2)和所述双金属片热开关(3)被整体模压于一个塑封体内。
7.一种太阳能发电系统，其特征在于，包括如权利要求1-2中任一所述的太阳能电池组件保护电路。
8.一种太阳能发电系统，其特征在于，包括如权利要求3-6中任一所述的太阳能接线盒。
专利摘要本实用新型太阳能电池组件保护电路、太阳能接线盒及发电系统，涉及太阳能电池组件发电系统的过热保护领域，具体涉及对由多个串联连接的电池片组成的太阳能电池组件的过热保护，更具体涉及对并联了旁路二极管的太阳能电池片组件保护电路的过热保护。本实用新型之一太阳能电池组件保护电路是通过以下技术方案得以实现的太阳能电池组件保护电路，包括与由串联连接的电池片组成的太阳能电池片组反极性并联的旁路二极管、与所述旁路二极管并联且热耦合并能够在设定温度自动电气短路所述旁路二极管的常开型过热保护开关器件，常开型过热保护开关器件能在另一设定温度自动恢复至断开的常态。它能自动使旁路二极管工作温度处于安全工作温度范围内。
文档编号H02N6/00GK202797011SQ20122032208
公开日2013年3月13日 申请日期2012年7月5日 优先权日2012年7月5日
发明者谢可勋, 西里奥艾珀里亚科夫 申请人:谢可勋, 浙江美晶科技有限公司