CN102217086A

CN102217086A - 光伏装置

Info

Publication number: CN102217086A
Application number: CN2009801457172A
Authority: CN
Inventors: W·福尔茨; G·克龙; T·米尔登施泰因; P·米尔卡雷克
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-09-18
Filing date: 2009-07-20
Publication date: 2011-10-12
Also published as: TWI477054B; DE102008042199A1; EP2327104B1; EP2327104A1; TW201014150A; WO2010031614A1

Abstract

本发明涉及一种光伏装置，包括具有太阳能电池的光伏模块（12），给所述光伏模块分配有用于确定所述光伏模块（12）的电功率最大值和用于调节连接在后面的逆变器（14）的所属电流-电压工作点的MPP装置（42）。根据本发明，规定：给所述MPP装置（42）分配有检测单元（40），所述检测单元被构造用于检测多个太阳能电池各自的电池电压以及用于产生用于所述MPP装置（42）的控制信号，使得作为对一个太阳能电池的电池电压相对于所述光伏模块（12）的多个太阳能电池中的另外的太阳能电池的电池电压的所探测到的电压变化的反应而通过所述控制信号的作用来触发所述电流-电压工作点的、引起所述光伏模块（12）功率变化尤其是功率下降的移位。

Description

光伏装置

本发明涉及一种根据独立权利要求前序部分的光伏装置。

现有技术

这种装置已由现有技术普遍地公开。因为在光伏设备（太阳能设备）的正常运行中由于环境影响，太阳能辐射以及光伏模块的模块温度变化，所以，连接在后面的功率电子装置的任务是将光伏模块上的电压始终调节到电流-电压特性曲线中的最佳点上，在该最佳点时产生最大的电功率。在其它情况下公知的用于执行该最佳的电流-电压工作点调节的组件被称为“最大功率点跟踪器（Maximum Power Point Tracker）”（MPPT或MPP跟踪器）并且承担用于太阳能逆变器的关键功能，该太阳能逆变器于是允许光伏装置连接在电网上。

图4以功率/电压曲线图示出了这种公知的MPP跟踪器的作用方式。与光强烈地辐射到所属光伏模块上相应地，上面的曲线示出了功率最大值的点（1），该点由用于连接在后面的逆变器的所述MPT跟踪器单元调节。如下部的曲线图曲线中所示的，光辐射的减小导致该曲线上的功率最大值移位（在曲线图中向左），其中，这由MPP跟踪器通过将电压工作点沿着点（2）至（5）相继减小一个预先确定的电压差ΔU直到在该曲线上出现功率最大值来实现。

但公知的MPP装置的作用方式以光伏模块的最大功率（或最大可获得的功率）为目标，其中，尤其是太阳能电池的遮蔽或如在实际运行中可能产生的类似影响功率的因素仅通过跟踪器来得到考虑。但光伏模块内部的刚好被遮蔽的电池可通过遮蔽而强烈被加载并且由此承受负荷，这不仅可导致所述电池（不利地）降级（Degradation），而且对模块的整个功率构成产生不利影响：因为（相对于相邻的电池）被遮蔽的电池因此在电方面可作为负载起作用，这与已经提到的降级和损坏危险（例如由于热敏结构）相联系产生有害的不对称性和光伏模块的功率损耗。

因此由现有技术已经公知，通过所谓的旁路二极管，即直接集成在光伏模块中并且桥接对应的太阳能电池的二极管来消除这种不利作用，所述二极管这样连接，使得这些二极管在电池的通过遮蔽引起的电状态中桥接电池的截止运行。

但使用旁路二极管的这种公知且通常常用的措施在很多应用情况下也不是最佳的，因为不仅模块集成的旁路二极管提高了生产成本，而且例如通过损坏的旁路二极管也提高光伏模块的失效概率，正如旁路二极管本身那样，在被桥接的截止运行中一个或多个电池可在减弱功率的情况下作为负载起作用。通常，旁路二极管还桥接多个电池，由此，未被遮蔽的电池于是也不再可以有助于功率收益。

此外，在所谓的有机光伏电池或通过无机的薄层技术实现的光伏电池中，旁路二极管的集成由于方法而不可能或需要显著的投入。

本发明的公开内容

技术任务

因此，本发明的任务在于，对所述类型的光伏装置在其电功率和运行特性方面在光伏模块的运行状态被遮蔽或被部分遮蔽的情况下进行优化，尤其是降低或完全消除附加的麻烦的旁路二极管的必要性，并且对公知的装置在其对由于遮蔽而降级或受损的抗耐性方面进行改善，并且提高遮蔽情况下的能量收益，并且在模块寿命期间提高总收益。

技术方案

该任务通过具有独立权利要求特征的光伏装置来解决，本发明的有利的进一步构型在从属权利要求中描述。此外，由至少两个在说明书、权利要求书和/或附图中公开的特征组成的全部组合也落在本发明的范围内。

以根据本发明有利的方式，光伏模块的（部分）遮蔽通过检测单元来检测，作为对检测的反应通过MPT跟踪器（装置）进行电流-电压工作点的移位，由此，通过从最佳功率点进行由此引起的偏移而实现光伏模块的将各个（被遮蔽的）电池的可能受损排除的运行；尤其是这样进行根据本发明的与遮蔽相关的工作点移位，使得优选没有太阳能电池（并且由此也没有被遮蔽的太阳能电池）在被遮蔽运行中具有负的电功率吞吐量，或者（特定于电池的）容差界限被超过，在该容差界限以上，电池可能受损，其中，尤其是（在其它情况下常用的）旁路二极管由此也有效地成为多余并且可在电池总寿命期间允许较高的能量收益。

就此而言，“预先确定的电压变化”在本发明的意义上尤其是也应理解为如与所涉及的太阳能电池的所述容差阈值在降级危险方面相应的电压变化；换言之，根据本发明，这样进行预先确定的电压变化的检测，使得电压变化与特定于电池的特性相关，由此，尤其是也没有排除这样的情况：电池电压也可以是负的，只要不存在电池损坏或类似损害寿命的作用。在此，在本发明的范围内，“电池电压”的检测应视为与相应的电池电流检测等效，由此，尤其是为了实现所述原理不探测预先确定的电压变化、而是探测预先确定的与遮蔽状态相应的电流变化的那些实施形式也包含在本发明之内。

一方面，本发明的构思在于：这样构造检测单元，使得所述检测单元借助于太阳能电池的各自的所探测到的电池电压（或电池电流，见上）识别（部分）遮蔽状态；根据本发明有利地并且根据进一步构型，这通过分配给每个太阳能电池的用于检测电压的线来实现，其中，根据本发明的检测单元适于确定（被遮蔽的）太阳能电池相对于相邻太阳能电池的相对电压偏差（或电流偏差，见上），生成相应的检测信号并且该检测信号然后触发根据本发明的用于降低功率的工作点移位。

在本发明的范围内当前的考虑也类似地适用于太阳能电池模块或模块层面，由此，尤其是包含在本发明之内的是，所探测到的预先确定的电压变化不是用于各个位电压（Stellenspannung），而是用于预先确定电池的组（例如模块）。

在本发明范围内的用于检测太阳能电池的（部分）遮蔽状态的可替换构思在于，直接检测对遮蔽重要的参数即尤其是光（太阳）辐射到光伏模块上的程度和/或模块（或各个电池）的温度状态。在本发明范围内设置的、连接在参数检测单元后面的比较单元于是与预先确定或预调节的标准值相比较来确定：是否当前检测的参数状态（即光辐射、温度等等）对应于未被遮蔽的或被遮蔽的状态，相应地并且与在先描述的处理方式类似地触发工作点的使功率降低的移位，由此，光伏模块的避免任意不利降级危险的运行又可得到保证。

本发明尤其是适用于结合有机的太阳能电池和/或无机的薄层太阳能电池来使用，而本发明的应用领域在任何情况下都不受限于此，而是通过本发明有利地描述了将低成本的可制造性尤其是通过避免在其它情况下必需的旁路二极管来与高的运行可靠性、无降级的长服务时间和优化的收益运行相组合的途径。

附图的简短说明

从对优选实施例进行的下述说明中以及借助于附图得到本发明的其它优点、特征和细节。附图表示：

图1 根据本发明第一优选实施形式的光伏装置的示意性电路框图；

图2 根据一个有利变型方案的用于实现本发明的功能部件的示意性原理电路图；

图3 根据图1的用于实现本发明的示意性电路框图；以及

图4 用于解释MPT跟踪器功能的功率-电压曲线图，该MPT跟踪器功能用于在各自的功率曲线上调节（跟踪）功率最大值。

本发明的实施形式

图1的原理电路图借助于功能块解释本发明第一实施形式的结构和作用方式。

这样，参考标号10象征性地标记辐射源，该辐射源在运行状态中照射光伏模块12；在此，在运行状态中光伏模块12被整面地或局部地（即涉及光伏模块的仅仅个别的太阳能电池）遮蔽。

光伏模块12以在其它情况下公知的方式与连接在后面的逆变器14共同作用，该逆变器将模块12的直流电压信号转换成适用于在网络输出端16上馈入到供电网中的交流电压信号。在此意义下，尤其是也应确定本发明适用于移动式小型仪器，其中，尤其是根据本发明要求保护的类型的装置适用于对蓄电池充电或者适用于直接运行移动式小型仪器。

在本发明的所描述的实施例的范围内，逆变器14通过控制信号线18从控制单元20接收工作点控制信号，该控制单元又接收光伏模块12的、以由温度传感器22直接在光伏模块12上测量的温度信号形式的参数数据以及还接收相邻设置的辐射传感器24的辐射信号。

除了辐射信号E和温度信号

之外，控制单元20还附加地接收当前由光伏模块12生成的直流电压U。

现在，控制单元20的作用方式在于，通过将这些参数值与储存在所分配的永久性存储单元26中的预给定数据或标准数据（相应于例如以表格形式储存的特性曲线值）相比较来确定：是否例如由于辐射E的值有偏差而存在（部分）遮蔽状态，此后，控制单元20则通过控制信号线18进行逆变器14的工作点移位，直到如下运行工作点：在所描述的实施例中在所述运行工作点处光伏模块12的每个太阳能电池在特定的与电池相关的（在降级阈值的意义上的）容差界限以上工作，并且降级或其它减弱功率的变坏现象相应地得到避免。如果通过工作点移位而出现当前的功率降低，而这种功率降低更多地通过电池或总系统的与寿命相关的总功率收益补偿，从而在整个寿命期间实现明显的收益优点。

以此方式，可以通过相应减弱功率地调节逆变器工作点避免所涉及的被遮蔽的太阳能电池降级或受损，这又有利地对光伏模块12的总寿命和运行可靠性产生影响。此外，有利的是，通过所描述的根据本发明的处理方式，设置在开头针对现有技术描述的旁路二极管变得多余，因为通过根据本发明的工作点移动就相应的各个太阳能电池而言不需要通过旁路二极管实现的截止作用。

图3的原理电路图在较抽象层面上解释该原理：在功能单元30中进行传感器（功能块32）——相应于检测温度T的温度传感器的以及检测辐射功率P_Licht的辐射传感器24——的所检测的值之间的所述比较；将该参数组与表格单元34（相应于图1中的非易失存储单元26）的预给定或预先确定的特性曲线数据相比较。

功能单元30的比较信号crt被跟踪器单元33（两个单元30、33在图1的实现方案中通过例如具有微控制器的控制单元20来实现）接收，其中，作为比较的结果，MPP跟踪器单元33使逆变器功率P的工作点移位一个功率偏差ΔP并且相应地控制逆变器14。

由此引起MPT跟踪器从最佳功率点偏移所需的ΔP使得所分配的光伏模块12的功率减弱，但与当前的遮蔽状态相关并且因此能够实现在太阳能电池的负荷以及即使在遮蔽状态中可靠运行的保证方面进行最优化，由此尤其是可排除电池由于（部分）遮蔽而持续受损。

作为根据图3的措施的变型方案，图2的原理电路图示出了如何在本发明的范围内实现MPT跟踪器单元42的适配的部分遮蔽识别以及可用根据本发明的方式执行工作点移位的可替换的途径。与图3、图1的例子不同，根据图2的原理规定，借助于至每个太阳能电池的检测线n_in（并且测量通过这样的线上的各自的电池电压或电池电流）可检测被遮蔽的电池。检测单元40从（与多个太阳能电池相应的）多个电压值或电流值计算所需的功率偏差ΔP，其中通过MPT跟踪器单元42的作用在逆变器14上工作点必须移位所述该功率偏差。在此，ΔP也意味着MPT跟踪器42从最佳功率点的偏移（对所属的光伏模块起相应的减弱功率的作用），但该工作点移位又使得光伏模块12的太阳能电池都不（并且也没有被遮蔽的电池）在不利的运行状态中、在容差界限或负的电功率吞吐量之上运行。

对于当前实施例所考虑的光伏模块有利地具有有机的光伏电池或无机的薄层光伏电池，因为在此根据本发明实现的、不需要旁路二极管的优点变得特别明显。然而，本发明不局限于所述特定形式的太阳能电池，而是本发明适用于几乎任意应用领域，在这些应用领域中必须适配地在减弱对各个电池的损坏性影响的情况下对交替的辐射或遮蔽状况作出反应。同时，上面概述的寿命和服务时间优点（尤其是也与总能量收益提高相联系）可被突出。

Claims

1. 一种光伏装置，包括具有太阳能电池的光伏模块（12），给所述光伏模块分配有用于确定所述光伏模块（12）的电功率最大值和用于调节连接在后面的逆变器（14）的所属电流-电压工作点的MPT装置（42），其特征在于：

给所述MPP装置（42）分配有检测单元（40），所述检测单元被构造用于检测多个太阳能电池各自的电池电压以及用于产生用于所述MPP装置（42）的控制信号，使得作为对一个太阳能电池的电池电压相对于所述光伏模块（12）的多个太阳能电池中的另外的太阳能电池的电池电压的所探测到的预先确定的电压变化的反应而通过所述控制信号的作用来触发所述电流-电压工作点的、引起所述光伏模块（12）功率变化尤其是功率下降的移位。

2. 根据权利要求1的装置，其特征在于：所述检测单元（40）被设置为使得太阳能电池的电池电压的待探测的预先确定的电压变化对应于该太阳能电池的遮蔽。

3. 根据权利要求1或2的装置，其特征在于：为了检测各自的电池电压，设置有与所述多个太阳能电池相应数量的分析线（n_in）并且与所述检测单元（40）连接。

4. 一种光伏装置，包括具有太阳能电池的光伏模块（12），给所述光伏模块分配有用于确定所述光伏模块（12）的电功率最大值和用于调节连接在后面的逆变器（14）的所属电流-电压工作点的MPP装置（33），其特征在于：

给所述MPP装置（42）分配有参数检测单元（40），所述参数检测单元被构造用于检测至少一个由所述太阳能电池的照射状态和/或温度状态影响的环境参数（T，P_licht）；

并且设置有比较单元（30），所述比较单元与所述参数检测单元（40）共同作用，使得作为对所检测的照射状态和/或温度状态与预先确定的比较值的确定偏差的反应而产生用于所述MPP装置（42）的控制信号，所述控制信号触发所述电流-电压工作点的引起所述光伏模块（12）功率下降的移位。

5. 根据权利要求4的光伏装置，其特征在于：所述比较单元（30）被设置用于从分配给所述比较单元的非易失性储存单元（34）读出比较值。

6. 根据权利要求4或5的光伏装置，其特征在于：所述参数检测单元（40）具有被构造用于检测太阳能电池的运行温度的温度传感器（22）。

7. 根据权利要求1至6之一的光伏装置，其特征在于：所述参数检测单元（40）具有被构造用于检测至所述光伏模块（12）上的整面的或部分面的光投射的光传感器（24）。

8. 根据权利要求1至7之一的光伏装置，其特征在于：所述光伏模块（12）和/或所述多个太阳能电池不具有旁路二极管。

9. 根据权利要求1至8之一的光伏装置，其特征在于：所述多个太阳能电池具有有机的太阳能电池和/或无机的薄层太阳能电池。

10. 根据权利要求1至9之一的光伏装置，其特征在于：所述电流-电压工作点的移位如下地进行：即在该运行状态下所述多个太阳能电池都不具有负的电功率吞吐量或太阳能电池的特定于电池的容差界限不被超过。