CN203026514U - 用于发电的太阳能系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于发电的太阳能系统，该系统包括一个或多个太阳能阵列模块，其中该一个或多个太阳能阵列模块各自包括多个太阳能电池以及一个高效的DC至DC功率转换器。该多个太阳能电池被排列成并联电连接的多个串联单元串，从而形成了十字矩阵的太阳能电池阵列，该矩阵允许电流绕过故障电池，由此改进该系统的性能。该功率转换器包括快速MOSFET晶体管，这些晶体管具有运行上恒定并且几乎为50%的工作周期。任选地，该功率转换器包括一个正传导垫和一个负传导垫，这些串联单元串各自单独连线到该正传导垫和负传导垫上。

Description

用于发电的太阳能系统

相关申请的交叉引用 

本申请根据35USC119(e)要求2010年1月23日提交的美国临时申请61/297,747的权益，将其通过引用以其全部内容结合在此。 

发明领域

本发明涉及一种太阳能发电装置并且更具体地涉及为了将太阳能阵列的电力产生最大化而改进的、具有十字网络构型的太阳能发电装置，其中这些太阳能电池通常被至少部分遮蔽。 

发明背景 

光伏电池被光伏用于多种应用中以产生方便的电力。典型地，单一的太阳能电池产生约0.5V的输出电压，而多个电池、典型地是硅基的电池，常规地被串联连接而提供更高的电压水平。参见图1a，常规地将多个太阳能电池22串联连接而形成太阳能电池22的一个“串联单元”26，其中多个串联单元26可以串联地互连而形成一个串联单元串（string）28，以便在太阳能阵列模块20中获得所希望的输出电压。每个串联单元26可以包括一个或多个电池并且被一个旁路二极管25所保护，该旁路二极管是被加入来绕过局部问题，例如污物、阴天遮蔽、其他部分遮蔽或以其他方式无法工作的电池。 

串联连接的太阳能电池22遭遇以下缺点： 

a)太阳能电池22可能由于在一个或多个模块上的遮蔽和/或累积的污物而遭受至少部分的光遮挡。在部分被遮蔽的电池中产生的电功率大大减小。该电池产生的电流与光强度的降低成比例地减小。旁路二极管25能 够使电流流动但不能补偿由所绕过的串联单元26损失的功率。典型地，二极管25上的电压降是约0.25V。 

b)典型地，太阳能阵列模块20对于可能在另一个太阳能阵列模块20中形成的反向击穿电压是敏感的。二极管27防止了该太阳能阵列模块的击穿。二极管27还防止了太阳能阵列模块的输出短路。 

c)太阳能电池22之间的不等同性也导致了功率损失。 

在一个示例性安排中，对于额定的30伏特硅太阳能阵列模块发电系统，将约60个电池串联连接而产生30伏特的输出。通常，将多个旁路二极管置于多组电池上，例如每个二极管5-20个电池而不是每个电池一个旁路二极管，以降低成本。与旁路二极管串联连接的电池已被证明在许多光伏应用中是有效的。 

还参见图1b，这是一个示意性框图，示出了在常规的太阳能模块20的输出保护串联二极管上的电压降。 

此外： 

Vout=V_p-Vds[V]    (2) 

其中V_out是该模块产生的总电压，包括了在串联二极管27上的电压降。这个电压降可能是模块附加功率损失的原因。 

实际上，使用两个串联电连接的二极管以便避免二极管击穿电压。如果一个串联单元26中的电池因任何原因出现故障，则由整个串联单元26产生的功率受损失。该模块产生的功率计算如下： 

$\mathrm{Pout}=\mathrm{Pp}(1-\frac{\mathrm{xn}}{m}-\frac{2*\mathrm{Vds}+n*\mathrm{Vdp}}{\frac{\mathrm{Vp}*(m-\mathrm{xn})}{m}})\left[W\right]---\left(1\right)$

其中 

P_out是该模块产生的总功率，包括了在串联二极管27上的功率损失。 

P_p是在所有电池22起作用时太阳能阵列模块20产生的最大功率， 

x是一个串联单元26中电池22的数目， 

n是故障的串联单元26的数目， 

V_ds是与太阳能阵列模块20串联电连接的二极管27上的电压降， 

V_dp是与串联单元26并联电连接的旁路二极管25上的电压降，并且 

V_p是在所有电池22起作用时太阳能阵列模块20产生的电压。 

应该注意的是，等式(1)是近似值并且适用于x*n≤45。 

现在参见图2，一个框图，示出了一种现有技术的太阳能阵列模块30。太阳能阵列模块30包括多个串联电连接而形成串联单元26的太阳能电池22。在图2所示的实例中，每个串联单元26包括4个太阳能电池22。这些串联单元26是并联地互相连接的（32），以获得太阳能阵列模块30的所希望的电流产生能力。形成一个串联单元26的太阳能电池22的数目决定了太阳能阵列模块30所提供的电压水平。并联电连接的串联单元26的数目决定了太阳能阵列模块30所提供的电流水平，以便由此获得预定的电功率。 

例如，一个太阳能模块30包括60个太阳能电池22，其中每个串联单元26包括4个太阳能电池22并且其中15个串联单元26是并联电互连的。对于各自产生0.5伏的太阳能电池22，每个串联单元26产生2伏特。 

一个功率转换器34连接在模块30的太阳能电池22的阵列的出口处，该功率转换器34将输入电压水平（2伏特，在上述实例中）转换成显著更高的输出电压水平（例如30伏特，在上述实例中）。因此，当作为串联单元26的一个成员的太阳能电池22损坏时，该模块损失了整个串联单元26的功率。 

因此，需要的是并且将有利的是，能够防止故障太阳能电池造成整个串联单元26的功率损失。 

还参见图3，一个框图，示出了一种现有技术的太阳能阵列模块40。太阳能阵列模块40类似于太阳能阵列模块30，除了每个串联单元26包括单一的太阳能电池22。太阳能模块40在以下意义上是最优的：当一个太 阳能电池22故障时，仅有的功率损失是包含这个故障太阳能电池22的串联单元26的功率。 

在最优的太阳能模块中，功率损失是非常小的。 

典型地，常规太阳能电池22的电压水平是较低的（约0.5V）。对于这个输入电压水平，用于太阳能模块的功率转换器44（例如为250W）的输入电流将非常高（大于500A）并且功率转换器44的效率不足够高到提供这样的电流水平。为此，需要的是并且将有利的是，能够向功率转换器44提供更高的输入电压。 

应该注意的是，贯穿本披露，本发明是使用文字和相关附图来描述的。所包括的等式仅作为对本领域技术人员的可能的帮助，并且不应理解为以任何方式限制了本发明。本领域技术人员可以使用各种其他等式。 

需要的是并且将有利的是，具有一种用于太阳能发电的装置、系统和方法，其中该装置有助于将一个太阳能阵列模块产生的功率最大化，在该模块中一个或多个硅太阳能电池出现故障。 

发明概述 

作为介绍，本发明的主要意图包括提供一种包括一个或多个太阳能阵列模块的太阳能阵列系统。每个太阳能阵列模块包括多个太阳能电池。将多个太阳能电池组串联电连接而形成一个多电池的串联单元。多个多电池的串联单元并联电连接而形成一个电池阵列，其中所有的太阳能电池都是电互连的以形成太阳能电池的十字网络。即，多个串联单元可以进一步串联电互连而形成一个串联单元串，其中这些串联单元串也是并联电互连的，以形成太阳能电池的十字矩阵阵列。 

本发明包括提供一种太阳能阵列模块，其中所有的太阳能电池以一种十字构型而电互连，以形成一个太阳能电池网络。每个太阳能阵列模块包括一个功率转换器，该功率转换器被电连接在该太阳能电池阵列的出口，并且要求该功率转换器将输入电压水平转换成在面板输出端处的显著更高的输出电压水平。 

该功率转换器在处理大的输入电流值方面得到了改进。此类电流被要求用于在低电压下供应显著的功率。例如，在具有2伏特和95%效率的250瓦功率转换器中，所要求的输入电流是132Amp。 

如果阻止一些光照射一个具体的太阳能电池，该缺陷电池将减小太阳能阵列模块的总功率。在该串联单元串中的所有剩余电池将继续把产生的功率提供给该太阳能阵列模块。总的太阳能阵列模块功率可以通过以下公式来计算，该公式概括为公式(3)： 

Pout=Pmax(1-xn/m)η   [W]    (4) 

其中 

P_out是当一个或多个太阳能电池出现故障时该太阳能阵列模块产生的总功率， 

P_max是当所有太阳能电池都起作用时太阳能阵列模块产生的最大功率， 

x是一个串联单元中太阳能电池的数目， 

n是故障的串联单元的数目， 

m是该太阳能阵列模块中太阳能电池的数目， 

η是功率转换器的效率。 

根据本发明的传授内容，提供了一种用于对所希望的应用提供工作功率的太阳能发电系统，所希望的应用具有预定的工作功率水平要求以及预定的工作电压水平要求。该系统包括一个或多个太阳能阵列模块，其中该一个或多个太阳能阵列模块各自包括多个太阳能电池以及高效的DC至DC功率转换器。 

将预设数目的太阳能电池进行串联电连接而形成一个串联单元串，该串联单元串被改进而产生第一输出电压水平，其中该第一输出电压水平不足以满足所希望的应用的工作电压水平要求。而且，将预设数目的串联单元串进行并联电连接而形成一个太阳能电池阵列，该太阳能电池阵列被改进而产生第一输出功率水平。 

在每个串联单元串中，这些串联单元串之一的至少一个选定的太阳能 电池还并联电连接到所有其他串联单元串的对应太阳能电池上，以形成一个十字矩阵的太阳能电池阵列，其中该十字矩阵的太阳能电池阵列允许电流绕过故障电池，由此改进该系统的性能。 

该高效的DC至DC功率转换器被电连接至该十字矩阵的太阳能电池阵列上，该功率转换器被配置成将该第一输出电压水平升高至高于该第一输出电压水平的第二输出电压水平。优选地，该第二输出电压水平基本上足以满足所希望的应用的工作电压水平要求。 

优选地，在每个串联单元串中，每个太阳能电池还并联电连接至所有其他串联单元串的对应的太阳能电池上，以形成该十字矩阵的太阳能电池阵列。 

优选，每个串联单元串由相同数目的、串联电连接的太阳能电池组成。 

优选地，该功率转换器包括多个快速MOSFET晶体管，用于将变压器的初级线圈中的相反侧交替连接到一个DC源上，其中这些快速MOSFET晶体管的工作周期是运行上恒定的并且是几乎50%。 

任选地，将预设数目的太阳能阵列模块进行串联电连接而形成一个太阳能阵列模块串，其中该太阳能阵列模块的阵列产生了第三输出电压水平，并且其中该第三输出电压水平基本上足以满足所希望的应用的工作电压水平要求。任选地，将预设数目的太阳能阵列模块串进行并联电连接而形成一个太阳能阵列模块的阵列，其中该太阳能阵列模块的阵列产生了第三输出功率水平，并且其中该第三输出功率水平基本上足以满足所希望的应用的工作功率水平要求。 

任选地，该功率转换器包括一个平面变压器，该变压器包括：一个铁磁内芯，其中在该铁磁内芯的相反末端处形成了两个窗口开口；一个初级线圈、一个次级线圈、输入线圈导线以及输出线圈导线。该任选的功率转换器进一步包括：一个输入印刷电路板，其中在该输入印刷电路中形成了多个接收孔，有助于直接电连接到输入线圈导线上；以及一个输出印刷电路板，其中在该输出印刷电路板中形成了多个接收孔，有助于直接电连接到输出线圈导线上。该输入印刷电路板和输出印刷电路板对应地布置在该 铁磁内芯的窗口开口处，以便由此将分别从初级线圈和次级线圈到输入印刷电路板和输出印刷电路板的电线的布线长度最小化。 

任选地，该功率转换器包括一个正（plus）传导垫和一个负（minus）传导垫，这些串联单元串各自单独连线到该正传导垫和负传导垫上。 

任选地，每个太阳能阵列模块进一步包括一个次级的、低功率的太阳能电池阵列，用于启动该DC至DC功率转换器。 

任选地，本发明的太阳能发电系统包括一个或多个太阳能阵列模块，其中该一个或多个太阳能阵列模块各自包括多个太阳能电池、一个高效的DC至DC功率转换器以及一个启动装置。将预设数目的太阳能电池进行串联电连接而形成一个串联单元串，该串联单元串被改进而产生第一输出电压水平，其中该第一输出电压水平不足以满足所希望的应用工作电压水平要求。而且，将预设数目的串联单元串进行并联电连接而形成一个太阳能电池阵列，该太阳能电池阵列被改进而产生第一输出功率水平。 

此外，在该任选的太阳能发电系统中，将预设数目的太阳能电池进行串联电连接而形成一个串联单元串，该串联单元串被改进而产生第一输出电压水平；并且将预设数目的串联单元串进行并联电连接而形成一个太阳能电池阵列，该太阳能电池阵列被改进而产生第一输出功率水平。此外，在该任选的太阳能发电系统中，一个高效的DC至DC功率转换器被电连接至该太阳能电池阵列上，该功率转换器被配置成将该第一输出电压水平升高至高于该第一输出电压水平的第二输出电压水平，其中该第一输出电压水平不足以满足所希望的应用的工作电压水平要求，并且其中这些太阳能阵列模块各自包括一个次级的、低功率的太阳能电池阵列，用于启动该DC至DC功率转换器。 

这些以及进一步的实施方案将从接下来的详细说明和实例中变得清楚。 

附图简要说明 

从以下给出的详细说明和附图中将全面理解本发明，这些附图是仅以 展示和举例的方式给出的、并且因此不以任何方式进行限制，其中： 

图1a（现有技术）是一个示意性框图，示出了一种常规的电池太阳能模块，该电池太阳能模块具有多个串联电连接而形成串联单元的电池，其中每个串联单元受一个旁路二极管的保护，其中这些串联单元可以串联地互连而形成一个串联单元串并且其中每个模块受一个串联二极管保护； 

图1b（现有技术）是一个示意性框图，示出了在该模块上的电压，包括在串联二极管上的电压降在内； 

图2（现有技术）是一个示意性框图，示出了根据本发明的实施方案的一种太阳能阵列系统，该系统包括多个并联电连接的串联单元； 

图3（现有技术）是一个示意性框图，示出了如图3中的最佳太阳能阵列系统，其中每个串联单元包括单一的太阳能电池并且因此多个串联单元被并联电连接； 

图4是一个示意性框图，示出了根据本发明的实施方案的一种太阳能阵列模块，其中这些电池是以十字矩阵的构型进行电互连的，以允许电流绕过故障太阳能电池； 

图5是一个示意性框图，示出了根据本发明的实施方案的另一种太阳能阵列模块，其中这些电池是以又一种示例性的十字矩阵构型进行电互连的； 

图6是一个示意性框图，示出了如图2中的一种太阳能阵列模块，其中根据本发明的实施方案，该太阳能阵列模块进一步包括一个次级的太阳能电池阵列，用于启动该转换器； 

图7是一个示意性框图，示出了如图3中的一种太阳能阵列模块，其中根据本发明的实施方案，该太阳能阵列模块进一步包括一个次级的太阳能电池阵列，用于启动该转换器； 

图8是一个示意性框图，示出了根据本发明的实施方案的一种太阳能阵列系统，该系统包括多个如图4中所示的太阳能阵列模块； 

图9是一个示意性框图，示出了根据本发明的实施方案的一种太阳能 阵列系统，该系统包括多个太阳能阵列模块； 

图10（现有技术）是一个电路图，示出了使用推拉式（Push-Pull）拓扑设计的一种DC至DC功率转换器； 

图11是一个电路图，示出了没有输出线圈并且连接了太阳能阵列模块的一种DC至DC功率转换器，这些太阳能阵列模块使用了以十字矩阵的阵列进行电连接的太阳能电池； 

图12a是现有技术的功率转换器的切换时间图； 

图12b是连接了太阳能阵列模块的一种功率转换器的切换时间图，这些太阳能阵列模块使用了串联和/或并联地电连接的太阳能电池； 

图13是根据本发明的实施方案的一种DC至DC功率转换器的结构的透视图； 

图14是一个太阳能阵列模块的示意性框图，其中这些串联单元串通过单一的交互线（mutual line）被电连接至该DC至DC功率转换器的垫上； 

图15是一个太阳能阵列模块的示意性框图，其中这些串联单元单独地电连接至该DC至DC功率转换器的每个垫上。 

本发明的详细说明 

现在将参照附图在以下更详细地描述本发明，其中示出了本发明的优选的实施方案。然而，本发明可以按许多不同的形式来实施并且不应解释为局限于在此列出的这些实施方案；而是，提供以下的实施方案使得本披露内容将是详尽并且完整的、并且对于本领域普通技术人员完全地传达本发明的范围。 

除非另外限定，否则在此使用的所有技术的以及科学的术语都具有与本发明所属领域的普通技术人员所通常理解的相同的含义。在此提供的方法和实例仅是展示性的、并且不旨在进行限制。 

通过介绍，本发明的主要意图包括提供有助于将具有一个或多个有故障的硅太阳能电池的太阳能阵列模块装置所产生的功率最大化的太阳能 发电装置和系统。 

现在参见图4，这是一个示意性框图，示出了根据本发明的变体的一种太阳能阵列模块200，其中这些太阳能电池是以十字矩阵的构型进行电互连的，以允许电流绕过故障太阳能电池。 

在太阳能阵列模块200中，所有的太阳能电池210是以一种十字构型而电互连的，以形成太阳能电池210的一个网络205。因此每个单独的串联单元222包括仅一个太阳能电池210，由此当一个太阳能电池210出现故障时，仅有的功率损失是这个具体的太阳能电池210的功率。加入太阳能电池210的阵列中的额外的线232减小了故障电池210所造成的损害，这是以成本和模块面积为代价。总体上，太阳能阵列模块200可以包括任何数目的串联单元222，这些串联单元是串联电连接的以形成串联单元220的一个串。在图4所示的实例中，太阳能阵列模块200包括四个串联单元222，这些串联单元是串联电连接的以形成串联单元220的一个串。四个串联电连接的串联单元222的电压水平是较高的（约2V）。通过这个输入电压，功率转换器250的输入电流将比功率转换器44（图3）的输入电流小四倍，并且功率转换器250的效率将高于功率转换器44的效率。 

还参见图5，这是一个示意性框图，示出了根据本发明的其他变体的另一种太阳能阵列模块300。在太阳能阵列模块300中，在太阳能电池310的阵列中太阳能电池310的电互连性是在太阳能阵列模块30（见图2）与太阳能阵列模块200之间的折中，以便降低成本。因此，当作为串联单元26的一个成员的太阳能电池22损坏时，该模块损失了整个串联单元26的功率。当作为串联单元322b的一个成员的太阳能电池310损坏时，该模块损失了整个串联单元322b的功率。当作为串联单元322a的一个成员的太阳能电池310损坏时，该模块损失了该具体的缺陷太阳能电池310的功率。太阳能阵列模块300可以包括任何数目的串联单元322，这些串联单元是串联电连接的以形成串联单元320的一个串。 

所提出的解决方案（如图4和图5所示）一方面解决了在功率转换器（34，44，250或350）入口处的高电流问题、并且另一方面解决了由于缺陷太阳能串联单元（26，222或322）导致的功率损失问题。所提出的 解决方案提供了一种通用的解决方案并且给出了在太阳能阵列模块设计方面的灵活性。可以选择一种适当的太阳能阵列模块设计来对选定的应用提供正确的解决方案。 

当例如一个太阳能电池（210或310）出现故障（“缺陷太阳能电池”）时，该缺陷太阳能电池所属的太阳能串联单元（222或322）变为一个“缺陷串联单元”，该缺陷太阳能串联单元（222或322）所属的串联单元串（220或320）变成一个“缺陷的串联单元串（220或320）”。该缺陷的串联单元串（220或320）的其他太阳能电池（210或310）继续产生功率并且能够通过并联电连接的、起作用的太阳能串联单元串（220或320）输出其电流I_Σ，这些起作用的太阳能串联单元串均是如前面说明的以十字矩阵的网络进行电连接的。电流I_Σ的流经该并联电连接的、起作用的太阳能串联单元串（22，220或320）的部分是电流I_u： 

$\mathrm{Iu}=\frac{I_{\mathrm{\Σ}}}{(\frac{m}{x}-n)}---\left(5\right)$

其中 

m是该模块中太阳能电池的数目。 

x是一个串联单元串中太阳能电池的数目。 

n是缺陷的串联单元串的数目。 

在太阳能阵列模块300中，例如在将60个太阳能电池310安排成15个串联单元串320的250W太阳能阵列模块300中，其中一些串联单元322包括2个太阳能电池310，15个串联单元322是并联电连接的，并且两个其他的起作用的太阳能电池310被串联地电连接至每个串联单元322，所有这些太阳能电池310都是以十字矩阵的结构电互连的，如图5中所示。如果单个的太阳能电池310是有缺陷的，则包括该缺陷电池的整个串联单元322也变为有缺陷的。串联电连接至有缺陷的串联单元322的、剩下两个起作用的太阳能电池310继续通过并联地电连接的太阳能串联单元串320提供所产生的电流。 

同样地，在太阳能阵列模块200中，例如使80个太阳能电池210安排成20个串联单元串220的250W太阳能阵列模块200中，其中每个串联单元包括1个太阳能电池210，并且20个串联单元222是并联和串联地电连接的，所有这些太阳能电池210都是以十字矩阵的结构电互连的，如图4中所示。如果单个太阳能电池210是有缺陷的，则单个的串联单元222是有缺陷的，该有缺陷的串联单元串220的剩余太阳能电池210继续通过并联地电连接的太阳能电池210提供所产生的电流。 

本发明的一个任选的方面是提供一种启动装置（240或340），用于提供使一个太阳能阵列模块（200或300）的功率转换器（250或350）的控制器（252或352）运行所需的高电压。要求一个启动装置来产生该功率转换器（250或350）的控制器（252或352）的供应电压。该启动装置（240或340）包括多个小面积的、低功率的太阳能电池（245或345），这些电池串联地电连接而形成至少一个太阳能电池串（242或342）。任选地，在模块（200或300）内部分配若干启动装置（240或340）以减小部分遮蔽效应。任选地，所有启动装置都是并联地电连接的。启动装置（240或340）的阵列被电连接至该功率转换器（250或350）上。应该注意的是，每个电池串中的电池数目可以根据该太阳能阵列模块（200或300）和/或功率转换器（250或350）的规格而变化。 

实例： 

现有技术太阳能模块使60个太阳能电池22串联地电连接，然而，对于每6个太阳能电池22有一个并联电连接的旁路二极管25用于形成一个单元串。现在将该现有技术太阳能模块与本发明的一个太阳能模块进行比较，本发明的太阳能模块具有相同数目的电池、但所有电池是以图5所述的网络结构进行电连接的。这两个模块均被设计用于产生250W的电功率。 

还参见图6，这是一个示意性框图，示出了与图2中所示的太阳能阵列模块30类似的一种太阳能阵列模块400，其中根据本发明的实施方案，该太阳能阵列模块400进一步包括一个启动装置440，用于启动一个转换器450。该启动装置440包括太阳能电池445的一个次级阵列442。还参见图7，这是一个示意性框图，示出了与图3中所示的太阳能阵列模块40类似的一种太阳能阵列模块500，其中根据本发明的实施方案，该太阳能阵列模块500进一步包括一个启动装置540，用于启动一个转换器550。该启动装置540包括太阳能电池545的一个次级阵列542。要求一个启动装置来产生用于该功率转换器（452或552）的控制器（450或550）的供应电压。 

本发明的一方面是提供一种由多个太阳能阵列模块构成的、用于产生电功率的太阳能阵列系统。参见图8，这是一个示意性框图，示出了根据本发明的实施方案的一种太阳能阵列系统600，该系统包括多个（在本实例中是4个）太阳能阵列模块200。太阳能阵列模块200通过每个太阳能阵列模块200的对应的功率转换器250进行串联电连接而形成一个太阳能阵列模块串620。太阳能阵列系统600产生的电压是太阳能阵列模块串620的这些功率转换器250产生的电压之和。 

太阳能阵列系统600进一步包括一个或多个相似的太阳能阵列模块串620，这些太阳能阵列模块串620是并联电连接的（630），以通过太阳能阵列系统600的单一电压输出（DC V_out）而提供所希望的总功率。 

任选地，系统600的输出电压DC V_out被提供至一个逆变器650，该逆变器被配置成将系统600的DC输出转化成AC输出、优选被电连接至公共电网。 

还参见图9，这是一个示意性框图，示出了根据本发明的实施方案的一种太阳能阵列系统700，该系统包括多个（在本实例中是4个）各种各样的太阳能阵列模块（200，300，400和480）。太阳能阵列模块200，300，400和480以及太阳能阵列模块740的其他配置通过每个太阳能阵列模块（200，300，400，480和740）的对应的功率转换器（250，350，450和 550）进行串联电连接而形成一个太阳能阵列模块串720。太阳能阵列系统700产生的电压是太阳能阵列模块串720的这些对应的功率转换器（250，350，450和550）提供的电压之和。 

太阳能阵列系统700进一步包括一个或多个相似的太阳能阵列模块串720，这些太阳能阵列模块串720是并联电连接的（730），以通过太阳能阵列系统700的单一电压输出（DC V_out）而提供所希望的总功率。 

任选地，系统700的输出电压DC V_out被提供至一个逆变器750，该逆变器被配置成将系统700的DC输出转化成AC输出、优选被电连接至公共电网。 

现在参见图10，是一个电路图60，示出了使用推拉式拓扑的一种DC至DC功率转换器的实例，如本领域已知的。开关晶体管72、76交替地将变压器62的初级线圈的相反末端连接至一个DC电源66的(-)侧上，而将该初级线圈的中心固定地连接至DC电源66的(+)侧上。通过对应的输入控制电压78、74将晶体管76、72启动至其开（ON）、关（OFF）状态。 

图11详述了根据本发明的DC至DC推拉式功率转换器的电路图800。去除了输出线圈64（见图10），因为不再需要它。输入电容器868可以具有更小的值或者可以一起被去除。输出电容器865可以具有更小的值或者可以一起被去除。 

图12a详述了现有技术的推拉式功率转换器60的切换时间，示出了MOSFET晶体管76和72的控制电压与时间735的对比。在现有技术中，这些脉冲的工作周期显著小于50%并且不是恒定的。即，开状态的时间732显著短于半个周期时间731。应该注意的是，MOSFET晶体管仅是以举例方式给出的，并且在本发明的范围内可以使用适合于该应用的其他类型的晶体管。 

这些波形在电路中造成波动，这要求输入电容器68、输出线圈64以及输出电容器65的较高的值。这样大的值导致了昂贵的实现方式以及大体积的部件。额定用于高电流的输入电容器68可能非常昂贵。 

此外，电容器68和65中的大电流、以及大线圈64中的电阻导致了显著的欧姆损失，因此降低了转换器的效率。因此，这种现有技术的功率转换器可能是昂贵的、大体积的并且具有低的效率。 

本发明的意图是提供一种创新的功率转换器，它是一个有效的且低成本的功率转换器、结合了太阳能阵列模块以及太阳能阵列系统的太阳能电池阵列的十字矩阵（例如见图4、图5、图8和图9）。 

图12b详述了现有技术的一个功率转换器800的切换时间，示出了MOSFET晶体管876和872的控制电压与时间735的对比。 

图12b中的MOSFET晶体管的开时间741是几乎50%。图12b中的MOSFET晶体管的关时间742也是几乎50%。因此，MOSFET晶体管876和872的工作周期是恒定的并且略小于50%（几乎50%），其中工作周期被定义为： 

工作周期=开时间(741)/T(731)。 

一个MOSFET晶体管从开到关的切换时间与另一个MOSFET晶体管从关到开的切换之间的“停工”时间743是与开和关的时长有关的一段非常非常短的时间，这是为了防止MOSFET晶体管876、872同时导电。同样的考虑也适用于“停工”时间744。流经图800中的变压器862的电流仅在非常小的“停工”时间间隔743和744内被中断。该功率转换器的运行几乎像一个具有小输入电压和高输出电压的DC/DC变压器一样。因此对于“停工”时间间隔743和744，非常小的电流中断大幅度减低了功率转换器输入和输出回路中的波动。可以使用显著更小的值、或者可以完全去掉输入电容器868、输出线圈864和输出电容器865，以降低成本以及功率转换器的重量和体积、并且增大功率转换器的效率。 

图13详述了根据本发明的实施方案的一种带有平面变压器900的DC至DC功率转换器的结构。变压器900包括一个铁磁内芯910和线圈、输入线圈导线912和输出线圈导线（在变压器900的下侧未示出）。铁磁内芯910包括在铁磁内芯910的相反末端处形成的两个窗口开口。 

仅详述了电路到初级线圈的结构，因为此时由于低电压而具有高电流； 次级线圈具有更高的电压因此具有更低的电流，因此布线内的损失低得多。 

变压器的初级线圈的导线912连接到一个输入印刷电路920上并且变压器的次级线圈的导线对应地连接到一个输出印刷电路930上。为了按照要求来连接电线，在输入印刷电路920中形成了多个接收孔922用于协助输入线圈导线912的直接电连接，并且形成了多个孔924用于在输入印刷电路920中串联单元串的电线1010。输出印刷电路930具有用于输出线圈导线（未示出）的多个接收孔932以及用于功率转换器的输出电线954的孔。 

这些输入印刷板920和一个输出印刷板930被放置为与平面变压器900非常靠近、分别置于窗口962和964上。 

输入和输出切换电路被分成两个小的印刷板920和930，各自安装在铁磁内芯910的相反末端处的这两个开口之一附近。因此，该变压器的初级和次级线圈的导线912将沿可能的最短路径直接到达这些切换电路。这个结构将电线的长度以及该功率转换器的尺寸最小化。 

结构900降低了布线中的铜损失并且改进了功率转换器的效率。总电流在印刷电路920和930中流动，这些印刷电路被设计为具有非常小的电阻。从输入印刷电路920到变压器910中的初级线圈仅要求非常短的布线，并且从输出印刷电流930到变压器910中的次级线圈仅要求非常短的布线。 

此外，缩短切换线路减小了切换输入和输出电路中RF1的回路面积，因此减小了射频干扰（RFI）。 

优选地，印刷电路920、930是作为多层印刷电路板（PCB）实施的，具有一个接地的屏蔽表面；这个表面有助于避免电磁辐射。此外，该变压器被包含在一种例如由铁素体构成的铁磁结构中；这也有助于避免电磁辐射并且减小对环境的RFI。因此，结构作为法拉第外壳运作。因此实现了一种“环境绿色的”产品。 

图14详述了从太阳能电池210到转换器垫920和930的规则的电连接。图14是一个太阳能阵列模块202的示意性框图，其中这些串联单元串220的太阳能电池分别通过单一的交互线204和206被电连接至该DC 至DC功率转换器的垫920和930上。 

关于低电压太阳能电池的一个可能的问题是在从串联单元串220到该DC至DC功率转换器250的布线中的欧姆损失。例如，设想一个具有60个太阳能电池210的250瓦特太阳能阵列模块，其中每4个太阳能电池210进行串联电连接而形成太阳能电池210的一个串联单元串220，并且这些串联单元串220是并联式电连接的，以形成具有15个串联单元串220的十字矩阵，其中每个串联单元包括4个太阳能电池（参见例如图14）；在这样的构型中： 

对功率转换器250的输入电压是约2伏特（每个太阳能电池210产生约0.5伏特，并且有4个串联的太阳能电池）。根据功率转换器250的效率，对功率转换器250的总输入电流将是大于125安培。 

太阳能电池210的一个串联单元串220的电流（约8.3安培）乘以15个并联的串联单元串220得到了在从串联单元串220到功率转换器250的电线204和206中的总电流。因此，总电流可以超过125安培这个值。 

例如：该太阳能阵列模块是约0.9米宽。对于具有1mm厚度和10mm宽度的铜线204和206，在一个常规实施方案中，电线中的欧姆损失是约26.5瓦特。对于250瓦特的功率转换器这是10.6%的损失，一个相当不可接受的值。 

如果使用更厚的电线，则欧姆损失降低。例如：对于具有15mm乘10mm截面的电线204和206，损失将为约1.8瓦特。 

这是一个合理的值，然而，更厚的电线204和206是刚性的并且具有大的尺寸、重量和成本，这是一个相当不可接受的值。 

图15详述了根据本发明从太阳能电池到功率转换器垫的电连接。图15是一个太阳能阵列模块1000的示意性框图，其中这些串联单元串220单独地电连接至该DC至DC功率转换器的每个垫920、930上。贯穿本披露，串被定义为多个串联连接的太阳能电池，并且串联单元串220被定义为多个串联电连接的太阳能电池210以及并联电连接至相邻串联单元串220中的对应太阳能电池210上的这些太阳能电池210。在本实例中，每 个串联单元串220包括四个太阳能电池。 

一个太阳能阵列模块包括多个串联单元串220以及一个DC至DC功率转换器250。每个串联单元串220的(+)侧被电连接至功率转换器的(+)垫920上。功率转换器250的(+)垫920被实施为一个宽且大面积的垫，它被安装在功率转换器250的输入端附近，以便减小铜损失。每个串联单元串220的(-)侧被电连接至功率转换器250的(-)垫930上，该垫也被实施为一个宽且大面积的垫、被安装在功率转换器250的输入端附近，以便减小铜损失。 

在以上实例中，该太阳能阵列模块的矩阵阵列1000（例如250瓦特的）包括15个串联单元串220，每个串联单元串中的电流将是约8.3安培。流经每个串联单元串220中的是与每个太阳能电池210可以产生的一样大的最大电流，在我们的实例中是约8.3安培。这是一个较低的电流，从而产生低的铜损失（低于现有技术的太阳能阵列）。大电流仅在功率转换器250的大的(+)和(-)输入垫920和930中流动。到达垫920和930的电流是所有串联单元串220产生的电流之和。在这个实例中，该总和电流可是约125安培。 

在太阳能阵列模块1000中，每个串联单元串220被单独地电连接至功率转换器250的大的(+)和(-)输入垫920和930上。欧姆损失将是约2.3瓦特或是总输出功率250瓦特的0.92%。这样的减小的损失是以创新的布线方案实现的，使用了单独的电线1010，由此减小了布线中的欧姆损失。与具有相同类型的电线的现有技术布线相比，在示例性太阳能阵列模块1000中提出的布线方案导致了欧姆损失的实质性减小： 

*在一个常规的布线方案中：欧姆损失=21.25%。 

*本发明的新颖布线方案中：欧姆损失=0.92%。 

因此，本发明的新颖布线方案显著减小了欧姆损失，而同时允许使用较薄的电线，例如1mm厚度和10mm宽度。 

虽然由此以若干实施方案和实例描述了本发明，但将会了解的是它们可以按许多方式改变。这样的变体不应理解为脱离了本发明的精神和范围，并且考虑到了本领域技术人员所清楚的所有这样的变更。 

Claims (13)

1.一种用于发电的太阳能系统，其特征在于，该系统包括一个或多个太阳能阵列模块，其中所述一个或多个太阳能阵列模块各自包括： 

a.多个太阳能电池， 

其中将预设数目的所述太阳能电池进行串联电连接而形成一个串联单元串，以促使所述串联单元串产生第一输出电压水平； 

其中将预设数目的所述串联单元串进行并联电连接而形成所述太阳能电池的一个阵列，以促使所述太阳能电池的所述阵列产生第一输出功率水平； 

其中在每个所述串联单元串中，所述串联单元串之一的至少一个选定的太阳能电池还并联地电连接至所有其他串联单元串的对应的太阳能电池上，以形成太阳能电池的一个十字矩阵阵列；并且 

其中所述太阳能电池的十字矩阵阵列允许电流绕过故障电池，由此改进该系统的性能；以及 

b.一个高效的DC至DC功率转换器，该功率转换器被电连接至所述太阳能电池的十字矩阵阵列上，所述功率转换器被配置成将所述第一输出电压水平升高至高于所述第一输出电压水平的第二输出电压水平， 

其中所述第一输出电压水平不足以满足预定的工作电压水平要求。 

2.如权利要求1所述的系统，其中，在每个所述串联单元串中，每个太阳能电池还并联地电连接至所有其他串联单元串的对应的太阳能电池上，以形成所述太阳能电池的十字矩阵阵列。 

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述第二输出电压水平基本上足以满足所述预定的工作电压水平要求。 

4.如权利要求1所述的系统，其中，每个所述串联单元串由相同数目的所述串联电连接的太阳能电池组成。 

5.如权利要求1所述的系统，其中所述功率转换器包括多个快速MOSFET晶体管，用于交替地将一个变压器的初级线圈中的相反侧连接到一个DC源上，并且其中所述这些快速MOSFET晶体管的运行工作周期是恒定的并且略小于50%。 

6.如权利要求1所述的系统，其中将预设数目的太阳能阵列模块进行串联电连接而形成一个太阳能阵列模块串，其中所述太阳能阵列模块的阵列产生了第三输出电压水平。 

7.如权利要求6所述的系统，其中，所述第三输出电压水平基本上足以满足所述预定的工作电压水平要求。 

8.如权利要求6所述的系统，其中将预设数目的所述太阳能阵列模块串进行并联电连接而形成一个太阳能阵列模块的阵列，其中所述太阳能阵列模块的阵列产生了第三输出功率水平。 

9.如权利要求8所述的系统，其中，所述第三输出功率水平基本上足以满足预定的工作功率水平要求。 

10.如权利要求1所述的系统，其中所述功率转换器包括： 

a.一个平面变压器，该平面变压器包括： 

i.一个铁磁内芯，其中在所述铁磁内芯的相反末端处形成 了两个窗口开口； 

ii.一个初级线圈； 

ii一个次级线圈； 

iv.输入线圈导线；以及 

v.输出线圈导线； 

b.一个输入印刷电路，其中在所述印刷电路板中形成了多个接收孔，从而有助于直接电连接到所述输入线圈导线上；以及 

c.一个输出印刷电路，其中在所述输出印刷电路中形成了多个接收孔，从而有助于直接电连接至所述输出线圈导线上，其中所述输入印刷电路和所述输出印刷电路对应地布置在所述铁磁内芯的所述窗口开口处，以便由此使从所述初级线圈和所述次级线圈相应地到所述输入印刷电路和所述输出印刷电路的布线长度最小化。 

11.如权利要求1所述的系统，其中，每个所述太阳能阵列模块进一步包括一个次级的、低功率的太阳能电池阵列，用于启动所述DC至DC功率转换器。 

12.如权利要求1所述的系统，其中所述功率转换器包括一个正传导垫和一个负传导垫，并且其中每个所述串联单元串单独地连线到所述正传导垫和所述负传导垫上。 

13.一种用于发电的太阳能系统，其特征在于，该系统包括一个或多个太阳能阵列模块，其中所述一个或多个太阳能阵列模块各自包括： 

a.多个太阳能电池， 

其中将预设数目的所述太阳能电池进行串联电连接而形成一个串联单元串，以促进所述串联单元串产生第一输出电压水平；并且 

其中将预设数目的所述串联单元串进行并联电连接而形成所述太阳能电池的一个阵列，以促进所述太阳能电池的所述阵列产生第一输出功率水平；以及 

b.一个高效的DC至DC功率转换器，该功率转换器被电连接至所述太阳能电池的十字矩阵阵列上，所述功率转换器被配置成将所述第一输出电压水平升高至高于所述第一输出电压水平的第二输出电压水平， 

其中所述第一输出电压水平不足以满足预定的工作电压水平要求；并且 

其中每个所述太阳能阵列模块进一步包括一个次级的、低功率的太阳能电池阵列，用于启动所述DC至DC功率转换器。 

Images