太陽能電池組件和發電裝置的製作方法
2023-05-10 06:08:56
專利名稱：太陽能電池組件和發電裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種太陽能電池組件和一種發電裝置，更具體地，涉及一種包括太陽能電池和電子功率變流器的太陽能電池組件以及一種利用所述太陽能電池組件的發電裝置。
背景技術：
近年來廣泛應用的光電式發電系統包括關聯型系統和向負載供電的獨立型系統，關聯型系統提供一種工業用的交流電力系統，此交流電是通過變流器對太陽能電池產生的功率進行DC/AC轉換而得到的。
用於輸出交流電的AC組件近年來已投入實際應用，它集成有太陽能電池和變換器電路。作為AC組件的一種配置，日本專利申請特開平10-14111提出一種能通過順序重複級聯而增加並聯AC組件數量的AC組件。
在日本專利申請特開平10-14111中公布的AC組件通過級聯而使得多個AC組件的並聯簡單易行。另一方面，聯接數量不經濟的增多導致AC組件的連接器或電流通路中的電流超過額定電流。進而，如果在假定日照變得極其強烈的情況下AC組件的連接器或電流通路中的額定電流增加，那麼AC組件的成本就會增加。
發明內容
本發明已提出解決上述每個或所有的問題，並且本發明目的在於防止太陽能電池組件中的過電流。
根據本發明，通過設置後述太陽能電池器件而實現前述目的，此太陽能電池器件包括太陽能電池；為轉換太陽能電池所輸出的電功率而設置的功率轉換器；為從所述器件外部輸入電功率而設置的輸入連接器；為集流所述輸入連接器輸入的電功率和所述功率轉換器輸出的電功率、並輸出所集流的電功率到所述器件外部而設置的輸出連接器；為檢測所述輸出連接器的電流值而設置的檢測器；以及當所述檢測器所檢測到的電流值超過預定值時為控制所述功率轉換器的輸出而設置的控制器。
從以下結合附圖的描述中，本發明的其它特徵和好處是顯而易見的，在所有附圖中，對於相同或相似的部件分配給相同的參考號。
圖1為解釋使用多個AC組件的光電式發電裝置的結構的方框圖；圖2為光電式發電裝置的外部視圖；圖3為示出根據第一實施例的AC組件的結構的方框圖；圖4為AC組件的外部視圖；圖5為示出變換器單元的結構的方框圖；圖6示出在日照改變的情況下在根據第一實施例的光電式發電裝置中，以相同相聯接的AC組件所集流的電流值以及每個AC組件的操作狀態；圖7為示出根據第二實施例的AC組件的結構的方框圖；圖8示出在日照改變的情況下在根據第二實施例的光電式發電裝置中，以相同相聯接的AC組件所集流的電流值以及每個AC組件的操作狀態；圖9為示出聯接到單相三線系統線路的AC組件的結構的方框圖；圖10為示出聯接到單相三線系統線路的AC組件的結構的方框圖；圖11為示出光電式發電裝置的結構的方框圖，在此裝置中，如圖9和10所示的AC組件交替聯接。
圖12為示出光電式發電裝置的結構的方框圖，此裝置使用採納單相三線輸出系統的AC組件；以及圖13示出在AC組件的功率變換單元中設置指示器的實例。
配電線包括兩根輸電線U和V以及一根中性線O。U相和V相分別為AC 100V，並且這些配電線構成200V的單相三線輸電線路。因此，每個AC組件1具有100V的單相輸出。如圖1和2所示，用AC組件1的輸出連接器聯接輸入連接器，使並聯AC組件的數量增多。圖1和圖2示出U相和V相各聯接五個AC組件1的實例(總共10個AC組件1)。
包括開關和系統異常檢測器的關聯型系統保護器31設置在AC組件1和工業用電力系統(以下簡稱系統)之間。當關聯型系統保護器31檢測到該系統電壓升高、頻率異常或斷電等時，它切斷開關，以使光電式發電裝置與該系統斷開。
由10個AC組件1產生的100V單相電輸送到U相和V相，並送到200V單相三線系統。假設AC組件象圖2所示那樣聯接，那麼如果AC組件1與關聯型系統端靠得越近，在AC組件1的輸出連接器中的電流就越大。[AC組件的主要結構部件]圖3為示出AC組件1結構的方框圖；圖4為AC組件1的外部視圖。-太陽能電池單元如圖4所示，太陽能電池單元2佔據AC組件1的大部分。優選用作太陽能電池單元2的是在其光電子傳感器中使用非晶矽、或多晶矽或晶狀矽的單元。從太陽能電池單元2的電極(未示出)輸出直流電。注當日照為1kW/m2時，第一實施例中太陽能電池單元2的額定輸出為額定電壓25V；額定電流4A；以及額定功率100W。-功率變換單元功率轉換單元21包括變換器單元3、過電流檢測器27以及電流通路7、8和9。功率變換單元21把太陽能電池單元2輸送的直流電轉換成50/60Hz和100V的交流電。被轉換的交流電與從輸入連接器5輸入的交流電一起集流，然後輸出到輸出連接器6。注在第一實施例中，功率變流單元21的轉換效率為90％，並且在太陽能電池單元2輸入100W額定功率的情況下，功率轉換單元21輸出100V、0.9A和90W的交流電。-變換器單元圖5為示出變換器單元3結構的方框圖。
變換器單元3包括DC輸入端18、輸入噪聲過濾器10、升壓電路12、變換器電路13、聯合反應器14、控制電路17、輸出噪聲過濾器16、AC輸出端19、以及信號輸入端20。輸入到DC輸入端18的大約25V的DC電壓被含升壓斷路器的升壓電路12轉換成160V的DC電壓。在此階段，控制電路17基於DC電流22和DC電壓23執行眾所周知的最優工況點跟蹤控制。
變換器電路13包括多個橋接的開關元件。包含微處理器等的控制電路17按以下方式產生PWM開關控制信號，此信號輸送到變換器電路13。
控制電路17比較輸入到變換器電路13的鏈電壓24和電壓命令值Vref，並產生輸入誤差信號。同時，帶通濾波器從AC電壓28分離出關聯型系統端電壓的基頻成份。然後，使輸入誤差信號乘以分離出的基頻成份，產生指示控制參考值的電流命令值信號。計算電流命令值信號和AC電流值15，產生電流誤差信號。
用作控制電路17一部分的門控制電路比較電流誤差信號和大約20kHz的參考三角形波信號，產生PWM開關控制信號，此信號輸送到變換器電路13。注意當中止信號從信號輸入端20輸入到控制電路17時，PWM開關控制信號不輸出到變換器電路13。
通過前述反饋控制，變換器單元3輸出功率因數為1的交流電，並且具有與系統相同的相位。注可以使用許多其它已知的構造變換器單元3的方法和其它PWM控制方法。-過電流檢測器過電流檢測器27包括電流檢測器4、參考電流設定電路25以及比較器26等。
串聯到電流通路用於測量電流通路兩端電壓的分流電阻、或者使用能檢測電流並同時與電流通路絕緣的線圈或霍爾元件的電流傳感器，均可用作電流檢測器4。在第一實施例中，利用霍爾元件的電流傳感器用作電流檢測器4，用於檢測電流通路9中的電流。
參考電流設定電路25設定將要與電流檢測器4所檢測到的電流值相比較的參考值。參考電流設定電路25可配置成輸出固定電壓，或者配置可變電阻等以使參考值可以調整。
注在以下描述中，把輸出連接器6和電流通路的額定值設定為參考值。然而，此參考值可設成小於額定值以便留出一點安全餘量。
比較器26比較電流檢測器4的輸出和參考電流設定電路25的設定值。當電流檢測器4的輸出大於設定值時，比較器26發送變換器中止信號給變換器單元3的信號輸入端20。-輸入和輸出連接器AC組件1的輸入連接器5和輸出連接器6用成對設置的可聯接的插頭和插座構造。如圖1所示，聯接在級聯端部的AC組件1的輸入連接器5不作聯接。因此，不允許與帶電部位容易接觸的插座用於輸入連接器5，而插頭用於輸出連接器6。[AC組件的操作]以下描述具有上述結構的AC組件1的操作。
由太陽能電池單元2產生的直流電被變換器單元3轉換成交流電，通過電流通路8傳輸，而且，與其它AC組件1產生並且從輸入連接器5輸入的電流集流在一起，然後通過電流通路9傳輸，並輸出到輸出連接器6。
相應地，AC組件1的最大額定電流值由允許從電流通路9通過到達輸出連接器6的電流值決定。在第一實施例中，基於電流通路9的最大電流值，AC組件1的最大額定電流值為4.5A。參考電流設定電路25的參考值設定為4.5A，以便使比較器26在電流檢測器4所檢測到的電流值超過4.5A的情況下發出變換器中止信號。
圖6示出在日照改變的情況下在圖1所示光電式發電裝置中，以相同相聯接的AC組件所集流的電流值以及每個AC組件的操作狀態。注最靠近關聯型系統端的AC組件分配的參考號為1a，而最遠離關聯型系統端的AC組件分配的參考號為1e。
如圖6所示，每個AC組件1所集流的電流值(即電流通路9中的電流值)隨著日照增加而增大。當日照在時間t超過1.0kW/m2時，每個AC組件1的輸出超過0.9A並且總輸出超過4.5A。
在時間t，AC組件1a的電流檢測器4傳送大於4.5A的檢測值給比較器26。由於參考電流設定電路25的參考值設定為4.5A，因此，比較器26輸出變換器中止信號。接收變我器中止信號的控制電路17停止提供給變換器電路13的PWM控制信號。變換器電路13被門阻斷。
同時，當日照為1.0kW/m2時，AC組件1b-1e集流的電流值分別為0.9A、1.8A、2.7A和3.6A；因而，變換器電路13的操作繼續進行。換而言之，在時間t以前，從五個AC組件1集流的功率輸送給系統。在時間t以後，從四個AC組件1集流的功率輸送給系統。
如上所述，在根據第一實施例的AC組件1中，有可能防止電流通路9和輸出連接器6中的過電流。與其中關聯型系統保護器31檢測過電流並切斷開關的配置不同地是，即使在日照驟增的情況下，除了最靠近關聯型系統端的AC組件1以外，其它AC組件1還可以繼續進行它們的操作，因為AC組件1的功率轉換是從最靠近關聯型系統端的AC組件1開始順序中止的。第二實施例以下描述根據本發明第二實施例的光電式發電裝置。注在第二實施例中，與第一實施例相同的配置分配相同的參考號並省略其詳細描述。
在第一實施例中，當電流檢測器4的檢測值超過設定值時，AC組件1的輸出被中止。而相反，根據第二實施例，AC組件1的輸出降低，以便電流檢測器4的檢測值不超過設定值。
圖7為示出根據第二實施例的AC組件1的結構的方框圖。設置減法器54以取代圖3中AC組件1結構中所示的比較器26。
減法器54從電流檢測器4的輸出值減去參考電流設定電路25的設定值。當所得到的結果是正值時，輸出所得到的值；但當此結果為負值時，輸出零作為輸出降低信號。
控制電路17計算前述電流命令值信號、AC電流值15以及從減法器54通過信號輸入端20輸入的輸出降低信號，產生電流誤差信號。如上所述，接收電流誤差信號的門控制電路比較電流誤差信號和大約20kHz的參考三角形波信號，並產生將要提供給變換器電路13的PWM開關控制信號。
假如第二實施例中AC組件1的最大額定電流與第一實施例中的一樣，為4.5A，那麼參考電流設定電路25的設定值就為4.5A。當電流檢測器4的檢測值超過4.5A時，減法器54把輸出降低信號輸出給控制電路17。控制電路17通過把電流命令值信號降低到例如為輸出降低信號的水平而產生電流誤差信號，由此降低變換器電路13的輸出電流。
圖8示出在日照改變的情況下在圖1所示光電式發電裝置中，以相同相聯接的AC組件1所集流的電流值以及每個AC組件1的操作狀態。注最靠近關聯型系統端的AC組件分配的參考號為1a，而最遠離關聯型系統端的AC組件分配的參考號為1e。
如圖8所示，每個AC組件1所集流的電流值(即電流通路9中的電流值)隨著日照增加而增大。當日照在時間t超過1.0kW/m2時，每個AC組件1的輸出超過0.9A並且總輸出超過4.5A。
在時間t，AC組件1a的電流檢測器4傳送大於4.5A的檢測值給比較器26。由於參考電流設定電路25的參考值設定為4.5A，因此，比較器26輸出一輸出降低信號。接收輸出降低信號的控制電路17限制變換器電路13的輸出功率，由此把AC組件1a的操作改變為輸出控制操作。
同時，當日照為1.0kW/m2時，AC組件1b-1e集流的電流值分別為0.9A、1.8A、2.7A和3.6A，繼續它們的正常操作。因此，在時間t以前，從五個為正常操作狀態的AC組件1集流的電流輸送給系統。在時間t以後，從四個為正常操作狀態的AC組件1和一個處於輸出控制狀態的AC組件1集流的電流輸送給系統。
如上所述，在根據第二實施例的AC組件1中，有可能防止電流通路9和輸出連接器6中的過電流。即使在日照驟增的情況下，最靠近關聯型系統端的AC組件1的輸出功率被限制，但其它AC組件1還可以繼續進行它們的操作。這樣，第二實施例可以比第一實施例中的光電式發電裝置更有效地利用太陽能電池單元2產生的功率。第三實施例以下描述根據本發明第三實施例的光電式發電裝置。注在第三實施例中，與第一實施例相同的配置分配相同的參考號並省略其詳細描述。
第一和第二實施例採用聯接到單相雙線系統線路的AC組件1。第三實施例採用聯接到單相三線系統線路的AC組件1。
圖9為示出聯接到單相三線系統線路的AC組件1的結構的方框圖。儘管圖9示出向U相線路供電的結構，但也可向圖10所示的V相線路供電。
與圖3和圖7中所示的AC組件1不同，根據第三實施例的AC組件1的輸入連接器51和輸出連接器61是三極連接器。電流檢測器4布置在集流通路91中電流被集流的一相，即聯接有變換器單元3的那相。
圖11為示出光電式發電裝置的結構的方框圖，在此裝置中圖9和10所示的AC組件1交替聯接。圖9所示的五個AC組件1聯接到U相，圖10所示的五個AC組件1聯接到V相。
圖11所示的結構也可防止集流通路91和輸出連接器61中的過電流。對第一至第三實施例的修改上述每個實施例不僅可用於系統關聯型光電式發電裝置，也可用於向與系統無關的負載提供交流電的光電式發電裝置。
而且，上述每個實施例不但使用集成有太陽能電池單元2和變換器單元3的AC組件；而且使用具有後述太陽能電池單元2的DC組件，在此單元2中集成DC-DC轉換器單元以取代變換器單元3。
換句話說，每個實施例的基本原理是檢測集流的電流值且當檢測值超過設定值時停止功率輸出。因此，本領域中技術人員容易理解，可對不涉及實施例本質的元件作許多改變。
進一步地，在使用其中採納圖12所示單相三線輸出系統的AC組件1的情況下，基於電流檢測器4所檢測到的電流值來控制變換器3的操作，其中電流檢測器4布置在集流通路9的U相和V相，由此與上述每個實施例相似地，防止集流通路9和輸出連接器6中的過電流。第四實施例上述每個實施例可配置指示變換器3的操作中止或操作控制狀態的指示器。
圖13示出在功率轉換單元21中設置指示器的實例。如圖13所示，當變換器3的操作被中止時或當變換器3的輸出被控制時，例如LED等的燈67由控制電路17打開/關閉。或者，當變換器3執行正常操作時燈67打開，而當操作被中止或輸出被控制時燈67關閉或閃爍。
為取代在AC組件1中設置燈67，指示操作中止或輸出控制的信號也可由AC組件1輸出，並且在例如與每個AC組件1相對應的關聯型系統保護器31中設置的燈也可以開/關或閃爍。
在任何情況下，藉助此種指示器，光電式發電裝置的操作者都能知道變換器3因過電流而引起的操作中止或輸出控制狀態。當變換器3頻繁發生操作中止或輸出控制狀態時，操作者就可採取適當措施例如，減少級聯AC組件1的數量。
根據上述每個實施例可達到以下效果。
(1)根據第一實施例，當集流通路中的電流值超過設定值時，AC組件1的輸出中止。相應地，與其中關聯型系統保護器31檢測過電流並切斷開關的配置相對照，最靠近關聯型系統端的AC組件1被中止而其它AC組件1還可繼續它們的操作。
(2)根據第二實施例，當集流通路中的電流值超過設定值時，AC組件1的輸出降低。相應地，與其中關聯型系統保護器31檢測過電流並切斷開關的配置相對照，最靠近關聯型系統端的AC組件1的輸出被限制而其它AC組件1還可繼續它們的操作。
(3)由於上述每個實施例都可防止集流通路或連接器中的過電流，即使在級聯的AC組件1數量不經濟增多的情況下，也有可能事先防止問題的發生。
(4)由於集流通路或連接器中的過電流得以防止，即使日照變得極其強烈，對於AC組件1的集流通路或連接器也不再需要大的額定電流。相應地，AC組件1的成本可降低。
(5)根據第四實施例，可以顯示變換器3因過電流而引起的操作中止或輸出控制狀態。因此，光電式發電裝置的操作者可判斷過電流的發生並能採取適當的措施，如改變AC組件的聯接。
由於只要不偏離本發明的精神和範圍就可對本發明製作許多明顯不同的實施例，因此可以理解，除了後附權利要求，本發明並不局限於這些具體的實施例。
權利要求
1.一種太陽能電池器件，其中包括太陽能電池；為轉換太陽能電池所輸出的電功率而設置的功率轉換器；為從所述器件外部輸入電功率而設置的輸入連接器；為集流所述輸入連接器輸入的電功率和所述功率轉換器輸出的電功率、並輸出所集流的電功率到所述器件外部而設置的輸出連接器；為檢測所述輸出連接器的電流值而設置的檢測器；以及當所述檢測器所檢測到的電流值超過預定值時為控制所述功率轉換器的輸出而設置的控制器。
2.如權利要求1所述的器件，其中，在所述檢測器所檢測到的電流值超過預定值的情況下，所述控制器中止所述功率轉換器的輸出。
3.如權利要求1所述的器件，其中，在所述檢測器所檢測到的電流值超過預定值的情況下，所述控制器降低所述功率轉換器的輸出功率。
4.如權利要求1所述的器件，其中，所述輸入和輸出連接器是可互相聯接的插頭和插座，其中插頭用於所述輸入連接器，插座用於所述輸出連接器。
5.如權利要求1所述的器件，其中，進一步包括為指示所述功率轉換器輸出的控制狀態而設置的指示器。
6.如權利要求1所述的器件，其中，所述功率轉換器是用於把所述太陽能電池輸出的直流電轉換成交流電的變換器。
7.如權利要求1所述的器件，其中，所述功率轉換器是用於把所述太陽能電池輸出的直流電轉換成直流電的DC-DC變換器。
8.一種包括如權利要求1所述的太陽能電池器件的發電機，其中，太陽能電池器件是級聯的。
9.一種包括多個如權利要求1所述的太陽能電池器件的發電機，其中，對於採用單相三線系統的每一相功率通路，所述太陽能電池器件是級聯的。
全文摘要
集成有太陽能電池和變換器的AC組件可通過級聯而方便地與其它多個AC組件並聯。然而,當所聯接的AC組件的數量不經濟地增多時,在AC組件的電流通路或連接器中的電流超過額定電流。因此,電流檢測器檢測AC組件的集流通路中的電流,而當所檢測到的電流值超過在參考電流設定電路中設定的值時,電流檢測器中止變換器的操作。
文檔編號H02N6/00GK1347181SQ01135339
公開日2002年5月1日 申請日期2001年9月29日 優先權日2000年9月29日
發明者近藤博志, 竹原信善, 黑神誠路 申請人:佳能株式會社