太陽能電池模塊遮蔽補償裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種太陽能電池模塊遮蔽補償裝置，由一輸入端口，一個具隔離的直流-直流電能轉換器及一輸出端口組成。該太陽能電池模塊遮蔽補償裝置的輸入端口連接到一包含有多個串聯太陽能電池模塊的太陽能電池陣列的兩端，其輸出端口連接至該太陽能電池陣列的一個太陽能電池模塊，當該輸出端口連接的該太陽能電池模塊受到遮蔽或部份遮蔽時，具隔離的直流-直流電能轉換器輸出一補償電流注入與該輸出端口連接的該太陽能電池模塊，以提升該受到遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模塊的電壓，并提升該太陽能電池陣列的輸出電壓與功率。通過本發明，可達到簡化電路與降低制造成本的功效，可有效降低損失，并可有效提升太陽能發電系統的電能轉換效率。
【專利說明】太陽能電池模塊遮蔽補償裝置
【技術領域】
[0001]本發明是一種太陽能電池模塊遮蔽補償裝置，特別是指一種太陽能電池模塊遮蔽補償裝置可對一個太陽能電池陣列中受到遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模塊進行電流補償，以提升整體太陽能電池陣列的輸出電壓與功率。
【背景技術】
[0002]—般住宅地區在使用太陽能電池陣列(solar cell array)時,通常會將太陽能電池陣列裝設在住宅屋頂或最高樓層的地板空間，但裝設地點的附近往往有其它凸出建物，例如水塔、樓梯間、通風口、女兒墻、電梯間等。太陽能電池陣列通常是由多個太陽能電池模塊(solar cell modular)串聯組成，除了在中午時間太陽光可垂直照射地面以外，在早上或下午有很長期間中有特定一個或多個太陽能電池模塊會因為周圍凸出建物的陰影影響而受到遮蔽，無法被陽光完全直接照射，由于各太陽能電池模塊的裝設位置均是已知，因此，會受到遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模塊一般是可事先得知的，形成所謂的太陽能電池陣列中的特定太陽能電池模塊發生遮蔽或部份遮蔽情況。
[0003]在太陽能電池模塊受到遮蔽或部份遮蔽情況下，該太陽能電池模塊所接收到的照度明顯減小許多，造成該太陽能電池模塊的輸出電流會明顯降低，此時，若控制使得太陽能電池陣列的一整體輸出電流大于該被遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模塊的輸出短路電流時，被遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模塊將無法發電，反而轉換成為一負載，使該被遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模塊有過熱而損壞的可能。
[0004]為避免被遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模塊發生損壞，各個太陽能電池模塊在封裝時均會并聯一個或多個反向二極管，當太陽能電池模塊被遮蔽或部份遮蔽時，因二極管順向導通，該被遮蔽的太陽能電池模塊電壓會被箝至趨近于OV電壓，故該被遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模塊將無法提供任何功率，因而降低了整個太陽能電池陣列的輸出電壓與功率，且太陽能電池陣列的輸出最大功率與所對應的輸出電壓的關系曲線(P-V curve)上將會出現多個峰點，因此提高整體太陽能電池陣列其最大功率追蹤控制的困難度。
[0005]請參考圖1所示，是一種用在太陽能電池陣列的均壓電路，用于解決太陽能電池模塊因受到遮蔽或部份遮蔽而導致電壓不均的問題。該均壓電路連接至每一個太陽能電池模塊，該均壓電路可以有效使每一個太陽能電池模塊的電壓均等，因此當特定太陽能電池模塊受到遮蔽或部份遮蔽時，被遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模塊其電壓仍可維持不變，使該被遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模塊仍能輸出電能，可有效提升太陽能電池陣列的輸出功率。
[0006]若整個太陽能電池陣列包含有η個太陽能電池模塊時，該均壓電路必需含有一電感器、η個電容器、(η+1)Χ2個二極管與ηΧ2個電力電子開關。以圖1所示的均壓電路作為范例說明，該太陽能電池陣列包含有四塊太陽能電池模塊PV1-PV4，則該均壓電路包含有一電感器L、四個電容器C1-C4、十個二極管Dl-DlO與八個電力電子開關S1-S8。當該太陽能電池陣列的太陽能電池模塊個數增加時，該均壓電路所需的電容器、電力電子開關、二極管等元件隨之增加，導致整體元件繁多，故有增加成本與實際應用上接線困難的缺點，而另一缺點是當部分太陽能電池模塊被遮蔽或部份遮蔽時，該均壓電路中會有數個電力電子開關S1-S8必須作高頻切換，造成效率降低且控制復雜。
[0007]請參考圖2A所示，為另一種解決遮蔽或部份遮蔽問題的現有作法，在此以一串四塊太陽能電池模塊PV1-PV4為例，每塊太陽能電池模塊PV1-PV4的輸出端點皆連接一微型直流一直流電能轉換裝置41，再將四個微型直流一直流電能轉換裝置41的輸出端點串聯連接，串聯后再輸入一電能轉換器42，利用該微型直流一直流電能轉換裝置41可控制每一個太陽能電池模塊PV1-PV4的輸出電壓，使被遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模塊PV1-PV4仍能輸出部分電能，以有效提升太陽能電池陣列的總輸出功率。
[0008]上述各個微型直流一直流電能轉換裝置41的電路架構如圖2B所示，每一個微型直流-直流電能轉換裝置41需要用到兩個電容器C1-C2、五個電力電子開關S1-S5、一個電感器L與一個二極管Dl等。若太陽能電池陣列有η個太陽能電池模塊時，此架構需要η個微型直流-直流電能轉換裝置41，因此具有元件繁多，故有成本較高與實際應用上接線困難的缺點，且不論太陽能電池模塊是否遭受到遮蔽或部份遮蔽皆需經過該微型直流-直流電能轉換裝置41進行電能轉換，造成效率降低且控制復雜。
【發明內容】
[0009]為至少解決上述問題之一，本發明提供一種太陽能電池模塊遮蔽補償裝置，其主要目的是希望以相對簡單的電路架構、控制方式與低設置成本的方式，針對一太陽能電池陣列中特定會被遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模塊提供補償，以有效提高太陽能電池陣列的輸出電壓與電能。
[0010]解決上述技術問題的所采用的技術方案是提供一種太陽能電池模塊遮蔽補償裝置，由一輸入端口，一具隔離的直流-直流電能轉換器及一輸出端口組成。該太陽能電池模塊遮蔽補償裝置的輸入端口連接至一有多個串聯的太陽能電池模塊的太陽能電池陣列的兩端，其輸出端口連接至該太陽能電池陣列的一個太陽能電池模塊，當該太陽能電池模塊遮蔽補償裝置所連接的太陽能電池模塊受到遮蔽或部份遮蔽時，該太陽能電池模塊遮蔽補償裝置可從整個太陽能電池陣列抽取部份電能，經轉換后將電能補償至被遮蔽或部份遮蔽的該太陽能電池模塊，以提升該太陽能電池模塊的電壓，并使受到遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模塊可持續輸出電能，進而提升在遮蔽或部份遮蔽情況下整體太陽能電池陣列的輸出電壓與功率。
[0011]其中，所述補償電流為所述太陽能電池陣列中未受到遮蔽的太陽能電池模塊的最大功率點輸出電流與所述受到遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模塊其輸出電流的差值。
[0012]其中，所述具隔離的直流-直流電能轉換器為一反馳式直流-直流電能轉換器。
[0013]其中，所述具隔離的直流-直流電能轉換器為一順向式直流-直流電能轉換器。
[0014]其中，當所述輸出端口連接的所述太陽能電池模塊沒有受到遮蔽或部份遮蔽時，所述具隔離的直流-直流電能轉換器不動作。
[0015]整體而言，本發明至少具備以下優點及功效:
[0016]1.本發明中的太陽能電池模塊遮蔽補償裝置僅需連接至會受到遮蔽或部份遮蔽影響的太陽能電池模塊即可，而非整個太陽能電池陣列中的每一個太陽能電池模塊，即能提高整體太陽能發電系統輸出電壓與電能，因此本發明的太陽能電池模塊遮蔽補償裝置使用元件較少，成本較低，接線較簡單，可達到簡化電路與降低制造成本的功效。
[0017]2.現有的太陽能電池陣列的遮蔽或部份遮蔽解決方式必須處理全部太陽能電池陣列的功率，而本發明太陽能電池模塊遮蔽補償裝置僅需連接至會受到遮蔽或部份遮蔽影響的太陽能電池模塊，在部份太陽能電池模塊遭受到遮蔽或部份遮蔽時，該太陽能電池模塊遮蔽補償裝置所需處理的功率僅為受到遮蔽或部份遮蔽影響的太陽能電池模塊減小的功率，因此本發明太陽能電池模塊遮蔽補償裝置的損失將可有效降低。
[0018]3.本發明太陽能電池模塊遮蔽補償裝置僅于太陽能電池模塊被遮蔽或部份遮蔽時才運轉，而在太陽能電池模塊未被遮蔽時并未動作，故不影響原本太陽能電池陣列的操作，可有效提升太陽能發電系統的電能轉換效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是以現有均壓電路應用于太陽能電池陣列的電路圖；
[0020]圖2A是以現有微型直流一直流電能轉換器應用于太陽能電池陣列的電路方塊圖；
[0021]圖2B是圖2A當中的微型直流一直流電能轉換器的詳細電路圖；
[0022]圖3是本發明的系統方塊圖；
[0023]圖4是本發明太陽能電池模塊遮蔽補償裝置一較佳實施例的電路圖；
[0024]圖5是本發明太陽能電池模塊遮蔽補償裝置另一較佳實施例的電路圖。
【具體實施方式】
[0025]以下配合圖式及本發明的較佳實施例，進一步闡述本發明為達成預定發明目的所采取的技術手段。
[0026]請參考圖3所示，為本發明太陽能電池模塊遮蔽補償裝置2應用于一太陽能發電系統的較佳實施例的電路方塊圖，該太陽能發電系統包含:一太陽能電池陣列I與一電能轉換器3，該太陽能電池模塊遮蔽補償裝置2包含一輸入端口 20、一具隔離的直流-直流電能轉換器21及一輸出端口 22。
[0027]該太陽能電池陣列I由多個串聯的太陽能電池模塊組成，在此較佳實施例是以四片太陽能電池模塊11-14為例說明，而太陽能電池模塊11-14均為相同型號的太陽能電池模塊，因此每個太陽能電池模塊輸出電壓與輸出功率在相同環境及照度下約略相同，各太陽能電池模塊11-14的輸出電壓加總后成為該太陽能電池陣列I的輸出電壓Vtotal。
[0028]該太陽能電池模塊遮蔽補償裝置2的該輸入端口 20連接至該太陽能電池陣列I的兩端，會遭到遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模塊可為太陽能電池模塊11-14中的任一個，為方便說明假設該太陽能電池陣列I中僅該太陽能電池模塊14可能會遭到遮蔽或部份遮蔽，但其并非用以限制本發明，因此該太陽能電池模塊遮蔽補償裝置2的該輸出端口 22連接至該太陽能電池模塊14兩端。該電能轉換器3可為一直流-直流電能轉換器，其用以控制該太陽能電池陣列I的輸出電壓Vtotal，以實現對該太陽能電池陣列I的最大功率追足示O
[0029]請再參考圖3本發明太陽能電池模塊遮蔽補償裝置應用于太陽能發電系統的較佳實施例，當太陽能電池陣列I未被遮蔽時，該太陽能電池模塊遮蔽補償裝置2并不會運作，因此該太陽能電池模塊遮蔽補補償裝置2不會產生額外損失。當該太陽能電池模塊14遭受到遮蔽或部份遮蔽時，該太陽能電池模塊遮蔽補償裝置2開始運作，當太陽能電池模塊14在被遮蔽或部份遮蔽情況下，該太陽能電池模塊14的最大功率電壓Vmpp會產生些微改變，但其最大功率電流Impp會明顯減少許多，該最大功率電流Impp減少的程度由受到遮蔽的程度決定。
[0030]該太陽能電池模塊遮蔽補償裝置2具有電壓增益為1/n，其中η為該太陽能電池陣列I包含的串聯太陽能電池模塊11-14的數量，在圖3的較佳實施例中包含四片太陽能電池模塊11-14，因此η等于4，以使被遮或部份遮蔽的太陽能電池模塊14的電壓能趨近于與其它未被遮蔽的太陽能電池模塊11、12、13端電壓。加入該太陽能電池模塊遮蔽補償裝置2后，該太陽能電池模塊遮蔽補償裝置2將提供一補償電流ΙωΜ予受到遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模塊14，使該遭受到遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模塊14的電壓仍能操作在接近其最大功率的電壓Vmpp,使該遭受到遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模塊14仍能維持輸出電流而繼續發電。
[0031]藉此避免如下問題:當太陽能電池模塊14被遮蔽或部份遮蔽時，由于該太陽能電池陣列I中未受到遮蔽的太陽能電池模塊的最大功率點輸出電流大于該遭受到遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模塊14的輸出短路電流,而使該太陽能電池模塊14本身內部所并接的二極管導通，造成該遭受到遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模塊14的輸出電壓趨近于O伏特，使該被遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模塊14無法提供任何功率，因而降低了整個太陽能電池陣列I的輸出電壓與功率，并造成輸出最大功率對輸出電壓的關系出現多個峰點，增加該電能轉換器3最大功率追蹤控制的困難度；在本發明中，該太陽能電池模塊遮蔽補償裝置2將從整個太陽能電池陣列I的輸出端點抽取部份電能，進而提供一補償電流ΙωΜ，該補償電流即為該太陽能電池陣列I中未受到遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模塊的最大功率點的輸出電流與遭受遮蔽或部份遮蔽的該太陽能電池模塊14輸出電流的差值。
[0032]該太陽能電池模塊遮蔽補償裝置2只有在該第四片太陽能電池模塊14遭受到遮蔽或部份遮蔽時才會運作，該太陽能電池模塊遮蔽補償裝置2提供的補償功率？。?約為1/4倍的太陽能電池陣列I的總電壓Vtotal乘以該補償電流Icom,即Pcxil=Vtotal/^X Icmm,該補償功率Pot由太陽能電池模塊14被遮蔽程度而定，但補償功率Pot小于或等于該太陽能電池陣列I輸出功率的1/4，因此該太陽能電池模塊遮蔽補償裝置2的容量很小，現有的太陽能電池陣列的遮蔽或部份遮蔽解決方式則必須處理全部太陽能電池陣列I的功率，因此本發明太陽能電池模塊遮蔽補償裝置2的功率損失將可有效降低。且當太陽能電池陣列I未被遮蔽時，該太陽能電池模塊遮蔽補償裝置2并不會運作，故當太陽能電池陣列I未被遮蔽時不會降低太陽能發電系統的發電效率，因此本發明優于圖2Α及圖2Β所示的現有作法；本發明的太陽能電池模塊遮蔽補償裝置2只有連接至有遮蔽或部份遮蔽困擾的太陽能電池模塊14，而非連接所有的太陽能電池模塊11-14，因此相較于現有的方式，本發明可達到有效簡化電路，降低制造成本，減少控制復雜度，接線較簡單，提升系統可靠度等眾多優點。
[0033]當該太陽能電池陣列I中多個太陽能電池模塊可能遭到遮蔽或部份遮蔽，可使用多個太陽能電池模塊遮蔽補償裝置2，每一個可能遭到遮蔽的太陽能電池模塊可連接一個太陽能電池模塊遮蔽補償裝置2，每一個太陽能電池模塊遮蔽補償裝置2的輸入端口 21連接至該太陽能電池陣列I的兩端，而每一個太陽能電池模塊遮蔽補償裝置2的輸出端口 22則各別連接至每一個可能遭到遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模塊兩端。
[0034]圖4所示該太陽能電池模塊遮蔽補償裝置2的該具隔離的直流-直流電能轉換器21可由一反馳式直流-直流電能轉換器21A組成；請參考圖4，該具隔離的直流-直流電能轉換器2IA包含一輸入電容器2111、一變壓器2112、一電力電子開關2113、一二極管2114與一輸出電容器2115，該具隔離的直流-直流電能轉換器21的該輸入電容器2111連接至該輸入端口 20，該具隔離的直流-直流電能轉換器21的該輸出電容器2115連接至該輸出端口 22。
[0035]圖5所示該太陽能電池模塊遮蔽補償裝置2的該具隔離的直流-直流電能轉換器21可由一順向式直流-直流電能轉換器21B組成，該具隔離的直流-直流電能轉換器21包含有一輸入電容器2121、一變壓器2122、一電力電子開關2123、一二極管2124、一二極體2125、一電感器2126與一輸出電容器2127，該具隔離的直流-直流電能轉換器21的該輸入電容器2121連接至該輸入端口 20，該具隔離的直流-直流電能轉換器21的該輸出電容器2127連接至該輸出端口 22。
[0036]以上所述僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明做任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案的范圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發明技術方案的范圍內。
【權利要求】
1.一種太陽能電池模塊遮蔽補償裝置，應用于一包含有多個串聯太陽能電池模塊的太陽能電池陣列，其特征在于，所述太陽能電池模塊遮蔽補償裝置包含: 一輸入端口，供連接至所述太陽能電池陣列的兩端； 一輸出端口，供連接至所述太陽能電池陣列的一個太陽能電池模塊； 一個具隔離的直流-直流電能轉換器，當所述輸出端口連接的所述太陽能電池模塊受到遮蔽或部份遮蔽時，所述具隔離的直流-直流電能轉換器輸出一補償電流予所述輸出端口連接的所述受到遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模塊。
2.如權利要求1所述的太陽能電池模塊遮蔽補償裝置，其特征在于，所述補償電流為所述太陽能電池陣列中未受到遮蔽的太陽能電池模塊的最大功率點輸出電流與所述受到遮蔽或部份遮蔽的太陽能電池模塊輸出電流的差值。
3.如權利要求1或2所述的太陽能電池模塊遮蔽補償裝置，其特征在于，所述具隔離的直流-直流電能轉換器為一反馳式直流-直流電能轉換器。
4.如權利要求1或2所述的太陽能電池模塊遮蔽補償裝置，其特征在于，所述具隔離的直流-直流電能轉換器為一順向式直流-直流電能轉換器。
5.如權利要求1所述的太陽能電池模塊遮蔽補償裝置，其特征在于，當所述輸出端口連接的所述太陽能電池模塊沒有受到遮蔽或部份遮蔽時，所述具隔離的直流-直流電能轉換器不動作。
【文檔編號】H01L31/18GK104425646SQ201310390504
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月29日 優先權日:2013年8月29日
【發明者】馮雅聰, 沈家民, 侯文杰 申請人:盈正豫順電子股份有限公司