專利名稱：太陽能模組的旁路保護電路以及控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及太陽能技術領域，尤其是涉及一種太陽能模組的旁路和保護電路以及一種控制被旁路元件所旁路的太陽能模組的方法。
背景技術：
在太陽能模組的運行中存在多種不同的狀態(tài)，其中太陽能模組不在其最優(yōu)工作點上運行，或者因為內(nèi)部或外部的因素導致太陽能模組損壞。另外，還存在太陽能模組會危害環(huán)境的情況。在太陽能電池串聯(lián)連接情況下，在非均勻性照射/部分遮擋的情況下，或甚至在太陽能電池具有不同特性的情況下，尤其是短路電流出現(xiàn)的情況下，問題在于，一方面，出現(xiàn)問題電池決定了整個電路的電流，另一方面，所述電池上的電壓是反向的，即這些電池變?yōu)樨撦d，而且在最壞的情況下，這些電池會損壞。不考慮所述反向電壓的實際形成原因，術語“遮蔽”或者“遮蔽情況”會在下文中得到應用。一種已知的用于電池避免損壞的措施包括使用所謂的旁路二極管，所示二極管通常在一個與16到M個(舉例來說)晶硅太陽能電池的子組并聯(lián)連接的太陽能模組內(nèi)開關。在正常運行中，所示旁路二極管是反向偏置的。在部分遮蔽的情況下，所示旁路二極管是正向偏置的并接管了未被遮蔽的太陽能電池所產(chǎn)生的相電流。在這種情況里，太陽能發(fā)電機中出現(xiàn)問題的電池上的工作點電壓從正常的大約+8V到+12V(假設16到M個電池的MMP電壓)降低到旁路二極管的正向電壓，即大約-0. 4V 到-0. 6V。流經(jīng)旁路二極管的最大電流依賴于電池技術和電池大小，采用具有156mm χ156mm表面積的硅光電池時，高達8. 5A的最大電流在現(xiàn)在也是可能并常見的。因為采用了較大的電池表面積和較高的效率因數(shù)，甚至在超過IOA的范圍之內(nèi)的電流強度在可見的未來都是可以期待的。使用的旁路二極管通常為商業(yè)上的硅pn 二極管，但也可以是肖特基二極管，較新的發(fā)展是采用MOFET作為主動旁路元件。在正常運行中，S卩，沒有任何陰影的遮蔽，旁路電容幾乎沒有導致?lián)p耗，這是因為它們是反向偏壓的，而且還因為幾乎沒有方向電流流經(jīng)它們。然而，在遮蔽的情況下，由串聯(lián)連接而且沒有受到遮蔽的模組產(chǎn)生的所有電流可流經(jīng)旁路二極管。根據(jù)它們的正向電壓和流經(jīng)的電流，每個二極管可能會產(chǎn)生數(shù)個瓦特的功率損耗，在遮蔽持續(xù)一段相對來說比較長的時間的情況下，這些功率損耗會在這些元件上產(chǎn)生大量的熱量。發(fā)熱會對周圍的模組組件產(chǎn)生有害的影響，比如對接線盒、導線或者模組結構產(chǎn)生負面影響，而且在最最壞的情況下所示元件或者旁路二極管本身會損壞。專利DE102005036153B4提出了采用有源器件代替二極管，即是采用可在遮蔽產(chǎn)生的情況下激活的低阻抗的M0SFET。通過這種方式，產(chǎn)生的熱量會被減少到20分之一或者更少，因而消除以上所述的過熱問題。使用這種方式，目的在于提供一種與傳統(tǒng)二極管接口兼容的電路或者組件，即同樣具有兩個端子。然而，這導致在遮蔽發(fā)生的情況下，主動旁路元件上只有非常低的電壓可用于驅(qū)動旁路元件，這樣根據(jù)DE102005036153B4的教示，一個額外提供的充電電路是必須的，其與一個孤立的電路相連接以將可用的在毫伏范圍內(nèi)的電壓轉(zhuǎn)換為合適的10到15V內(nèi)的控制電壓。這樣，這種方法需要在電路工程上花費大量的力氣，尤其是在與實現(xiàn)充電電路相關的方面上，例如，以扼流圈或反向換能器的形式或者實施為低壓電荷泵。這令主動旁路和保護電路作為集成電路的實現(xiàn)更為復雜和昂貴。另外，太陽能模組具有只要受到照射就能產(chǎn)生電壓的屬性，這意味著它們是不能被關閉的。這在安裝和維護時就需要特別的預防措施。問題還在于通常太陽能發(fā)電機的高達數(shù)百伏特的高電壓使在屋頂上安裝有太陽能發(fā)電機的房屋容易著火。商業(yè)太陽能模組并不具有被關閉的可能性。以上所述的專利DE102005036153B4建議使用主動旁路元件通過外部控制信號實現(xiàn)想要的模組關閉和/或接開啟。另外一個關閉太陽能發(fā)電機的方法由Aixcon公司所提出并利用系統(tǒng)“ebreak”實現(xiàn)，其在于整個太陽能發(fā)電機在緊急情況下會被單個開關所關閉，比如通過半導體間流管關閉。然而，這并不能解決根本的問題，因為這種方法只是將這些線路切換為一個在單元后臺繼續(xù)運行的無電壓的狀態(tài)，但在屋頂上的模組連接是分開時，高電壓會再次存在。依靠外部信號有針對性的斷開單個太陽能模組連接的常規(guī)上的可能性在專利DE102006060815A1中得到描述，其代表了短路太陽能模組和分開串聯(lián)連接的可能性，但沒有實施的具體細節(jié)。其所建議的、使用串聯(lián)開關的解決方案是非常不便的，因為所述串聯(lián)開關必須在其耐壓能力方面適用于最大系統(tǒng)電壓，舉例來說，高達1000V，因為許多模組使用一個串聯(lián)連接，其并不能保證所有的串聯(lián)開關可以同步打開。因為其相對來說其較高的導通電阻，這樣一種開關是非常昂貴的，而且會一直產(chǎn)生大量的能量損耗，因而會導致以上所述的與發(fā)熱和隨之產(chǎn)生的損壞相關的問題。使用并聯(lián)開關的解決方案也具有以上所述的、提供需要電源電壓是非常昂貴的缺點，而且還具有模組的短路運行會增加由所謂的“熱點”所導致的損壞的可能性的缺點。所述申請人的以上所述的專利DE102005036153B4還涉及通過一個并聯(lián)的開關關閉太陽能模組。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種改進的太陽能模組的旁路和保護電路以及一種改進的控制被旁路元件旁路的太陽能模組的方法。這個目的通過一種在權利要求里要求保護的旁路電路和方法所實現(xiàn)。本發(fā)明的實施方案提供了一種太陽能模組的旁路和保護電路，包括一種太陽能模組的旁路和保護電路，包括用于連接太陽能模組的輸入端；輸出端；與輸出端并聯(lián)連接的旁路元件；以及連接在輸入端和輸出端之間的、配置為控制所述輸入端和輸出端之間連接的隔離元件；所示隔離元件配置為根據(jù)與所示電路相關的太陽能模組是否被完全或部分遮蔽，或根據(jù)與所示電路相關的太陽能模組是否被打開或關閉來控制所述輸入端和輸出端之間的連接。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，在與所述電路相關的太陽能模組被完全或者部分遮蔽時，或者在與所述電路相關的太陽能模組被關閉時，控制信號使輸入端和輸出端之間常閉的連接中斷。類似地，在與所述電路相關的太陽能模組被打開時，所示電路可被設置為導致輸入端和輸出端之間的常開連接導通。根據(jù)所述實施方案，所述電路可耦合到太陽能模組上使隔離元件產(chǎn)生的連接中斷產(chǎn)生太陽能模組的一個開路運行。所示電路可含有一個接收控制信號的控制信號端子，或者所示控制信號可通過電路的輸入端和/或輸出端接收。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，所述電路包括一個連接隔離元件、并設置為生成控制信號的控制器。在這種情況下，所示控制器可具有與電路的輸入端相連接的電源端。所示控制器可被配置為在輸入端和輸出端上出現(xiàn)的功率信號的基礎上，確定與所示旁路和保護電路相連接的太陽能模組是否被部分或者完全遮蔽，并在所示太陽能模組被完全或者部分遮蔽的情況下生成控制信號。在這種情況下，同時可建立通過控制信號驅(qū)動實際上的旁路元件的規(guī)則，如果太陽能模組被認定為被完全或者部分遮蔽，控制器也生成所述控制信號?？刂破骺蛇M一步配置為檢查一旦完全或者部分遮蔽的情況被確定，所述被遮蔽的情況是否會持續(xù)，以便在所述遮蔽的情況不再持續(xù)的的情況下使模組返回正常工作狀態(tài)依照本發(fā)明的一個特征，建立常開連接的控制信號可在外部產(chǎn)生，并提供給所述電路，以便開啟太陽能模組?？蛇x地，中斷常閉連接的控制信號可在一個或者多個來自內(nèi)部和/或外部傳感器的基礎上建立，以關閉所述太陽能模組。隔離元件可包括開關，比如晶體管或者諸如此類，并且旁路元件可包括二極管或者具有并聯(lián)設置的開關的二極管。本發(fā)明的實施方案提供了控制由旁路元件橋接/分路的太陽能模組的方法，所示方法包括確定太陽能模組是否被完全或者部分遮蔽，或者確定太陽能模組的關閉是否是要求的；以及如果太陽能模組被確定為被完全或者部分遮蔽，或者如果其是被關閉的，將太陽能模組運行在開路模式下。太陽能模組可以是一個包括有多個太陽能模組的串聯(lián)連接的一部分，開路模式下的太陽能模組的運行包括將太陽能模組從所述串聯(lián)連接中隔離開。另外，在太陽能模組的端子上的功率信號的基礎上，以及在所述串聯(lián)連接的端子上的功率信號的基礎上，可決定所示太陽能模組是否被部分或者完全遮蔽；另外，可制定檢查，一旦部分或者完全遮蔽的狀態(tài)被確定，所述狀態(tài)是否任然繼續(xù)，的規(guī)定，以在需要的情況下切換回正常運行的狀態(tài)。這樣，本發(fā)明的實施方案提供了太陽能模組所需的一種能力，通過外部或內(nèi)部的控制信號將太陽能模組針對性的關閉或者開啟，基于對不允許的運行狀態(tài)的識別的自主關閉也得以實現(xiàn)。本發(fā)明的實施方案提供了一種太陽能模組的旁路和保護電路，具有至少一個其開關路徑與所示旁路和保護電路的輸出端并聯(lián)連接的電旁路元件，至少一個與所述旁路和保護電路的輸入端和輸出端之間的互連線路中的一條串聯(lián)連接的可控制的電開關元件，所示可控制的電開關元件能夠被一個控制電路所驅(qū)動。依照本發(fā)明的另外一個特征，MOSFET可用于作為開關元件。另外，為控制電路供
6電的電能可來自相關的太陽能模組和/或來自旁路元件上的電壓。另外，可為橋接一個短期的電源電壓提供一個能量緩沖器。對于控制電路，可為電源電壓提供一個DC/DC轉(zhuǎn)換器。依靠一個邏輯電路，旁路和保護電路在“正常”和“遮蔽”的運行狀態(tài)之間有所不同，開關元件有根據(jù)地進行開啟和關閉。另外，開關元件可被一個外部控制信號所激活，以將太陽能模組打開或者關閉。另外一個可控制的開關元件可與旁路元件并聯(lián)連接；所述另外一個可控制的開關元件可以是一個M0SFET。區(qū)別以上所述的運行狀態(tài)的邏輯電路可進一步相應地用于打開或者關閉所有開關元件。同樣地，所述開關可被一個外部控制信號激活以打開或者關閉太陽能模組。以上電路可實施為集成電路的形式。本發(fā)明另外的實施方案提供了一種太陽能模組的旁路和保護電路，具有至少一個與所示旁路和保護電路的輸出端并聯(lián)連接的、并可以引導與此太陽能模組串聯(lián)連接的另外一個太陽能模組或與此太陽能模組串聯(lián)連接的多個太陽能模組所產(chǎn)生的的電流的電旁路元件；一個由控制信號所控制的可控制的電隔離元件位于所示旁路和保護電路的輸入端和輸出端之間的一條或所有互連線路中。根據(jù)本發(fā)明的另外一個特征，可使用晶體管作為隔離元件，而且控制器所需要的供電能量可來自相關的太陽能電池排列和/或來自旁路元件上的電壓。另外，可為控制器的供電提供一個能量緩沖器。類似地，對于控制器，可為其電源電壓提供一個DC/DC轉(zhuǎn)換器。依靠一個邏輯電路，旁路和保護電路在“正?！焙汀罢诒巍钡倪\行狀態(tài)之間有所不同，隔離元件可有根據(jù)地進行開啟和關閉。另外，隔離元件可被一個外部或/和內(nèi)部控制信號所激活，以將太陽能模組打開或者關閉。隔離元件可以是二極管，另外一個可控制的開關元件可與隔離元件并聯(lián)連接也是可能的?？蛇x地，一個開關元件也可作為旁路元件使用，舉例來說，所示開關元件可以是晶體管。在這種情況下，所示兩個開關元件被邏輯電路或者內(nèi)部和/外部的控制信號所驅(qū)動以將模組開啟或者關閉。再一次，以上電路可實施為集成電路的形式。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明，其中圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的旁路和保護電路的系統(tǒng)框圖；圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的旁路和保護電路；圖3顯示了圖2中電路的控制器的系統(tǒng)框圖；圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的旁路和保護電路；圖5顯示了圖4中的電路的控制器的系統(tǒng)框圖；圖6為狀態(tài)圖，其解釋了圖3和圖5中用于確定一個太陽能模組的遮蔽狀態(tài)是否持續(xù)的控制器的運行模式。
具體實施例方式在以下對本發(fā)明的實施例的描述中，相同的或者具有相同行為的元件具有相同的附圖標識。本發(fā)明的實施方案提供了一種旁路和保護電路，其利用有源開關元件的優(yōu)勢減少在遮蔽情況下的發(fā)熱，并可選地針對性地開啟太陽能板塊，但同時在提供內(nèi)部所需的控制電壓上具有明顯減少的必須的花費，將太陽能模組運行在一個開路模式下而不是短路模式，與商業(yè)系統(tǒng)組件相兼容，比如與DC-AC轉(zhuǎn)換器相兼容，以及可在具有低耐壓性的低損耗而且廉價的結構組件上實現(xiàn)。圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的旁路和保護電路100的框圖。旁路和保護電路100包括兩個輸入端102和104，以及兩個輸出端106和108。隔離元件(TE) 100連接在第一輸入端102和第一輸出端106之間。旁路元件(BE) 112連接在第一輸出端106和第二輸出端108之間。根據(jù)本發(fā)明，旁路和保護電路100還可包括控制器(ST) 114，這會在下文中得到詳細描述。另外，旁路和保護電路100可包括一個或者多個內(nèi)部傳感器(1 116，以及一個用于從外部傳感器(ES) 120接收信號的端子118。另外，接口(IF) 122也可包括在內(nèi)。另外，其還具有用于接收外部控制信號的控制端124，所述外部控制信號來自外部控制或者通信線路(導線)126。除了隔離元件110和旁路元件112之外，保護元件(PE) 128連接在第一輸入端102和第二輸入端104之間。太陽能電池排列(SZ) 130可與電路100相連接，太陽能電池排列130的第一端子通過第一導線132連接到線路100的第一輸入端102上，而太陽能電池排列130的第二端子通過第二導線134連接帶到線路100的第二輸入端104上。線路100的第一輸出端106連接到第一端子導體136上，該第一端子導體136導向另外一個太陽能電池排列130 ；這里，再一次，需要如圖1所示的電路100。第二輸出端子108連接到第二端子導體138，該第二端子導體138導向先前的含有保護電路100的太陽能電池排列。在一個可選的線路100的實施中，隔離元件110還可以設置在第二輸入端104和第二輸出端108之間的負連接導體內(nèi)。在如圖1所示的旁路和保護電路100中，通過兩根導線132、134與輸入端102、104相連接的太陽能電池排列130在遮蔽的情況下被串聯(lián)的隔離元件110從輸出端106、108上隔離開來。由與被遮蔽的模組串聯(lián)連接的未被遮蔽的模組施加到外部端子導體136、138上的太陽能發(fā)電機的電流Ise然后經(jīng)與輸出端106、108并聯(lián)布置的旁路元件112繼續(xù)流動。與現(xiàn)有技術不同的是，被遮蔽的模組因此處于開路狀態(tài)，并受到保護，避免因過負荷(熱點)而損壞。這個運行模式在現(xiàn)有的大概16到M個電池的基礎上進一步增加了串聯(lián)連接的并附屬于一個旁路和保護電路100太陽能電池的數(shù)量；因此，總共需要的旁路和保護電路更少，而一旦模組中的串聯(lián)連接的電池中需要的接頭更少，模組生產(chǎn)將得以簡化。在圖1所示的旁路和保護電路100中，從被遮蔽的太陽能電池排列130的輸入電SUe中獲取供給控制器114所需的電壓，而不是象現(xiàn)有技術中的慣常做法一樣從旁路元件112上的低壓上獲取，是非常有利的。在這種情況下，使用的太陽能電池的特性在于在被遮蔽時其可用電流實際上嚴重減少，但負載較低時，空載電壓或者低負載時的電壓與在極端遮蔽的情況下未被遮蔽的太陽能電池的電壓是幾乎一致的。可選的，根據(jù)現(xiàn)有技術，供給控制器114的電壓可來自旁路元件112上的電壓UA，又或者所示電壓可同時來自兩者。與專利DE102006060816A1中的概念相比較，本發(fā)明的旁路電路具有優(yōu)勢，因為存在的最大的、穿過串聯(lián)的隔離元件110的反向電壓為相連的太陽能電池排列130輸出的空載電壓，這就是為什么可以采用低電阻、低損耗和廉價開關元件實施隔離元件110的原因。除了目前所描述的主要功能組，即除了隔離元件110、旁路元件112和控制器114，旁路和保護電路100還包括可選的、如圖1中的虛線所示的部件。輸入端102、104可由保護電路1 保護，免受反向電壓或者過壓的損壞?？刂破?14還與內(nèi)部或者外部傳感器116和/或120相連接，即用于感應電路本身或者太陽能電池排列或者環(huán)境的溫度。通過接口 122，電路和光伏裝置的另外組件之間的單向或者雙向通信得以存在。這類通信可通過采用經(jīng)過導體136、138的電力線通信(PLC)，或者額外的通信線路126實現(xiàn)。所示電路還包括用于，比如保護電路的各個結構組件免受過壓損壞，的組件；然而，出于更清楚地說明本發(fā)明的目的，于此它們并沒有得到詳述。圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的旁路和保護電路。在圖2所示的實施例中，隔離元件110實施為由開關S1和二極管込組成的并聯(lián)連接。所示旁路元件同樣也可實施為由開關&和二極管D2組成的并聯(lián)連接。保護元件1 實施為二極管Dtl的形式。控制器114在輸入端接收電壓Ueo另外，控制器114還接收通過通信線路1 和控制端IM提供給電路100的控制信號ST，以及輸出電壓Uao控制器114提供相應的信號驅(qū)動開關S1和&。在圖2所示的電路100中，供給控制器114以及驅(qū)動主動開關元件&和&所需的電壓不再來自旁路元件112上的低壓UA，而是來自切斷的太陽能模組130的輸入電壓UE。如先前所描述的，在這種情況下，使用的太陽能電池的特性在于在被遮蔽時其可用電流實際上嚴重減少，但負載較低時，空載電壓或者低負載時的電壓與在極端遮蔽的情況下未被遮蔽的太陽能電池的電壓是幾乎一致的。這樣，在電路100中，在遮蔽的情況下，通過開關&涉及的子發(fā)電機(SM) 130被從所述模組的串聯(lián)連接中隔離開，因此除了控制器114所帶來的最小內(nèi)部功耗外，其可運行在開路狀態(tài)下。由與被遮蔽的太陽能模組串聯(lián)連接的未被遮蔽的太陽能模組施加的太陽能發(fā)動機的電流Ise經(jīng)二極管A繼續(xù)流動，其中二極管A可基本上作為一個傳統(tǒng)的旁路二極管。同時，被遮蔽的太陽能模組幾乎運行在開路狀態(tài)下，并因此受到保護，避免損壞(熱點)。對于具有低電流的太陽能模組，二極管D2中產(chǎn)生的熱量在其正向電壓的上可以容忍的。在相對于較高的電流強度下，然而，以上所述的關于過熱的問題可能會存在。這個問題可以通過將一個低阻開關&并聯(lián)到二極管&上而得到解決。在出現(xiàn)部分遮蔽的情況下，所述電阻開關&根據(jù)一個在下文中會通過例子解釋的策略導通并接管太陽能發(fā)電機的電流Ist；。根據(jù)開關&的正向電阻，只有少量的發(fā)熱現(xiàn)象存在。與先前描述的依據(jù)于專利DE102005036153B4的現(xiàn)有技術相比較，用于為控制器114提供電源電壓的費用較低，這是非常有利的。如前所述，然而，可選地，所示電源電壓也可以如現(xiàn)有技術一樣，從旁路元件D2和/或&的電壓Ua上獲取。在圖2所示的本發(fā)明的一個可選的電路100的實施例中，串聯(lián)的開關S1也可以位于在第二輸入端104和第二輸出端108之間的負連接導體上。保護開關S1免受負反向電壓損壞的二極管D1可以與開關S1并聯(lián)連接?？蛇x的，二極管Dtl可作為額外的保護措施，抵御反向的模組電壓。另外，可選的保護元件，比如設置在旁路和保護電路的輸入端和輸出端或者在所示開關元件本身內(nèi)的抗過壓元件，出于更清晰地說明本發(fā)明的理由，并沒有得到詳述。圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的、圖2中所示的電路中的控制器114的系統(tǒng)框圖。如圖所示，控制器114包括第一塊140，其接收并測量輸入電壓UE。另外，控制器114包括塊142，其接收并測量輸出電壓UA。另外，控制器114包括第一參考電源源(E) 144以及第二參考電壓源(A)146。另外，還具有第一比較器148和第二比較器150。第一比較器(Ke) 148接收被Ue塊140所測量的輸入電壓Ue和來自參考電源源144的參考電壓信號，并輸出信號Le至邏輯電路152。比較器150接收被Ua塊142所測量的輸出電壓信號和來自參考電源146的參考電壓信號，并輸出信號La至邏輯電路152。另外，邏輯電路152從計時器1 接收計時信號并從接口 122接收控制信號ST。通過保護電路156，邏輯電路152接收指明輸入電壓Ue、輸出電壓Ua、輸入電流Ie和輸出電流Ia的信號。邏輯電路152通過驅(qū)動器158接收驅(qū)動隔離元件110和旁路元件112的開關元件S1和&的驅(qū)動信號S1和&。控制器114還包括內(nèi)部電流源160，其可具有一個DC/DC轉(zhuǎn)換器。所述內(nèi)部電流源160接收輸入電壓Ue和/或輸出電壓Uao電流源160還耦合到緩沖器162上，比如電容或者諸如此類，以在沒有外部能量可用的情況下及時提供能量?？刂破?14包括兩個輸入塊140和142，其中所有輸入電壓Ue(太陽能模組SM的電壓)和輸出電壓Ua(旁路路徑S2、D2±的電壓，見圖2)被測量。依靠比較器148和150，所有電壓與參考電壓E和A分別比較。如果各自的測量電壓高于參考電壓，比較器148和150的邏輯輸出信號LE、LaS “1”。所有開關信號在邏輯電路152中互相連接，所述電路與計時器電路150、抗過壓過流保護電路156以及，可選地，與通信接口 122相通信，這樣所有開關S1和&可通過驅(qū)動器電路158被驅(qū)動?？刂破?14依靠內(nèi)部電流源160從輸入電壓中得到供電，所述內(nèi)部電流源160具有直流轉(zhuǎn)換器(DC-DC轉(zhuǎn)換器，比如電荷泵)，但因為相對現(xiàn)有技術來說較高的電源電壓UE，其也可設計為更為簡單明了。另外，所示電流源也可具有一個能量存儲器162，以克服瞬時供電短缺?？蛇x地，所述電源電壓也可如現(xiàn)有技術一樣從在關閉的情況下從旁路元件上的電壓Ua中獲得。本發(fā)明的另外一個實施例將結合圖4在下文中得到解釋。圖4顯示了一個根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案、以及根據(jù)對應那些結合圖2得以描述的元件的隔離元件110、旁路元件112以及保護元件1 的實施的旁路和保護電路。電路100還包括內(nèi)部傳感器116、接口122以及端子118，以接收來自外部傳感器120的信號。太陽能電池排列130包括兩個太陽能模組SM1和觀，每一模組通過相連的二極管Dbyp橋接。圖4中電路100的運行模式相當于圖2中電路的運行模式，這樣相同東西的重復描述在此會被省略，這些描述可參見以上的解釋。根據(jù)一個可選的實施例，在圖4所述的電路中，僅僅使用一個采用如下所述方式控制的開關&作為旁路元件也是可能的。繼電器，但優(yōu)選地選用半導體元件，也可用做開關元件Si*^。在這種情況下，常斷和常通電器元件得到使用。使用常通元件作為開關S1繼承了故障自趨安全行為的優(yōu)勢，即在控制器114發(fā)生故障的情況下，開關&會短路旁路和保護電路的輸出并因此將其轉(zhuǎn)換至一個無電壓的狀態(tài)。圖5顯示了圖4中的控制器114的框圖，圖5中控制器的設計本質(zhì)上對應圖3中的控制器的設計；然而，為代替圖3中的保護電路156，指明了包括監(jiān)測電路和算法的塊156’，其進一步接收分別指明內(nèi)部和外部溫度的溫度信號Tint和Text。內(nèi)部電源源160可進一步包括穩(wěn)壓電路。參照圖6，根據(jù)圖3和圖4所示用于驅(qū)動開關Sl和S2的控制器的功能得到了詳細的解釋；尤其是，關于用戶如何決定太陽能模組的遮蔽狀態(tài)是否應仍然持續(xù)的描述會被給出。以下描述涉及圖2和圖4所述的具體實施例，其包括一個通過S2的、額外的可開關的的電旁路路徑，但基本上其也可應用在沒有開關S2的變種上或者應用在沒有二極管D2的變種上。
如以上所解釋的，在遮蔽的情況下，串聯(lián)開關S1打開而可選的并聯(lián)開關&閉合。一旦遮蔽的狀況結束，如果不采取特別的手段所述運行狀態(tài)會長期保持。這樣，用戶必須檢查激活旁路功能是否仍然有意義，而且用戶必須相應地選擇S1和&的開關位置。根據(jù)本發(fā)明的實施例，這可通過在短期的基礎上建立開關S1和&的排列并借助于對端子上或者旁路和保護電路內(nèi)的電壓和電流進行評估的方式實現(xiàn)。借助圖3和4描述的控制器114這是可行的，控制器114的功能在圖6中得以解釋，圖6作為狀態(tài)圖顯示了比較器信號Le、開關信號S1、比較器信號La和開關信號&之間的暫時連接。圖6代表了沒有遮蔽的正常運行和遮蔽下的運行、以及從遮蔽到正常運行的過度運行的狀態(tài)。在正常運行中，輸入電壓和輸出電壓高于所述兩個參考電壓E和A，這樣所有的比較器信號處于邏輯“1”。相應地，邏輯電路152導致開導通，開關&斷開。由太陽能電池排列130所產(chǎn)生的輸入電流Ie經(jīng)低阻開關S1以幾乎沒有損耗的方式導給輸出端106、108。在時間T1上遮蔽出現(xiàn)。有問題的模組兩端的電壓開始暴跌到參考電壓值E，比如+3V。信號Le從邏輯“1”改變到“0”。通過邏輯電路152，開關S1在一個極短的電路感應延遲時間后打開，其由箭頭“a “代表。作為輸出電壓Ua改變其極性并被限制為，比如二極管D2的-0. 4V到-0. 6V的正向電壓，的結果，外界施加的太陽能發(fā)電機的電流Ise立刻由二極管D2接管。隨后，比如為+0. IV的比較器Ka的參考值A降低到水平以下，而且其輸出信號La在一個極短的延遲時間后從邏輯“1”變?yōu)椤?”，其由箭頭“b “代表。這導致旁路元件&立即導通或者經(jīng)過一個延遲時間Ts2后導通，旁路元件&會接管電流Ise并在此過程中幾乎不產(chǎn)生熱量消耗。延遲時間可設置為在發(fā)生部分遮蔽的情況下，比如一只鳥飛過太陽能設施時，防止&的所述導通操作。如開始時所描述的，開關S1W打開導致恢復的電壓Ue快速增加數(shù)個伏特，這樣，一方面，比較器Ke的輸出信號Le再次具有邏輯“1”(參見箭頭“d”)，并且在另一方面，控制器114的電源得到永久性的保證。(比如)在所述的開關運行期間，控制器114的電源可來自被設置為電容的能量緩沖器162。一旦遮蔽被移除，太陽能電池排列的隨遮蔽存在的穩(wěn)定狀態(tài)也會持續(xù)。這樣，用戶必須檢查遮蔽狀態(tài)是否持續(xù)，而且用戶必須相應地調(diào)整開關位置。在一個實施例中，當使用計時器電路(計時器)154時，邏輯電路152在一個時間段Ttest的周期Tpct周期地打開開關&，并同時閉合開關Sp如果遮蔽狀態(tài)持續(xù)(外加的電流Ise比有問題的太陽能電池排列130所產(chǎn)生的輸入電流Ie大)，舊有的開關陣列在這個測試脈沖后會重新建立，這通過圖6的中心部分中的例子得以表達。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，挑選的時間周期Tpct明顯大于(5倍或者更多)測試脈沖Ttest的持續(xù)時間，這樣二極管&中的平均功率消耗就可以保持在較小的水平上。圖6中，在時間T2上遮蔽已經(jīng)被移除。相應地，在下一個測試脈沖上，輸入電壓不會再暴跌，信號Le會保持為邏輯“1”，而且開關S1會保持導通。輸出電壓Ua會超出參考電壓A，這樣信號La也會變?yōu)檫壿嫛?1 ”，而開關&會保持打開，這樣再次達到穩(wěn)定的常態(tài)運行。根據(jù)本發(fā)明的實施方案所描述的旁路和保護電路可簡單地實施為集成電路，因為不需要昂貴的DC/DC轉(zhuǎn)換器電路。這些電路可做得很小，因而可層合到所述太陽能模組本身上。然而，所述電路可集成到模組的終端盒中或者，與傳統(tǒng)模組連接作為外部單元。如圖 4所示，與所述旁路和保護電路相連接的太陽能電池/太陽能模組還可再次設有旁路二極管Dbyp,所述旁路二極管Dbyp可設置為傳統(tǒng)的二極管或者有源電路。根據(jù)本發(fā)明的旁路和保護電路可以一個簡單的方式擴展，這樣模組130可通過外部控制信號ST針對性的開啟，所述信號ST通過終端導體(電力線傳輸)136、138，或者通過額外的通信線路126或甚至是以無線的方式，通過無線電或者磁場傳輸。在這種情況中，處于非開啟狀態(tài)下打開的開關S1閉合。在非開啟狀態(tài)下，開關S2可永久打開或者，可選地，閉合，并且一旦模組被激活，開關S2會根據(jù)以上所述的策略而驅(qū)動。通過控制信號針對性地開啟模組可用于安全地安裝或者維護，或者用于在火災的情況下關閉模組，或者使用編碼的開啟信號用于防盜。通信接口 122也可被配置為雙向的，以將狀態(tài)信號從太陽能模組傳遞到外部評估設備。通過使用內(nèi)部和/或外部傳感器，在所述電路內(nèi)所述模組也可被關閉。舉例來說， 這包括在過流或者過壓的情況下，在電路本身的溫度Tint或者周圍溫度Trart過高的情況下， 或者在檢測到不受許可的運行情況的情況下，比如斷電或者失去與太陽能發(fā)電機的聯(lián)系， 的切斷。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，小電流的旁路和保護電路可在沒有開關S2的情況下實現(xiàn)，只要在這種情況下所述主動旁路二極管D2的功能對于減少發(fā)熱不是絕對必須的。這導致成本的降低，所述保護功能以及通過從外部或者內(nèi)部得到的信號以針對性地開關所述模組的可能性得到保留。在描述的實施例中，所述旁路元件包括一個含有開關S1和二極管D2的并聯(lián)連接。 如上所述，舉例來說，在專利DE102005036153B4中，不作為開關運行的主動旁路二極管可于此替代使用。只采用所述旁路元件兩端的電壓(較低)作為電源電壓，所述旁路元件 (MOSFET)通過一個校正電路長期保持一個線性的運行(比如，所述MOSFET兩端的50mV電壓)。即使在設備的背景下本發(fā)明的一些特征得到描述，因該明白所示特征也代表了對相應方法的描述，這樣設備的功能塊或者結構組件也應該被理解為對應的方法步驟或者作為方法步驟的特征。以此類推，結合或者作為方法步驟解釋的特征也代表了相應設備的相應功能塊或者細節(jié)或者特征。即使本發(fā)明的一些特征已經(jīng)在設備的背景下得到描述，但應明白這些方面也可代表相應方法的描述，因此一個設備的一部分或者一個結構組件也應被理解為一個對應的步驟或者作為一個方法步驟的一個特征。以此類推，結合或者作為一個方法步驟而得到描述的方面也可代表對應設備的一個部分或者細節(jié)或者特征。根據(jù)具體的實施需要，本發(fā)明可在硬件或者軟件中實施。在使用數(shù)字存儲介質(zhì)時，本發(fā)明的實施可得以實現(xiàn)，比如，軟盤、 DVD、藍光光盤、CD、ROM、PROM、EPROM、EEPROM或者FLASH記憶體、硬盤或者或者其它磁性或者光學記憶體，具有存儲在其上的電子可讀控制信號，并配合可編程計算機系統(tǒng)使用，這樣各自的方法得以執(zhí)行。這就是為什么數(shù)字存儲介質(zhì)是計算機可讀的。根據(jù)本發(fā)明的一些實施例因此包括有數(shù)據(jù)載體，所述數(shù)據(jù)載體包括有能夠與可編程計算機系統(tǒng)協(xié)作的電子可讀的控制信號，這樣任何如此描述的方法得以執(zhí)行。一般說來，本發(fā)明的具體實施例可實施為具有程序代碼的計算機程序產(chǎn)品，在所述計算機程序在計算機上運行時，所述程序代碼可有效地執(zhí)行任何所述方法。舉例來說，所述程序代碼可儲存于機器可讀的載體中。其它實施例包括可執(zhí)行任何于此描述的方法的計算機程序，所述計算機程序儲存于機器可讀的載體中。也就是說，本發(fā)明的方法的一個實施例因此可以是計算機程序，具有用于執(zhí)行任何于此描述的任何方法的程序代碼，同時所述計算機程序在計算機上運行。本發(fā)明的方法的另一實施例因此可以是數(shù)據(jù)載體(或者數(shù)字存儲介質(zhì)或者計算機可讀介質(zhì))，其中儲存有用于執(zhí)行任何此于描述的方法的計算機程序。本發(fā)明的方法的另一實施例因此可以是數(shù)據(jù)流或者信號序列，代表可執(zhí)行于此描述的任何方法的計算機程序。所述數(shù)據(jù)流或者信號序列立刻被配置用于，比如，通過數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡傳輸，比如通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸。另一實施例包括了處理裝置，舉例來說，計算機或者可編程設備，用于執(zhí)行于此描述的任何方法。另一實施例包括了計算機，其中裝有用于執(zhí)行于此描述的任何方法的計算機程序。在一些實施例中，可編程的邏輯設備(比如現(xiàn)場可編程門陣列，F(xiàn)PGA)可用于執(zhí)行于此所描述的方法的所有功能。在一些實施例中，F(xiàn)PGA可與未處理協(xié)作執(zhí)行于此描述的所有方法。一般說來，所述方法在一些實施例中可被硬件設備所執(zhí)行。所述硬件設備可以是任何普遍適用的硬件，比如計算機處理器(CPU)，或者是專門針對某一方法的硬件，比如 ASIC。以上所述的實施例只是例證了本發(fā)明的原理。本領域的技術人員可得出于此描述的結構和細節(jié)的修改和變種。這就是為何本發(fā)明只是受到權利要求的保護范圍的限制而不受到通過對實施例的描述和討論而于此得出的具體細節(jié)的限制。
權利要求
1.一種太陽能模組(130)的旁路和保護電路(100)，包括連接太陽能模組(130)的輸入端(102、104)；輸出端(106,108)；與輸出端(106、108)并聯(lián)連接的旁路元件(11 ；以及連接在輸出端(102、104)和輸出端(106、108)之間的、被配置為控制輸入端(102、104)和輸出端(106,108)之間的連接的隔離元件(110)；其特征在于隔離元件(110)被配置為根據(jù)與所述電路(100)相關聯(lián)的太陽能模組(130)是否被完全或者部分遮蔽，或者根據(jù)與所述電路(100)相關聯(lián)的太陽能模組(130)是否被打開或者關閉，控制輸入端(102,104)和輸出端(106,108)之間的連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的旁路和保護電路，其中隔離元件(110)被配置為接收控制信號(ST)，所述控制信號(ST)在與所述電路(100)相關聯(lián)的太陽能模組(130)被完全或者部分遮蔽時，導致在輸入端(102,104)和輸出端(106,108)之間的常閉連接的中斷，或者在與所述電路(100)相關聯(lián)的太陽能模組(130)被關閉時，導致在輸入端(102、104)和輸出端(106、108)之間的常閉連接的中斷，或者在與所述電路(100)相關聯(lián)的太陽能模組(130)被打開時，導致在輸入端(102、104)和輸出端(106、108)之間的常開連接被建立。
3.根據(jù)權利要求1或者2所述的旁路和保護電路，其耦合到太陽能模組(130)上，這樣使輸入端(102、104)和輸出端(106、108)之間的由隔離元件(110)產(chǎn)生的連接中斷導致太陽能模組(130)的開路運行。
4.根據(jù)權利要求2或者3所述的旁路和保護電路，還包括在運行中連接到隔離元件(110)上并被配置為接收控制信號(ST)的控制信號端(124)。
5.根據(jù)權利要求2或者3所述的旁路和保護電路，其中輸入端(102、104)和/或輸出端(106、108)被配置為接收控制信號(ST)。
6.根據(jù)權利要求2或者3所述的旁路和保護電路，還包括在運行中連接到隔離元件(110)并被配置為生成控制信號(ST)的控制器(114)。
7.根據(jù)權利要求6所述的旁路和保護電路，其中控制器(114)包括連接到輸入端(102,104)的電源端。
8.根據(jù)權利要求6或7所述的旁路和保護電路，其中控制器(114)被配置為在輸入端和輸出端上出現(xiàn)的功率信號的基礎上確定與所述電路(100)相關聯(lián)的太陽能模組(130)是否被部分或者完全遮蔽，控制器(114)還被配置為在與所述電路(100)相關聯(lián)的太陽能模組(130)被確定為被完全或部分遮蔽的情況下生成控制信號。
9.根據(jù)權利要求8所述的旁路和保護電路，其中旁路元件(11 被配置為被另外的控制信號所驅(qū)動，控制器(114)被配置為在與所述電路(100)相關聯(lián)的太陽能模組(130)被確定為被完全或者部分遮蔽的情況下生成所述另外的控制信號。
10.根據(jù)權利要求6到9中任一項所述的旁路和保護電路，其中控制器(114)被配置為在與所述電路(100)相關聯(lián)的太陽能模組(130)被確定為被完全或者部分遮蔽的情況下檢查遮蔽狀態(tài)是否持續(xù)，控制器(114)還被配置為在遮蔽狀態(tài)被確定為不再持續(xù)的情況下切換回正常狀態(tài)。
11.根據(jù)權利要求2或3所述的旁路和保護電路，其中用于建立輸入端(102、104)和輸出端(106、108)之間的常開連接的控制信號在外部建立，并被提供給電路(100)以開啟太陽能模組(130)，以及/或者，用于中斷輸入端(102,104)和輸出端(106,108)之間的常閉連接的控制信號在來自內(nèi)部和/或外部傳感器的一個或者多個信號的基礎上建立以關閉太陽能模組(130)。
12.根據(jù)權利要求1到11中任一項所述的旁路和保護電路，其中隔離元件(110)包括開關(S1),以及/或者其中旁路元件(112)包括二極管(D2)或者具有并聯(lián)設置的開關(S2)的二極管(D2)。
13.控制被旁路元件(11 所旁路的太陽能模組(130)的方法，所述方法包括確定太陽能模組(130)是否被完全或者部分遮蔽，或者太陽能模組(130)的關閉是否是要求的；以及如果太陽能模組(130)被確定為被完全或者部分遮蔽，或者如果其被關閉，將太陽能模組(130)運行在開路狀態(tài)下。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中太陽能模組為多個太陽能模組的串聯(lián)連接的一部分，太陽能模組(130)的開路狀態(tài)下的運行包括將太陽能模組(130)從所述串聯(lián)連接中隔離開來。
15.根據(jù)權利要求13或14所述的方法，其中在太陽能模組(130)的端子上的功率信號的基礎上，以及在所述串聯(lián)連接的端子上的功率信號的基礎上，確定太陽能模組(130)是否被部分或者完全遮蔽。
16.根據(jù)權利要求13到15中任一項所述的方法，其中一旦太陽能模組被確定為被完全或部分遮蔽，執(zhí)行判斷遮蔽狀態(tài)是否持續(xù)的檢查，如果確定遮蔽狀態(tài)不再持續(xù)，則切換到正常運行狀態(tài)。
全文摘要
一種太陽能模組的旁路和保護電路包括連接太陽能模組(130)的輸入端(102、104)、輸出端(106、108)、與所述輸出端(106、108)并聯(lián)的旁路元件(112)以及連接在輸入端和輸出端之間的、設置用于控制輸入端和輸出端之間的連接的隔離元件(110)。所述隔離元件(110)根據(jù)與電路(100)相連的太陽能模組(130)是否被完全或者部分被遮蔽，或者根據(jù)與電路(100)相連的太陽能模組(130)是否被關閉，而控制輸入端(102、104)和輸出端(106、108)之間的連接。
文檔編號H01L31/02GK102598287SQ201080048215
公開日2012年7月18日 申請日期2010年8月25日 優(yōu)先權日2009年8月26日
發(fā)明者H·斯密特, W·羅斯 申請人:弗勞恩霍夫應用研究促進協(xié)會