專利名稱：光電源產(chǎn)生系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電源產(chǎn)生系統(tǒng)，特別是涉及一種具有雪溶化功能的光電源產(chǎn)生系統(tǒng)。
近年來，一種用于在屋頂上安裝有太陽能電池的居民的光電源產(chǎn)生系統(tǒng)已經(jīng)被推廣。在一個多雪的地區(qū)具有這樣的一個問題，即雪粘在一個太陽能電池板表面上，由此在下雪期間不能產(chǎn)生電能。因此已經(jīng)發(fā)明了一種利用給太陽能電池板組件加熱而除雪的系統(tǒng)。
例如，在日本專利申請?zhí)卦S公開8-250756中公開一種雪溶化系統(tǒng)，為了加熱，該系統(tǒng)借助于一個外部電源給一個太陽能電池或一個發(fā)熱體供電。
在日本專利申請?zhí)卦S公開9-23019中公開一種雪溶化系統(tǒng)，為了加熱，該系統(tǒng)利用一個雙向逆變器給太陽能電池供電，該系統(tǒng)具有一個被設(shè)置用于使反向電流阻斷二極管旁路的開關(guān)。
由于不僅利用太陽能電池作為一個電源產(chǎn)生裝置，而且也作為一個加熱器。該電池加熱系統(tǒng)能夠簡單地除去雪而不需要用于加熱器的導線，并且如果能夠提供雙向的操作性還能夠變得容易安裝，因此它作為一個用于光電源產(chǎn)生系統(tǒng)的除雪方法是有前途的。
然而，在到目前為止所公開的方案中可能具有下列問題。
(1)由于整個太陽能電池陣列必須被加熱，所以增加了一個外部電源的容量。利用在正方向上流過一個3kW的太陽能電池的電流作為加熱的最佳電流需要等級為大約4.2KW的功率，對于電源來說需要足以提供這部分功率的容量。特別是對于具有定向利用一個柵極連接的逆變器系統(tǒng)，該逆變器的容量增加了并且為了提供用于雪溶化的功率需要大容量的逆變器，而這些用于雪溶化的容量在平常是不用的。
(2)在把功率同時提供整個太陽能電池陣列的情況下，由于對太陽能電池不平衡的加熱使電阻減小，所以在一個太陽能電池電路中具有產(chǎn)生電流集中的可能性。在應(yīng)用中，該太陽能電池基本上作為并聯(lián)連接的二極管來工作并且需要防止不平衡加熱的措施。電流集中的產(chǎn)生可能導致像由于過熱使太陽能電池損壞這樣的危險事故。
(3)由于這些原因，不可能進行在雪溶化方式中的運行，即使存在一個故障條板的情況下也是如此。
考慮到這些問題，本發(fā)明的一個目的是在光電源產(chǎn)生系統(tǒng)中，特別是在具有雪溶化功能的光電源產(chǎn)生系統(tǒng)中實現(xiàn)減少一個外部直流電源的容量，該外部直流電源為雪溶化提供功率。
此外，本發(fā)明的另一個目的是在存在一個故障條板的情況下預(yù)先防止產(chǎn)生一個事故。
此外，本發(fā)明的另一個目的是提供一種光電源產(chǎn)生系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有由多個并聯(lián)連接的條板構(gòu)成的太陽能電池陣列，每個條板是由多個串聯(lián)連接的太陽能電池組件構(gòu)成的，該系統(tǒng)能夠借助于一個外部電源使太陽能電池陣列產(chǎn)生熱，該系統(tǒng)包括一個為每個條板設(shè)置的單獨地可用開關(guān)控制的電流導通/關(guān)斷裝置和一個控制單元，用于單獨地控制電流開關(guān)裝置的導通/關(guān)斷，其中按順序給每個條板提供電流，以致于產(chǎn)生熱。順便說一下，在本發(fā)明中，提供給每個條板的電流即可以是與產(chǎn)生電能時的方向相反也可以相同(提供的電壓即可以與產(chǎn)生的電壓相同也可以相反)。
此外，在本發(fā)明中，在上述外部直流電源中設(shè)置了過電流檢測裝置和報警裝置，以便在過電流產(chǎn)生時，停止提供電流并且發(fā)出報警信號。
本發(fā)明具有一個用于每個條板的開關(guān)并且通過該開關(guān)的導通/關(guān)斷控制僅給用于雪溶化的目標條板供電。因此，在根據(jù)本發(fā)明的一種系統(tǒng)中，不在同時給整個太陽能電池陣列供電。因而，只需要小容量的外部直流電源并且還設(shè)置了報警裝置，如果存在故障狀態(tài)下的條板，該報警裝置能夠單獨地檢測到故障狀態(tài)下的條板。此外，由于每個條板被單獨地供電，所以除了故障的條板之外能夠進行供電，雖然局部故障，但是仍然能夠進行雪溶化運行。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一種實施例的光電源產(chǎn)生系統(tǒng)的方框圖；圖2是表示在圖1所示系統(tǒng)中的一種操作實例的流程圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一種實施例的光電源產(chǎn)生系統(tǒng)的方框圖；圖4是一種用于圖3所述系統(tǒng)的雙向逆變器的結(jié)構(gòu)方框圖；圖5是表示在圖3所示系統(tǒng)中的一種操作實例的流程圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的第三種實施例的光電源產(chǎn)生系統(tǒng)的方框圖；圖7是表示在圖6所示系統(tǒng)中的一種操作實例的流程圖；下面參照實施例詳細地描述本發(fā)明。實施例1在該實施例中，為了使本發(fā)明更清楚，盡可能利用簡單的結(jié)構(gòu)來描述本發(fā)明。
在圖1中示出了一種根據(jù)該實施例的系統(tǒng)。
利用2個串聯(lián)和2個并聯(lián)的4個太陽能電池組件(36個10厘米的正方形電池串聯(lián)構(gòu)成；短路電流3.25A，最大功率50W)來構(gòu)成太陽能電池條板1a和1b(即2個組件串聯(lián)連接來構(gòu)成一個條板環(huán))。
太陽能電池條板1a和1b的輸出經(jīng)過條板開關(guān)5a和5b、反向電流阻斷二極管2a和2b和一個負載開關(guān)6與一個電阻負載3(5Ω、400W等級)連接。
作為一個外部電源4，設(shè)置一個由市電交流(未示出)電得到的可變電壓直流電源(最大輸出50V,5A)并且該直流電源的輸出經(jīng)過條板開關(guān)5a和5b分別與太陽能電池條板1a和1b連接。
此時，外部電源4的正端和負端分別地與太陽能電池條板1a和1b的陽極和陰極連接。如果能夠給太陽能電池條板提供功率，那么可以利用適合于外部電源4的各種電源，并且也可以利用一個蓄電池和一個DC/DC變換器或一個發(fā)電機的組合。
此外，雖然這些具有直流輸出的裝置是簡單和需要的，但是根據(jù)該裝置也可以采用交流輸出(足夠的電壓設(shè)置)?？勺冸妷汗δ懿皇翘貏e必要的。這是因為一個規(guī)定的太陽能電池結(jié)構(gòu)允許預(yù)先確定一個合適的供電電壓。
對于一個不具有加熱功能(例如，雪溶化的系統(tǒng))的系統(tǒng)來說，條板開關(guān)5a和5b只需要經(jīng)受太陽能電池條板1a和1b的輸出電壓和輸出電流，但是在根據(jù)本發(fā)明的一個系統(tǒng)中，需要經(jīng)受在加熱(雪溶化)方式的操作期間的輸出電壓和輸出電流(在許多情況下，這些輸出電壓和輸出電流大于太陽能電池條板的操作電壓和操作電流)。此外，為了響應(yīng)一個電信號，它們最好是可導通/關(guān)斷控制的。
根據(jù)該實施例，為了使寫入控制程序簡化，控制單元7包括一個私人計算機和一個并行IO接口(借助于一個光耦合器使一個PC的電路和被控制的電路相互絕緣)。如果允許一個按序的控制，那么對于控制單元7來說能夠采用除了該結(jié)構(gòu)之外的其它各種結(jié)構(gòu)，并且一種由單片微處理機構(gòu)成的裝置在實際應(yīng)用中是方便和便宜的。
下面將描述圖1中所示裝置的操作。在圖2中示出了圖1所示裝置的一種操作流程圖的實例。
首先，該裝置通常在電能產(chǎn)生方式中操作。這種狀態(tài)是一種從太陽能電池條板1a和1b給負載3提供電源的狀態(tài)。其中條板開關(guān)5a和5b都處在導通狀態(tài)，負載開關(guān)6也處于導通狀態(tài)，而外部電源開關(guān)8處于關(guān)斷狀態(tài)。對于外部電源4來說，它本身處于運行狀態(tài)不存在問題，但是從節(jié)電的角度來看，更希望外部電源4處于靜止狀態(tài)。在這個實施例中，外部電源4被設(shè)置到它的靜止狀態(tài)。該狀態(tài)持續(xù)到該系統(tǒng)進人到加熱(雪溶化)方式。
下面將描述加熱(雪溶化)方式。在許多情況下，在晚上進行加熱(雪溶化)方式。同樣在白天進行加熱(雪溶化)方式也是可能的，但是需要考慮一個太陽能電池產(chǎn)生電能的操作。也就是，對于一個下雪的周期來說，由于一個太陽能電池不產(chǎn)生電能，所以可以進行與晚上相同的操作，但是當下雪逐漸地停了和陽光開始照射到太陽能電池上時，太陽能電池開始部分地產(chǎn)生電能，因此需要一種促使從外部電源和類似電源提供電壓的裝置。
在加熱(雪溶化)方式中，負載開關(guān)6首先被關(guān)斷，由此切斷與一個負載3的連接。
接著，利用從控制單元7來的一個條板導通/關(guān)斷指令信號使一個條板開關(guān)關(guān)斷(在此，5b)，以便允許電流只經(jīng)過一個單個條板流動。
接著，外部電源4被設(shè)置到運行狀態(tài)并且外部電源開關(guān)8被導通，以便給太陽能電池提供一個用于加熱的電流。在此，它們被加熱30分鐘。已經(jīng)證明這時的電壓是46V和功率大約是140W，并且對于30分鐘來說溫度大約上升了10℃。
然后，處于導通狀態(tài)的條板開關(guān)5a被關(guān)斷而另一個條板開關(guān)(5b)被導通，由此與利用上一個條板來進行雪溶化操作一樣加熱另一個條板。
最后，外部電源開關(guān)8被關(guān)斷以便停止由外部電源4來供電，條板開關(guān)5a和負載開關(guān)6被導通(5b保持導通)以便使該系統(tǒng)返回到初始狀態(tài)并且該加熱操作結(jié)束。
在該實施例中設(shè)置的外部電源的容量是電壓為50V和電流為5A，但是，為了同時加熱兩個條板，顯然需要更大容量的外部電源，由此導致了該裝置的費用上升。同樣可以理解的是隨著條板數(shù)的增加，費用差也增加。
順便說一下，對于一個常規(guī)光電源產(chǎn)生系統(tǒng)來說，該實施例也適用于一個任意的裝置。
此外，可以利用一個常規(guī)的市電電源和蓄電池。實施例2在這個實施例中，一種整體構(gòu)成的非晶組件的實施例將作為一個更實際的結(jié)構(gòu)被示出。圖3示出了這個實施例的結(jié)構(gòu)。
太陽能電池條板1a和1b是由10個串聯(lián)和2個并聯(lián)連接的非晶太陽能電池組件與一個光電變換層構(gòu)成的，其中光電變換層包括由非晶硅構(gòu)成的3個層。
與一個晶體型太陽能電池相比，在該實施例中使用的太陽能電池具有相對低的單位面積上的電能產(chǎn)生效率，因此屋頂?shù)母采w率大于在利用相同容量的一個晶體型太陽能電池系統(tǒng)中獲得的覆蓋率。這就適合于“雪溶化”的目的。具體地說，由于通過雪溶化希望盡可能地除去在一個屋頂?shù)恼麄€表面上的大量積雪，所以屋頂?shù)母采w率越高，因此反而越好。另一方面，由于產(chǎn)生電能輸出的每個單元的太陽能電池的價格是很高的(所謂的每瓦的價格)，所以為了雪溶化的目的，利用一個低效率的太陽能電池來提高一個屋頂?shù)母采w率是有效和便宜的。
一個逆變器9被設(shè)置成允許雙向變換并且與一個200V的市電網(wǎng)連接。在圖4中示出了這樣一種逆變器結(jié)構(gòu)的例子。在圖4中，通過利用一個虛線包圍的部分來解釋通常被使用的一種柵極連接的逆變器9的結(jié)構(gòu)。通常，希望用于雪溶化的逆變器包括一個用于雪溶化的具有升壓/降壓功能的輸出電壓控制電路，以便使從市電來的電流流入到一個太陽能電池中，如在該實施例中所示的。最好把在實施例1中的外部電源4的一部分電路加入到柵極連接的逆變器9中。順便說一下，由于它與本發(fā)明沒有實質(zhì)上的關(guān)系，所以在此將不對雙向柵極連接的逆變器9的詳細結(jié)構(gòu)進行描述。該實施例涉及一些已知的技術(shù)，因此這些已知技術(shù)在此將被參考。在該實施例中，由于一個太陽能電池的操作電壓大約是130V，所以由200V市電網(wǎng)整流得到的電壓290V直流電壓將導致產(chǎn)生過電流。因此利用一個具有降壓功能的直流斬波電路41作為用于雪溶化的電壓控制電路。根據(jù)一個太陽能電池電壓的選擇，具有不需要升壓/降壓的情況，但是這些情況被限制到很少的情況。
此外，當然，這個實施例必須設(shè)置用于控制條板開關(guān)5a和5b的裝置7。由于在幾乎所有的情況下，在柵極連接的逆變器9中設(shè)置一個單片微處理機作為一個控制單元7，所以只通過把雪溶化方式的運動狀態(tài)加入到它的控制軟件中就能實現(xiàn)本發(fā)明。在這個實施例中也能夠利用這種方法。順便說一下，為了控制條板開關(guān)5a和5b也需要用于輸出一個控制信號的端。
在這個實施例中，條板開關(guān)5a和5b如此被連接以致能夠旁路反向電流阻斷二極管2a和2b。另外，在具有反向電流阻斷二極管2a和2b的情況下，電流不能流入到太陽能電池條板1a和1b中，因此必須把條板開關(guān)5a和5b設(shè)置在務(wù)必能夠旁路反向電流阻斷二極管2a和2b的位置上。
在這個實施例中，在圖4中所示的位置上僅設(shè)置一個過電流檢測裝置42，即在用于加熱(雪溶化)的降壓斬波電路與太陽能電池之間設(shè)置過電流檢測裝置。當一個電流只流過像本發(fā)明這樣的一個單個條板時，只設(shè)置一個這樣的過電流檢測裝置就能夠精確地檢測到過電流。在某種意義上，為了同時經(jīng)過所有的條板來提供電流，能夠進行絕對可靠的過電流檢測，除非對于每個條板都沒有檢測到電流。特別是當一個太陽能電池的不平衡加熱產(chǎn)生時，一個系統(tǒng)的穩(wěn)定性可能被損壞。
在圖5中示出了這個實施例的操作流程圖。即使一個太陽能電池的類型和一個用于雪溶化的電源結(jié)構(gòu)被變型，也能夠完全地實現(xiàn)本發(fā)明的目的。順便說一下，在圖5所示的操作流程圖中，在以能量產(chǎn)生方式運行期間兩個條板開關(guān)5a和5b被關(guān)斷，并且在以雪溶化方式運行期間雙向逆變器9以整流方式運行。
此外，如果控制單元7如此被設(shè)置以致能夠儲存一個故障的條板(過電流流過的條板)，那么除了故障的條板之外，能夠進行其它條板的雪溶化操作，因此，雖然雪溶化沒有覆蓋整個屋頂，但是能夠把雪溶化的效率提高到一個固定范圍。
此外，例如，通過利用在屋頂?shù)捻敳可显O(shè)置的條板來按順序開始雪溶化，利用雪溶化的水能夠提高在雪的下部分中的雪溶化。實施例3圖6示出了反向電流型的一種實施例。
在這個實施例中，由于也是在加熱(雪溶化)期間被供電，所以在雪溶化期間反向電流阻斷二極管2a和2b必須經(jīng)受流過的電流。
此外，由于設(shè)置一個旁路二極管(沒有示出)不能使電池加熱，所以必須注意可以不用旁路二極管。一個適合于在這種結(jié)構(gòu)中使用的組件被建議，例如，在日本專利申請?zhí)柼卦S公開8-250756中的一個組件。相關(guān)的組件有意地做成具有不良的反向特性，以致于沒有電流流動。在一個沒有旁路二極管的太陽能電池組件中，雖然采用這種裝置，但是如在該實施例中所看到的一種裝置原則上是可能的。然而，每個組件上的供電電壓變?yōu)榉浅８?為此相反能夠減小電流值)并且在實際使用中必須采取充分的安全措施。
同時，在這個實施例中，太陽能電池條板1a和1b與在實施例1中使用的太陽能電池條板1a和1b是相同的，逆變器9與實施例2中的逆變器是類似的，并且還設(shè)置一個極性轉(zhuǎn)換開關(guān)10以便使待提供的電壓與能量產(chǎn)生周期的方向相反。而不需要與實施例2一樣的用于旁路反向電流阻斷二極管2a和2b的條板開關(guān)5a和5b，但是它與實施例1一樣只需要控制普通條板開關(guān)5a和5b的導通/關(guān)斷。
圖7示出了在這個實施例中的操作流程圖。在這個實施例中，在執(zhí)行用于每個條板的雪溶化操作中本發(fā)明的目的也明顯地能夠被實現(xiàn)。順便說一下，在圖7的操作流程圖中，在以能量產(chǎn)生方式運行期間兩個條板開關(guān)5a和5b被導通，并且在以雪溶化方式運行期間雙向逆變器9以變換器方式運行。
順便說一下，應(yīng)該指出的是在這個實施例中提供給一個條板的電壓應(yīng)該達到360V(每個電池5V)以便產(chǎn)生與實施例1相同的加熱。甚至對于這樣一種結(jié)構(gòu)，即它使電流在與該實施例1類似的能量產(chǎn)生周期中的電流方向相同的方向上流動，本發(fā)明也適合于這種結(jié)構(gòu)。
如上所述，本發(fā)明適用于一種光電源產(chǎn)生系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有一個并聯(lián)連接成條板的太陽能電池陣列，其中條板是由串聯(lián)連接的太陽能電池組件構(gòu)成的，太陽能電池組件具有使雪溶化的雪溶化功能，例如通過把從用于加熱的外部直流電源來的電流提供給太陽能電池陣列以便使太陽能電池組件上的雪熔化。特別是，由為每個條板設(shè)置的單獨地可用開關(guān)控制的電流導通/關(guān)斷裝置和單獨地控制電流導通/關(guān)斷裝置的導通/關(guān)斷的控制單元構(gòu)成的本發(fā)明能夠把電流按順序提供給每個單個條板以便加熱(雪溶化)，由此本發(fā)明具有下列優(yōu)點(1)在根據(jù)本發(fā)明的一個系統(tǒng)中，不同時給太陽能電池陣列供電。為此，在用于加熱(雪溶化)的電源中只需要小容量的電源。
(2)由于給每個單個條板按順序提供電流能夠在一個條板的單元中檢測到某些故障，所以如果存在的話，能夠單獨地檢測到故障狀態(tài)下的條板。
(3)由于每個單獨的條板按順序被供電，所以除了故障的條板之外能夠進行供電，并且能夠使局部條板進行加熱運行。
(4)對于每個單個條板的加熱(雪溶化)消除了對由于一個太陽能電池不平衡加熱而產(chǎn)生的電流集中的擔憂。
(5)利用一個低效率的非晶整體構(gòu)成的組件能夠使具有太陽能電池的屋頂?shù)母采w率被提高，并且能夠增加雪被除去的面積。
具有這些優(yōu)點的本發(fā)明在工業(yè)使用價值上是非常高的。
權(quán)利要求
1．一種光電源產(chǎn)生系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有由多個并聯(lián)連接的條板構(gòu)成的太陽能電池陣列，每個條板是由多個串聯(lián)連接的太陽能電池組件構(gòu)成的，該系統(tǒng)能夠借助于一個外部電源使太陽能電池陣列產(chǎn)生熱，該系統(tǒng)包括一個為每個條板設(shè)置的單獨地可用開關(guān)控制的電流導通/關(guān)斷裝置；和一個控制單元，用于單獨地控制電流開關(guān)裝置的導通/關(guān)斷，其中按順序給每個條板提供電流，以致于產(chǎn)生熱。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的光電源產(chǎn)生系統(tǒng)，其中所述外部電源以與電源產(chǎn)生周期的方向相反的方向把一個直流電流提供給每個條板。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的光電源產(chǎn)生系統(tǒng)，其中所述外部電源是一個雙向柵極連接的逆變器，該逆變器不僅能夠把所述太陽能電池陣列的直流輸出變換成一個交流輸出，以便把運行中的所述太陽能電池陣列與一個交流電源連接，而且能夠把交流電源的交流輸出變換成一個直流輸出，以便把所述直流輸出提供給所述太陽能電池陣列一側(cè)。
4．根據(jù)權(quán)利要求3的光電源產(chǎn)生系統(tǒng)，其中所述電流導通/關(guān)斷裝置與反向電流阻斷二極管并聯(lián)連接，所述反向電流阻斷二極管分別地與所述單獨的條板串聯(lián)連接。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的光電源產(chǎn)生系統(tǒng)，其中所述外部電源以與電源產(chǎn)生時的電流方向相同的方向把一個直流電流提供給每個條板。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的光電源產(chǎn)生系統(tǒng)，其中所述外部電源是一個雙向柵極連接的逆變器，該逆變器不僅能夠把所述太陽能電池陣列的直流輸出變換成一個交流輸出，以便把運行中的所述太陽能電池陣列與一個交流電源連接，而且能夠把交流電源的交流輸出變換成一個直流輸出，以便把所述直流輸出提供給所述太陽能電池陣列一側(cè)，并且具有一個用于使所述雙向柵極連接的逆變器的直流輸出的極性反相的裝置，以便把一個直流輸出以正方向提供給每個條板。
7．根據(jù)權(quán)利要求1的光電源產(chǎn)生系統(tǒng)，其中所述太陽能電池組件具有一個多層電池，該電池具有兩個或三個光電轉(zhuǎn)換層。
8．根據(jù)權(quán)利要求1的光電源產(chǎn)生系統(tǒng)，其中所述外部電源具有一個過電流檢測裝置和一個信號報警裝置，當產(chǎn)生一個過電流時，停止提供電流并且發(fā)出報警信號。
9．根據(jù)權(quán)利要求1的光電源產(chǎn)生系統(tǒng)，其中由第一個條板按順序使所述電流導通/關(guān)斷裝置導通/關(guān)斷。
全文摘要
為了減小外部直流電源的容量,該外部直流電源提供用于雪溶化的能量,和為了防止在出現(xiàn)故障條板的情況下產(chǎn)生問題,本發(fā)明包括一個為每個條板設(shè)置的單獨地可用開關(guān)控制的電流導通/關(guān)斷裝置和一個控制單元,用于單獨地控制電流開關(guān)裝置的導通/關(guān)斷,其中按順序給每個條板提供電流。
文檔編號H01L31/042GK1236213SQ9910337
公開日1999年11月24日 申請日期1999年3月3日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月3日
發(fā)明者竹原信善, 真鍋直規(guī) 申請人:佳能株式會社