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具有集成光伏電板和電池的光伏系統(tǒng)的制作方法

文檔序號:7433086閱讀:302來源:國知局
專利名稱:具有集成光伏電板和電池的光伏系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種在單個(gè)裝置中集成幾個(gè)功能的光伏系統(tǒng),例如,太陽能到電能的 轉(zhuǎn)換,所產(chǎn)生的電能的存儲(chǔ)或所產(chǎn)生的電能的管理。
背景技術(shù)
使得可以儲(chǔ)存所產(chǎn)生的電能、自發(fā)地操作或與連接至電網(wǎng)的光伏系統(tǒng),包括幾個(gè) 單獨(dú)的部件-一個(gè)或多個(gè)光伏電板或太陽能電池板,由光伏電池的矩陣形成并執(zhí)行從所接收 的太陽能到電能的轉(zhuǎn)換;-一個(gè)或多個(gè)電池,儲(chǔ)存由光伏電板(一個(gè)或多個(gè))產(chǎn)生的電能;-電子系統(tǒng),用于管理所產(chǎn)生的電能。在圖1中示出了自發(fā)光伏系統(tǒng)1的圖示,例如,用來對電通信裝置、一臺城市設(shè)備、 獨(dú)立的場所(例如,家里或車輛)供能。此光伏系統(tǒng)1包括光伏電板2、電化學(xué)電池4、開關(guān) 或DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器6 (也叫做DC/DC轉(zhuǎn)換器)、開關(guān)或DC/DC轉(zhuǎn)換器或逆變器8,以及用于 管理能量的電子系統(tǒng)10,或控制板,控制板控制標(biāo)為6和8的部件。此光伏系統(tǒng)1的目的是 對裝置12供能。用電纜將這些部件連接在一起,并可將它們或多或少地彼此分開。當(dāng)部件6是開關(guān)時(shí),開關(guān)使得可將光伏電板2的輸出與光伏系統(tǒng)1的其它部件連 接或不連接。當(dāng)部件6是DC/DC轉(zhuǎn)換器時(shí),DC/DC轉(zhuǎn)換器使得可將在光伏電板2的輸出處獲 得的DC電壓轉(zhuǎn)換成適于電池4的電壓(tension)的DC電壓。當(dāng)部件8是開關(guān)時(shí),開關(guān)使 得可將部件8的輸出與裝置12連接或不連接。當(dāng)部件8是DC/DC轉(zhuǎn)換器或逆變器時(shí),DC/ DC轉(zhuǎn)換器或逆變器使得可將在部件6的輸出處獲得的DC電壓轉(zhuǎn)換成與裝置12的工作電壓 相應(yīng)的DC或AC電壓。在圖2中示出了與電網(wǎng)20連接的光伏系統(tǒng)14的圖示,光伏系統(tǒng)14除了對裝置12 供能以外,還可對電網(wǎng)20提供由光伏系統(tǒng)14產(chǎn)生的電能。與圖1所示的自發(fā)光伏系統(tǒng)1 相比,此光伏系統(tǒng)14包括開關(guān)18,其由用于管理能量的電子系統(tǒng)10控制,并可將逆變器8 的輸出與電網(wǎng)20連接或不連接。在這些光伏系統(tǒng)中,鉛酸技術(shù)是最普遍的制造電池的技術(shù),基本上是由于其適中 的成本及其可用性的原因。然而,這種電池具有相對低的質(zhì)能和體積能,分別等于大約 40ffh/kg和80Wh/L,其與所占據(jù)的高體積和所儲(chǔ)存的每千瓦時(shí)的重量相對應(yīng)。當(dāng)運(yùn)輸時(shí)(尤其是當(dāng)隔離光伏系統(tǒng)或使得光伏系統(tǒng)與道路基礎(chǔ)設(shè)施隔得較遠(yuǎn)時(shí)) 和當(dāng)安裝光伏系統(tǒng)時(shí),電池的重量和體積是主要的限制條件。對于一些獨(dú)立的應(yīng)用(例如 空間通常受到限制的城市設(shè)備),有關(guān)電池的麻煩也帶來了非常高的局限性。因此,鉛酸電 池的安裝產(chǎn)生了用于裝飾性元件(例如,混凝土底座或長凳)中的電池的掩蔽或?qū)@些電 池的掩埋的額外成本。在獨(dú)立的光伏系統(tǒng)或與電網(wǎng)連接并集成在一個(gè)結(jié)構(gòu)中的情況中,這 樣的麻煩也帶來約束,因?yàn)殂U酸電池的存在意味著對其儲(chǔ)存提供專門的空間。另外,在能量 需求增加的情況中,以及由此產(chǎn)生的光伏系統(tǒng)的功率增加的情況中,初始為了儲(chǔ)存電池而提供的空間可能變成限制條件,阻止了裝置尺寸的重新設(shè)定。還有用鋰制造的電池,例如,鋰離子型,其具有比鉛酸電池的質(zhì)能和體積能更高的 質(zhì)能和體積能(分別在大約100Wh/kg至150Wh/kg之間,和在大約150Wh/L至200Wh/L之 間)。另外,可將這些電池制造成不同的形狀圓柱形、棱柱形、平的,等等。此外,與鉛相比, 鋰具有其它優(yōu)點(diǎn),例如,更長的使用壽命(與對鉛而言的3年相比,對于制成平板形的電池 來說,在100%使用時(shí)具有20年和3000次循環(huán)的大小),更好的能量效率(與注入電池的 千瓦時(shí)相比,此效率與電池返回的千瓦時(shí)的數(shù)量相對應(yīng)),以及不需要維修,這最終將使得, 當(dāng)該應(yīng)用的使用方式(usage profile)需要連續(xù)充電-放電循環(huán)(以高放電深度( >正常 容量的50% ))時(shí),對這些電池而言返回每千瓦時(shí)的成本小于或等于鉛電池的成本。因而,電池的使用壽命(不管其是鉛酸型還是鋰離子型)會(huì)被以下兩方面的因素 高度影響一方面受到在充放電循環(huán)過程中達(dá)到的放電深度影響,另一方面受到其所處的 工作環(huán)境的溫度影響。圖3所示的曲線22J4和沈示出了,分別在20°C、4(TC和60°C的 工作溫度下,對于給定的放電深度,鋰離子電池的存儲(chǔ)容量與其初始存儲(chǔ)容量相比的變化 (按照年份)。這些曲線清楚地表明,環(huán)境工作溫度的增加會(huì)導(dǎo)致電池的使用壽命的下降。因此,當(dāng)不可在溫度可控區(qū)域(例如,在具有空調(diào)的專門空間)中儲(chǔ)存電池時(shí),會(huì) 縮短電池的使用壽命,不管所達(dá)到的放電深度是多少。另外,掩埋電池(雖然這可減小電池 工作環(huán)境的熱波動(dòng))會(huì)阻礙電池的維修及后續(xù)操作,進(jìn)而縮短電池的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是,提出一種特別是集成了以下功能的緊湊型多功能光伏系 統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)換成電能,并將所產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存在單個(gè)自發(fā)裝置中,這樣便于它的集成以 及它在任何類型的場所中的安裝,不管是否將其與電網(wǎng)隔離或連接,還使得可防止其儲(chǔ)存 所產(chǎn)生的電能的能力隨著時(shí)間流逝的退化。為此,提出了一種至少包括以下部件的光伏系統(tǒng)-一個(gè)光伏電板,-電池,通過固定結(jié)構(gòu)與光伏電板機(jī)械地連接,-空間,通向光伏系統(tǒng)外部的環(huán)境,并將電池和光伏電板隔開一定距離,所述距離 至少等于大約1cm。用于隔開電池和光伏電板的空間可以形成為用于在電池和光伏電板之間循環(huán)空 氣的空間。因此,由于在系統(tǒng)(尤其是光伏電板)的操作過程中所釋放的熱量的原因,光伏系 統(tǒng)的部件不損害系統(tǒng)的其它部件的使用壽命,尤其是電池的使用壽命。因此,同樣通過限制 環(huán)境溫度的影響和在各種集成部件上接收的輻射的影響,此集成方法確保了系統(tǒng)的所有部 件之間具有相當(dāng)?shù)氖褂脡勖1景l(fā)明進(jìn)一步涉及至少包括以下部件的光伏系統(tǒng)-一個(gè)光伏電板,包括旨在接收光線的端面(face),-一個(gè)電池,通過固定結(jié)構(gòu)與光伏電板機(jī)械地連接,-一個(gè)空間,通向光伏系統(tǒng)外部的環(huán)境,形成將電池和光伏電板隔開的空氣層,空 氣層包括至少等于大約Icm的厚度,
光伏系統(tǒng)的厚度和光伏電板的所述面的一側(cè)的尺寸之間的比例小于或等于大約 1/5。因此,這種光伏系統(tǒng)具有平面形狀,即,與系統(tǒng)的其它尺寸相比具有低厚度。因此, 同樣通過限制環(huán)境溫度的影響和在各種集成部件上接收的輻射的影響,此系統(tǒng)在仍提供系 統(tǒng)的高等級緊湊性的同時(shí),可確保系統(tǒng)的所有部件之間具有相當(dāng)?shù)氖褂脡勖㈦姵睾凸夥姲甯糸_的距離(即,空氣層的厚度)可在大約Icm至30cm之間, 或在Icm至20cm之間,或在Icm至IOcm之間。因此,這種結(jié)構(gòu)還可使光伏系統(tǒng)的重量和厚度最優(yōu),并允許光伏系統(tǒng)達(dá)到低重量 和尺寸的特性,便于其運(yùn)輸、安裝和維修。空氣層的厚度和光伏電板的所述面的一側(cè)的尺寸之間的比例可小于或等于大約 1/10。光伏電板的所述面的表面可在大約0. 25m2至2m2之間。光伏系統(tǒng)的厚度和光伏電板的所述面的一側(cè)的尺寸之間的比例可在大約1/7至 1/8之間。電池可由鋰組成,和/或包括至少一個(gè)棱柱形形狀的用于儲(chǔ)存電能的元件。電池 可能是鋰離子型的,并包括幾個(gè)串聯(lián)電連接的棱柱形形狀的用于儲(chǔ)存電能的元件。利用此 鋰技術(shù),最可能的是,將電池集成在光伏系統(tǒng)中,并允許系統(tǒng)具有減小的厚度和重量,尤其 是當(dāng)電池由薄元件形成時(shí),例如棱柱形的,存在于光伏電板的表面的全部或一部分的下方。電池在平行于旨在接收光線的光伏電板的所述面的平面中所呈現(xiàn)的表面可包括 在由光伏電板的所述面在此平面中或在平行于旨在接收光線的光伏電板的所述面的另一 平面中所呈現(xiàn)的表面中。電池在平行于旨在接收光線的光伏電板的所述面的平面中所呈現(xiàn) 的表面可小于或等于光伏電板的所述面在此平面中或在平行于旨在接收光線的光伏電板 的所述面的另一平面中的的尺寸,或具有小于或等于它的尺寸。因此,光伏電板和相關(guān)的開 放空間形成屏障,其熱保護(hù)相對于由光伏電板接收的光線被布置在光伏電板后方的光伏系 統(tǒng)的其它部件。光伏系統(tǒng)可進(jìn)一步包括用于管理和/或轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的電能的電子元件,其布置在 與電池機(jī)械連接的支撐板上,支撐板被布置在電子元件和電池之間。因此,光伏系統(tǒng)包括其 所有的集成在單個(gè)裝置中的功能部件。還可將用于管理和/或轉(zhuǎn)換的元件結(jié)合在與電池相 同的平面上,在位于電板的外邊緣和電池之間的自由空間中,這些電子元件的總厚度小于 或等于光伏系統(tǒng)的總厚度。在將用于轉(zhuǎn)換和/或管理所產(chǎn)生的電能的電子元件布置在與電池機(jī)械連接的支 撐板上的情況中,光伏系統(tǒng)可進(jìn)一步包括第二空間,第二空間通向光伏系統(tǒng)外部的環(huán)境,形 成第二空氣層并將電池和支撐板隔開一定距離,所述距離至少等于lcm,此距離與第二空氣 層的厚度相對應(yīng)。更優(yōu)選地,此距離或第二空氣層的厚度可在大約Icm至30cm之間,或在 大約Icm至20cm之間,或在大約Icm至IOcm之間。因此,此空間可形成在電池和支撐板之 間循環(huán)空氣的空間,即,在電池和電子元件之間。形成于電池和電子元件之間的此空間允許 空氣的循環(huán),防止電池由于管理和/或轉(zhuǎn)換電子元件在工作時(shí)的加熱而導(dǎo)致的溫度增加。用于管理和/或轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的電能的電子元件可包括至少一個(gè)DC/DC電壓轉(zhuǎn)換 器、和/或用于能量的最佳轉(zhuǎn)換的裝置、和/或電池充電調(diào)節(jié)器、和/或接線盒、和/或電池放電調(diào)節(jié)器、和/或DC/AC電壓轉(zhuǎn)換器、和/或微控制器。由支撐板和用于管理和/或轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的電能的電子元件在平行于旨在接收光 線的光伏電板的所述面的平面中所呈現(xiàn)的表面可包括于光伏電板的所述面在此平面中或 在平行于旨在接收光線的光伏電板的所述面的另一平面中的表面中。由支撐板和用于管理 和/或轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的電能的電子元件在平行于旨在接收光線的光伏電板的所述面的平面 中所呈現(xiàn)的表面可小于或等于光伏電板的所述面在此平面中或在平行于旨在接收光線的 光伏電板的所述面的另一平面中的尺寸,或具有小于或等于它的尺寸。形成第二空氣層的此第二空間使得可由于空氣在此第二空間中的循環(huán)而特別地 冷卻電子元件,但是,當(dāng)電池老化時(shí),還使得電池膨脹。光伏系統(tǒng)進(jìn)一步包括布置于形成將電池和光伏電板隔開的空氣層的空間中的,和 /或布置于形成將電池和支撐板隔開的第二空氣層的第二空間(當(dāng)光伏系統(tǒng)包括此第二空 間時(shí))中的用于驅(qū)散和/或去除熱量的裝置。


參考附圖,當(dāng)閱讀為了提供信息的目的而提供的(絕不是限制性的)實(shí)例實(shí)施方 式的描述時(shí),將更好地理解本發(fā)明,其中圖1和圖2分別示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的自發(fā)光伏系統(tǒng)的圖示和與電網(wǎng)連接的光伏 系統(tǒng)的圖示;圖3示出了在不同工作溫度下的鋰離子電池的存儲(chǔ)容量與其初始存儲(chǔ)容量相比 的按照年份的變化;圖4示出了根據(jù)一個(gè)具體實(shí)施方式
的光伏系統(tǒng)(本發(fā)明的目的)的圖示;圖5示出了根據(jù)一個(gè)具體實(shí)施方式
的光伏系統(tǒng)(本發(fā)明的目的)的部分側(cè)橫截面 圖,圖6示出了表示光伏系統(tǒng)(本發(fā)明的目的)的部件的溫度在一天的操作期間的變 化的曲線(根據(jù)這些部件之間的間隔);圖7A和圖7B示出了根據(jù)一個(gè)具體實(shí)施方式
的光伏系統(tǒng)(本發(fā)明的目的)的橫截 面圖。在下文中描述的各張圖中的相同、相似或等效的零件具有相同的參考標(biāo)號,這樣 便于從一張圖過渡到另一張圖。不必根據(jù)統(tǒng)一比例示出圖中所示的各零件,以使這些圖更易讀。必須將各種可能性(替代方式和實(shí)施方式)理解為不是相對于彼此排他的,并可
組合在一起。
具體實(shí)施例方式參考圖4,其示出了根據(jù)一個(gè)具體實(shí)施方式
的光伏系統(tǒng)100 (本發(fā)明的目的)的圖
7J\ ο光伏系統(tǒng)100包括光伏電板102,其輸出與第一 DC/DC轉(zhuǎn)換器104電連接。將用 于能量的最優(yōu)轉(zhuǎn)換的裝置106 (也叫做MPPT或“最大功率點(diǎn)追蹤器”)與第一 DC/DC轉(zhuǎn)換器 104電連接。將第一 DC/DC轉(zhuǎn)換器104的輸出與電池充電調(diào)節(jié)器108(也叫做BCR)的輸入電連接,并通過接線盒112與第二 DC/DC轉(zhuǎn)換器110的輸入電連接。將電池充電調(diào)節(jié)器108 的輸出與電池114電連接,這里是鋰離子類型的,并與電池放電調(diào)節(jié)器116(也叫做BDR)的 輸入連接,電池放電調(diào)節(jié)器116也與電池114電連接并與第二 DC/DC轉(zhuǎn)換器110的輸入電 連接。將第二 DC/DC轉(zhuǎn)換器110的輸出與DC/AC電壓轉(zhuǎn)換器118的輸入電連接。最后,系 統(tǒng)100進(jìn)一步包括微控制器120,其具體控制MPPT 106、接線盒112、BCR 108和BDR 116。DC/DC轉(zhuǎn)換器104可適應(yīng)在光伏電板102的輸出處獲得的電壓,例如是12V,使其 與電池114的額定電壓相對應(yīng)。還利用MPPT 106控制DC/DC轉(zhuǎn)換器104。此MPPT 106可 以跟隨非線性發(fā)電機(jī)的最大功率的點(diǎn)。事實(shí)上,可將光伏電板102看作是發(fā)電機(jī),其特征I = f(U)是強(qiáng)非線性的。因此,對于相同的照明,所傳遞的功率將根據(jù)與電板102的輸出連 接的電荷(charge)而不同。因此,MPPT 106允許控制靜電轉(zhuǎn)換器(這里是DC/DC轉(zhuǎn)換器 104),其以對電荷穩(wěn)定地提供最大功率這樣的方式將電荷(這里是電池114)和光伏電板 102連接。此MPPT 106本身由微控制器120控制。微控制器120還控制接線盒112,其將所產(chǎn)生的電能引導(dǎo)至電池114,或引導(dǎo)至與 系統(tǒng)100連接的電網(wǎng)或旨在由系統(tǒng)100供能的裝置。微控制器120還控制BCR 108和BDR 116,這使得可以調(diào)節(jié)進(jìn)入電池114和從電池114出來的電功率。當(dāng)接線盒112對將被供能的裝置或網(wǎng)絡(luò)發(fā)送所產(chǎn)生的電能時(shí),或當(dāng)電池對將被供 能的裝置或網(wǎng)絡(luò)傳遞電能時(shí),電壓進(jìn)而被DC/DC轉(zhuǎn)換器110轉(zhuǎn)換,然后被DC/AC轉(zhuǎn)換器118 轉(zhuǎn)換,例如,使得可以在輸出處獲得與電網(wǎng)(例如,50Hz)同步的230V的AC電壓。圖5示出了光伏系統(tǒng)100的部分橫截面?zhèn)纫晥D。光伏電板102形成旨在接收太陽能的光伏系統(tǒng)100的正面。此正面與根據(jù)圖5所 示的軸線X和Y的平面(X,Y)平行。將系統(tǒng)100的所有部件定位在電板102的后部,并疊 加在彼此之上,形成一堆連續(xù)層,使得光伏電板102相對于這些部件形成熱保護(hù)屏。這里, 用棱柱形形狀的鋰離子元件實(shí)現(xiàn)電池114。使占據(jù)在平行于平面(X,Y)的平面中的這些鋰 離子元件的表面最大化,使得其基本上與電板102的正面的表面相對應(yīng),同時(shí)仍保持不受 到在電板102的正面上接收的光線的影響。經(jīng)由與光伏電板102連接的機(jī)械固定結(jié)構(gòu)122, 將電池114的元件與系統(tǒng)100的剩余部分保持一起。在這里描述的實(shí)例中,系統(tǒng)100進(jìn)一步包括支撐板124,例如環(huán)氧樹脂的,在其上 實(shí)現(xiàn)控制電子元件126 (例如以電子板的形式),包括結(jié)合圖4在上面描述的控制元件104, 106,108,110,112,116,118和120。電子板包括與這些元件中的每個(gè)相關(guān)并允許管理電池 的充放電及其平衡的電子塊。通過支撐板1 將電子板126擰在(screw)電池114上,用螺 釘131將其直接固定在電池的端子130上。因此,此非常短的連接防止電阻電壓降,例如, 如果使用有線連接,會(huì)出現(xiàn)電阻電壓降。因此,優(yōu)化了系統(tǒng)的能量效率和電功率。另外,這 種經(jīng)由直接擰在電池端子上的連接是非??煽康暮腿菀字圃斓?。最后,保護(hù)板1 形成光 伏系統(tǒng)100的后面。然而,可通過有線連接將電子板126與電池114連接。光伏系統(tǒng)100進(jìn)一步包括第一空間132,形成空氣層,允許系統(tǒng)100中的空氣在光 伏電板102和電池114之間循環(huán)。例如,由這些部件之間的空間132形成的距離(根據(jù)圖 5所示的軸線ζ的尺寸)在大約Icm至IOcm之間。另外,在此實(shí)例中,光伏系統(tǒng)100進(jìn)一步包括第二空間133,在電池114和支撐板 IM之間形成第二空氣層。此第二空間133使得可以在光伏電板102和支撐板IM之間(即,在光伏電板102和控制電子元件1 之間)產(chǎn)生空氣循環(huán)。將電池114保持為距離支 撐板1 一定距離,例如,在大約Icm至IOcm之間。使光伏系統(tǒng)100的各種部件重疊,并用空間132、133將它們隔開,這里,所述空間 是空的空間,空氣可以通過該空間循環(huán),其方式使得系統(tǒng)100的一個(gè)部件相對于系統(tǒng)100的 另一個(gè)部件的熱交互作用受到限制。因此,沒有部件會(huì)由于這些部件在系統(tǒng)100的操作過 程中釋放的熱量而損害其它部件的使用壽命,尤其是光伏電板102的操作和控制電子元件 126的操作,它們是通常釋放系統(tǒng)100的所有部件的大部分熱量的部件。圖6所示的曲線描述了電池114和光伏電板102的最大溫度的變化(其根據(jù)夏天 一天的時(shí)間)。曲線134和136分別示出了當(dāng)不存在空間132、133時(shí)光伏電板102和電池 144的溫度的變化,在此情況中,在光伏電板102上并在支撐板IM上繪制電池114的圖案。 曲線138和140分別示出了當(dāng)空間132、133具有等于大約Icm的厚度時(shí)光伏電板102和電 池114的溫度的變化,曲線142和146示出了當(dāng)空間132、133具有等于大約5cm的厚度時(shí) 這些相同部件的變化。曲線146示出環(huán)境溫度在這一天中的變化。這些曲線對應(yīng)于以固定方式在二維平面中進(jìn)行的研究,其中光伏電板102、電池 114和空間132、133相似,成為三個(gè)具有相同長度和相同寬度的長方體,熱量在固定結(jié)構(gòu) 122和系統(tǒng)100的剩余部分之間交換(俯視的),并且能量以在操作的電池中的熱量的形式 被消散(俯視的)。在此圖6中觀察到,所有曲線在夜里是重疊的。然而,光伏電板102的溫度由于在 光伏電板102上接收的光線的原因,隨著陽光的周期而增加。光伏電板102的溫度還由于由 電板102執(zhí)行的從太陽能到電能的轉(zhuǎn)換而增加。電池114的溫度隨著陽光的周期而增加, 并隨著電板102發(fā)出的熱量而增加。觀察到,在沒有空間132、133(曲線134,136)的情況 下,電池114的溫度基本上對應(yīng)于光伏電板102的溫度,在一天最熱的小時(shí)里,該溫度是在 大約60°C至65°C之間的溫度。與沒有空的空間132、133的結(jié)構(gòu)相比,在具有等于大約Icm 的厚度的空間132、133的情況下,光伏電板102所達(dá)到的最大溫度進(jìn)而下降大約7。C (曲線 138),電池114的最大溫度下降大約25°C (曲線140)。與沒有空間132、133的結(jié)構(gòu)相比, 對于等于大約5cm的空間132、133的厚度來說,光伏電板102所達(dá)到的最大溫度下降大約 18°C (曲線142),電池114的最大溫度下降大約33°C (曲線144)。對于空間132、133的兩 種厚度來說,電池114和電板132的日梯度(最高溫度和最低溫度之間的差)也下降。因此看到,由于存在形成空氣層的空間132、133,基本上減小了光伏電板102和控 制電子元件1 對于電池114的熱影響。電池114在其操作過程中所受到的熱約束不太嚴(yán) 重,減小了這些熱約束對其使用壽命的影響??臻g132、133還限制了光伏電板102所達(dá)到 的最大溫度,因此當(dāng)光伏電板102的效率在低溫下較好時(shí),提供了電能的較好的日產(chǎn)量。用于在光伏電板和電池之間的以及在電池和系統(tǒng)100的其它部件之間的空氣循 環(huán)的這種空間集成,使得可以在系統(tǒng)100的各種部件之間實(shí)現(xiàn)相當(dāng)?shù)氖褂脡勖掷m(xù)時(shí)間, 在15年的最小值處估計(jì),在這段周期的過程中,初始等級的性能是令人滿意的。在此之后 并直到大約30年,性能的稍微退化是可能的。為了保持減少的維修,通過電池114尺寸的 確定,將此缺點(diǎn)考慮在內(nèi),這使得可響應(yīng)在更長持續(xù)時(shí)間上的應(yīng)用的需求,如在下文中描述 的。空間132、133中的一個(gè)的厚度至少等于大約1cm,以限制光伏電板102對電池114的使用壽命的熱影響。另外,例如,將此厚度選擇為小于或等于10cm,以限制系統(tǒng)100相對 于所期望的集成等級的阻礙。圖7A和圖7B示出了系統(tǒng)100的詳細(xì)橫截面圖。在這些圖上標(biāo)記的參考標(biāo)號與圖 4和圖5中的那些相對應(yīng)。對于7. 8kg的總重量,例如,光伏電板102具有等于大約75Wc (峰值瓦特)的額定 功率,和等于大約1237mmX556mmXM. 5mm的總體尺寸。這種電板使得可以平均獲得等于 大約350Wh的電的日產(chǎn)量(具有電板的13%的效率),其是大約125千瓦時(shí)每年。通常,旨在接收光線的光伏電板102的正面的表面在大約0. 25m2至2m2之間,電板 102的側(cè)面的尺寸(例如矩形形狀的和可能伸長的或正方形的)在大約0. 5m至an之間。 光伏電板102的輸出功率(其與旨在接收光線的表面和所使用的技術(shù)直接成正比)在幾十 W和大約250W之間。電板102可包括由單晶硅、多晶硅、非晶硅,和/或薄層組成的光伏電 池。最后,可將電板102固定在金屬框上,或以太陽能瓦片的形式集成。電板102的厚度可 在大約24mm至50mm之間。通過考慮可由光伏電板102產(chǎn)生的電的量以及旨在在電池114中循環(huán)的能量流, 來執(zhí)行電池114的尺寸確定。例如,這種光伏系統(tǒng)100旨在,當(dāng)其用于連接至電網(wǎng)的家庭并且該家庭平均消耗 大約2kW時(shí),處理在中午出現(xiàn)的消耗峰值(IOOOWh)和在晚上出現(xiàn)的消耗峰值(2000Wh)。在 斷電的情況中(例如,半小時(shí)大約lOOOWh),光伏系統(tǒng)100還可另外提供供電。例如,可對這 個(gè)家庭家提供25個(gè)與光伏系統(tǒng)100相似的光伏系統(tǒng),每個(gè)光伏系統(tǒng)包括這樣的光伏電板, 其額定功率等于大約75Wc,對于25個(gè)光伏電板來說,總共是1875Wc。例如,代表這個(gè)家庭的光伏系統(tǒng)的操作的循環(huán)進(jìn)行4天。第一天,每個(gè)光伏系統(tǒng)可 產(chǎn)生大約350Wh。當(dāng)將電池初始地充電至100%時(shí),則在家庭中消耗所產(chǎn)生的電能,或?qū)⑵?銷售至電網(wǎng)管理者。電池提供了夜晚的過度消耗,其大約是每個(gè)光伏系統(tǒng)80Wh。第二天,系 統(tǒng)不發(fā)電(沒有陽光)。在此情況中,電池在中午和夜晚提供過度消耗,以及對于電網(wǎng)的半 小時(shí)斷電提供2kW的消耗,其是每個(gè)光伏系統(tǒng)一共160Wh。第三天,光伏系統(tǒng)不發(fā)電(沒有 陽光)。電池在中午和夜晚提供過度消耗,其是每個(gè)光伏系統(tǒng)大約120kW。第四天,每個(gè)光 伏系統(tǒng)產(chǎn)生大約350Wh。用光伏電板所產(chǎn)生的所有電對電池重新充電。因此,根據(jù)此工作循環(huán)看到,可用的電能等于大約350Wh。為了在使用壽命的最后 提供此值,因此電池的初始存儲(chǔ)容量等于大約480Wh。在圖7A和圖7B所示的實(shí)例中,電池114由15個(gè)棱柱形形狀的鋰離子元件形成, 使得可以覆蓋平面(X,Y)中的光伏電板102的可用表面的大部分。電池114的每個(gè)元件的 尺寸如下所述寬度(按照軸線y的尺寸)=185mm ;長度(按照軸線χ的尺寸)=145mm ; 厚度(按照軸線ζ的尺寸)=10mm。這些元件中的每個(gè)具有IOAh的額定容量??筛鶕?jù)電 池114(這里,例如是鋰離子電池)的技術(shù)特性,來具體選擇這些元件的數(shù)量、尺寸和布置 方式,限定元件的額定電壓,并由此使得可以獲得特定的能量。通常,電池的厚度可在大約 IOmm至40mm之間。另外,使得電池114與光伏電板102機(jī)械連接的固定結(jié)構(gòu)122的元件平 行于電板102和電池114的厚度可具有在大約IOmm至25mm之間的尺寸。這里,系統(tǒng)100的總重量小于30kg。其長度和寬度的尺寸(按照軸線χ和y的尺 寸)與單個(gè)光伏電板102的長度和寬度相應(yīng),例如,等于長度1237mm,寬度556mm。例如,系統(tǒng)100的總厚度等于大約60. 5mm,并且可以在大約60mm至240mm之間。通常,將根據(jù)光伏系統(tǒng)必須滿足的能量需求來選擇電池的尺寸、結(jié)構(gòu)和元件數(shù)量, 不管是對于獨(dú)立型的應(yīng)用(例如,城市設(shè)備),或?qū)τ谂c如實(shí)例所示的網(wǎng)絡(luò)連接的類型。光 伏系統(tǒng)的功率越高(以及由此而來的很大的表面),電池114的容量將越高,空氣層將越厚, 并且固定結(jié)構(gòu)將越大。對于低功率光伏電板(其側(cè)面尺寸等于大約0.5m),例如,系統(tǒng)的厚 度等于大約66mm。因此,光伏系統(tǒng)的厚度和光伏電板的正面的一側(cè)的尺寸之間的比例等 于大約1/7。對于高功率光伏電板(其側(cè)面尺寸等于大約2m),例如,系統(tǒng)的厚度等于大約 MOmm。因此,光伏系統(tǒng)的厚度和光伏電板的正面的一側(cè)的尺寸之間的比例等于大約1/8。之前描述的空間132、133是空的,以允許光伏系統(tǒng)中的空氣循環(huán)(具體地在電池 周圍)。在一個(gè)替代方式中,空間132、133可以不是空的,但是包括用于去除或消散熱量的 裝置,其可以布置在釋放熱量的部件上,例如光伏電板102或控制電子元件126(或支撐板 124)。例如,這種裝置可包括散熱葉片,和/或使得可以改進(jìn)散熱和/或加速將熱量去除至 光伏系統(tǒng)100的外部的任何其它裝置。
權(quán)利要求
1.一種光伏系統(tǒng)(100),至少包括-一個(gè)光伏電板(102),包括旨在接收光線的面;-一個(gè)電池(114),通過固定結(jié)構(gòu)(122)機(jī)械地連接至所述光伏電板(102);-一個(gè)空間(132),通向所述光伏系統(tǒng)(100)外部的環(huán)境,形成空氣層,所述空氣層將所 述電池(114)和所述光伏電板(102)隔開并包括至少等于大約Icm的厚度;所述光伏系統(tǒng)的厚度與所述光伏電板的所述面的一側(cè)的尺寸之間的比例小于或等于 大約1/5。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏系統(tǒng)(100),其中,所述空氣層(132)的厚度在大約Icm 至IOcm之間。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光伏系統(tǒng)(100),其中,所述空氣層(132)的厚度 與所述光伏電板的所述面的一側(cè)的尺寸之間的比例小于或等于大約1/10。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光伏系統(tǒng)(100),其中,所述光伏電板的所述面 的表面在大約0. 25m2至2m2之間。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光伏系統(tǒng)(100),其中,所述光伏系統(tǒng)的厚度與 所述光伏電板的所述面的一側(cè)的尺寸之間的比例在大約1/7至1/8之間。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光伏系統(tǒng)(100),其中,所述電池(114)由鋰組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光伏系統(tǒng)(100),其中,所述電池(114)包括至少一個(gè)棱柱形 形狀的用于儲(chǔ)存電能的元件。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光伏系統(tǒng)(100),其中,所述電池(114)是鋰離子 類型的,并包括串聯(lián)電連接的棱柱形形狀的用于儲(chǔ)存電能的多個(gè)元件。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光伏系統(tǒng)(100),其中,由所述電池(114)在平行 于所述光伏電板(102)的所述面的平面中所呈現(xiàn)的表面小于或等于所述光伏電板(102)的 所述面在此平面中的表面。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光伏系統(tǒng)(100),進(jìn)一步包括用于管理和/或轉(zhuǎn) 換所產(chǎn)生的電能的電子元件(1 ),所述電子元件(126)布置在與所述電池(114)機(jī)械連接 的支撐板(124)上,所述支撐板(124)布置在所述電子元件(1 )與所述電池(114)之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光伏系統(tǒng)(100),進(jìn)一步包括第二空間(133),所述第二 空間通向所述光伏系統(tǒng)(100)外部的環(huán)境,形成第二空氣層,所述第二空氣層將所述電池 (114)和所述支撐板(124)隔開并包括至少等于大約Icm的厚度。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光伏系統(tǒng)(100),其中,所述第二空氣層(133)的厚度在大 約Icm至IOcm之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12中任一項(xiàng)所述的光伏系統(tǒng)(100),其中,用于管理和/或轉(zhuǎn) 換所產(chǎn)生的電能的電子元件(126)至少包括DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器(104、110)、和/或用于能量 的最優(yōu)轉(zhuǎn)換的裝置(106)、和/或電池充電調(diào)節(jié)器(108)、和/或接線盒(112)、和/或電池 放電調(diào)節(jié)器(116)、和/或DC/AC電壓轉(zhuǎn)換器(118)、和/或微控制器(120)。
14.根據(jù)權(quán)利要求10至13中任一項(xiàng)所述的光伏系統(tǒng)(100),其中,由所述支撐板(124) 和用于管理和/或轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的電能的電子元件(126)在平行于所述光伏電板(10 的所 述面的平面中所呈現(xiàn)的表面小于或等于所述光伏電板(10 的所述面在此平面中的表面。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光伏系統(tǒng)(100),進(jìn)一步包括驅(qū)散和/或去除熱 量的裝置,所述驅(qū)散和/或去除熱量的裝置布置于將所述電池(114)和所述光伏電板(102) 隔開的空氣層(132)中、和/或當(dāng)所述光伏系統(tǒng)(100)包括此第二空氣層(132)時(shí)布置于 將所述電池(114)和所述支撐板(124)隔開的第二空氣層(133)中。
全文摘要
披露了一種光伏系統(tǒng)(100),至少包括一個(gè)光伏電板(102),包括旨在接收光線的面;一個(gè)電池(114),通過固定結(jié)構(gòu)(122)與光伏電板機(jī)械地連接;一個(gè)空間(132),通向光伏系統(tǒng)外部的環(huán)境,形成空氣層,空氣層將電池和光伏電板隔開并包括至少等于大約1cm的厚度,光伏系統(tǒng)的厚度和光伏電板的所述面的一側(cè)的尺寸之間的比例小于或等于大約1/5。
文檔編號H02J7/35GK102150341SQ200980135858
公開日2011年8月10日 申請日期2009年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月12日
發(fā)明者埃萊娜·勞奧爾特, 西爾維·吉尼斯 申請人:法國原子能及替代能源委員會(huì)
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