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CN109643737A - 太阳能模块和发电系统 - Google Patents

太阳能模块和发电系统 Download PDF

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CN109643737A
CN109643737A CN201780051123.XA CN201780051123A CN109643737A CN 109643737 A CN109643737 A CN 109643737A CN 201780051123 A CN201780051123 A CN 201780051123A CN 109643737 A CN109643737 A CN 109643737A
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M·奥普夫
B·穆勒
O·普里奥尔
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SMA Solar Technology AG
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SMA Solar Technology AG
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Abstract

描述了一种太阳能模块(1)，具有：布置在端子(3)之间的旁路二极管(4)的串联电路，该旁路二极管的串联电路总是在旁路二极管串联电路的两端和所有连接点处具有旁路端子(4.1‑4.4)；以及太阳能子模块(6)的串联电路(2)，该太阳能子模块的串联电路总是在太阳能模块串联电路的两端和所有连接点处具有子模块端子(6.1‑6.4)。每个旁路二极管(4)恰好与一个太阳能子模块(6)相关联。用于在保险单元(5)接收到断开信号时断开太阳能模块端子(6.1‑6.4)的电压的多个半导体开关(8.1‑8.4、9.1‑9.4)被设置用于将与它们相关联的太阳能子模块切换成无电压或无电流。至少一个旁路端子(4.1‑4.4)直接与相关联的子模块端子(6.1‑6.4)连接，并且至少一个旁路端子(4.1‑4.4)经由半导体开关(8.1‑8.4)中的一个与相关联的子模块端子(6.1‑6.4)连接。此外，还描述了具有这种太阳能模块(1)的发电系统。

Description

太阳能模块和发电系统
描述
本发明涉及具有独立断开的子模块的太阳能模块，以及使用这种太阳能模块的发电系统。
在光伏发电系统中，各个太阳能模块彼此串联或并联连接，以便随后提供其值比单个太阳能模块高得多的电压和电流。在发生故障或危险的情况下，期望响应于断开信号分开该连接，从而确保不会在发电系统的任何点处出现危险的电压。
因此，从文档DE 10 2006 060 815A1中已知，给每个太阳能模块配备自身的断路开关或短路器，其响应于由逆变器发射的断开信号将相关联的太阳能模块切换成无电压(spannungsfrei)。在这种情况下，断路开关或短路器必须至少依据太阳能模块的总空载电压(通常为80伏)进行设计。成本更低且操作更可靠的变型应当在任何情况下均可以将组成太阳能模块的各个子模块切换成无电压，使得可以使用便宜得多的开关，这些开关仅须依据子模块的空载电压(通常为30伏)进行设计。
因此，例如可以使用在WO 2006/125664A1中公开的用于在各个太阳能模块的遮蔽情况下使用的有源旁路二极管，这些旁路二极管具有合适的半导体开关，通过这些旁路二极管也可桥接子模块。然而，这样导致的缺点在于，太阳能模块在激活桥接时可能对控制半导体开关的安全电路的供电没有任何帮助，使得必须动用其他的能源，这会导致额外的成本。
因此，本发明的任务在于，提供太阳能模块或发电系统，该太阳能模块或发电系统在所需的断开情况下满足安全标准且可以低成本地生产。
该任务通过独立权利要求1的太阳能模块以及并列的权利要求10的发电系统来实现。分别参考这些权利要求的从属权利要求显示出本发明的优选实施方式。
本发明的一个方面涉及太阳能模块，该太阳能模块具有布置在端子之间的旁路二极管的串联电路，该旁路二极管的串联电路总是在旁路二极管串联电路的两端和所有连接点处具有旁路端子。此外，该太阳能模块还包括太阳能子模块的串联电路，该太阳能子模块的串联电路总是在太阳能模块串联电路的两端和所有连接点处具有子模块端子，其中每个旁路二极管恰好与一个太阳能子模块相关联。设置了多个半导体开关，以用于在保险单元接收到断开信号时断开太阳能模块端子的电压，其中多个半导体开关中的每一个均被设置用于将与其相关联的太阳能子模块切换成无电压(spannungslos)或无电流(stromlos)。因此，至少使用和现有的太阳能子模块一样多的半导体开关。至少一个旁路端子直接与相关联的子模块端子连接，并且至少一个旁路端子经由半导体开关中的一个与相关联的子模块端子连接。通过这种类型的连接确保了，即使太阳能模块被切换成无电压或无电流，始终至少一个太阳能子模块不被短路。有利地，设置了保险单元以用于自未被短路的子模块两端下降的电压进行能源供应，使得它不需要任何独立的能源供应。即使在太阳能模块被遮蔽的情况下，其中电流在太阳能模块端子两端经由旁路二极管的串联电路被引导，可以通过打开将旁路端子与子模块端子连接的半导体开关来实现太阳能子模块的串联电路处的足以用于给保险单元供电的电压降。
优选地，半导体开关、保险单元和半导体二极管可以作为模块电子器件在太阳能模块背面安置在壳体(例如，接线盒)中，并且可以与在那里从太阳能模块突出来的太阳能模块串联电路的子模块端子连接。通常，商用的太阳能模块具有三个太阳能子模块，但是本发明也可以在其他数量的太阳能子模块的情况下实施。
半导体开关的数量可以对应于太阳能子模块的数量，使得每个子模块都恰好可以通过半导体开关中的一个切换成无电流或无电压。但多个半导体开关也可以与一个太阳能子模块相关联，并且该太阳能子模块通过交替的控制或通过补充性的控制来切换成无电流或无电压。
通过在每种情况下半导体开关都将相关联的太阳能子模块切换成无电压或无电流，可以将所有半导体开关或半导体开关中的至少一些的最大电压负荷限定于太阳能子模块的空载电压。由此，能够实现使用比必须通过开关将整个太阳能模块切换成无电压这种情况便宜得多的半导体开关。因此，也可以选择具有较低的内阻的开关，使得即使在正常操作情况下也可以降低电损耗，从而也可以特别地改进所使用的部件的热负荷。
有利地，在太阳能模块中，通过半导体开关中的一个桥接至少一个旁路二极管，在接收到断开信号时该半导体开关被保险单元闭合，以便使相关联的太阳能子模块短路并从而使其无电压。优选地，被短路的太阳能子模块位于太阳能模块的串联电路的内部位置，也就是不位于串联电路的任何端部处。可以设想，当桥接的旁路二极管导通电流时，例如由相关联的太阳能子模块的遮蔽所致，也闭合半导体开关。在此，该半导体开关然后如同有源续流二极管一样作用，并降低旁路二极管两端的电压降，这反过来又导致旁路二极管和整个模块电子器件的热释放。
在本发明的优选实施方式中，将至少一个旁路端子与相关联的子模块端子连接的半导体开关直接与太阳能模块端子中的一个连接。通过这种方式，当太阳能模块被切换成无电压时，太阳能模块串联电路的一端的太阳能子模块也可以提供用于保险单元的电源电压。然后，一部分或所有剩余的太阳能子模块可以通过桥接旁路二极管的半导体开关被短路，以便将太阳能模块切换成无电压。在有利的实施方案中，每个太阳能模块端子分别与将旁路端子与相关联的太阳能子模块端子连接的半导体开关直接连接，使得两个外部的，即最靠近太阳能模块端子的太阳能子模块随后可以为保险单元提供电源电压。优选地，布置在这两个太阳能子模块之间的一个或更多个太阳能子模块随后被实施成可被桥接相关联的旁路端子的半导体开关短路。
如果太阳能子模块被实施成可由桥接相关联的旁路端子的半导体开关短路，则优选地是，将这些旁路端子直接与相关联的子模块端子连接，即在连接中不设置半导体开关。相邻的太阳能子模块随后也可以被实施成可短路的太阳能子模块，或半导体开关在相邻的太阳能子模块的背离被实施成可短路的太阳能子模块的一侧布置在相应的子模块端子和旁路端子之间。通过这种方式，相应的半导体开关在其耐压强度方面仅需要依据太阳能子模块的空载电压进行设计。
如果需要操作安全性，则桥接旁路二极管的第一半导体开关可与另一冗余的半导体开关并联连接。二者都可以由保险单元共同操作，或者仅当第一半导体开关不能正常工作时才操作冗余的半导体开关。有利地，分别将常开开关和常闭开关用于第一半导体开关和另一冗余的半导体开关。通过这种方式，当保险单元例如在黄昏阶段不能被充分地供应能量时，也可以使太阳能子模块短路。同时，也可以使用相比于常闭开关内阻较低的常开开关以减少损耗。然而，也可以设想，通过将保险单元设计成使得其已准备好在由太阳能子模块产生的低电压下操作并将与旁路二极管并联布置的一个或更多个半导体开关闭合，从而由与这些半导体开关相关联的太阳能子模块产生的电压不施加在太阳能模块端子上，来避免使用冗余的半导体开关。
半导体开关可以实施成IGBT或场效应晶体管，特别是MOSFET，并且具有本征续流二极管或单独的续流二极管。这些半导体开关可被实施成常开晶体管或常闭晶体管，其中优选地，布置在旁路端子和子模块端子之间的半导体开关可以是常闭开关，并且优选地，与旁路二极管并联布置的半导体开关可以是常开开关。
优选地，根据本发明的太阳能模块可以用在发电系统内。特别地，可以根据本发明实施发电系统的所有太阳能模块。断开信号可以被集中地生成，从而可以在需要时快速且可靠地将所有太阳能模块切换成无电压。
断开信号也可以实施成危险防御信号(Totmanns-Signal)，使得在太阳能模块在预定的时间内没有接收到危险防御信号之后太阳能模块切换成无电压。
除了断开信号之外，根据本发明的太阳能模块的保险单元还可以被设置用于接收用于降低电压的信号。在接收到该信号时，保险单元可以有针对性地通过控制与部分子模块相关联的半导体开关将这部分子模块从发电过程中移除，从而使施加到所述太阳能模块端子上的电压降低。还可以设想，保险单元例如通过将在太阳能子模块两端下降的电压与预定的阈值进行比较，来独立地执行将各个太阳能子模块从发电过程中移除，使得在超过阈值时通过保险单元对半导体开关执行降低电压的控制。
在发电系统内通常存在彼此并联连接的太阳能模块的多个串联电路。在这样的配置中，考虑反向电流的情况也是重要的，即与正常的工作电流相反的电流方向，该反向电流在一个串的电压超过另一个串的空载电压时产生。根据本发明的太阳能模块也可能会出现这种情况，因为太阳能模块在接收到断开信号时不会同时转到无电压状态。这可能导致显著的反向电流，必须对其加以控制。因此，在根据本发明的太阳能模块中有利地，首先打开布置在旁路端子和子模块端子之间的半导体开关。与旁路二极管并联布置的半导体开关仅在确保没有反向电流流经太阳能模块时才打开。例如，当与旁路二极管并联布置的一个或更多个半导体开关两端下降的电压等于太阳能模块端子之间的电压降时，满足该条件。优选地，对这些条件的检查由保险单元执行。
此外，在反向电流的情况下，闭合布置在旁路端子和子模块端子之间的半导体开关也是有利的，以便减少由流过其续流二极管的电流引起的损耗。下面将借助附图更详细地解释本发明及其实施方式变型中的一些，其中
图1示出了根据本发明的太阳能模块的第一实施方式，
图2示出了根据本发明的太阳能模块的第二实施方式，
图3示出了根据本发明的太阳能模块的第三实施方式，
图4示出了根据本发明的太阳能模块的第四实施方式，以及
图5示出了根据本发明的太阳能模块的第五实施方式。
图1示出了根据本发明的太阳能模块1，在该太阳能模块的太阳能模块端子3之间布置了旁路二极管4的串联电路。在旁路二极管4之间设置了旁路端子4.1至4.4，这些旁路端子直接地或经由半导体开关8.1和8.4与相应的子模块端子6.1至6.4连接。子模块端子6.1至6.4是三个子模块6的串联电路2的电端子，这三个子模块又可以具有多个太阳能电池的串联电路。子模块端子6.1至6.4布置在子模块6的两端或其间的连接点处。另外，中间的旁路二极管4可以经由与其并联布置的半导体开关9.2桥接。
半导体开关8.1、8.4和9.2由保险单元5共同控制。在操作情况下，半导体开关8.1和8.4闭合，而半导体开关9.2打开。在这种情况下，如果总电压为正，则在太阳能模块端子3处提供子模块6的总电压。只有在例如可能会在太阳能模块1被遮蔽的情况下发生的总电压为负时，如果该太阳能模块作为串的一部分与其他太阳能模块串联并平行于其他串布置时，经由太阳能模块端子馈入的串电流流经旁路二极管4的串联电路或流经该串联电路的一部分。
在危险情况下或者当由于其他原因看起来是合乎需要的，保险单元5接收太阳能模块1应该切换到无电压状态的信号。在这种情况下，保险单元5通过相应的开关信号11致使半导体开关8.1和8.4打开并且半导体开关9.2闭合。通过闭合半导体开关9.2使串联电路2的相关联的中间的子模块6短路，而串联电路2的外部的子模块6被置于空载，即被置于无电流的状态。由此，太阳能模块端子3被切换成无电压。
即使仍然经由太阳能模块端子3驱动串电流，但在太阳能模块端子3之间还会产生高达旁路二极管4的二极管导通电压的值的两倍的最大电压降。在本发明中，这种类型的低电压降也被称为无电压状态。
在太阳能模块的无电压状态下，在打开的半导体开关8.1和8.4的两端，在子模块6的空载电压水平的最大电压下降。由此，这对于所使用的所有半导体开关8.1、8.4和9.2，可以使用具有在子模块的空载电压水平的最大工作电压的开关。不需要依据整个太阳能模块1的空载电压或甚至更高的值(例如，依据最大串电压)来设计半导体开关，由此使所使用的半导体开关的成本减少到可使整个太阳能模块1短路或断开的半导体开关的成本的一小部分。
为了向保险单元5供电，通过供电线路12将保险单元与子模块端子6.1和6.4连接。在太阳能模块1的操作情况下和无电压状态下，在子模块端子6.1和6.4之间，足够用于保险单元5的能源供应的电压(在这种情况下至少为子模块电压的值的两倍)下降。因此不需要独立的能源供应，例如电池。当然，也可以设想，在子模块端子6.1和6.2之间或在子模块端子6.3和6.4之间设置供电线路12，并且仅使用子模块6中的一个来向保险单元5供电。
优选地，模块电子器件7，在此包括半导体开关8.1、8.4和9.2以及保险单元5和旁路二极管4，共同在太阳能模块1的背面安置在接线盒中，并在那里与从太阳能模块1中突出来的子模块端子6.1至6.4连接。
在图2中示出了根据本发明的太阳能模块1的变型。设置了与另一旁路二极管4并联布置的半导体开关9.3替代图1中的半导体开关8.4。子模块端子6.4直接与旁路端子4.4连接。为了简单呈现起见，保险单元5未在图2中示出，但应包括在内。可选地，冗余的另外的半导体开关9.2'和9.3'可以分别与两个同旁路二极管4并联布置的半导体开关9.2和9.3并联连接，该冗余的另外的半导体开关也以与半导体开关9.2和9.3相同的方式由保险单元5控制。另外的半导体开关9.2'和9.3'用于确保即使在分别并联连接的半导体开关9.2和9.3发生故障的情况下在太阳能模块端子3之间也不会产生电压。当确定半导体开关9.2和/或9.3发生故障时，另外的半导体开关9.2'、9.3'可以与并联连接的半导体开关9.2和9.3一起被控制，或者替代并联连接的半导体开关被控制。
在半导体开关的这种布置中也确保了比子模块6的空载电压高的电压在任何半导体开关的两端都不下降。同时，即使在太阳能模块的无电压状态下也可以从子模块6的串联电路2中产生用于保险单元5的电源电压，使得不必设置用于保险单元5的额外的能源供应。
在所有的实施方式中，当确定电流流经旁路二极管4时，在操作情况下也可以闭合与旁路二极管4并联连接的半导体开关。因此，可以降低旁路二极管4产生的热负荷，从而可以省去或减少用于冷却模块电子器件的费用。在图3中示出了三个半导体开关8.1、8.2和8.4的布置，这些半导体开关都布置在子模块端子6.1至6.4和旁路端子4.1至4.4之间的相应的连接路径中。在该实施方案中，不同于半导体开关8.2和8.4，在半导体开关8.1两端可以下降模块的空载电压的两倍，这在设计半导体开关8.1至8.4时应予以考虑。尽管如此，可以通过更便宜的半导体开关来实现成本节约。
图4中示出的半导体开关8.1至8.3的布置与图3中所示的布置的不同之处仅在于，现在布置在子模块端子6.3和旁路端子4.3之间的半导体开关8.3替换半导体开关8.4。由此，半导体开关8.2应依据太阳能子模块6的两倍的空载电压进行设计，而半导体开关8.1应依据太阳能子模块6的三倍的空载电压进行设计。这种布置的特别的优点在于，所有的半导体开关8.1至8.3处于高于旁路端子4.4处的电位的电位。通过这种方式，使得特别易于通过保险单元5产生用于半导体开关的控制电压。
基于图4中的半导体开关的布置，在根据图5的实施方式中，可以添加一个、两个或三个半导体开关9.1，9.2和9.3，这些半导体开关分别与一个旁路二极管4并联连接。此外，还可以再次添加图3的半导体开关8.4。由此，当太阳能模块1置于无电压的状态时，可以降低半导体开关8.1至8.4上的最大电压负荷，同时提高太阳能模块1的操作安全性。特别地，可以设想保险单元5首先打开半导体开关8.1至8.4中的那些半导体开关并闭合半导体开关9.1至9.3中的那些半导体开关，使得产生可通过上述用较少的半导体开关实现无电压状态的实施方式来实现的开关配置中的一个。随后，保险单元5检查是否已经达到无电压状态，或者例如由于半导体开关的缺陷仍然有电压施加在太阳能模块端子3上。如果是后者这种情况，则保险单元5变为上述开关配置中的另一开关配置。这可以一直继续，直到找到能够实现无电压状态的开关配置为止。保险单元5可以存储非功能性的开关配置，必要时转发到上级单元，并且将来不再继续使用这些非功能性的开关配置。
在基于太阳能模块1的正常操作状态的示例中，在该正常操作状态下半导体开关8.1至8.4闭合且半导体开关9.1至9.3打开，保险单元5可以在要求变到无电压状态时首先打开半导体开关8.1和8.4并闭合半导体开关9.2，从而转到图1中公开的开关配置。如果通过这种方式不能实现无电压状态，则保险单元闭合开关9.3，从而转到根据图2的开关配置。因此，可以采用另外的连续的开关组合以便实现无电压状态，直到转到所有的半导体开关9.1至9.4闭合且所有的半导体开关8.1至8.4打开的配置。因此，当模块电子器件中的一个或更多个部件不能正常工作时，太阳能模块1也可以被置于无电压状态。
参考标记列表
1 太阳能模块
2 串联电路
3 端子
4 旁路二极管
4.1-4.4 旁路端子
5 保险单元
6 太阳能子模块
7 模块电子器件
6.1-6.4 子模块端子
8、8.1-8.4 半导体开关
9、9'、9.1-9.3 半导体开关
11 开关信号
12 供电线路

Claims (10)

1.一种太阳能模块(1)，具有：布置在端子(3)之间的旁路二极管(4)的串联电路，所述旁路二极管的串联电路总是在所述旁路二极管串联电路的两端和所有连接点处具有旁路端子(4.1-4.4)；和太阳能子模块(6)的串联电路(2)，所述太阳能子模块的串联电路总是在所述太阳能模块串联电路的两端和所有连接点处具有子模块端子(6.1-6.4)，其中，每个旁路二极管(4)恰好与一个太阳能子模块(6)相关联；以及多个半导体开关(8.1-8.4、9.1-9.4)，所述多个半导体开关用于在保险单元(5)接收到断开信号时断开所述太阳能模块端子(6.1-6.4)的电压，
其中，
所述多个半导体开关(8.1-8.4、9.1-9.4)中的每一个半导体开关被设置用于将与其相关联的太阳能子模块切换成无电压或无电流，以及至少一个旁路端子(4.1-4.4)直接与相关联的所述子模块端子(6.1-6.4)连接，并且至少一个旁路端子(4.1-4.4)经由所述半导体开关(8.1-8.4)中的一个半导体开关与相关联的所述子模块端子(6.1-6.4)连接。
2.根据权利要求1所述的太阳能模块(1)，包括恰好三个太阳能子模块(6)。
3.根据权利要求1或2所述的太阳能模块(1)，其中，所述半导体开关(8.1-8.4、9.1-9.4)的数量对应于所述太阳能子模块(6)的数量。
4.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能模块(1)，其中，至少一个旁路二极管(4)通过所述半导体开关(9.1-9.3)中的一个半导体开关桥接。
5.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能模块(1)，其中，将所述至少一个旁路端子(4.1-4.4)与相关联的所述子模块端子(6.1-6.4)连接的所述半导体开关(8.1、8.4)直接与所述太阳能模块端子(3)中的一个太阳能模块端子连接。
6.根据权利要求4所述的太阳能模块(1)，其中，每个太阳能模块端子(3)分别与将旁路端子(4.1-4.4)与相关联的所述太阳能子模块端子(6.1-6.4)连接的半导体开关(8.1、8.4)直接连接。
7.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能模块(1)，其中，所述保险单元(5)被设置用于从所述太阳能子模块(6)的电压进行能源供应。
8.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能模块(1)，其中，通过所述半导体开关(9.1-9.3)中的一个半导体开关桥接的所述至少一个旁路二极管(4)的两个旁路端子(4.1-4.4)分别直接与相关联的所述子模块端子(6.1-6.4)连接。
9.根据权利要求7所述的太阳能模块(1)，其中，桥接所述旁路二极管(4)的所述半导体开关(9.1-9.3)与另一冗余的半导体开关(9.1'-9.3')并联连接。
10.一种发电系统，包括根据前述权利要求中任一项所述的太阳能模块(1)的串联电路(2)。
CN201780051123.XA 2016-09-13 2017-09-13 太阳能模块和发电系统 Pending CN109643737A (zh)

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EP (1) EP3513438B1 (zh)
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