[发明专利]先进的可再生能量收获

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请要求根据2008年12月18日提交的美国专利申请12/338,610而享有优先权，并且要求享有2007年12月21日提交的名为“Packaging Assembly，and Mounting of Photovoltaic Solar Panels”的美国临时专利申请序列号61/016,365的权益，上述申请在这里被全部引入作为参考。

技术领域

本发明一般而言涉及可再生能量电力管理领域。更为特别的是，本发明涉及DC能源系统的电力产生、电力转换和电力管理。

背景技术

在广泛使用的所有燃料中，燃煤能量基本产生最高的温室气体排放量。美国当前使用燃煤燃料来提供大约一半的国家电力。当前，美国正在不断寻求发现廉价有效的方式，以便产生自己的清洁能源，从而改善环境以及实现能源独立。

向更多节能政策的转移也可以创建新的工作职位。例如，由于采取节能政策，在1977年到2007年间在加利福尼亚创建了接近一百五十万个工作职位。该州的政策将雇员酬偿提高了446亿美元。

太阳能是最为清洁的可用能源之一。以电磁辐射的形式从太阳那里获取阳光，并通过使用光伏(PV)电池将其生成为直流电(DC)。PV电池由诸如硅之类的半导体制成，并且采用半导体阵列、薄膜、墨水或其他材料的形式制造。单个PV电池可以被汇聚，互连在一起，然后被封装到具有一定大小和尺寸的太阳能电池板中，该电池板处于坚固且环境密封的外壳内部，所述外壳适于物理装配和/或安装在住宅、商业场所、车辆、屋顶以及其他场所。

DC具有电流(I)和电压(V)。由太阳能电池板或串联电池板群组产生的电流与输出电压之间的关系可以作为一组IV曲线而被绘制或图示在XY轴上。太阳能电池板的输出电流I呈现出与光谱功率密度或在指定时间照射该电池板的日光等级(光谱辐照度)的直接关系，并且有可能相对于很小的辐射度改变而发生急剧变化。在串联连接一定数量的此类太阳能电池板的典型情形中，电流等级最低的太阳能电池板将会规定或设置流经该串联电路的电流。由于受限于性能最差的电池板，串联电池板有可能损失高达60％的能量。

图1示出的是一种与受限于电流等级最低的太阳能电池板的串联太阳能电池板相关的问题。在晴天，所有电池板可以接收到相同等级的日光。然而，如果天空中有云100，那么这些云有可能将电池板110局部变暗。由此，即使某些电池板可以接收到几乎所有日光120，但由于该系统是串联连接的130，因此，电流将会受限于性能最差的电池板110。

通过引入最大功率点追踪(MPPT)算法，用来优化可供收获的总电力，以将电力输出保持在指定系统或串电流可能实现的最大等级，由此获得太阳能电池板阵列的最佳电力。通常，实施这种MPPT功能所需要的电子设备和任何软件都被引入到了网联式PV系统的系统DC-AC转换功能(DC-AC转换器)的实施方式中，或者充当用于离网型太阳能应用的蓄电池充电和控制系统中的组件。全局的MPPT算法只提供了整个串的平均工作点，而不是最大值。而经过优化的系统则为每个电池板提供MPPT功能，从而顾及单个电池板的最优工作点以及电池板工作特性的变化性。

串转换器必须能够适应具有不同数量的互连电池板以及多种电池板类型的串。由于这些变化性，串联系统中使用的传统DC-AC转换器遭遇到了很高的应力和热量等级，由此导致在前六个月内出现了百分之一的故障率。

目前业已实施了各种方法来将能量输出最大化。例如，在美国专利7,158,395中，开发了一种外部电压反馈回路来追踪上升电源的趋势，并且相应地调整MPPT算法。由于电池板的串联连接，这种方法会受到在任何时间点可以收获的总的或最大系统电力方面的限制，而且该方法还会遭遇到流经这种串联电路的电流不能大于由电池板以最小输出电流产生的电流的要求。

美国公开号2008/0097655论述了为每一个太阳能电池板计算单独的MPPT以优化功率产生。[0026]这些面板单独为总线供电。[0026]在该总线上将有关于每一个电池板的信息传送至管理单元，所述管理单元则使用TCP/IP协议来与网络相连。[0020]-[0021]该管理单元为系统部件提供监视和控制。

[0020]

设计串联电池板系统是非常耗时的。所有电池板必须来自同一制造商并具有相同的模型或功率额定值，多个串联的电池板串必须具有相同长度或包含相同数量的电池板，与太阳的方位不同的电池板必须作为单独的子系统来处理，并且现有设备的添加件作为添加了完全独立的子系统来处理。