Усовершенствованное устройство модуля солнечной батареи для генерации электроэнергии
Усовершенствованное устройство для генерации солнечной энергии, включающее по меньшей мере один модуль солнечной батареи. Солнечные элементы в модуле солнечной батареи соединены между собой в конфигурации матричной сетки. Согласно изобретению солнечные элементы в каждом из рядов сетки солнечных элементов расположены либо в порядке стабильно возрастающих максимальных значений мощности, которые упомянутые солнечные элементы способны генерировать, причем максимальное значение мощности солнечного элемента в любом конкретном ряду больше или равно максимальным значениям мощности предыдущих солнечных элементов в том же ряду, либо в порядке стабильно убывающих максимальных значений мощности, которые упомянутые солнечные элементы способны генерировать, причем максимальное значение мощности солнечного элемента в любом конкретном ряду больше или равно максимальным значениям мощности следующих солнечных элементов в том же ряду, при этом по меньшей мере один высокоэффективный силовой трансформатор постоянного тока или по меньшей мере один высокоэффективный преобразователь постоянного тока, соединенный с батареей солнечных элементов, причем силовой трансформатор постоянного тока или преобразователь постоянного тока предназначен для повышения первого уровня выходного напряжения до второго уровня выходного напряжения, который выше, чем первый уровень выходного напряжения, при этом первый уровень выходного напряжения недостаточен для выполнения требования к уровню рабочего напряжения в требуемом применении. Изобретение обеспечивает повышение выходной мощности. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к устройству модуля солнечной батареи для генерации электроэнергии и более конкретно к усовершенствованному устройству модуля солнечной батареи, солнечной батарее, имеющей конфигурацию перекрещивающихся линий сетки и предназначенной для максимального увеличения генерации электроэнергии солнечным модулем, причем фотогальванические элементы расположены столбцами со стабильно нарастающими (или стабильно убывающими) максимальными значениями мощности.
ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Солнечные фотогальванические элементы широко используют в ряде областей для генерации электроэнергии. Обычно один солнечный элемент производит выходное напряжение приблизительно 0,5 В, и некоторое множество элементов, обычно на основе кремния, обычно соединяют последовательно, чтобы получить более высокие уровни напряжения. Со ссылкой на Фиг. 1, несколько солнечных элементов 22 соединены известным образом последовательно, чтобы сформировать “последовательный блок” 26 солнечных элементов 22, в котором некоторое множество последовательных блоков 26 могут быть соединены между ними последовательно, образуя цепочку последовательных блоков 28, чтобы получить требуемое выходное напряжение в модуле солнечной батареи 20. Каждый последовательный блок 26 может включать один или больше фотогальванических элементов, соединенных в параллели с шунтирующим диодом 25, причем шунтирующий диод 25 добавлен для обхода последовательных блоков, которые неисправны в результате локальных проблем, вызываемых, например, пылью, облачностью, иным частичным затенением, или других причин неисправности.
Число солнечных элементов, соединяемых в батарею, рассчитывают так, чтобы получить заданный уровень мощности, например, 150 Вт, 200 Вт, 300 Вт и т.д. Однако каждый солнечный/фотогальванический элемент имеет допуск, который обычно, но без ограничений, составляет 1% - 7,5% и оказывает влияние на совокупный уровень выходной мощности солнечной батареи. Допуски разных изготовителей могут отличаться друг от друга. Например, QCELL изготавливает 11 классов фотогальванических элементов для солнечных батарей мощностью приблизительно от 245 Вт до 265 В, при этом каждый класс имеет отличающийся от других уровень допуска на выходную мощность. Максимальная мощность каждого 4-ваттного солнечного элемента может составлять от 3,75 Вт до 4,25 Вт, что представляет собой разницу свыше 13%. К классу 1 относятся солнечные элементы с максимальным уровнем выходной мощности 4 Вт – 0,25 Вт; к классу 2 относятся солнечные элементы с максимальным уровнем выходной мощности 4 Вт – 0,2 Вт; к классу 3 относятся солнечные элементы с максимальным уровнем выходной мощности 4 Вт – 0,15 Вт; к классу 6 относятся солнечные элементы с максимальным уровнем выходной мощности 4 Вт – 0 Вт и т.д. до класса 11, к которому относятся солнечные элементы с максимальным уровнем выходной мощности 4 Вт + 0,25 Вт. Все значения приведены только для примера и без ограничений и могут изменяться по значению и схеме аннотации.
Следует сказать, что допуски могут даже превышать 13%. Поскольку солнечные элементы в солнечных панелях QCELL расположены последовательно, как показано на Фиг. 1, совокупная выходная мощность определяется солнечным элементом, имеющим наименьшую максимальную выходную мощность, за счет чего теряется лишняя мощность, создаваемая другими элементами. Например, элементы 22 в панели 20 дают следующие значения максимальной выходной мощности: 3,9 Вт, 4,25 Вт, 3,75 Вт, 4,1 Вт и 4,2 Вт. Следовательно, панель дает 3,75 х 5 = 18,75 Вт, что означает потерю: (3,9+4,25+3,75+4,1+4,2) - 18.75 = 1,45 Вт, т.е. 7,2% от совокупной выходной мощности всех отдельных солнечных элементов.
Солнечная батарея, имеющая форму сетки с перекрещивающимися линиями (т.е. форму матрицы), обычно реализуется как один солнечный модуль, при этом каждый модуль солнечной батареи включает некоторое множество солнечных элементов. "Сетчатая” реализация относится к ранее описанному изобретению того же автора из заявки PCT WO/2011/089607, поданной 23 января 2011 г. автором настоящей заявки, и заявки PCT/IL2013/050291, поданной 30 марта 2013 г. автором настоящей заявки, владельцем которых он является и которые включены в настоящий документ в полном объеме путем ссылки.
Реализация в форме сетки из перекрещивающихся линий представляет собой электрическую схему, которая позволяет получать повышенную выходную мощность, поскольку она позволяет обходить элементы, генерирующие меньшую мощность, как сказано в опубликованной заявке PCT WO/2011/089607. На Фиг. 2 схематически показан пример модуля солнечной батареи 100, имеющий сетку из перекрещивающихся линий солнечных элементов 110, для иллюстрации возможности обхода элементов. В этом примере каждый солнечный элемент предназначен для генерации в условиях освещения 4 Вт ± 3%. Элемент 4d генерирует 4 Вт - 3%, и солнечный элемент 4e генерирует 4 Вт + 3% в одинаковых условиях освещения. Следовательно, ток, генерируемый солнечным элементом 4e выше чем ток, генерируемый солнечным элементом 4d. Как результат сетчатой конфигурации некоторый лишний ток будет протекать через солнечный элемент 3d и/или 5d и, поэтому, выходная мощность солнечного модуля и солнечной панели будет больше.
Поэтому существует необходимость и было бы предпочтительно разработать такую конфигурацию солнечного элемента, которая способствует получению более высокой выходной мощности чем выходная мощность солнечного элемента наименьшей выходной мощности, умноженная на число элементов.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Реализация в форме перекрещивающихся линий представляет собой матричную схему электрических соединений, которая позволяет получать повышенную выходную мощность, поскольку она позволяет обходить элементы, генерирующие меньшую мощность, как сказано в опубликованной заявке PCT WO/2011/089607. Поэтому, солнечные батареи с такой конфигурацией могут быть предназначены для генерации выходной мощности, приблизительно равной сумме выходных мощностей отдельных солнечных элементов батареи.
Для введения, главные цели настоящего изобретения включают предложение конфигураций межсоединений солнечных элементов в модуле солнечной батареи, имеющем форму сетки из перекрещивающихся линий, при этом такая конфигурация способствует максимальному повышению мощности, генерируемой модулем солнечной батареи, и не ограничивает мощность, генерируемую солнечным элементом с наименьшей выходной мощностью в каждой последовательной цепочке элементов.
Согласно настоящему изобретению предложена конфигурация межсоединений солнечных элементов в модуле солнечной батареи с конфигурацией в форме сетки перекрещивающихся линий, в которой рядом с солнечным элементом, имеющим какой-то конкретный более низкий максимальный уровень мощности, подсоединен, в том же ряду элементов, по меньшей мере один солнечный элемент с более высоким или таким же максимальным уровнем мощности, при условии, что такой более высокий уровень мощности присутствует в солнечном модуле.
В одном аспекте настоящее изобретение предлагает усовершенствованное устройство солнечной энергии для генерации электроэнергии для требуемого применения, причем устройство включает по меньшей мере один модуль солнечной батареи. Упомянутый по меньшей мере один модуль солнечной батареи включает некоторое множество солнечных элементов, физически расположенных крест-накрест, в матричной конфигурации N × M.
Солнечные элементы в заданном числе (M) электрически соединены последовательно, чтобы сформировать цепочку последовательных блоков, являющуюся столбцом солнечных элементов, при этом цепочка последовательных блоков предназначена для получения первого уровня выходного напряжения; и цепочки последовательных блоков в заданном числе (N) электрически соединены параллельно, формируя ряды солнечных элементов, для получения матрицы N × M, представляющей батарею солнечных элементов, и при этом батарея солнечных элементов предназначена для получения первого уровня выходной мощности. Солнечные элементы предварительно рассортированы по классу допуска уровня выходной мощности, при этом солнечные элементы в каждом из рядов солнечных элементов расположена или:
i. в порядке стабильно возрастающих максимальных значений мощности, которую способны генерировать солнечные элементы, при этом максимальное значение мощности солнечного элемента в любом конкретном ряду больше или равно максимальным значениям мощности предыдущих солнечных элементов в том же ряду; или
ii. в порядке стабильно убывающих максимальных значений мощности, которые способны генерировать солнечные элементы, при этом максимальное значение мощности солнечного элемента в любом конкретном ряду больше или равно максимальным значениям мощности следующих солнечных элементов в том же ряду.
Упомянутый по меньшей мере один модуль солнечной батареи включает по меньшей мере один высокоэффективный силовой трансформатор постоянного тока или по меньшей мере один высокоэффективный преобразователь постоянного тока, соединенный с матрицей батареи солнечных элементов, причем силовой трансформатор постоянного тока или преобразователь постоянного тока предназначен для повышения первого уровня выходного напряжения до второго уровня выходного напряжения, который выше чем первый уровень выходного напряжения, при этом первый уровень выходного напряжения недостаточен для выполнения требования к уровню рабочего напряжения в желательном применении.
По выбору, солнечные элементы в каждой цепочке последовательных блоков относятся к тому же классу уровня допуска выходной мощности.
По выбору, солнечные элементы в последнем столбце солнечных элементов, имеющих самые большие максимальные значения мощности, все относятся к тому же классу уровня допуска выходной мощности.
Предпочтительно, первый уровень выходной мощности равен или больше рабочей мощности для желательного применения.
Следует сказать, что в тексте данного раскрытия изобретение описано и показано на соответствующих чертежах. Уравнения включены только как возможная помощь для специалистов в данной области техники и не должны рассматриваться как ограничивающие изобретение каким-либо образом. Специалисты в данной области техники могут использовать другие уравнения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение станет полностью понятным из подробного описание, приведенного ниже, и прилагаемых чертежей, которые включены только для иллюстрации и примера и, таким образом, не являются ограничивающими в любом смысле.
На Фиг. 1 (известный уровень техники) показана схема известного солнечного модуля с некоторым множеством элементов, электрически соединенных последовательно, чтобы сформировать последовательные блоки, при этом каждый последовательный блок шунтирован диодом, подсоединенным параллельно, и при этом последовательные блоки могут быть соединены между ними последовательно, чтобы сформировать цепочку последовательных блоков, и при этом каждый модуль защищен диодом, подсоединенным последовательно.
На Фиг. 2 (известный уровень техники) схематически показан пример модуля солнечной батареи, включающий перекрещивающуюся сетку солнечных элементов, для иллюстрации возможности обхода элемента.
На Фиг. 3 схематически показан пример модуля солнечной батареи, в котором столбцы солнечных элементов расположены в порядке возрастания класса по отношению к максимальной мощности, генерируемой каждым столбцом, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 4 схематически показан еще один пример модуля солнечной батареи, в котором столбцы солнечных элементов расположены в порядке возрастания класса по отношению к максимальной мощности, генерируемой каждым столбцом, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 5 схематически показан пример модуля солнечной батареи для иллюстрации способа балансировки напряжения.
На Фиг. 6 схематически показана эквивалентная схема солнечного элемента.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Теперь настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показаны предпочтительные варианты осуществления изобретения. Следует сказать, что разные типы электрических соединений, преобразователей, трансформаторов, солнечных элементов и т.д. могут быть, по выбору, основаны на тексте вышеупомянутых заявок PCT WO/2011/089607 и PCT/IL2013/050291 в степень, необходимой для полного и достаточного раскрытия. Настоящее изобретение может быть однако осуществлено в многих других формах и не должно восприниматься как ограниченное описанными здесь вариантами осуществления; эти варианты осуществления скорее представлены для полноты описания и для сообщения объема настоящего изобретения специалистам в данной области техники.
Вариант осуществления представляет собой пример реализации изобретения. Разные фразы "один вариант осуществления," " вариант осуществления" или "некоторые варианты осуществления" не обязательно относятся к одним и тем же вариантам осуществления. Хотя разные признаки изобретения могут быть описаны в контексте одного варианта осуществления, эти признаки также могут быть представлены отдельно или в любой подходящей комбинации. И наоборот, хотя в настоящем документе изобретение может быть описано в контексте отдельных вариантов осуществления для ясности, настоящее изобретение также может быть реализовано в одном варианта осуществления.
Ссылка в описании на "один вариант осуществления", " вариант осуществления", "некоторые варианты осуществления" или "другие варианты осуществления" означает, что какой-то конкретный признак, конструкция или характеристика, приведенная в связи с данными вариантами осуществления, включена по меньшей мере в один из вариантов осуществления, но необязательно во все варианты осуществления изобретения. При этом понимается, что фразеология и терминология, примененные в настоящем документе, не должны истолковываться как ограничивающие и применяются только для целей описания.
Способы настоящего изобретения могут быть реализованы путем выполнения или совершения вручную, автоматически или в сочетании того и другого выбранных этапов или задач. Термин "способ" относится к порядку. средствам, приемам и процедурам, которые или известны, или могут быть легко разработаны на основании известных порядков, средств, приемов и процедур практикующими специалистами в области, к которой относится изобретение. Описание, примеры, способы и материалы, представленные в формуле и описании изобретения не должны истолковываться как ограничивающие, а только как иллюстративные.
Если не указано иное, все технические и научные термины в настоящем документе имеют такое же значение, которое обычно понимает средний специалист в области техники, к которой относится настоящее изобретение. Представленные в настоящем документе способы и примеры предназначены только для иллюстрации, но не для ограничения.
Согласно настоящему изобретению, предложена конфигурация межсоединений солнечных элементов в модуле солнечной батареи, имеющем форму сетки перекрещивающихся линий. Такая конфигурация способствует максимальной генерации мощности модулем солнечной батареи и не ограничивается максимальной мощностью, генерируемой солнечным элементом, имеющим самую низкую максимальную выходную мощность, в каждой последовательной цепочке элементов. Такой способ выполнения способствует получению максимальной выходной мощности от солнечного модуля, при этом мощность приблизительно равна сумме максимальной выходной мощности всех отдельных солнечных элементов в батарее.
Принцип способов конфигурирования заключается в том, что рядом с элементом, имеющим какой-то конкретный более низкий уровень мощности, в том же ряду подсоединен по меньшей мере один солнечный элемент с более высоким или равным максимальным уровнем мощности, при условии, что такой более высокий уровень мощности присутствует в солнечном модуле.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения солнечные элементы расположены в батарейном модуле (102) в порядке непрерывно и стабильно возрастающих (или стабильно убывающих) уровней максимальной мощности. Продолжая пример с QCELL, скажем, что модуль солнечной батареи включает 10 столбцов и 6 рядов солнечных элементов 110, расположенных по матричной конфигурации крест-накрест, как показано на Фиг. 3. Использованы солнечные элементы 10 классов, по 6 из каждого класса.
Такие 6 солнечных элементов класса с наихудшим допуском (класс 1) использованы для составления крайнего левого столбца солнечных элементов 110, они соединены последовательно, формируя последовательный блок 180a. Следующий столбец солнечных элементов 110 направо, который формирует последовательный блок 180b, составлен из солнечных элементов класса 2, следующий столбец солнечных элементов 110 направо, формирующий последовательный блок 180c, состоит из солнечных элементов класса 3 и т.д., батарею завершает столбец 10, формирующий последовательный блок 180j с солнечными элементами 110 класса 10. Такая конфигурация гарантирует, что соседний элемент справа для каждого солнечного элемента классов 1-9, имеет более высокий уровень максимальной мощности. В таком случае ток, генерируемый солнечным элементом, расположенным в столбце элементов 110 более низкого порядка, может свободно протекать к нагрузке, поскольку все солнечные элементы в каждом столбце элементов относятся к одному классу. Следует сказать, что каждый солнечный элемент сохраняет свою способность генерировать электрический ток, этим способствуя генерации максимальной мощности, которую фактически способны обеспечить солнечные элементы.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения (только для примера), солнечные элементы расположены в батарейном модуле (104) в порядке стабильно возрастающих (или стабильно убывающих) уровней максимальной мощности в каждом ряду солнечных элементов. Снова обращаясь к примеру QCELL, скажем, что модуль солнечной батареи включает 10 столбцов и 6 рядов солнечных элементов 110, расположенных в матричной перекрещивающейся конфигурации, как показано на Фиг. 4. Использованы солнечные элементы 6 классов, по 10 из каждого класса.
Солнечные элементы расположены так, что 6 солнечные элементы, относящиеся к классу с наихудшим допуском (класс 1), использованы для составления крайнего левого столбца солнечных элементов 110 (см. Фиг. 4), которые электрически соединены последовательно, формируя последовательный блок 182a солнечных элементов 110. Следующий столбец солнечных элементов 110 направо, формирующий последовательный блок 182b, состоит из смеси солнечных элементов класса 1 и класс 2, следующий столбец солнечных элементов 110 направо, формирующий последовательный блок 182c, состоит из солнечных элементов класса 2, следующий последовательный блок (182d) направо состоит из смеси солнечных элементов класса 2 и класса 3, следующий последовательный блок (182e) направо состоит из солнечных элементов класса 3, и т.д., и батарея заканчивается столбцом 10, формирующим последовательный блок 182j с солнечными элементами класса 6. Такая конфигурация обеспечивает, что соседний элемент 110 справа для каждого солнечного элемента 110 классов 1 – 6, имеет более высокий или такой же уровень максимальной мощности. При таком расположении, когда элемент над каким-то конкретным солнечным элементом 110 относится к более низкому классу, элемент справа от этого солнечного элемента более низкого класса относится к классу с более высоким или таким же уровнем максимальной мощности. Что касается столбца 10, то в примере, показанном на Фиг. 4, если все элементы 110 относятся к одному (высокому) классу, то проблем не будет. Но если элементы относятся к разным классам, то элементы 110 будут расположены либо в порядке стабильно возрастающего класса слева направо в каждом ряду, либо в порядке стабильно убывающего класса слева направо в каждом ряду. Другими словами, если элемент над каким-то конкретным солнечным элементом генерирует меньший ток чем этот конкретный солнечный элемент, то последний канализирует лишний ток через соседний элемент справа (в другом столбце) в порядке стабильно возрастающего класса (или слева в порядке стабильно убывающего класса – не показано), и этот соседний элемент является солнечный элемент с бОльшим током, т.е., относится к более высокому классу.
В примерах расположения 102 и 104, как показано на Фиг. 3 и 4, соответственно, в крайней правой части панели (102 и 104) расположены элементы с более высокой мощностью, которые также создают уровень напряжения немного выше чем уровень напряжения, создаваемый в крайней левой части панели. Например, как показано на Фиг. 3, в панелях QCELL типа Q.PEAK с низким уровнем мощности 245 Вт элементы, относящиеся к классу низкого уровня, генерируют напряжение в точке Vmpp, равное 0,495 В, а элементы, относящиеся к классу высокого уровня, генерируют напряжение 0,515 В. Поскольку все солнечные элементы расположены в матричной перекрещивающейся конфигурации, все элементы 110, относящиеся к одному классу, объединены в том же столбце, и элементы справа от них относятся к более высокому или такому же классу.
Для большей ясности следует сказать, что конфигурации, показанные на Фиг. 3 и 4, приведены только для примера, и могут быть использованы другим конфигурации, которые сохраняют порядок стабильно возрастающего (или стабильно убывающего) класса солнечных элементов, формирующих столбцы.
Также смотрите Фиг. 5, где схематически показан пример модуля солнечной батареи 106, иллюстрирующий способ балансировки напряжения. После того, как свет попадает на солнечный элемент 110, начинает генерироваться электрический ток, протекающий через трансформатор или преобразователь постоянного тока 150 к нагрузке (не показана). Столбец 1 генерирует электрический ток I1, столбец 2 генерирует электрический ток I2, столбец 3 генерирует электрический ток I3, столбец 4 генерирует электрический ток I4, и т.д. Однако среднее напряжение каждого столбца справа от виртуальной центральной линии 130 немного выше чем напряжение, генерируемое этими левыми столбцами. Поскольку напряжение, генерируемое столбцами с более высокой мощностью, такими как столбец 10, немного выше чем напряжение, генерируемое столбцами с более низкой мощностью, такими как столбец 1, расположенными слева (на чертеже) соответствующих столбцов с более высокой мощностью, разница токов IΔ также протекает к солнечным элементам 110, расположенным слева от столбцов с более низкой мощностью. Ток IΔ протекает через внутренний диод "D" солнечных элементов эквивалентной схемы (см. Фиг. 6, где показана эквивалентная схема солнечного элемента 110). Разница в напряжении в показанных примерах обычно составляет, но без ограничения, 0 – 2%. Процесс протекания тока IΔ через внутренний диод "D" солнечных элементов столбцов более низких классов продолжается до создания равного среднего напряжения на всех столбцах солнечных элементов 110.
В результате балансировки напряжения всех 10 столбцов (в данном примере, но без ограничения), полученное среднее напряжение будет больше чем исходное напряжение на столбцах 1 – 4. Каждый столбец солнечных элементов продолжает генерировать электрический ток, который он способен производить. Полученная мощность будет выше не только потому, что среднее напряжение будет больше чем напряжение столбцов классов 1 – 4, но и потому, что в столбцах классов выше чем класс 1 генерируются больший ток. Это происходит потому, что изменения в уровнях напряжения меньше чем изменения в токе, генерируемом столбцами разных классов.
Например, в панели с использованием расположения элементов, показанного на Фиг. 4, напряжение столбца класса 1 отличается от напряжения столбца класса 6 на 1,6 %, поскольку в результате балансировки напряжение изменяется на 0,8%. Ток столбца класса 1 отличается от тока столбца класса 6 на 3,8%. В случае генерации тока каждым столбцом эти токи суммируются, при этом ток, генерируемый столбцами справа от столбца класса 1, будет больше чем ток, генерируемый столбцом класса 1.
Следует сказать, что в известном уровне техники элемент последовательно соединенных солнечных элементов, генерирующий более низкий ток, определяет ток, генерируемый всем столбцом.
Также следует сказать, что приведенные далее в описании вычисления даны только для примера, приближенные и демонстрируют увеличение мощности, получаемой при упорядоченном расположении солнечных элементов 110, соединенных между собой в матричной перекрещивающейся конфигурации.
Пример:
Возьмем модуль солнечной батареи с 50 солнечными элементами, каждый из которых рассчитан на генерацию 4 Вт, в модуле 10 столбцов и 5 рядов, элементы расположены по 10 классам (подобно модулю солнечной батареи 106, показанному на Фиг. 5, за исключением того, что рядов 5, а не 6).
Получаем следующую мощность в ваттах:
| Класс мощности | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| Номинальная мощность одного элемента (Вт) | 3,75 | 3,8 | 3,85 | 3,89 | 3,94 | 3,99 | 4,04 | 4,094 | 4,14 | 4,19 |
| Номинальная мощность пяти элементов (цепочка) (Вт) | 18,75 | 19,0 | 19,25 | 19,45 | 19,7 | 19,95 | 20,2 | 20,47 | 20,7 | 20,95 |
| Средняя мощность цепочки | 19,84 Вт | |||||||||
| Расчетная мощность панели из 50 элементов | Pmatrix = 198,4 Вт |
Напротив, в обычной солнечной панели, где солнечные элементы соединены последовательно, и элемент с более низким током (мощностью в ваттах) определяет уровень выходной мощности всей цепочки солнечных элементов, расчетная мощность будет следующей:
Pseries = 3,75 Вт * 50 = 187,5 Вт.
То есть, в данном примере матричный модуль солнечной батареи, конфигурированный согласно настоящему изобретению, генерирует мощность в ваттах выше приблизительно на 8,2%. Практически, разница немного меньше, но больше чем 4,1%, поскольку некоторая энергия тратится на процесс усреднения напряжений.
Подобное увеличение мощности также можно получить при сравнении, например, но без ограничений, с 60 солнечными элементами 110, расположенными в 10 столбцах и соединенными в матричной перекрещивающейся конфигурации, но в случайном порядке. В этом случае также в каждом последовательном блоке солнечный элемент самого низкого класса определяет ток, генерируемый соответственным последовательным блоком.
Предположим, для упрощения и только для примера, что каждый последовательный блок включает солнечный элемент самого низкого класса. Также игнорируем способность модуля солнечной батареи в матричной перекрещивающейся конфигурации. Тогда можно записать:
P = (Iстолбец1*Vстолбец1) + …(Iстолбец10*Vстолбец10).
Поскольку все столбцы солнечных элементов 110 также соединены параллельно, то напряжение V будет сбалансировано, как сказано выше, и, поэтому, среднее напряжение Uaverage будет создано на всех столбцах солнечных элементов 110.
Тогда можно записать:
P = Uaverage * (I1+ I2+…I10)
Если при обычной матричной перекрещивающейся конфигурации каждый последовательный блок включает солнечный элемент самого низкого класса, ток в каждом столбце солнечных элементов 110 равен I1. Поэтому можно записать:
P = Uaverage * I1*10
Однако если использовать матричную перекрещивающуюся конфигурацию в порядке стабильно возрастающих (или стабильно убывающих) классов, то, согласно примеру на Фиг 3, 6 элементов 10 классов расположены в 10 столбцах согласно настоящему изобретению, и можно записать:
P = Uaverage * (I1 + I2 +…I10).
Поскольку каждый ток I2 – I10 больше чем I1, можно записать:
P = Uaverage * (I1 + I1*K2+…I1*K10),
или P = Uaverage * I1 * (1+1*K2+…1*K10),
где K2 – K10 больше "одного" и в возрастающем порядке. Например: K2=1,012, … K10=1,036.
P = Uaverage * I1 * (>10)
Для того чтобы доказать, что перекрещивающиеся соединения элементов, расположенных в порядке стабильно возрастающих (или стабильно убывающих) классов, где выходная мощность больше чем при обычных перекрещивающихся соединениях, разделим выражение мощности при перекрещивающихся соединениях в порядке стабильно возрастающих (или стабильно убывающих) классов на выражение мощности при обычных перекрещивающихся соединениях:
P = Uaverage * I1 * (>10)
-----------------------------------------,
Uaverage * I1 * 10
то есть, отношение >1.
Поэтому весь солнечный модуль с матричными перекрещивающимися соединениями при расположении столбцов солнечных элементов в порядке стабильно возрастающих (или стабильно убывающих) классов (см., например, Фиг. 3, 4) дает мощность в ваттах больше чем обычный солнечный модуль с обычными матричными перекрещивающимися соединениями, в котором солнечные элементы не расположены в порядке стабильно возрастающих (или стабильно убывающих) классов в столбцах солнечных элементов.
Таким образом, настоящее изобретение описано выше как несколько вариантов осуществления и примеров, но при этом понимается, что оно может быть изменено многими способами. Такие изменения не должны рассматриваться как нарушение сущности и объема изобретения, куда включены все такие модификации, которые будут очевидны специалисту в данной области техники.
1. Устройство для генерации солнечной энергии для требуемого применения, причем устройство включает по меньшей мере один модуль солнечной батареи, и причем упомянутый по меньшей мере один модуль солнечной батареи включает:
a) некоторое множество солнечных элементов, физически расположенных крест-накрест, в матричной конфигурации N × M,
отличающееся тем, что упомянутые солнечные элементы в заданном числе (M) электрически соединены последовательно, формируя цепочку последовательных блоков, являющуюся столбцом солнечных элементов, причем упомянутая цепочка последовательных блоков способствует генерации первого уровня выходного напряжения;
тем, что упомянутые цепочки последовательных блоков в заданном числе (N) электрически соединены параллельно, формируя ряды солнечных элементов, чтобы получить пересекающуюся матричную конфигурацию N × M, являющуюся батареей упомянутых солнечных элементов, и тем, что упомянутая батарея упомянутых солнечных элементов способствует получению первого уровня выходной мощности;
тем, что упомянутые солнечные элементы предварительно рассортированы по классу уровня допуска выходной мощности;
отличающееся тем, что упомянутые солнечные элементы в каждом из упомянутых рядов солнечных элементов расположены либо:
i) в порядке стабильно возрастающих максимальных значений мощности, которые упомянутые солнечные элементы способны генерировать, причем максимальное значение мощности солнечного элемента в любом конкретном ряду больше или равно максимальным значениям мощности предыдущих солнечных элементов в том же ряду; либо
ii) в порядке стабильно убывающих максимальных значений мощности, которые упомянутые солнечные элементы способны генерировать, причем максимальное значение мощности солнечного элемента в любом конкретном ряду больше или равно максимальным значениям мощности следующих солнечных элементов в том же ряду; и
b) по меньшей мере один высокоэффективный силовой трансформатор постоянного тока или по меньшей мере один высокоэффективный преобразователь постоянного тока, соединенный с упомянутой батареей солнечных элементов в форме перекрещивающейся матрицы, причем силовой трансформатор постоянного тока или преобразователь постоянного тока предназначен для повышения упомянутого первого уровня выходного напряжения до второго уровня выходного напряжения, который выше, чем упомянутый первый уровень выходного напряжения, при этом упомянутый первый уровень выходного напряжения недостаточен для выполнения требования к уровню рабочего напряжения в требуемом применении.
2. Устройство для генерации солнечной энергии по п. 1, отличающееся тем, что упомянутые солнечные элементы в каждой из упомянутых цепочек последовательных блоков относятся к тому же классу уровня допуска выходной мощности.
3. Устройство для генерации солнечной энергии по п. 1, отличающееся тем, что солнечные элементы в последнем столбце солнечных элементов, имеющих самые высокие максимальные значения мощности, относятся к одному классу уровня допуска выходной мощности.
4. Устройство для генерации солнечной энергии по п. 1, отличающееся тем, что упомянутый первый уровень выходной мощности равен или выше, чем рабочая мощность для требуемого применения.
