用于限制光伏串的开路电压的电路和方法
【专利摘要】本发明涉及一种光伏串(100)，其可以包括开路电压限制器(120)，所述开路电压限制器(120)沿着一个方向传导电流以提供低于所述光伏串(100)的开路电压的限制器电压，并且沿着另一个方向传导电流。一个或多个开路电压限制器(120)可以跨接在所述光伏串(100)的两端或跨接在所述光伏串(100)的太阳能电池(115)的所选组的两端。所述限制器电压可以大于所述光伏串(100)的最大功率点电压但小于其开路电压。
【专利说明】用于限制光伏串的开路电压的电路和方法
【技术领域】
[0001]本文所述主题的实施例整体涉及太阳能电池。更具体地讲，所述主题的实施例涉及光伏串。
【背景技术】
[0002]太阳能电池是一种人们熟知的用于将太阳辐射转换为电能的装置，其可以包括P型扩散区和N型扩散区。冲击在太阳能电池上的太阳辐射产生迁移至扩散区的电子和空穴，从而在扩散区之间形成电压差。扩散区电连接到相应的端子，以允许外部电路连接到太阳能电池并由太阳能电池供电。太阳能电池的正端子电连接到P型扩散区，而太阳能电池的负端子电连接到N型扩散区。
[0003]太阳能电池可以串联地电连接以形成光伏串。光伏串可以包括若干太阳能电池和/或光伏组件，其中每个光伏组件包括安装在同一框架上的太阳能电池。在光伏串中，一个太阳能电池的正端子电连接到另一个太阳能电池的负端子，另一个太阳能电池的正端子电连接到又一个太阳能电池的负端子，以此类推。光伏串的输出电压取决于光伏串中太阳能电池的数量。
【发明内容】
[0004]在一个实施例中，光伏串包括:(a)多个串联连接的太阳能电池；(b)位于光伏串的两端的正极引线和负极引线，所述多个串联连接的太阳能电池的一端连接到正极引线，而所述多个串联连接的太阳能电池的另一端连接到负极引线；以及(C)跨接在所述多个串联连接的太阳能电池两端的开路电压限制器，该开路电压限制器具有连接到负极引线的正端子和连接到正极引线的负端子，该开路电压限制器具有用于使电流沿着一个方向流过开路电压限制器的低于光伏串的开路电压的限制器电压，并允许电流沿着另一个方向流过开路电压限制器。
[0005]在另一个实施例中，光伏串包括:多个串联连接的太阳能电池和跨接在所述多个串联连接的太阳能电池中的第一组太阳能电池两端的第一开路电压限制器，该第一开路电压限制器具有用于使电流沿着一个方向流过第一开路电压限制器的低于第一组太阳能电池的最大电压的第一限制器电压，并具有用于使电流沿着另一个方向流过第一开路电压限制器的第一正旁路电压。光伏串还可以包括跨接在所述多个串联连接的太阳能电池中的第二组太阳能电池两端的第二开路电压限制器，该第二开路电压限制器具有用于使电流沿着一个方向流过第二开路电压限制器的低于第二组太阳能电池的最大电压的第二限制器电压，并具有用于使电流沿着另一个方向流过第二开路电压限制器的第二正旁路电压。
[0006]在另一个实施例中，操作光伏串的方法包括提供跨接在光伏串的第一组串联连接的太阳能电池两端的第一开路电压限制器。将第一组串联连接的太阳能电池两端的最大电压限制为第一开路电压限制器两端的第一限制器电压，所述第一限制器电压用于使电流沿着第一方向流过第一开路电压限制器。允许电流沿着与第一方向相反的第二方向流过第一开路电压限制器。
[0007]本领域的普通技术人员在阅读包括附图和权利要求书的本公开全文之后，本发明的这些和其他特征对于他们而言将是显而易见的。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]当结合以下附图考虑时，通过参见【具体实施方式】和权利要求书可以更完全地理解所述主题，其中在所有附图中，类似的附图标记是指类似的元件。
[0009]图1示出了根据本发明实施例的光伏串的示意图。
[0010]图2示出了根据本发明实施例的图1的开路电压限制器的理想1-V曲线。
[0011]图3示意性地示出了具有根据本发明实施例的图1的光伏串的光伏系统的部件。
[0012]图4示出了根据本发明另一个实施例的光伏串的示意图。
[0013]图5示出了在一个实验中若干不同齐纳二极管的1-V曲线。
[0014]图6示出了在一个实验中光伏串的示例性1-V曲线和功率-电压曲线。
[0015]图7示出了根据本发明另一个实施例的光伏串的示意图。
[0016]图8示出了根据本发明另一个实施例的光伏串的示意图。
[0017]图9示出了根据本发明另一个实施例的光伏串的示意图。
[0018]图10示出了根据本发明另一个实施例的开路电压限制器。
[0019]图11示出了根据本发明另一个实施例的开路电压限制器。
[0020]图12示出了根据本发明另一个实施例的开路电压限制器。
【具体实施方式】
[0021]在本发明中，提供了许多具体细节例如电路、部件和方法，以提供对本发明实施例的全面理解。然而，本领域的普通技术人员将会认识到，本发明可以在没有所述具体细节中的一者或多者的情况下实施。在其他情况下，未示出或描述熟知的细节，以避免混淆本发明的方面。
[0022]光伏串可包括多个太阳能电池和/或一个或多个光伏组件，其特性通过电流-电压(1-V)曲线来表示。1-V曲线显示对于由光伏串产生的给定输出电压由光伏串产生的输出电流量。在正常运行过程中，光伏串保持在1-V曲线的最大功率点(MPP)处，该点是光伏串产生最大输出功率的工作点。光伏串在最大功率点处的输出电流是最大功率点电流Imp，而光伏组件在最大功率点处的输出电压是最大功率点电压Vmp。
[0023]在高于最大功率点电压Vmp的电压处，光伏串的输出功率快速下降并在开路电压Voc处达到零。开路电压Voc是光伏串能够产生的最大可能输出电压。在正常运行过程中很少使用介于电压Vmp和电压Voc之间的区域，但是在该区域的光伏串的电特性对系统设计规格具有重大影响。具体地讲，光伏系统的电气部件(如，光伏逆变器、断路器、电缆、接线盒)必须按最大可能输出电压(其为开路电压Voc)加以额定。这意味着开路电压Voc决定了可被包括在规定电压(如，1000V)的光伏串中的太阳能电池的数量。
[0024]作为具体的例子，电压Vmp通常比开路电压Voc低大约20%。因此，如果光伏串被规定在1000V，则光伏串通常以大约800V工作。然而，存在其中光伏串被迫输出开路电压Voc的某些情况，例如当光伏逆变器的MPP追踪器(MPPT)处于离线状态或其在晨间启动之前。这使基于开路电压Voc设定光伏串的尺寸规格成为必要，即便这可能导致最优以下的光伏串尺寸和设计。如下文将更显而易见的那样，本发明的实施例考虑到在不影响电压Vmp的情况下降低开路电压Voc。这有利地允许增加光伏串中太阳能电池的数量，并因此减少光伏系统中光伏串的数量，同时保持总功率输出恒定。减少光伏串的数量允许降低周边系统(BOS)的成本，例如光伏系统的追踪器、墩柱(piers)、驱动器、电气部件等的数量。
[0025]现在参见图1，其示出了根据本发明实施例的光伏串100的示意图。在图1的例中，光伏串100包括多个太阳能电池115(即，115-1、115-2、115-3、…、115_n)。太阳能电池115被串联地电连接，其中第一太阳能电池115的正端子连接到第二太阳能电池115的负端子，第二太阳能电池115的正端子连接到第三太阳能电池115的负端子，以此类推。一个末端太阳能电池115(如，太阳能电池115-1)的正端子连接到正输出引线130，并且另一个末端太阳能电池115(如，太阳能电池115-n)的负端子连接到负输出引线131。输出引线130和131可以连接到其他光伏串和光伏系统的其他部件，例如像图3中所示的光伏系统200那样。
[0026]一些组的太阳能电池115可以安装在光伏组件114的同一框架上。光伏组件114包括若干太阳能电池115，但为了图示清晰起见，图1中仅示出了它们中的一些。例如，光伏组件114-1可以包括太阳能电池115-1至115-3，光伏组件114-2可以包括太阳能电池115-4至115-6，光伏组件114-n可以包括太阳能电池115-7至115_n，等等。该例中，还可以认为光伏串100包括多个串联电连接的光伏组件114，其中一个光伏组件114的正端子连接到另一个光伏组件114的负端子，以此类推。一个末端光伏组件114(如，光伏组件114-1)的正端子连接到正输出引线130，并且另一个末端光伏组件114(如，光伏组件114-n)的负端子连接到负输出引线131。
[0027]在一个实施例中，光伏串100包括电连接于光伏串100两端的开路电压限制器120。在图1的例中，限制器120包括连接到光伏串100的正输出引线130的负端子121，以及连接到光伏串100的负输出引线131的正端子122。
[0028]在一个实施例中，开路电压限制器120用来将光伏串100的开路电压Voc限制为限制器电压Vlimit，该限制器电压Vlimit大于最大功率点电压Vmp但小于开路电压Voc。换句话讲，
[0029]Vmp>Vlimit>Voc (式 I)
[0030]开路电压限制器120可以包括在超过某一具体电压时沿着一个方向通过电流，且在超过不同电压时沿着另一方向通过电流的电气装置、电气部件或电路。在一个实施例中，开路电压限制器120沿着正反电流方向均显示出不对称的类二极管特征。就图1中示出的开路电压限制器120的极性而言，箭头123示出了通过限制器120的正电流方向，而箭头124示出了通过限制器120的反电流方向。
[0031] 在一个实施例中，当限制器120两端的电压超过限制器电压Vlimit时，限制器120允许反向电流按箭头124从负端子121流向正端子122。对于超过限制器电压Vlimit的限制器120两端的电压，限制器120均保持为限制器电压Vlimit。该情况可能在光伏串100出现开路的期间(例如当输出引线130或输出引线131未连接到另一电路时，即当光伏串100断开时)发生。在这种情况下，光伏串100将产生其最大可能输出电压，即开路电压Voc。当该情况出现时，限制器120会将光伏串100两端的电压限制为限制器电压Vlimit (如已说明其低于开路电压Voc)。这有利地降低光伏串100的最大可能输出电压，从而允许在不增加最大可能输出电压的情况下将更多的太阳能电池115添加至光伏串100。
[0032]当限制器120两端的电压超过旁路电压Vbypass时，限制器120允许正向电流按箭头123从正端子122流向负端子121。旁路电压Vbypass与限制器电压Vlimit相比是非常低的电压。例如，旁路电压Vbypass可能低至0.4V，或肖特基二极管或PN结二极管的正向电压降。
[0033]为了从光伏系统提取最大功率，必须将电失配的影响降至最低程度。该电失配可能由例如性能不一致或荫蔽的因素引起，这些因素可能引起受影响光伏组件的工作电压降低以便适应光伏串电流。在最坏情况下，受影响光伏组件(或其中的太阳能电池串)可能被迫进入反向偏压状态，这可能导致急剧加热、性能下降和可靠性问题。为了减轻这些影响，限制器120允许在电压超过Vbypass时正向电流从其流过，使得当光伏串100进入反向偏压状态时，限制器120将电流分流并限制受影响光伏组件114的功率消耗。
[0034]通常在光伏组件中使用旁路二极管以便在前述的电失配状态下保护光伏组件内的单独子串或整个光伏组件。例如，肖特基二极管或PN结二极管已被用作旁路二极管。肖特基二极管通常具有比PN结二极管低的正向电压，所以当处于正向偏置状态(即，旁路模式)时，它们耗散的功率较低并以较低的温度工作；然而，它们表现出较高的漏电流并且反向击穿电压性能受限。另一方面，PN结二极管显示出极低的漏电流并且可以被设计成以高得多的电压击穿，使得它们适合用作跨接在包含更多电池的光伏串两端的旁路二极管。然而，旁路二极管通常既不沿着相反方向传导电流，也不沿着相反方向呈现充分高的电压，使得它们不适合用作开路电压限制器。
[0035]图2示出了根据本发明实施例的开路电压限制器120的理想1-V曲线。图2的1-V曲线示出了作为限制器120两端的电压的函数的流过限制器120的电流。如图2中所示，在正向电流的情况下，直到在正旁路电压Vbypass (其可为若干伏特)之后例如0.4V处，限制器120才开始传导电流。在反向电流的情况下，限制器120理想地直到在其两端的电压的大小超过限制器电压Vlimit的大小之后才开始传导电流。如图2中所示，限制器120将限制器120两端的电压的大小限制为限制器电压Vlimit，其中电流沿着反向流动，即，电流按箭头124从负端子121流向正端子122 (参见图1)。限制器电压Vlimit在图2的例中为负电压，因为电流沿反向流过限制器120。限制器120将限制器120两端的电压限制为旁路电压Vbypass，其中电流沿正向流动，即电流按箭头123从正端子122流向负端子121 (参见图1)。
[0036]图3示意性地示出了根据本发明的实施例的光伏系统200的部件。图3的例中所示的光伏系统部件包括汇流箱112、多个光伏板114以及光伏逆变器110。光伏系统可以包括多个光伏逆变器和汇流箱，但为了图示清晰起见，图3中仅示出了每种部件中的一个。另外，光伏系统200可以包括一个、两个或更多个光伏串100。汇流箱112提供了光伏组件114可以被并联组合和/或被连接到其他部件的接合处。开路电压限制器120可以在汇流箱112中横跨光伏串100的两端安装。光伏串100的输出端被电连接到光伏逆变器110，该光伏逆变器110将由太阳能电池115产生的直流(DC)转换成例如适于递送至公用电网的交流(AC)。为了图示清晰起见,仅有一些太阳能电池115在图3中被标示。
[0037]图4示出了根据本发明实施例的光伏串100A的示意图。光伏串100A除了使用开路电压限制器120A之外，其他方面与光伏串100相同。光伏串100A的部件在其他方面与参照图1所阐明的相同。
[0038]在图4的例中，开路电压限制器120A是开路电压限制器120的具体实施例。开路电压限制器120A具有相同的1-V曲线和电特性，包括负端子121和正端子122。在图4的例中，开路电压限制器120A包括齐纳二极管140。齐纳二极管140的阴极连接到负端子121，并且齐纳二极管140的阳极连接到正端子122。这便将齐纳二极管140的阴极电连接到光伏串100A的正输出引线130，并且将齐纳二极管140的阳极电连接到光伏串100A的负输出引线131。
[0039]一般而言，齐纳二极管是被专门设计成以反向击穿模式工作的特定类型二极管。这使得其能够既以正向偏压方向又以反向偏压方向传导电流。齐纳电压是齐纳二极管开始以反向通过电流的电压。齐纳电压为负，其绝对量一般比齐纳二极管的正向电压高得多。因为齐纳二极管显示出与标准二极管非常相似的正向偏压特性，所以它们也可用于旁路应用。在图4的例中，这允许齐纳二极管140被用作电压限制器，并被用作防范电失配发生的旁路二极管。
[0040]图5示出了一个实验中若干不同的齐纳二极管的1-V曲线。在图5的例中，1-V曲线502对应于具有18V齐纳电压的齐纳二极管，1-V曲线503对应于具有17V齐纳电压的齐纳二极管，1-V曲线504对应于具有15V齐纳电压的齐纳二极管，1-V曲线505对应于具有14V齐纳电压的齐纳二极管，1-V曲线506对应于具有12V齐纳电压的齐纳二极管，并且1-V曲线507对应于具有IOV齐纳电压的齐纳二极管。除12V齐纳二极管外，所有上述齐纳二极管均具有轴向封装并且均额定为5W，所述12V齐纳二极管具有螺栓安装封装并且额定为50W。由于具有较低的封装电阻，所以12V齐纳二极管的电阻斜率(参见506)比其他器件陡得多。图5还出于比较目的示出了肖特基二极管的1-V曲线501。如图5中所示，一旦超过齐纳电压，齐纳二极管便开始以负电压方向传导电流。齐纳二极管的正向偏压特性与常规的肖特基二极管或PN结二极管类似。直到达到大得多的反向电压(如，40V)，肖特基二极管才开始以负电压方向传导电流(参见501)。
[0041]通过像图4中那样将齐纳二极管140的阳极连接到负输出引线131并将齐纳二极管140的阴极连接到正输出引线130，防止了光伏串100A以比齐纳电压(在本例中为限制器电压Vlimit)高的电压工作。在齐纳电压下，齐纳二极管140开始通过电流，从而有效地对光伏串100A进行分流并将光伏串100A固定在齐纳电压上。在一个实施例中，按照式I将齐纳电压选择为介于光伏串100A的标称最大功率点电压Vmp和开路电压Voc之间，从而有利地允许在不影响光伏串100A的功率输出的情况下将光伏串100A的最大可能输出电压限制为限制器电压Vlimit。因此，设有齐纳二极管140的开路电压限制器120A将光伏串100A的1-V曲线特性更改为介于最大功率点电压Vmp和开路电压Voc之间。
[0042]图6示出了具有单个低倍聚光光伏(LCPV)接收器模块(在一个实验中具有24个太阳能电池)的光伏串100A的示例性1-V曲线(上图)和功率-电压曲线(下图)。在图6的例中，1-V曲线523对应于具有17V齐纳电压的齐纳二极管140，1-V曲线524对应于具有15V齐纳电压的齐纳二极管140，1-V曲线525对应于具有14V齐纳电压的齐纳二极管140，并且1-V曲线526对应于具有12V齐纳电压的齐纳二极管140。1-V曲线520对应于不具有限制器120A的光伏串100A，并且表现为基线。如图6的1-V曲线所示，添加包括齐纳二极管140的限制器120A可改变光伏串100A的1-V曲线，从而允许将光伏串100A的最大可能电压输出从基线的开路电压降至齐纳二极管140的齐纳电压。
[0043]图6还示出了具有含24个电池的单个低倍聚光光伏(LCPV)接收器模块的光伏串100A的示例性功率-电压曲线(下图)。功率-电压曲线533对应于具有17V齐纳电压的齐纳二极管140，功率-电压曲线534对应于具有15V齐纳电压的齐纳二极管140，功率-电压曲线535对应于具有14V齐纳电压的齐纳二极管140，并且功率-电压曲线536对应于具有12V齐纳电压的齐纳二极管140。功率-电压曲线530对应于不具有限制器120A的基线配置。在图6的1-V曲线中，1-V曲线的较大部分被剪掉，并且随着齐纳电压从光伏串100A的开路电压Voc逐步降低，光伏串100A的开路电压Voc收敛于最大功率点电压Vlimit。就具有12V齐纳电压的齐纳二极管(参见536)而言，齐纳电压降到Vmp以下，导致光伏串的功率输出下降。
[0044]—般而言，因为功率输出显著低于最大功率点,所以存在在最大功率点电压Vmp和开路电压Voc之间工作的有限值。然而，本文所述的开路电压限制降低了光伏串的开路电压Voc (并因此增大了填充因数)，并为基于较低峰值电压的更多系统设计优化创造了条件。如果超过了齐纳电压，则齐纳二极管140充当负载并接收原本将从光伏串100A流向输出引线130和131的电流。
[0045]齐纳电压可被调成从几伏到数百伏的几乎任何值；因此，齐纳二极管可用于限制不同长度的太阳能电池串两端的电压。在使用齐纳二极管作为开路电压限制器时考虑的一个因素是发生在齐纳击穿模式下的功率耗散。功率与齐纳电压成正比，在分流的电流较闻的情况下，功率耗散可能变得过高。随着电压限制增大并且齐纳电压从开路电压Voc降至最大功率点电压Vmp，齐纳二极管造成的功率耗散增加。该折衷必须在电路设计中加以平衡，并且可以通过使用散热器 、散热片和其他被动或主动热管理解决方案对热负荷进行适当管理。
[0046]在图4的例中，齐纳二极管140跨接在整个光伏串的两端。在另个实施例中，齐纳二极管可以跨接在仅一个太阳能电池或几个太阳能电池的两端，从而降低为限制效应所需的齐纳电压。在这种情况下，多个齐纳二极管可以在光伏组件的层压体内连接，或者可以选择一些特定的太阳能电池或太阳能电池组进行电压调整。例如，在包含直线型的串联太阳能电池的直线型LCPV接收器中，齐纳二极管可通过连接线跨接在太阳能电池对的两端。因为总体光伏串限制电压不仅可通过齐纳电压、还可通过齐纳二极管的数量进行调节，所以该方法使得设计更具灵活性。该方法可通过将光伏串级的旁路二极管并联以处理电失配而得到强化。在又一个实施例中，可在系统级实施该齐纳二极管，从而限制一系列模块的电压。
[0047]开路电压限制器120可以用多种配置并入光伏串100中。图7示出了根据本发明实施例的光伏串100B的示意图。光伏串100B是图1光伏串100的具体实施例，其中采用多个开路电压限制器120 (即120-1、120-2和120-3)来限制特定组的太阳能电池115两端的最大可能电压，从而涉及到整个光伏串100B。通过使开路电压限制器120跨接在光伏串100B的两端，可以降低任何特定开路电压限制器120的限制器电压Vlimit要求，从而可以降低功率耗散。
[0048]在图7的例中，开路电压限制器120-1限制太阳能电池组(115-1、115-2、115-3和115-4)两端间的最大可能电压；开路电压限制器120-2限制太阳能电池组(115-5和115-6)两端间的最大可能电压；并且开路电压限制器120-3限制太阳能电池组(115-7、115-8、…和115-n)两端间的最大可能电压。开路电压限制器120-1的负端子121连接到正输出引线130，开路电压限制器120-2的负端子121连接到开路电压限制器120-1的正端子122，开路电压限制器120-3的负端子121连接到开路电压限制器120-2的正端子122，并且开路电压限制器120-3的正端子122连接到负输出引线131。整个光伏串100B两端的总体限制器电压Vlimit已在多个开路电压限制器120之间作了分配，从而与使单个开路电压限制器120覆盖整个光伏串100B相比，允许单独的开路电压限制器120具有降低的限制器电压Vlimit，并因而在电压限制模式下具有较低的功率耗散。
[0049]图8示出了根据本发明实施例的光伏串100C的示意图。光伏串100C是图1光伏串100的具体实施例，其中在光伏串100C中的仅一些组而非全部组的太阳能电池两端采用一个或多个开路电压限制器120。这便于作出更多的设计选择，因为整个光伏串100C两端的开路电压Voc可通过采用的开路电压限制器120的数量和由各个开路电压限制器120限制的太阳能电池115的数量进行限制。
[0050]在图8的例中，开路电压限制器120-1限制太阳能电池组(115-1、115-2和115-3)两端间的最大可能电压，并且开路电压限制器120-2限制太阳能电池组(115-7、115-8和115-n)两端间的最大可能电压。对太阳能电池组(115-4、115_5和115-6)两端间的最大可能电压不作限制。然而，光伏串100C两端(即，输出引线130和131之间)的总体最大可能电压被限制器120-1和120-2降低。
[0051]如在光伏串100、100A和100B中那样在整个光伏串两端提供开路电压限制有利地允许将正向电流传导通过一个或多个限制器120，从而在发生电失配时提供旁路保护。图8的光伏串100C不具有芳路保护,但可以包括芳路二极管，如在图9的光伏串100D中那样。光伏串100D是添加了旁路二极管251的光伏串100C的具体实施例。旁路二极管251通过允许正向电流传导以对光伏串100D进行分流而提供防备电失配的保护。旁路二极管251可以包括肖特基二极管或PN结二极管。光伏串100D在其他方面与光伏串100C相同。
[0052]如可以理解的那样，开路电压限制器120可以实施为电路，并使用除齐纳二极管之外的器件。可以采用的其他器件包括金属氧化物压敏电阻(MOV)、晶体管(M0SFET或BJT)、具有特定调整的正向电压的反向并联二极管、半导体闸流管等等，通过这些器件自身和/或与其他器件组合而形成电路，例如包括晶体管的电路。从根本上说，可以使用能够在超过特定阈值电压时沿一个偏压方向且在超过不同阈值电压时沿另一个偏压方向将电流分流的任何器件或电路来实现开路电压限制器功能。
[0053]图10示出了根据本发明实施例的开路电压限制器120B。开路电压限制器120B是开路电压限制器120的具体实施例，以与开路电压限制器120相同的方式工作。因此，与图4的开路电压限制器120A类似，开路电压限制器120B可以在光伏串100、100A、100B、100C、100D和其他光伏串中被用作开路电压限制器。 [0054]在图10的例中，开路电压限制器120B包括正向二极管172和反向二极管171。正向二极管172的阴极连接到负端子121，并且正向二极管172的阳极连接到正端子122。反向二极管171的阴极连接到正端子122，并且反向二极管171的阳极连接到负端子121。
[0055]二极管171和172可以包括肖特基二极管或PN结二极管，并且相应地仅沿一个方向导通电流。然而，在图10的例中，二极管171和172处于反向平行配置，其中一个二极管被布置成沿一个方向流过电流，并且另一个二极管被布置成沿相反方向流过电流。这使开路电压限制器120B能够沿两个方向流过电流。通过适当设计二极管171和172的正向特性，可以优化当超过时二极管171和172便导通电流的电压。
[0056]例如，因为正向二极管172用于旁路模式，所以可将其正向电压降设计得尽可能低。该例中，可将反向二极管171的正向电压降设计为提供如在式I中那样的比最大功率点电压Vmp高但比开路电压Voc低的限制器电压Vlimit。在开路电压状态中，当限制器120B两端的电压超过反向二极管171两端的限制器电压Vlimit时，电流将从负端子121流出，经过反向二极管171到达正端子122。应当注意，在开路电压状态中，因为正向二极管172将处于反向偏压状态，所以其不会导通电流。在电失配的情况下，正向二极管172处于正向偏置状态，将电流从光伏串分流。此时反向二极管171将处于反向偏压状态，因此不会导通电流。
[0057]图11示出了根据本发明实施例的开路电压限制器120C。开路电压限制器120C是开路电压限制器120的具体实施例，其工作方式与开路电压限制器120相同。因此，限制器120C可在光伏串100、100A、100B、100C、100D和其他光伏串中被用作开路电压限制器。开路电压限制器120C除使用多个正向二极管172(即，172-1、172-2、…、172_n)和多个反向二极管171(ΒΡ，171-1、171-2^..、171-η)外，与开路电压限制器120Β相同。使用多个正向二极管172和/或反向二极管171为优化开路电压限制器120C中二极管的正向电压降或载流能力创造了条件。开 路电压限制器120C在其他方面与开路电压限制器120Β相同。
[0058]图12示出了根据本发明实施例的开路电压限制器120D。开路电压限制器120D是开路电压限制器120的具体实施例，其工作方式与开路电压限制器120D相同。因此，限制器120D可在光伏串100、100Α、100Β、100C、100D和其他光伏串中被用作开路电压限制器。开路电压限制器120D除使用与正向二极管172串联的更多的二极管和与反向二极管171串联的更多的二极管外，与开路电压限制器120C相同。具体地讲，可将一个或多个二极管设置为与正向二极管172和/或反向二极管171串联，为进一步优化开路电压限制器120D中二极管的正向电压降或载流能力创造条件。开路电压限制器120D在其他方面与开路电压限制器120C相同。
[0059]以上已对用于限制光伏串的开路电压的电路和方法作了公开。虽然已提供了本发明的具体实施例，但是应当理解，这些实施例是用于举例说明的目的，而不用于限制。通过阅读本发明，许多另外的实施例对于本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。
【权利要求】
1.一种光伏串，所述光伏串包括: 多个串联连接的太阳能电池； 位于所述光伏串的两端的正极引线和负极引线，所述多个串联连接的太阳能电池的一端连接到所述正极引线，而所述多个串联连接的太阳能电池的另一端连接到所述负极引线；以及 跨接在所述多个串联连接的太阳能电池两端的开路电压限制器，所述开路电压限制器具有连接到所述负极引线的正端子和连接到所述正极引线的负端子，所述开路电压限制器具有用于使电流沿着一个方向流过所述开路电压限制器的低于所述光伏串的开路电压的限制器电压，并且允许电流沿着另一个方向流过所述开路电压限制器。
2.根据权利要求1所述的光伏串，其中所述开路电压限制器包括齐纳二极管并且所述限制器电压为所述齐纳二极管的齐纳电压。
3.根据权利要求1所述的光伏串，其中所述开路电压限制器包括: 第一二极管，其具有连接到所述开路电压限制器的所述正端子的阴极和连接到所述开路电压限制器的所述负端子的阳极；以及 第二二极管，其具有连接到所述开路电压限制器的所述负端子的阴极和连接到所述开路电压限制器的所述正端子的阳极。
4.根据权利要求3所述的光伏串，其中所述开路电压限制器还包括: 第三二极管，其具有连接到所述开路电压限制器的所述正端子的阴极和连接到所述开路电压限制器的所述负端子的阳极。
5.根据权利要求1所述的光伏串，其中所述开路电压限制器包括电路。
6.根据权利要求1所述的光伏串，其中所述限制器电压大于所述光伏串的最大功率点电压。
7.一种光伏串，所述光伏串包括: 多个串联连接的太阳能电池；以及 跨接在所述多个串联连接的太阳能电池中的第一组太阳能电池两端的第一开路电压限制器，所述第一开路电压限制器具有用于使电流沿着一个方向流过所述第一开路电压限制器的低于所述第一组太阳能电池的最大电压的第一限制器电压，并且具有用于使电流沿着另一个方向流过所述第一开路电压限制器的第一正旁路电压。
8.根据权利要求7所述的光伏串，其中所述第一开路电压限制器包括齐纳二极管并且所述限制器电压包括所述齐纳二极管的齐纳电压。
9.根据权利要求7所述的光伏串，其中所述第一开路电压限制器包括: 第一二极管，其具有连接到所述第一开路电压限制器的正端子的阴极和连接到所述第一开路电压限制器的负端子的阳极；以及 第二二极管，其具有连接到所述第一开路电压限制器的所述负端子的阴极和连接到所述第一开路电压限制器的所述正端子的阳极。
10.根据权利要求9所述的光伏串，其中所述第一开路电压限制器还包括: 第三二极管，其具有连接到所述第一开路电压限制器的所述正端子的阴极和连接到所述第一开路电压限制器的所述负端子的阳极。
11.根据权利要求7所述的光伏串，其中所述第一开路电压限制器包括电路。
12.根据权利要求7所述的光伏串，还包括: 跨接在所述光伏串两端的旁路二极管。
13.根据权利要求7所述的光伏串，还包括: 跨接在所述多个串联连接的太阳能电池中的第二组太阳能电池两端的第二开路电压限制器，所述第二开路电压限制器具有用于使电流沿着一个方向流过所述第二开路电压限制器的低于所述第二组太阳能电池的最大电压的第二限制器电压，并且具有用于使电流沿着另一个方向流过所述第二开路电压限制器的第二正旁路电压。
14.根据权利要求13所述的光伏串，其中所述第一组太阳能电池和所述第二组太阳能电池构成所述光伏串中的太阳能电池的整体。
15.一种操作光伏串的方法，所述方法包括: 提供跨接在所述光伏串的第一组串联连接的太阳能电池两端的第一开路电压限制器； 将所述第一组串联连接的太阳能电池两端的最大电压限制为第一开路电压限制器两端的第一限制器电压，所述第一限制器电压用于使电流沿着第一方向流过所述第一开路电压限制器；以及 允许电流沿 着与所述第一方向相反的第二方向流过所述第一开路电压限制器。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一组太阳能电池构成所述光伏串中的全部太阳能电池的整体。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一限制器电压小于所述光伏串的开路电压。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一限制器电压小于所述光伏串的开路电压，但大于所述光伏串的最大功率点电压。
19.根据权利要求15所述的方法，还包括: 将第二组串联连接的太阳能电池两端的最大电压限制为第二开路电压限制器两端的第二限制器电压，所述第二限制器电压用于使电流沿着第三方向流过第二开路电压限制器，所述第二组串联连接的太阳能电池与所述第一组串联连接的太阳能电池串联连接；以及 允许电流沿着与所述第三方向相反的第四方向流过所述第一开路电压限制器。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括: 提供跨接在所述第一组串联连接的太阳能电池和所述第二组串联连接的太阳能电池的两端的旁路二极管。
【文档编号】H01L31/04GK104011873SQ201280063660
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2012年12月11日 优先权日:2011年12月22日
【发明者】基思·约翰斯顿, 扎卡里·S·朱迪金斯 申请人:太阳能公司