[发明专利]基于光伏的完全集成的便携式电力系统

说明书

相关申请

本申请要求2015年1月4日提交的美国临时专利申请序列号62/099,530的优先权的权益，该申请以引用方式并入本文。

背景技术

光伏(PV)电力系统已广泛用于由阳光生成电力。大多数情况下，这些系统包括生成直流(DC)的重型刚性玻璃PV面板，以及可由电源管理电路、电池储存与充电控制电路的组合组成的系统平衡(BOS)，并且可能包括将DC电源转换成交流电(AC)以操作家用部件的逆变器。

此类系统的一个优点在于它们不一定需要连接到现有的电网，并且因此可在远程位置中提供电力。虽然存在这些系统的便携式版本，但PV面板的刚性性质，以及其中通常使用的密封铅酸(SLA)电池的显著重量禁止其广泛使用。

已经开发了轻质和柔性的PV模块(通常称为PV覆盖件)作为刚性玻璃PV面板的替代物。PV覆盖件是可商购获得的，并且足够轻以允许便携式发电。然而，包括PV覆盖件的常规便携式电力系统遭受许多显著的缺点。例如，可能难以找到与给定BOS兼容的PV覆盖件，反之亦然，因为PV覆盖件和BOS通常由不同的供应商制造并根据不同的规格设计。

另外，常规便携式PV电力系统需要多个分立部件，即与PV覆盖件分离的部件，其经由线缆电耦合到PV覆盖件和/或彼此耦合。分立部件和互连线缆的这种集合可能不期望地使部署便携式PV电力系统的区域混乱。经由线缆将分立部件互连的要求也可能使系统组装困难，特别是对于未经训练的用户而言。此外，分立部件和/或互连线缆可能被放错位置，并且在一些情况下，分立部件是易碎的并且因此容易受到物理损坏。互连线缆也可能存在跳闸危险。

此外，常规便携式PV电力系统通常不会在其最大功率点下操作，特别是当由在PV系统方面不是专家的人操作时。为了有助于理解这一点，应考虑PV器件的电特性。

光伏器件(诸如单个PV电池或包括多个PV电池的PV模块)的功率输出被描述为DC，但是该值是动态的，并且电压和电流在很大程度上取决于施加在光伏器件上的电负载。在零负载或开路下，PV器件不生成电流并且呈现其最高电压，通常称为开路电压(V_OC)。在附接到PV器件的电负载增加时，其电压将保持相对稳定，直到达到电压将随增加负载(即，增加电流)而持续降低的点。当光伏器件电短路时，器件上的电压为零，并且电流称为短路电流(或I_sc)。

电功率(P)由电压和电流的乘积计算。在电流(负载)增加时电压相对稳定的情况下，生成的电功率的量也增加。在电压随着增加的电流(负载)开始下降时，生成的功率降低。在实现峰值功率输出的点(通常称为最大功率点)处，电压和电流通常分别称为V_max和I_max。

例如，图1示出在100％光强度和70％光强度下的示例性PV器件(诸如PV电池或多个PV电池的模块)的动态响应100。如图所示，PV器件将在无负载和100％光强度下生成V_oc102。如果PV器件电短路(例如，两根引线连接在一起)，则器件上不存在电压，并且I_sc104在100％光强度下流过光伏器件。PV器件在100％光强度下具有最大功率点106。

然而，如果较少的光照射在前表面上，则PV器件的性能显著不同。例如，V_OC和I_sc在70％光强度下分别显著改变降低到V_oc108和I_sc110。因此，比起在100％光强度下的最大功率点106，在70％光强度下的最大功率点112更低并且在更低的输出电压下出现。因此，如果附接到PV器件的电子器件被设计成以对应于最大功率点106的固定电压运行，则PV器件将不会在70％光强度下以其最大功率点操作，因为工作电压将不会对应于在70％光强度下的最大功率点。

另外，环境条件影响可用的最大功率，以及在这些峰值条件下的电压和电流。这些环境条件包括阳光照射PV器件的角度，在器件位置处的环境温度，在阳光照射到PV器件上时其增加的温度，由于烟、雾、灰尘和污垢、降水、叶子、草以及其他自然现象对阳光到达PV器件造成的干扰。考虑到便携式电力系统的本质决定了它们可能不会理想地朝向太阳倾斜，在理想的温度条件下操作，或者没有阻挡阳光的环境污染物，PV器件可能不会以其测量的最大性能水平在标准测试条件下操作。