[发明专利]太阳能PV遮蔽自适应系统和装配

说明书

有成本效益的太阳能收集系统，包括：1)新太阳能PV面板布线和功率转换系统，其被设计成允许跟踪面板到面板遮蔽同时保持最大化的功率输出；2)支持新布线方案的配对新组合的结构和电气面板间连接器系统；以及3)用于新的面板间连接器系统的新的面板结构支撑；4)机器人阵列装配和安装系统，其用于利用机器人履带牵引装置将新的面板间连接器和新的面板结构支撑系统在现场装配到太阳能电池阵列部分中以将装配的太阳能电池阵列部分移动到它们的最终位置；以及5)用于支撑太阳能电池阵列部分的柱系统和安装器。它是用于快速安装和更高的能量输出的完全集成的太阳能系统，其共同为太阳能领域创建了变革。

背景

在太阳能收集系统，特别是PV(光伏)系统中的成本效益是它们的部件成本、安装成本和有效能量输出的组合函数。当直接面对太阳时，太阳能面板的能量输出通常被最大化。这种面板包括直接从光生成电的PV面板和收集热能的太阳能热面板。所收集的能量的量涉及几个因素，其中两个因素是面板与太阳指向矢量的角度和面板的温度。作为示例，PV面板通常收集与太阳成高达50度角的能量，只要它们不被允许变得过热。角度和温度二者都重要，且近来为了“路边吸引力”用隐藏的装饰“修饰”面板在屋顶上的安装所做的努力只是加剧了面板热管理的问题。

已经使用了通常落在下面的安装类别内的多种太阳能面板安装和跟踪方案：水平地固定在地面或屋顶上，平坦地固定到倾斜屋顶，与地面或屋顶成角度地固定，在东-西水平轴上跟踪(跟踪太阳从南的升起)，在平行于地轴的轴上跟踪(北到南的轴，并升高以与纬度相匹配，跟踪太阳从日出到日落)，以及“双轴跟踪”系统，其安装在单杆上且可以最佳地瞄准面板以在一年中的任何一天跨越天空跟踪太阳。这些安装方案中的每个都具有其优点和缺点。安装“与地面或屋顶成角度”的固定面板以提高它们的太阳瞄准可以增加所收集的能量的量，但是这种安装方案通常不流行，因为它不雅观，尤其是在住宅环境中。“与地面成角度”或“与屋顶稍微成角度”的安装是最常见的商用面板安装方法。双轴跟踪优化了每个面板的能量收集。

在所有的面板安装方案中，迄今为止，太阳能面板的任何部分的遮蔽都被认为是不合需要的，特别是对于在被遮蔽时具有差的电气特性的PV面板。本发明的一个方面是提供PV面板内和PV面板间电气布线的新方法，其被设计成在保持最佳功率转换的同时特别地允许平行的面板到面板遮蔽。秘诀在于认识到类似地遮蔽的PV电池单元(cell)产生类似的电气输出，以及平行的面板到面板遮蔽在每个面板内产生具有共同的电气特性的列或行。通过将这些“遮蔽公共”的行/列一起连接成并联的或串联的长串，以对“类似输出产生”PV电池单元的优化转换而告终。确定PV电池单元本身被定向/创建以优化在面板到面板遮蔽的设计方向上的遮蔽也是必要的。同理，对于来自平行于太阳能面板的任何长直物品(诸如，屋顶脊线或屋顶护墙)的遮蔽也成立。

此外，每个区域和每个面板输出的净组合受到限制，因为面板间遮蔽通常是不能容忍的。当在面板内的电池单元被遮蔽时，显著改变了该电池单元的电力输出，尤其是电流输出。因为每个“PV电池单元”产生仅大约0.5V DC的电压，许多电池单元串联地连在一起，以在执行转换到AC功率之前获得更高的DC电压。因为这些是“串联”连接，如果任何一个电池单元被遮蔽，那么它降低的电流将显著影响整个串联或“串”的输出。已经描述了适应这种遮蔽的许多其他尝试，但是没有一个尝试公开地包含和设计用于如本文所述的整个跨越阵列遮蔽。通过突破这个先前认识到的面板间遮蔽限制，PV面板的阵列的净功率输出可以得到显著增加。

此外，PV阵列的现有装配是需要许多夹具和螺栓以及大量现场工人的非常劳动密集的活动。面板的未来可能充分取决于PV阵列安装的加速，因此产生对更快装配和更低成本安装的需求。

发明性质

本发明通过提供既降低成本又提高部署速度的完全集成的新面板、电气、架设和安装系统来完成太阳能系统的成本效益的显著提高。它集成了协同PV面板升级、PV电气系统升级和PV阵列的现场机器人装配。该集成系统以每单位面积的明显更高的能量输出创造了便于快速部署交钥匙公用事业规模和大型商用PV阵列解决方案的颠覆性飞跃。