動(dòng)態(tài)可重配置光伏系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】動(dòng)態(tài)可重配置光伏系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2013年8月29日提交的題目為“DYNAMICALLY RECONFI⑶RABLEPHOTOVOLTAIC SYSTEM”的第14/014266號美國專利申請的優(yōu)先權(quán)，該美國專利申請要求2012年8月31日提交的第61/695，884號美國臨時(shí)申請的更早提交日的權(quán)益。本申請也還要求2012年8月31日提交的第61/695，884號美國臨時(shí)申請的更早提交日的權(quán)益。這些申請的整體通過引用方式并入于此。
[0003]政府權(quán)利聲曰月
[0004]本發(fā)明按照Sandia公司和美國能源部之間的合約DE-AC04-94AL85000開發(fā)。美國政府具有本發(fā)明的某些權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005]本發(fā)明的實(shí)施例涉及能量采集光伏(PV)發(fā)電系統(tǒng)，諸如在航天器中所使用的那些。還描述了其它實(shí)施例。
【背景技術(shù)】
[0006]能量采集PV發(fā)電系統(tǒng)(還稱為太陽能發(fā)電系統(tǒng))已經(jīng)用于在包括住宅以及諸如衛(wèi)星和無人機(jī)之類的航空和航天飛行器的各種應(yīng)用中提供電力。對于住宅應(yīng)用，太陽能板具有相對小數(shù)目的電池，其中每個(gè)電池相當(dāng)大(諸如面積可以是大約6英寸乘以6英寸的硅PV電池)，并且在單個(gè)住宅太陽能板內(nèi)可以有大約72個(gè)這種電池。每個(gè)太陽能電池通常設(shè)計(jì)為產(chǎn)生某個(gè)電壓，例如，對于硅電池大約為0.6伏特，該電壓對于在電池處接收到的光輻射量僅具有微弱依賴。這種電池可以在板內(nèi)串聯(lián)電連接，以便增加所采集的能量輸出電壓，例如，40伏特dc (Vdc)。典型的住宅太陽能系統(tǒng)可以包括若干這樣的板(例如在5個(gè)和10個(gè)之間)，從而提供高達(dá)數(shù)百伏特。然后使用dc-ac轉(zhuǎn)換電路以獲得更常用的120Vac輸出電壓。
[0007]對于航空和航天器應(yīng)用，PV系統(tǒng)用作供給諸如蓄電池之類的能量存儲設(shè)備以及航空器或者航天器的其它部件(諸如推進(jìn)系統(tǒng))的主要發(fā)電系統(tǒng)。雖然蓄電池可以具有小于5伏特的相對低的電壓，但是推進(jìn)系統(tǒng)可能在其功率供應(yīng)輸入處需要數(shù)百伏特。因此，dc-dc上轉(zhuǎn)換器或者升壓電路用于例如將40伏特PV輸出增加到800或者甚至1000伏特。對于空間應(yīng)用或者無人機(jī)應(yīng)用，可以看到的是，需要可以根據(jù)航天器或者航空器的操作模式來支持低、中和高電壓的功率供應(yīng)母線。例如，需要高電壓用于在軌道轉(zhuǎn)移和其它機(jī)動(dòng)期間通過衛(wèi)星推進(jìn)單元的加速，然而需要中電壓用于常規(guī)操作，以及需要低電壓用于安然度過太陽風(fēng)暴或者安全關(guān)閉模式。此外，航天器或者航空器的可靠性、可用性以及維護(hù)需要強(qiáng)烈影響其為這種應(yīng)用中的關(guān)鍵部件的電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的實(shí)施例是動(dòng)態(tài)可重配置能量采集光伏(PV)系統(tǒng)，其在同一采集能量輸出節(jié)點(diǎn)處既可以產(chǎn)生低電壓并且又可以交替地產(chǎn)生高電壓，其中高電壓可以是低電壓的至少10倍大。本發(fā)明的這個(gè)方面可以幫助減少對于分離式升壓轉(zhuǎn)換器的需要，這將幫助提高諸如衛(wèi)星(其中散熱可能是難題)之類的應(yīng)用中的功率效率。此外，假如其中PV系統(tǒng)上的入射光是激光束或者來自遠(yuǎn)程源的非相干、非寬帶光束(與太陽光相反)，可配置性實(shí)現(xiàn)更高效的功率接收器。當(dāng)光束或者光斑在PV系統(tǒng)之上“游走”使得給定的電池組未被連續(xù)照射時(shí)，難以高效地采集能量。本發(fā)明的實(shí)施例是可以將自身適配為產(chǎn)生預(yù)定輸出電壓或者輸出功率電平的PV系統(tǒng)，不管游走的光斑。
[0009]以上概述不包括本發(fā)明的所有方面的窮舉式列表。設(shè)想本發(fā)明包括可以從如下方面的所有合適組合實(shí)踐的所有系統(tǒng)和方法:以上概述的各種方面、以及在下文的【具體實(shí)施方式】中公開的和在與本申請一起提交的權(quán)利要求書中特別指出的那些方面。這些組合具有未在以上概述中具體記載的特定優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0010]在附圖的圖中，通過示例的方式而非限制的方式圖示了本發(fā)明的實(shí)施例，在圖中相同的參考指示相似的元件。應(yīng)該注意的是，在本公開中參照本發(fā)明的“實(shí)施例”或者“一個(gè)實(shí)施例”不一定參照同一實(shí)施例，并且它們意指至少一個(gè)。
[0011]圖1描繪了可重配置光伏系統(tǒng)。
[0012]圖2示出了作為航天器應(yīng)用的部分的一種配置中的光伏系統(tǒng)的更詳細(xì)視圖。
[0013]圖3示出了另一配置中的可重配置光伏系統(tǒng)。
[0014]圖4示出了其中電池串聯(lián)連接到彼此的子陣列。
[0015]圖5示出了其中電池以串并聯(lián)組合方式連接到彼此的子陣列。
[0016]圖6描繪了具有dc-dc轉(zhuǎn)換器的子陣列功率管理電路。
[0017]圖7以框圖形式描繪了電池或者多結(jié)功率管理器電路。
[0018]圖8更詳細(xì)地描繪了具有關(guān)聯(lián)的電池或者多結(jié)功率管理器電路的光伏電池。
[0019]圖9示出了游走激光或者非相干光束斑如何覆蓋連接的子陣列，而在該斑外部的其它子陣列斷開。
[0020]圖10示出了在光伏系統(tǒng)上的不同位置中的游走光束斑。
[0021]圖11圖示了光伏系統(tǒng)的各種應(yīng)用。
【具體實(shí)施方式】
[0022]現(xiàn)在解釋參照附圖的本發(fā)明的若干實(shí)施例。每當(dāng)下文描述的部分的形狀、相對定位以及其它方面未明確定義，本發(fā)明的范圍未僅限于所示出的部分，這些示出的部分僅意在用于說明的目的。同樣地，雖然闡述了大量細(xì)節(jié)，但是要理解的是，可以實(shí)踐本發(fā)明的一些實(shí)施例而無這些細(xì)節(jié)。在其它實(shí)例中，未詳細(xì)示出熟知的電路、結(jié)構(gòu)以及技術(shù)，以便不模糊對本描述的理解。
[0023]圖1描繪了依照本發(fā)明的實(shí)施例的可重配置PV系統(tǒng)I。系統(tǒng)由許多PV能量采集子陣列2構(gòu)成。雖然僅示出了 4個(gè)，系統(tǒng)當(dāng)然不限于該數(shù)目，因?yàn)榭梢杂猩龠_(dá)2個(gè)子陣列2或者可以有多于4個(gè)。每個(gè)子陣列2包含PV電池3的組，這些PV電池串聯(lián)電連接到彼此用于期望的更高輸出電壓(見圖4)，并聯(lián)電連接到彼此用于期望的增加的電流，或者以串并聯(lián)組合方式電連接到彼此以產(chǎn)生更高輸出電壓和更高電流兩者(見圖5)。并聯(lián)連接的串聯(lián)電池串的混合或者非對稱布置也是可能的。電池3可以是微系統(tǒng)使能光伏(MEPV)電池，其可以使用半導(dǎo)體微電子制造技術(shù)來制備并且可以相對小，例如直徑在100微米和5毫米之間，并且諸如在II1-V族半導(dǎo)體電池中厚度低達(dá)I微米?？紤]MEPV電池的小尺寸，子陣列2可以具有數(shù)千個(gè)電池3 (相比于常規(guī)PV模塊中的72個(gè)電池)。還要注意，子陣列3中的所有的電池3不需要都是復(fù)制品或者甚至不需要都是相同類型的。例如，一些可以是硅電池，其它的可以是Ge或者II1-V族電池。電池3可以備選地是具有兩個(gè)或者更多結(jié)的組合的多結(jié)電池，這些結(jié)可以串聯(lián)連接，或者如下文中依照圖7至圖8中描繪的本發(fā)明的實(shí)施例所描述的那樣。例如，每個(gè)子陣列2可以由光電池構(gòu)成，每個(gè)光電池具有面積小于五(5)平方毫米的活性或者光檢測區(qū)域，并且其中每個(gè)子陣列2可以具有幾千個(gè)MEPV光電池并且可以產(chǎn)生在I伏特(例如，串聯(lián)的兩個(gè)Si硅電池)和1000伏特之間的dc，其中電流在I微安培到若干安培的范圍內(nèi)，微安培用于其中僅需要高電壓和低電流或者基本上無電流的應(yīng)用(例如，電子/離子加速網(wǎng))，而若干安培用于高電流汲取應(yīng)用(例如，熱負(fù)載等)，使用本文描述的功率轉(zhuǎn)移配置轉(zhuǎn)移mW到kW的功率將是可能的。
[0024]仍然參照圖1，在存在入射光時(shí)，子陣列輸出電壓由每個(gè)子陣列2在子陣列功率節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)對處從子陣列2的連接的電池3產(chǎn)生。有時(shí)這些節(jié)點(diǎn)用標(biāo)記(+)和(_)來指定，以指示輸出電壓的極性。子陣列的輸出電壓和電流或者輸出功率通過導(dǎo)體和有源電路的分布式網(wǎng)絡(luò)(本文中稱為電力網(wǎng))來遞送。電力網(wǎng)(或者電力母線互連)由多個(gè)母線行和多個(gè)母線列構(gòu)成。如可以見到的那樣，