本發(fā)明涉及的是對堆疊式光伏電池進行溫度控制的裝置和方法，特別是涉及獲取太陽能電池電衰減數(shù)據(jù)的裝置與方法。

背景技術(shù)：

在電池溫度上升和載流子增加的時候，硅太陽能電池的注入水平可能會衰減。例如，在典型的光伏系統(tǒng)運行條件下，也就是溫度低于80℃且光照條件最高為陽光照射的時候，就會出現(xiàn)這種情況。光伏電池的衰減體現(xiàn)在效率的降低上，這種情況經(jīng)常在運行開始時即已出現(xiàn)。已發(fā)生的衰減，可以在特定的框架條件內(nèi)，通過一個復(fù)原過程進行恢復(fù)，但是這意味著支出的增加。人們目前還沒有充分理解導(dǎo)致出現(xiàn)衰減的效應(yīng)，所以無法采取合適的應(yīng)對措施。因此就存在獲取光伏模塊衰減情況的需求，并遵循以下目標。在特定的衰減周期中，太陽能電池要在規(guī)定的注入水平上經(jīng)歷一定的溫度，而這兩個參數(shù)在該過程中既可以保持恒定也可以是變化的。例如，該結(jié)果可以用于進行質(zhì)量控制。此外，應(yīng)對每個電池的衰減特性(或者時間性的衰減變化)進行研究，而在這里溫度同樣可保持恒定或者有變化。

例如，在常規(guī)設(shè)備中，會使用加熱板或者金屬涂層對各個光伏電池進行溫度控制，或者將電池模塊放入空調(diào)室中。此類光伏電池溫度控制系統(tǒng)在DE 10 2011 051 112 A1和DE 10 2012 022 825 A1標準中有說明。

這些系統(tǒng)有以下問題。首先，需要有大量/大面積的加熱板，或者必須進行大面積的用于加熱的均勻照明。用于研究整個模塊的常規(guī)方法有缺陷，因為首先必須構(gòu)件一個模塊，并且測量值僅對該模塊有效(例如60個電池的平均值)或者必須構(gòu)件專用的模塊。此外還需要有一個空調(diào)室，根據(jù)其結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)從上到下或者其它方向上的顯著溫度差。因此，根據(jù)模塊的堆疊方式(水平或者垂直)，將在模塊內(nèi)部或者不同模塊之間存在梯度。

人們經(jīng)常需要記錄每個電池的衰減變化，而這就需要對每個電池進行接觸。而在平面布置方式中，這反過來又需要進行昂貴的布線和接觸連接。此外，還要在電池背面設(shè)置一個觸點(例如以焊接的方式)，如果沒有其它措施，這將導(dǎo)致電池與加熱板隔開，沒有最佳的熱接觸。另外，在模塊中，每個電池上都必須有一個觸點從模塊引出。

常規(guī)系統(tǒng)的另一個問題在于，在拱形電池中，與加熱板的熱接觸會導(dǎo)致電池溫度出錯。作為選擇，必須在加熱板中安裝一個真空抽吸裝置，而這么做又將導(dǎo)致花費增加。例如，DE 10 2009 059 300 A1標準中說明的另一種常規(guī)系統(tǒng)，里面的光伏電池輸送容器就有一個電極， 用于往光伏電池施加電壓。這樣就能夠以通電的方式，給已進行電連接的光伏電池加熱，從而啟動恢復(fù)過程。DE 10 2006 012 920 B3標準中公布了另外一種制造帶有穩(wěn)定的有效截面的光伏元件的方法，在該方法的制造過程中，通過施加電壓產(chǎn)生電流，使溫度被保持在特定的范圍內(nèi)。

但是，在這種系統(tǒng)中，給各個電池通電流很麻煩，要有額外的投入才能實現(xiàn)。在溫度控制方面也是一樣，它很難控制并且無法提供均勻的溫度分布效果。尤其是在堆疊式光伏電池中，它會導(dǎo)致其內(nèi)部溫度超過平均水平，而邊緣區(qū)域卻相對較冷。

出于上述原因，常規(guī)的針對性衰減方法投入大、易出錯且昂貴。

當前發(fā)明的任務(wù)是，創(chuàng)造一種能夠避免所述的缺點，特別是能夠有針對性地測量和研究衰減及其過程的裝置和方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

當前發(fā)明通過一個符合權(quán)利要求的堆疊式光伏電池溫度控制裝置和一種符合權(quán)利要求的溫度控制方法來解決上述任務(wù)。從屬權(quán)利要求是符合裝置的改進方案。

當前發(fā)明的基礎(chǔ)理念是，如果在衰減位置和測量位置內(nèi)部給太陽能電池通電，有針對性地對電池進行加熱，就可以讓大量的太陽能電池同時開始衰減，并且可以同時控制所產(chǎn)生的廢熱的排出，達到均勻加熱光伏電池的目的。

為了達到這一效果，符合本發(fā)明要求的堆疊式光伏電池溫度控制裝置帶有：一個用于安裝堆疊式光伏電池的區(qū)域；一個第一和一個第二電源接口，用于將堆疊式光伏電池連接到外部電源上，提供電流流過堆疊式光伏電池；和一個溫度控制單元，設(shè)計用于讓冷卻劑流過安裝區(qū)域，使安裝區(qū)中的堆疊式光伏電池的溫度可控。例如，可以將空氣用作冷卻劑，通過冷卻來控制電池溫度。

在其它結(jié)構(gòu)形式中，電池在堆垛中沿著導(dǎo)電軌(即所謂的匯流條)，通過導(dǎo)電的隔片或者模塊橫向連接桿彼此隔開。這樣，電池就可以在匯流條方向上通過空氣全面冷卻，同時不同的堆垛層彼此有電接觸。

此外還可以通過溫度傳感器獲取電池溫度。例如，溫度傳感器可以設(shè)置在電池和橫向連接桿之間。這樣就可以準確地測量電池的溫度。

此外，在給光伏電池通電的過程中，可以單獨測量每個電池或者電池組的電壓降，并將測量值保存下來。同樣可以通過有針對性的溫度控制和/或者電流或者電壓控制，實現(xiàn)相應(yīng)的波動。這樣就可以將光伏電池置于時間性的溫度影響中，同時測量各個電池上的相應(yīng)電壓降。每個電池的衰減變化都可以用這樣的方式獲取，同時電流強度和溫度可以保持恒定或者有變 化。

因此，當前發(fā)明的優(yōu)點尤其體現(xiàn)在：在所需的條件下對大量的太陽能電池進行衰減，即沒有溫度梯度的衰減，這方面所需的成本明顯更低。這可帶來可觀的成本節(jié)約潛力。此外，符合本發(fā)明要求的方法節(jié)省了空間，并且可以以相對較快的速度實現(xiàn)。甚至可以采集和保存大的數(shù)據(jù)量。電池的接觸方式簡單并且可以相對較快地實現(xiàn)。在測量之后，電池還可以繼續(xù)使用。

因此，本發(fā)明能提供前述常規(guī)手段無法實現(xiàn)的優(yōu)點。結(jié)構(gòu)示例的優(yōu)點尤其體現(xiàn)在，衰減時，可以快速、低成本地擴大容量。為了加深對衰減機制的理解，可以進行大量的研究和獲取衰減特征。這樣就可以在生產(chǎn)中和/或者在質(zhì)量監(jiān)控過程中，對晶片材料和電池過程進行質(zhì)量控制。

附圖說明

用下面的詳細說明和隨附的不同結(jié)構(gòu)示例的圖紙可以更好地理解當前發(fā)明的結(jié)構(gòu)示例，但是不應(yīng)將其理解為，它將公開的內(nèi)容限制為特定的結(jié)構(gòu)類型，應(yīng)理解為，它僅作釋義和促進理解用。

圖1是一個溫度控制裝置的結(jié)構(gòu)示例。

圖2是帶有其它可選構(gòu)件的裝置的另一個結(jié)構(gòu)示例。

圖3顯示的是圖2所示的裝置，位于與示例性氣流垂直的橫截面中。

圖4是用在光伏電池堆垛中光伏電池之間的隔片的細節(jié)圖。

圖5是改進方案的其它細節(jié)。

圖6是該裝置的安裝區(qū)可能的設(shè)計結(jié)構(gòu)。

圖7是一個溫度控制方法流程圖。

具體實施方式

圖1顯示的是溫度控制裝置的一個結(jié)構(gòu)示例，它具有以下特點：一個堆疊式光伏電池50的安裝區(qū)110；一個第一和一個第二電源接口121、122，用于將堆疊式光伏電池50連接到外部電源(未顯示)上，提供電流流過堆疊式光伏電池50。此外該裝置還有一個溫度控制單元130，設(shè)計用于讓冷卻劑F流過安裝區(qū)110，使安裝區(qū)110中的堆疊式光伏電池50的溫度可控。

圖2是帶有其它可選構(gòu)件的裝置的一個結(jié)構(gòu)示例。在所示的結(jié)構(gòu)示例中，溫度控制單元130包含一個鼓風(fēng)機131和一個附加加熱裝置132，能夠讓鼓風(fēng)機131引發(fā)氣流F，例如從附加加熱裝置132流到鼓風(fēng)機131(或者反過來)。附加加熱裝置132有觸點133，能夠 在上面施加電壓，使得附加加熱裝置132的加熱功率可調(diào)(例如，在使用了控制單元的情況下)。

因此在空氣流經(jīng)堆疊式光伏電池50之前，可以用附加加熱裝置132給氣流F加熱。此外，在結(jié)構(gòu)示例中還可以看到很多隔片60，分別布置在光伏電池堆垛50中兩個相鄰的光伏電池51、52之間。隔片60的作用是將光伏電池50隔開，產(chǎn)生間隙，讓氣流F可以作為冷卻氣流流過。

此外，圖2結(jié)構(gòu)示例中還有一個絕熱層210，位于裝置的邊緣區(qū)域，垂直于氣流F。它的作用是，讓位于邊緣區(qū)域的光伏電池，在熱量上與環(huán)境隔開，使其不會在較低環(huán)境溫度作用下過分冷卻。因此，即使是在與氣流方向F垂直的方向上，堆疊式光伏電池也有均勻的溫度變化過程。

也有可能在邊緣區(qū)域還存在其它(與絕熱層210相鄰)的光伏電池53、54，并且這些光伏電池53、54之間并沒有設(shè)置隔片60。這有個好處，即其它光伏電池53、54可以發(fā)揮熱反射鏡的效果(隔開明顯較冷的環(huán)境)，特別是在絕熱效果不理想的情況下，可改善邊緣區(qū)域熱分布的均勻性。但是，如果絕熱效果非常好，就不需要這些光伏電池54、54。

也可以選擇讓光伏電池和隔片在堆垛中松散地堆放/堆疊，彼此不固定連接在一起，僅通過安裝區(qū)的外部框架在側(cè)面對準。為了保證光伏電池50和隔片60之間依然有充分的電接觸，可以用重物加重(例如在15kg和30kg之間的重物)。這樣可以快速地檢查電池，無需進行任何改動，所以電池過后可以立即使用。

同樣地，也可以選擇讓通過鼓風(fēng)機131導(dǎo)出的空氣至少部分經(jīng)過回流通道再次返回附加加熱裝置132旁的氣流F入口。在這種情況下，將不會有或者只有少量冷卻空氣被帶入光伏電池堆垛中，進入其中的將是已進行預(yù)熱的空氣。這樣可以沿著氣流F的流動方向，在光伏電池50中形成均勻的溫度分布。

圖3顯示的是圖2所示的裝置，位于與氣流F垂直的橫截面中，也就是說，在圖3中，氣流F的方向與圖紙平面垂直。從圖3可以看出，絕熱層210可以在所有面上與氣流F垂直，即絕熱層210包括一個第一絕熱層211，一個布置在相對側(cè)面上的第二絕熱層212，此外還有同樣是布置在光伏電池50堆垛的兩個相對面上的第三絕熱層213和第四絕熱層214。隔片60依然布置在相鄰的兩個光伏電池51、52之間，并且在一個平面內(nèi)的兩個隔片60之間將產(chǎn)生一個氣流F可以流過的空隙70。

圖4顯示了隔片60的其它細節(jié)，它同樣也可以用作橫向連接片，讓相鄰的光伏電池51、52有電接觸。在具有導(dǎo)電性的隔片60末端分別設(shè)計了一個絕熱層63，該絕熱層空出 了一個中間段61，可以用于在相對的光伏電池51、52之間產(chǎn)生電接觸。因此，在堆垛上面或者底面導(dǎo)入的電流就可以通過隔片60流經(jīng)堆垛中的所有光伏電池50。

圖5顯示了改進方案的其它細節(jié)。

在圖5所示的結(jié)構(gòu)示例中，光伏電池50之間或者堆垛內(nèi)部布置了一個第一溫度傳感器151和一個第二溫度傳感器152，其中，溫度傳感器可以沿著氣流方向F彼此交錯布置。根據(jù)選擇，還可以有其它溫度傳感器，例如在不同的層面中。另外，依然在光伏電池50堆垛上方和下方設(shè)計了一個絕熱層210。

光伏電池50將通過第一觸點121和第二觸點122實現(xiàn)電接觸并與電源300連接，而在電源300和第一接頭121之間，例如設(shè)計了一個開關(guān)114，可以有針對性地(用I_const電流)控制通電。

在圖5的結(jié)構(gòu)示例中，鼓風(fēng)機131和附加加熱裝置132同樣被設(shè)計為溫度控制單元130的一部分。鼓風(fēng)機131通過控制線201、202連接到控制單元140上，并且同樣也與一個獨立的電源350相連。

控制單元140包括一個微控制器141、一個存儲單元142(例如帶有RTC、SD卡和/或者輸出裝置143)、一個顯示器144和一個附加加熱裝置控制器(例如電壓控制器)145。電壓控制器145通過輸電線133與附加加熱裝置132相連，實現(xiàn)對加熱功率的控制。微控制器141的設(shè)計功能是，通過操作開關(guān)134開啟或者關(guān)閉附加加熱裝置132。此外，微控制器141還通過一條傳感器線203和第一運算放大器351與第一溫度傳感器151相連，從第一溫度傳感器151接收溫度數(shù)據(jù)。同樣地，微控制器141通過傳感器線204和第二運算放大器352與第二溫度傳感器152相連，從該傳感器采集溫度數(shù)據(jù)。例如，可以將第一和第二運算放大器351、352設(shè)計用于放大第一溫度傳感器151和第二溫度傳感器152的數(shù)據(jù)，然后將放大后的信號通過信號線203、204傳輸?shù)娇刂茊卧?40的微控制器141上。例如，為了控制鼓風(fēng)機131，微控制器141將通過第一控制線201給鼓風(fēng)機131發(fā)送脈沖寬度調(diào)制信號，控制鼓風(fēng)機131的轉(zhuǎn)速或者旋轉(zhuǎn)時間。通過第二傳感器線202可以進行反饋，例如利用取決于鼓風(fēng)機131轉(zhuǎn)速且被發(fā)送回微控制器141的信號來實現(xiàn)。

此外，圖5的結(jié)構(gòu)示例還包含一個信號采集單元310。信號采集單元310通過信號線314與各個光伏電池相連，因此可以采集光伏電池50堆垛內(nèi)部各個光伏電池或者多個光伏電池的電壓降。例如，可以用具有導(dǎo)電能力的隔片60的末端63來實現(xiàn)接觸，例如，可以為此讓這些末端從堆垛50側(cè)面突出。例如，在末端63中可以存在直通連接，以將導(dǎo)電的橫向連接桿61(參見圖4)與信號線314相連。

例如，可以按照以下方法進行數(shù)據(jù)采集。信號采集單元310有眾多開關(guān)312，例如可以讓這些開關(guān)分別選擇兩個隔片60，在這兩個隔片之間存在一個或者多個要探測的光伏電池并且要對其電壓降進行測量。電壓降數(shù)據(jù)可以通過信號線401傳輸給微控制器141進行分析。為了能依次對眾多光伏電池進行測量，信號采集單元310配有一個用于此用途的乘法器311。乘法器311可以依次選擇多個相鄰的光伏電池或者任意的光伏電池對，以這樣的方式測量所選電池的電壓降。乘法器311通過控制線313與微控制器141相連，所以微控制器141就可以確定所需光伏電池的電壓降。

此外，控制單元140還可以根據(jù)所采集的溫度數(shù)據(jù)和各個光伏電池的電壓降數(shù)據(jù)，對以下單元進行控制:鼓風(fēng)機131(例如通過PWM信號)和/或者附加加熱裝置132(通過對開關(guān)134進行控制)和/或者電源300(通過開關(guān)114)。這樣就可以有針對性地以通電的方式對光伏電池50堆垛進行加熱，并且保證堆垛內(nèi)部的溫度變化恒定且均勻，同時根據(jù)采集的電壓降數(shù)據(jù)獲取衰減數(shù)據(jù)。

根據(jù)光伏電池堆垛50的電池數(shù)量，可以依次連接多個乘法器。例如，在圖5的例子中就有7x8(即56)個開關(guān)。未采集電壓降的其它光伏電池可以繼續(xù)有電流流過。

將氣流F的流動方向反轉(zhuǎn)，讓氣流往相反方向運動，可以避免示范性的空氣冷卻裝置在冷卻空氣入口和冷卻空氣出口之間，氣流方向F上出現(xiàn)大的溫度梯度。在這種情況中，鼓風(fēng)機131會將空氣壓入堆垛50。此外，仍然可以對冷卻空氣進行預(yù)熱，讓空氣入口不會出現(xiàn)過于強烈的冷卻。最后，也可以對電池間距進行選擇，使其存在足夠的冷卻空氣，實現(xiàn)有效的冷卻。

圖6A-F顯示了本發(fā)明裝置安裝區(qū)110可能的設(shè)計結(jié)構(gòu)。圖6A顯示的是，與氣流方向F垂直的橫截面方向上的安裝區(qū)110。圖6B和6F顯示的是安裝區(qū)110不同視角的空間視圖。在圖6C和6D顯示的安裝區(qū)110中，氣流方向是垂直的。在6E顯示的視圖中，空流方向F是水平的。

圖7是一個溫度控制方法流程圖。該方法包含以下步驟：將S110堆疊式光伏電池50安排到安裝區(qū)110中；然后S120將堆疊式光伏電池50連接到外部電源300上，以便提供電流I通過堆疊式光伏電池50；通過S130流經(jīng)安裝區(qū)110中堆疊式光伏電池50的冷卻劑流量F改變堆疊式光伏電池50的溫度，從而控制安裝區(qū)110中堆疊式光伏電池50的溫度。

雖然之前的說明主要涉及堆疊式光伏電池，但是所述的結(jié)構(gòu)也可以類似地應(yīng)用在堆疊式光伏模塊上。這樣的結(jié)構(gòu)應(yīng)用形式也是本發(fā)明的一部分。

可以對本發(fā)明的主要內(nèi)容作如下總結(jié)。

衰減的類型所需的注入，可通過給光伏電池通電來實現(xiàn)。它的優(yōu)點是，在室內(nèi)也可以出于測試用途(例如進行定期的質(zhì)量檢查)進行衰減。

遵照當前發(fā)明，完全制造完成的太陽能電池(例如已進行金屬噴鍍)上下堆疊并通電，以達到所需的注入水平。這樣，在每個電池上都有功率P＝I*U的電能被轉(zhuǎn)化成熱能，其中I是流過電池的電流，U是經(jīng)過每個電池而下降的電壓。

在電池之間，沿著匯流條分布著具有導(dǎo)電能力的隔片(例如模塊橫向連接桿)。這樣就可以通過電池之間、沿著隔片縱向流動的冷卻空氣流控制電池的溫度。電池堆垛的兩面以及向上和向下面均進行了熱量(和電)隔離(即在與氣流垂直的所有方向上隔離)。這樣可以保證，在與冷卻空氣垂直的方向上沒有溫度梯度或者只有小的溫度梯度。在電流強度大約2安培、電池溫度75℃、室溫25℃且電池間距大約0.3mm的條件下，流入和流出空氣之間的典型溫度梯度大約為4開爾文。

冷卻效果可能因冷卻空氣流量、電池和環(huán)境空氣之間的溫度差以及電池間距而出現(xiàn)變化。電池間距通常為0.2至1mm。但是該間距也可以比該數(shù)值高，例如2或者3mm?？梢栽O(shè)置合適的間距，用既有的溫度控制單元達到所需的溫度。典型的電流強度與短路電流Jsc或者較低的電流一致。如果是更高的電流強度，在垂直于匯流條的金屬噴鍍中會產(chǎn)生電壓降，可能導(dǎo)致不均勻通電和衰減。如果要使用更高的電流強度，應(yīng)采用平行于匯流條的其它間隔裝置。

為了讓電池和間隔裝置之間有良好的接觸，可以往電池堆垛上施加壓力，例如使用重物(例如5和30kg之間的或者大約20kg的重物)。

當前發(fā)明的結(jié)構(gòu)示例還包含一種機械結(jié)構(gòu)，用于堆放堆疊式光伏電池。溫度降在電池堆垛中的一個或者多個位置上測量，然后測得的溫度將在控制裝置中與額定值進行對比并對冷卻空氣流量進行控制。冷卻氣流的方向可以在操作過程中多次更改，讓空氣入口和空氣出口之間的溫度梯度保持在較小的水平或者低于規(guī)定的閥值。

吸入的空氣也可以進行事先冷卻(例如通過Peltier元件)，或者預(yù)熱(例如通過電熱絲或者也用Peltier元件)。這可以加快加熱和冷卻過程，或者以所需的方式影響空氣入口和空氣出口之間的溫度梯度。對冷卻空氣進行預(yù)熱的時候，至少可以將一部分排出的空氣作為冷卻空氣使用。

采集到的測量值可以保存起來，例如測量值可以包括電池溫度、電池電壓、電池電流，必要時也可以包括這些值的靜態(tài)平均值或者環(huán)境溫度和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等。

此外，本發(fā)明的裝置或者控制器還可以配置輸入輸出設(shè)備，例如顯示器、鍵盤、存儲器、網(wǎng)絡(luò)接入口或者其它設(shè)備，讓用戶可以進行相應(yīng)的設(shè)置和采集數(shù)據(jù)。

除了恒定地通電和選擇恒定的溫度之外，也可以使其有波動，例如用于模擬室外條件。

設(shè)備還包括一個安全裝置，用于在過熱或者冷卻裝置故障的時候切斷電流。

說明內(nèi)容、權(quán)利要求和結(jié)構(gòu)圖中公開的發(fā)明特征，即可以單獨也可以以任意方式組合，構(gòu)成實現(xiàn)發(fā)明要求的要素。