常州天合光能有限公司 (中国江苏省常州市新北区天合光伏产业园天合路2号, Jiangsu 1, 213031, CN)
| 1、 一种高安全性的光伏发电系统， 包括光伏发电单元， 其特征是： 将所 述的光伏发电单元划分为多个光伏发电子单元 （1)， 该光伏发电子单元 （1) 由 一定数量的光伏电池彼此电连接构成， 每个光伏发电子单元 （1) 的电压和电流 处于对人体无害的范围内， 光伏发电子单元 （1) 通过触发单元 （2) 电连接组 成整个光伏发电系统， 触发单元 （2) 与感应器 （3) 连接， 触发单元 （2) 受感 应器 （3) 的电信号的驱动， 断开或连接光伏发电子单元之间的电流通路， 感应 器 （3) 感应外界环境， 一旦感应器 （3) 感应到的外界环境的异常信号超出产 品预设的安全范围， 即驱动触发单元 （2) 动作断开每个光伏发电子单元 （1) 之间的电流通路， 将整个光伏发电系统分离成多个对人体安全的光伏发电子单 元 （1)。 2、 根据权利要求 1所述的高安全性的光伏发电系统， 其特征是： 所述的 触发单元 （2) 由多个触发器 （2-1) 构成， 每个光伏发电子单元 （1) 都电连接 一个触发器 （2-1)， 并通过该触发器 （2-1) 与其他光伏发电子单元 （1) 电连 接， 每个触发器 （2-1) 都受感应器 （3) 驱动。 3、 根据权利要求 1所述的高安全性的光伏发电系统， 其特征是： 所述的 感应器 （3) 集成在光伏发电系统内部， 或者设置在光伏发电系统外部。 4、 根据权利要求 2所述的高安全性的光伏发电系统， 其特征是： 所述的 感应器 （3) 为温度传感器 （4)， 触发器 （2-1) 为信号继电器 （5)， 温度传感 器 （4) 感应到温度超过设定值时， 驱动信号继电器 （5) 断开每个光伏发电子 单元 （1) 之间的电流通路。 5、 根据权利要求 4所述的高安全性的光伏发电系统， 其特征是： 所述的 温度传感器 （4) 为负温度系数热敏电阻。 6、 根据权利要求 2所述的高安全性的光伏发电系统， 其特征是： 所述的 感应器 （3) 为振动传感器， 触发器 （2-1) 为信号继电器 （5)， 振动传感器感 应到振动信号超过设定值时，驱动信号继电器（5)断开每个光伏发电子单元（1) 之间的电流通路。 7、 根据权利要求 6所述的高安全性的光伏发电系统， 其特征是： 所述的 振动传感器为启动汽车爆炸式气囊保护装置的汽车振动传感器 （6)， 触发器 (2-1) 为信号继电器 （5)， 汽车振动传感器 （6) 感应到振动信号超过设定值 时， 在启动爆炸式气囊保护装置的同时驱动信号继电器 （5) 断开每个光伏发电 子单元 （1) 之间的电流通路。 8、 根据权利要求 7所述的高安全性的光伏发电系统， 其特征是： 所述的 振动传感器为感应地震信号的万向振动传感器 （7)， 触发器 （2-1) 为信号继电 器 （5)， 万向振动传感器 （7) 感应到振动信号超过设定值时， 驱动信号继电器 (5) 断开每个光伏发电子单元 （1) 之间的电流通路。 9、 根据权利要求 1所述的高安全性的光伏发电系统， 其特征是： 在系统 内设置适当的重置电路， 危险排除后进行触发单元 （2) 的复位， 再次将光伏系 统连接起来正常工作。 10、 根据权利要求 1所述的高安全性的光伏发电系统， 其特征是： 所述 的感应器 （3) 和触发单元 （2) 以蓄电池 （8) 为驱动电源。 |
背景技术 以往， 光伏发电主要应用于太空发电和小型商品应用 技术， 如计算器。 2000 年以后， 光伏发电也开始走向比较大规模的并网和离网 的光伏发电应用， 如大 型商业电站和建筑一体化的光伏系统。 太阳能光伏发电系统由光伏组件、 逆变 器和光伏固定系统如支架等部分组成。 太阳能光伏系统产生电力最核心的单元 是光伏组件。 目前的光伏组件可以分为两个简单部分： 发电部分和接线部分。 发电部分有光伏电池和封装材料组成。 这里， 光伏电池可以是晶体硅电池， 也 可以是薄膜电池。 接线部分由带有旁路二极管的接线盒和电缆端 子组成。 旁路 二极管可以在组件中的光伏电池工作不正常时 将这其短路保护掉， 从而避免火 灾等安全事故。 近年来， 在组件端加入智能化因素， 用于处理光伏系统组件和 组件之间的电压、 电流不匹配等， 以提高光伏系统的实际发电量。
根据国家用电安全的有关法律法规规定， 人体所能直接接触到的安全电压 为 36V, 安全电流是 0.01A。 干燥的情况下， 人体电阻： 1000〜3000Ω; 潮湿的 情况下， 人体电阻： 500 〜 800Ω。 当人体通过 0.6mA的电流， 会引起人体麻 刺的感觉； 通过 20mA安的电流， 就会引起剧痛和呼吸困难； 通过 50mA安的电 流就有生命危险； 通过 100mA安以上的电流， 就能引起心脏麻痹、 心房停止跳 动， 直至死亡。 结合上面的标准， 第一我们从电池、 组件和系统三个层次来考虑太阳能发 电系统对人体的安全隐患。 第一、 太阳电池。 系统中， 最基本和最底层的发电 单元是分立的太阳能电池。单个 PN结的太阳能电池的供电电压约为 0. 6 -0. 7 V， 供电电流约为 0. 030 - 0. 038 A/cm2。 对于常见的 125x125匪 2近方型的单晶硅 太阳能电池，单片电池可提供的电流约为 4. 5 - 5. 5 A。对于常见的 156 x156匪 2 方形多晶硅太阳电池， 单片电池可提供的电流约为 7 - 8A。 第二、 组件。 目前 光伏组件的工作电压一般为 35-45V, 工作电流一般为 4 - 8 A o 组件中电压的 提升主要是通过将 60个或以上的电池片串联起来达成的。 第三、 光伏系统。 在 实际发电的光伏系统中， 再将数个组件串并联来提升实际工作电压， 达到 200V、 400V甚至更高。 随着太阳能发电技术的进一步发展， 基本发电单元电池的电压 和电流特性会进一步大幅度提高。 例如多节叠层技术可以将单个电池的电压提 升 2-3倍以上。 例如电镀、 激光掺杂技术和背面电池技术等可以大幅度提 高电 池的工作电流 10%以上等等。这些技术进步将大幅度降低光伏 发电的成本， 但同 时也将给光伏发电系统的安全性考虑带来更大 威胁。
其次， 在考虑光伏发电系统的安全问题时， 我们必须注意到光伏发电的分 布性。 这一点上和传统电力 （如火力、 水力发电） 非常不同。 传统电力的发电、 传输和使用地点是分离的， 便于集中控制。 而光伏发电具有非常大的分布性。 例如， 在建筑应用上， 光伏电池广泛地分布在屋顶。 在汽车和游艇的应用上， 光伏电池广泛分布在车顶、 游艇顶等地方。 这些地方直接与使用光伏电力的人 体接近。 而且正是由于光伏发电的分布性， 仅仅对光伏组件的边框或支撑架等 接地并不能有效地完全解决系统安全问题。
还有、 光伏发电和普通发电系统对人体造成伤害的机 理不同。 这也大大对 增加了光伏发电系统的安全设计要求。 普通常规电力通常使用多层软性塑胶等 绝缘材料来传输电力或作为电力引出的接口。 因此， 通常触电的机理是皮肤接 触带电端。 皮肤的电阻远远大于人体体液。 人体皮肤表皮最外层的角质层虽然 厚度很低 0. 05 〜 0. 2mm， 但电阻率高达 0. 1 〜 1 Μ Ω πι。 而光伏发电系统除 了上述机理外， 还可能通过人体体液直接产生触电， 而人体体液的电阻率可以 为 1 -15 Ω πι甚至更低。 试举一个车顶的例子， 屋顶、 游艇顶等等的情况类似， 当车顶在特殊情况下破裂， 带电的电池片， 或其封装材料如玻璃， 如果划破皮 肤， 并直接接触到强导电性的人体体液， 从而更容易造成严重的人体伤害。
第四、 光伏发电安全必须关注安全电流问题。 光伏电池发电具有低电压 C0. 6 V) 和大电流 （1A - 6A) 的特点。 这点特性和普通日用交流电完全不同。 附图二给出了电性安全考虑的简单物理原理模 型图。 发电子单元由一个电池片 或几个电池片串联组成。 这里将它等效为一个电流源， 一个串联的内部电阻 rs 和一个并联的电阻 rsh。 人体或人体的一部分等效为一个并联的电阻^ 这个原 理图提供了一种简单估算安全电压的方法。 如果通过人体的电压、 电流同时小 于安全电压 （36V ) 和安全电流 （50mA)， 则系统是安全的。 下面我们用一个实 例来估算。 如图三中所示的光伏发电系统， 我们来考察一个发电子单元， 它是 由 6个电池组成的电池串。 每个光伏电池标准状态下的额定电压和电流是 0. 6V 和 1A， rs = 0. 003 ohm, rsh = 20 ohm。 这个电池串可以等效为图二的等效电 路。
考虑特殊情况， 人体被玻璃割伤时， 电流直接接触人体体液， 人体电阻为 200 ohm。 总电压是 3. 6V, Rs可以忽略不计。 总电阻为 rsh=20 ohm和人体电阻 200ohm并联后的电阻， 数值为 18. 2 ohm, 总电流为 198mA， 分流流过人体的电 流为 18mA。 这个电流会让人产生疼痛的感觉， 但人体安全。 另外， 考虑 36个电 池串的发电子单元， 总电压是 21. 6V， Rs可以忽略不计， 总电阻为 rsh=20 ohm 和人体电阻 200ohm并联后的电阻， 数值为 18. 2 ohm, 总电流为 1187mA， 分流 流过人体的电流为 108mA。 这一电流通过心脏， 可以致人死命。
发明内容 本发明要解决的技术问题是： 1 )光伏发电系统或光伏发电系统的一部分 如组件或者电池串， 可以对人体造成致命伤害。 2 ) 光伏发电系统比常规电力能 源对人体的威胁性更大。 为彻底解决光伏发电的用电安全问题， 本发明所采用的技术方案是： 一 种高安全性的光伏发电系统， 包括光伏发电单元， 将光伏发电单元划分为多个 光伏发电子单元， 该光伏发电子单元由一定数量的光伏电池彼此 电连接构成， 每个光伏发电子单元的电压和电流处于对人体 无害的范围内， 光伏发电子单元 通过触发单元电连接组成整个光伏发电系统， 触发单元与感应器连接， 触发单 元受感应器的电信号的驱动， 断开或连接光伏发电子单元之间的电流通路， 感 应器感应外界环境， 一旦感应器感应到的外界环境的异常信号超出 产品预设的 安全范围， 即驱动触发单元动作断开光伏发电子单元之间 的电流通路， 将整个 光伏发电系统分离成多个对人体安全的光伏发 电子单元。 感应器感应的外界异 常信号如剧烈机械冲击或温度突然升高等， 将力学形变、 声学震动、 热量变化、 光强变化、 电流变化或磁场变化等转化为电信号， 感应器内包括单一种类的传 感器， 也可以是多种类型传感器的结合， 做到互补。
触发单元由多个触发器构成， 每个光伏发电子单元都电连接一个触发器， 并通过该触发器与其他光伏发电子单元电连接 ， 每个触发器都受感应器驱动。 这里的触发单元的功能不排除是由一个电气元 件实现的。
感应器集成在光伏发电系统内部， 或者设置在光伏发电系统外部， 还可以 与其他设备共用。 感应器为温度传感器， 触发器为信号继电器， 温度传感器感应到温度超过 设定值时， 驱动触发器断开光伏发电子单元之间的电流通 路。
温度传感器为负温度系数热敏电阻，
感应器为振动传感器， 触发器为信号继电器， 振动传感器感应到振动信号 超过设定值时， 驱动触发器断开光伏发电子单元之间的电流通 路。
振动传感器为启动汽车爆炸式气囊保护装置的 汽车振动传感器， 触发器为 信号继电器， 汽车振动传感器感应到振动信号超过设定值时 ， 在启动爆炸式气 囊保护装置的同时驱动触发器断开光伏发电子 单元之间的电流通路。
振动传感器为感应地震信号的万向振动传感器 ， 触发器为信号继电器， 万 向振动传感器感应到振动信号超过设定值时， 驱动触发器断开光伏发电子单元 之间的电流通路。
在系统内设置设置适当的重置电路， 危险排除后进行继电器复位， 再次将 光伏系统连接起来正常工作。
保证触发器工作稳定， 提高安全性。 感应器和触发单元以蓄电池为驱动电 源 。
本发明的有益效果是： 在发生意外的危险状况时， 光伏发电系统自动被 切分成对人体不能产生威胁的子系统， 从而彻底保护了和光伏系统接触的人体 免遭损害。 附图说明 下面结合附图和实施方式对本实用新型进一步 说明。 图 1是本发明的设计原理示意图。
图 2是本发明中考虑光伏发电安全的简单物理模 。
图 3是本发明的一个使用温度传感器和继电器的 施例。 图 4是 NTC器件的 B值、 电阻和温度关系图。
图 5是本发明的一个使用汽车振动传感器和继电 的实施例。
图 6是本发明的一个使用万向振动传感器和继电 的实施例。
图中： 1. 光伏发电子单元， 2. 触发单元， 2-1触发器， 3. 感应器， 4. 温 度传感器， 5. 信号继电器， 6. 汽车振动传感器， 7. 万向振动传感器， 8. 蓄 电池， 9.匹配电阻， 10.传感器。
具体实施方式
一种高安全性的光伏发电系统， 包括光伏发电单元， 将光伏发电单元划分 为多个光伏发电子单元 1，该光伏发电子单元 1由一定数量的光伏电池彼此电连 接构成， 每个光伏发电子单元 1 的电压和电流处于对人体无害的范围内， 光伏 发电子单元 1通过触发单元 2电连接组成整个光伏发电系统， 触发单元 2与感 应器 3连接， 触发单元 2受感应器 3的电信号的驱动， 断开或连接光伏发电子 单元 1之间的电流通路， 感应器 3感应外界环境， 一旦感应器 3感应到的外界 环境的异常信号超出产品预设的安全范围， 即驱动触发单元 2动作断开光伏发 电子单元 1 之间的电流通路， 将整个光伏发电系统分离成多个对人体安全的 光 伏发电子单元 1。触发单元 2由多个触发器 2-1构成， 每个光伏发电子单元 1都 电连接一个触发器 2-1， 并通过该触发器 2-1与其他光伏发电子单元 1电连接， 每个触发器 2-1都受感应器 3驱动。 这里的触发单元 2的功能不排除是由一个 电气元件实现的。
图 1 给出了本发明的设计原理示意图。 该提高太阳能光伏系统安全的设计 由感应器 3和触发单元 2两个部分组成， 物理上将安全控制系统和光伏发电系 统的发电和传输等部分可以有机地结合在一起 。 安全设计的感应器 3通过对外 界异常的感应， 如剧烈机械冲击或温度突然升高等， 将力学形变、 声学震动、 热量变化、 光强变化、 电流变化或磁场变化等转化为电信号， 然后通过这个电 信号被用来驱动触发单元 2响应。 安全设计的触发单元 2在接收到电信号后， 触发单元 2将光伏发电系统切断为对人体安全无害的多 小型光伏发电子单元 1。 各光伏发电子单元 1所产生的实际电压对人体没有损害， 具体电压要求和太 阳能系统设计的参数相关。 采用图 2 的物理模型， 本发明给出了安全电压、 电 流的估算方式， 用于确定发电子单元的额定电压和电流设计。 这一发明使用于 所有利用光伏效应发电的电池类型， 包括晶体硅电池、 薄膜电池和其他类型电 池。
感应器 3—般分布于光伏系统设计内部， 感应器 3 内包括单一种类的传感 器 10， 也可以是多种类型传感器 10的结合， 做到互补。 如实线方框所示， 接近 触发单元 2和对人体无害的最小光伏发电子单元 1。当危险发生时， 启动触发单 元 2切断光伏系统成为对人体无害的光伏发电子 元 1。感应器 3也可以位于光 伏系统设计外部， 如虚线方框所示， 甚至和其他系统设计共用。 例如， 当光伏 系统在用于车用装置时， 感应器 3 部分可以和汽车防撞部分原有的传感器合并 使用， 当感应器 3触发保护气囊的同时， 启动触发单元 2。
图 3是一个使用温度传感器 4和信号继电器 5的实施例， 图中仅显示了光 伏发电系统中的两个光伏组件， 其他的光伏组件省略， 同时为了方便说明感应 器 3和触发器 2-1如何工作， 在附图中仅仅显示了感应器 3与其中一个触发器 2-1之间连接， 省略了感应器 3与其他触发器 2-1之间的连接。每个光伏组件中 含有 36个光伏电池， 每个电池的开路电压为 0. 6V, 短路电流为 1A。 组件的开 路电压为 21. 6V, 实际工作电压约为 20V, 工作电流约为 1A, 功率为 20W。 选用 B-4100 ( 10K)型负温度系数电子元件 NTC作为温度传感器 4，常态电阻为 lOKohm, 其 B值约为 4100， 从 25 °C升高到 150 °C温度时电阻可以下降约 100倍， 达到 100ohm。 其成本约为 0. 2元人民币。 根据图 4所示的 N T C电阻特性图。 这个 N T C器件如图 3所示连接到欧姆龙 G5V-1型信号继电器 5上，该欧姆龙 G5V-1 型信号继电器 5作为触发器， 其尺寸仅为 10匪左右， 成本约 2元人民币， 动作 时间为 5ms以下。 信号继电器 5电压为 5V, 额定启动电流为 30mA。 在常规工作 情况下， 电阻为 10K ohm (25°C )和 0. 3K ohm ( 50°C )。 取功耗较大的 5 0 °C时 电阻值， 计算功耗为常态下功耗， 5V* ( 5V/3k ohm) =0. 0075W o 这时流过信号 继电器 5的电流为 1. 7mA,信号继电器 5将不会被触发，光伏发电系统正常工作。 选择的蓄电池 8的工作电压为 5 V， 假定光伏组件总发电功率为 20W , 则增加 了可以忽略不计的 0. 04%的能量损耗。 2 0 W的组件中有 6个这样的系统， 则相 应的能量损耗也只有 0. 24% 当温度上升到异常的 140°C左右时， N T C电阻降 低到 166 ohm,这时通过信号继电器 5的电流为 30 mA的信号继电器 5启动电流， 信号继电器 5启动切断电流通路， 36片光伏电池片串联的结构被切割成为每 6 片孤立的光伏发电子单元 1， 从而避免了对人体造成任何损害。可以设置适 当的 重置电路， 危险排除后进行继电器复位， 再次将光伏系统连接起来正常工作。
如图 5所示的一个使用振动传感和信号继电器的实 例。 在这个实施例中， 基本设置和第一个实施例相类似， 但光伏发电系统存在于汽车表面。 简单起见， 关于发明的描述只集中在感应器 3和触发器 2-1部分， 说明感应器 3将光伏发 电系统的电路切断的原理。在这个实例中， 感应器 3为汽车振动传感器 6。汽车 振动传感器 6可以为是目前广泛应用于汽车工业界的滚轴 电开关式碰撞传感 器、 滚球机电开关式碰撞传感器或偏心锤机电开关 式碰撞传感器或水银开关式 碰撞传感器。 这些汽车振动传感器 6目前用来启动一个电流驱动的爆炸式气囊 保护装置。汽车振动传感器 6位于光伏发电系统的外部。这些汽车振动传 器 6 的基本特征为正常状态时开路， 电阻为无限大。 对振动感应触发时短路， 电阻 可忽略不计。 搭配合适的匹配电阻 9和供电蓄电池 8， 当异常发生时， 汽车振动 传感器 6造成信号继电器 5动作， 从而切断光伏发电系统的部分电路， 将其切 割成对人体安全的光伏发电子单元 1。
如图 6所示的一个使用万向振动传感器和继电器的 施例。 在这个实施例 中， 基本设置和第二个实施例相类似， 但光伏发电系统存在于易于地震的房屋 上。 简单起见， 关于发明的描述只集中在感应器 3和触发器 2-1部分， 说明感 应器 3将光伏发电系统的电路切断的原理。 在这个实例中， 感应器 3为万向振 动传感器 7。 以便于感应来自各个方向的剧烈振动或直接挤 压。万向振动传感器 7为球形器件， 重量仅仅为 0. 3g左右。 非常易于集成安装。 平时电阻约为无限 大， 当遇到外界撞击变形时， 电阻迅速降低， 可以用做启动触发器 2-1的信号， 搭配合适的匹配电阻 9和供电蓄电池 8。在这一实施例中， 本发明可以有效避免 地震造成光伏发电房屋的电气危害。 万向振动传感器 7可以设计到光伏发电系 统的光伏组件内部， 或者像第二个实施例一样放在光伏发电系统的 光伏组件外 部。 也完全可以采用其他继电器、 熔断保护设备或空气开关等， 在万向振动传 感器 7与信号继电器 5之间还设置匹配电阻 9。