CN101051765A - 双升压电容式光伏电源 - Google Patents

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CN101051765A CNA2006100098984A CN200610009898A CN101051765A CN 101051765 A CN101051765 A CN 101051765A CN A2006100098984 A CNA2006100098984 A CN A2006100098984A CN 200610009898 A CN200610009898 A CN 200610009898A CN 101051765 A CN101051765 A CN 101051765A
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Abstract

一种电容式双升压太阳能电源。采用双级升压，当日辐射量高时可大电流向超级电容充电，当日辐射量低(阴雨天)时，启动第一级升压，可小电流向超级电容充电，避免传统微型光伏系统当日辐射量低(阴雨天)时，不能向超级电容充电的弱点。利用第二级升压，可提高电容中的能量利用率。该电源使用寿命长，温度范围宽，体积小，重量轻，易维护。适用于不能且不需要与市电连网微型(太阳能电池功率介于毫瓦几瓦之间)光伏系统。

Description

双升压电容式光伏电源
技术领域
本发明涉及一种电源，尤其是将太阳能转化为电能并存储于电容中驱动发光二极管发光的电源。
背景技术
能源是人类生存和发展的永恒主题。
太阳能电池(光伏电池)具有质量轻、寿命长、可靠性高、无污染、无噪声、抗辐射、能承受各种环境的变化且具有很高的灵敏度，宽的光谱响应和良好的线性度。基于此，太阳能电池应用技术已被越来越多的人们所接受和认可，世界观察研究所1998年报告指出：到本世纪50年代，光伏发电将占全球总用电量的20％以上。
对于不能且不需要与市电连网的独立光伏系统，单位太阳能电池在日辐射一定的条件下获取最大的电能是人们追求的目标。
一般而言，对于独立微型(太阳能电池功率介于毫瓦几瓦之间)且24小时周期性工作光伏系统，例如白天光伏系统存储电能，夜晚由电能驱动发光二极管工作。由于日辐射能的变化，需将太阳能电池的功率提高2-5倍且增加电容组容量，以满足负载要求。这虽无奈，也无疑是对资源的浪费。
将太阳能经光伏电池转成电能存储在蓄电池中是常见的转换和存储方法。但蓄电池寿命较短，充放电约300-500次，正常必须在2-3年内更换。此外，铅蓄电池需要作电解液的补充和比重测量之类的定期检查工作。维护麻烦。蓄电池含铅和镉之类的重金属，报废会带来二次污染。蓄电池工作温度范围较窄，一般为0℃-45℃(最好的零下15度)，这对于系统在寒冷气候条件是无法工作的。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术中存在的不足之处，提供一种结构简单、设计合理，节约电能，无污染且高效率的双升压电容式光伏电源。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：光伏电池的正端经电阻R1串接二极管D1与并联的电容C1、C2、Cx-1、Cx正极相接。
光伏电池的正端与芯片Ic1的输入端相链，芯片Ic1的输出端经电阻R2串接二极管D2、电感L1与芯片Ic2的输入端相链，芯片Ic2的输入、出端跨接有二极管D3，芯片Ic2的输出端与电容C0的正极和并联的电容C1、C2、Cx-1、Cx正极相接。
光伏电池的负端、芯片Ic1、芯片Ic2的接地与电容C1、C2、Cx-1、Cx和电容C0的负端相接。
电容C1、C2、Cx-1、Cx正负两端之间跨接有电阻R3和光敏三极管1，光敏三极管T1与电阻R3间接至三极管T2的基极，电容C1、C2、Cx-1、Cx正端经电感L2接芯片Ic3的输入端，芯片Ic3地端与三极管T2的集电极相链，电容C1、C2、Cx-1、Cx正端与芯片Ic3的输出端接有二极管D4，芯片Ic3的输出端还与电容C01正极相链，光敏三极管T1的发射极、三极管T2的发射极和电容C01的负极接地。
本发明的优点是：
结构简单、设计合理，节约电能，无污染，工业化生产成本低。该装置将太阳能经光伏电池转化成电能，当日辐射量高时可大电流向超级电容充电，当日辐射量低(阴雨天)时可小电流向超级电容充电，避免传统微型光伏系统当日辐射量低(阴雨天)时，不能向超级电容充电的弱点。该装置使用寿命长，温度范围宽，体积小，重量轻，易维护。
附图说明
图1是本发明的电路原理图；
图2是不同日辐射量功率曲线示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
由图1可知，光伏电池的正端经电阻R1串接二极管D1与并联的电容C1、C2、Cx-1、Cx正极相接。
光伏电池的正端与芯片Ic1的输入端相链，芯片Ic1的输出端经电阻R2串接二极管D2、电感L1与芯片Ic2的输入端相链，芯片Ic2的输入、出端跨接有二极管D3，芯片Ic2的输出端与电容C0的正极和并联的电容C1、C2、Cx-1、Cx正极相接。
光伏电池的负端、芯片Ic1、芯片Ic2的接地与电容C1、C2、Cx-1、Cx和电容C0的负端相接。
电容C1、C2、Cx-1、Cx正负两端之间跨接有电阻R3和光敏三极管T1，光敏三极管T1与电阻R3间接至三极管T2的基极，电容C1、C2、Cx-1、Cx正端经电感L2接芯片Ic3的输入端，芯片Ic3地端与三极管T2的集电极相链，电容C1、C2、Cx-1、Cx正端与芯片Ic3的输出端接有二极管D4，芯片Ic3的输出端还与电容C01正极相链，光敏三极管T1的发射极、三极管T2的发射极和电容C01的负极接地。
参见图1，当日辐射强时，日光照射在光伏电池上，激发电子一空穴对。在内建电场的作用下，空间电荷区两边有光生载流子积累而产生电压，光伏电池正端接电阻R1，光伏电池负端接地，光伏电池经电阻R1二级管D1以大电流向电容C1、C2、Cx-1、Cx充电。其中R1起镇流作用；肖特基二报管D1起反向电流保护作用；C1、C2、Cx-1、Cx为并连的超级电容，其并连数X由负载决定。
当日辐射弱时，此时光伏电池的电压小于电容C1、C2、Cx-1、Cx充电电压，电压比较器芯片Ic1开启，由电感L1、芯片Ic2、肖特基二级管D3、电解电容C0组成升压电路，当芯片IC2导通时，太阳能电池向电感L1储能，电感电流增加，感应电动势为左正右负，负载由电容C0供电。当芯片Ic2截止时，电感电流减少，感应电动势为左负右正，电感L1中能量释放与太阳能电池输入的电压顺极性一致经二级管D3向C1、C2、Cx-1、Cx供电，并同时向电容Co充电。周期性工作，可把光伏电池两端的低压直流变换成足以向C1、C2、
Cx-1、Cx供电的高压直流。
由电感L2、芯片Ic3、肖特基二级管D34、电解电容C01组成第二升压电路，其工作原理与上述相同，只不过C1、C2、Cx-1、Cx由负载变成电源。
参见图2，设某光伏系统日辐射量为100％时产生电压u为2.5伏，输出电流(充电电流)为a，超级电容的容量为C，其工作电压为2.3V，不同功率点太阳能电池的输出电流为a1，a2...ax，太阳能电池的输出功率为w。对于传统的设计方法，为满足不同气候(日辐射量)条件下仍能有足够的电能向超级电容充电，满足负载要求，通常采用增加备用电容和扩大太阳能电池的输出功率的方法。现设实际太阳能电池的输出功率为W＝4w，太阳能电池的输出电压为U＝2u，太阳能电池的输出电流为A＝2a。
曲线①为日辐射量等于100％时，输出电压为5伏时的功率曲线。
曲线②为日辐射量等于50％时，输出电压为2.5伏时的功率曲线。
曲线③为日辐射量大于10％-小于50％时，输出电压为0.5伏--2.5伏之间的功率曲线。
曲线④为考虑DC/DC升压损耗时的功率曲线。
曲线⑤为日辐射量等于10％时，输出电压为0.5伏时的功率曲线。
忽略次要因素对太阳能电池输出功率的影响，太阳能电池的输出功率与日辐射量呈线性关系。显然，当日辐射量介于曲线①、曲线②之间，能够满足向超级电容充电的要求。反之，当日辐射量低于曲线②，不能够满足向超级电容充电的要求，此时，当日辐射量介于零、曲线②之间，太阳能电池仍有输出功率，只不过不能向超级电容充电罢了。
在太阳能电池与超级电容充电间接有DC/DC前升压电路，当日辐射量介于曲线②、曲线⑤之间，即太阳能电池输出的输出大于DC/DC前升压电路开起功率(电压0.5V，电流0.8μA)，视DC/DC前升压电路的参数的不同，可以得到2.5伏-7.0伏(步长0.1伏)的电压，仍可向超级电容充电。
设DC/DC前升压电路的损耗为15％，DC/DC前升压电路的输出电压为2.5V，实际介于曲线②、曲线④之间的功率，是采用DC/DC前升压电路有效功率利用区。
由此可见，采用DC/DC前升压技术，可以提高太阳能电池的能量利用率，进一步降低太阳能电池的面积(功率)和备用电容的容量.
由R3，T1组成的控制电路，其中R3为限流电阻，T1为光敏三极管，当光照射在T1时，T2不工作，负载(发光二极管D5、D6)不工作。当无光照射在光敏三极管时，T2管工作，负载亦工作。
目前，市场上商品化的超级电容，其工作电压为2.3V-2.7V，容量为50F-60F性能价格比最佳。而常用的红色、黄色发光二级管工作电压一般在1.8V-2.3v，兰、白、绿色发光二级管最小工作电压均大于2V。
现以2.3V、60F的超级电容，负载红色发光二级管为例，比较采用电容直接驱动和利用电容升压电路驱动发光二级管的能量利用率。
存储在电容中的能量一般为：W＝I/2CV2①
式中：W为存储电容中能量，单位焦耳
C为电容单位法拉
V为电压单位伏特
则2.3V，60F的电容中的最大存储能量为
W0＝1/2×60F×2.3V2＝158.7焦耳
若1.8V为驱动红色发光二极管的最小工作电压，利用电容直接驱动红色发光二级管工作的能量为：
W1＝1/2×60F×(2.32-1.82)＝61.5焦耳。
采用升压电路，当电容的输出电压为0.5V时，经升压后的输出的电压大于驱动红色发光二级管的阈值，则经升压后可驱动红色发光二级管的能量为：
W2＝1/2×60F×(2.32-0.52)＝151.2焦耳。
由于升压电路的损耗，设升压电路的效率比η＝82％。则实际经升压后用于驱动红色发光二极管的能量为：
W3＝η×W2＝0.82×151.2＝123.984焦耳。
比较W1与W3可知，采用升压电路电容的能量利用率提高了一倍。
由于目前采用光伏电池，超级电容存储电，最后来驱动半导体发光二级管的电路中，超级电容器的价格几乎决定系统的价格。采用升压电路后会节省一半电容量，其意义是十分明显的。

Claims (2)

1、当日辐射量高时可大电流向超级电容充电，当日辐射量低(阴雨天)时，启动第一级升压，可小电流向超级电容充电，避免传统微型光伏系统当日辐射量低(阴雨天)时，不能向超级电容充电的弱点。
2、利用第二级升压，可提高电容中的能量利用率。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101924395A (zh) * 2010-08-19 2010-12-22 许继集团有限公司 一种适用于风力发电机组变桨系统超级电容的充电方法
CN109842289A (zh) * 2017-11-28 2019-06-04 华为终端有限公司 升压装置及升压方法
WO2020038156A1 (zh) * 2018-08-20 2020-02-27 广州驰扬电气机械有限公司 驱动电路及扩香设备

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