CN101282044B - 太阳能电池匹配电路及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能电池匹配电路及其实现方法，其特征在于，太阳能电池和二极管D1串联后一端接地，另一端接储能电容器的一端P点，储能电容器的另一端Q点接储能电池的正极，储能电池的负极接地；一电子开关和一储能电感串接后一端接P点，另一端接Q点，该电子开关包括一个控制端；比较器的一个输入端接P点，另一个输入端接参考电压VREF，该比较器的输出端接电子开关的控制端，二极管D2正端接地，负端接电子开关和储能电感的连接点。该太阳能电池匹配电路的太阳能电池输出电能的转换存储效率高，其效率在90％以上。
Description
技术领域
本发明属于电子技术和太阳能应用领域，涉及一种太阳能电池匹配电路及其实现方法。
背景技术
随着全球能源的紧张，太阳能电池得到广泛的研究与发展。太阳能电池在没有阳光时不能产生电能，为满足用电器的持续需求，必须将太阳能电池的电能存储在储能器件中(如锂离子电池、铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池等各种二次电池)。由于太阳能电池本身将光能转换为电能的效率不高(一般小于20％)，加上目前太阳能电池还较为昂贵，因此将太阳能电池输出的电能高效转换存储十分重要，是几乎所有太阳能电源系统中都必须考虑的问题。
最初的太阳能存储方式为：将太阳能电池通过二极管后与二次电池并联，使太阳能电池的电能直接存储于二次电池中。但当光强发生变化时，太阳能电池输出的电压及阻抗都会发生显著变化；光线较弱时，太阳能电池输出的电压较低，当电压低于电池的电压时就不能继续给二次电池充电，此时太阳能电池的电能被白白浪费，因此这种直接将太阳能电池与二次电池并联的储能方式效率较低。
ZL95106136.4提出了一种将太阳能电池输出的电能直接存储于双层电容器中方案，它只能通过放电控制器将双层电容器中的电能间歇地向负载输出，其放电时间短于太阳能电池向双层电容器的充电时间，由于双层电容器的容量有限，无法满足太阳能电池电能的大容量存储；又由于放电过程中，双层电容器两端的电压是线性下降的，因此无法满足负载对恒定电压的需求。
CN1185584A提出了一种对随入射到太阳能电池的太阳光强度和周边温度而变化的最大功率点进行追踪的检测电路，根据检测结果控制后续电路的工作状态。但该电路在光强较小、太阳能电池输出功率较低时，无法使后续电路转换存储，因此其效率仍然不高，且该电路较为复杂。
美国专利4873480中提出设立一个另外的独立电池，通过该电池产生基准电压，将该基准电压与太阳能电池输出电压比较，根据比较结果来控制后续电路的工作状态。但其存在问题：由于太阳光强度是不断变化的，造成太阳能电池的输出电压、阻抗不断变化，因此该电路不能在全部条件下转换电能，并且还必须有另一个独立的电池，在长时间的工作中，该电池的性能变化会影响电压基准的变化，而难以保证其电路一直工作于最高效率状态。
美国专利4916382中利用模拟数字转换电路对太阳能电池的输出电压和输出电流进行转换得到相应的数字数据，再利用微处理器进行处理，并根据处理结果控制转换电路工作于较高的转换效率状态，但该电路复杂，成本高，并且仍然无法利用光强较低时太阳能电池输出的低功率能量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种太阳能电池匹配电路，该电路可以在光强较弱时对太阳能电池输出的低功率电能进行高效的转换，并将其存储在二次电池中。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种太阳能电池匹配电路，其特征在于，太阳能电池(1)的正极和二极管D1(2)的正极连接，太阳能电池(1)的负极接储能电池(6)的负极；二极管D1(2)的负极接储能电容器(3)的正极(P点)，储能电容器(3)的负极(Q点)接储能电池(6)的正极；储能电容器(3)的负极(Q点)还连接电感(5)的一端；电感(5)的另一端与二极管D2(12)的负极连接；二极管D2(12)的正极接储能电池(6)的负极；电子开关(4)包括一个控制端；比较器(9)的一个输入端接储能电容器(3)的正极(P点)，另一个输入端接微处理器(10)的用于输出参考电压VREF；的输出端，比较器(9)的输出端接电子开关(4)的控制端；电子开关(4)的另外两个端子分别接储能电容器的正极(P点)和二极管D2(12)的负极；微处理器(10)的一个输入端接一光强探头(7)，另一个输入端接温度探头(8)。所述的储能电容器为电解电容器、陶瓷电容器、超级电容器、双电层电容器、电化学电容器或混合电容器。
作为改进，所述的储能电容器由多个电容器级联组成。
电子开关为MOS管、IGBT、可关断可控硅、继电器或固态继电器。
储能电池为锂离子电池、镍氢电池、镍镉电池、铅酸电池或免维护铅酸电池。
作为改进，所述比较器的输出端和电子开关之间设置有驱动电路。
所述的二极管D1和二极管D2为肖特基二极管。
该太阳能电池匹配电路还包括数模转换电路，该数模转换电路的输入端接所述微处理器的输出端，该数模转换电路输出参考电压Vref。
微处理器可以是单片机(如51系列)、DSP处理器、ARM处理器、FPGA\CPLD电子系统等。
一种太阳能电池匹配电路实现方法，其特征在于：在太阳能电池正极和储能电池正极之间设有一电容器；或在太阳能电池负极和储能电池负极之间设有一电容器；有一电子开关与储能电感串联后并接在电容器两端；二极管的负极接电子开关与储能电感的连接点；所述二极管的正极接太阳能电池负极；根据太阳能电池实测的在最大功率输出时光强、温度与匹配电压的曲线获得当前光强和温度对应的匹配电压并作为参考电压VREF；
当电容器的电压高于参考电压VREF时，电子开关闭合，电容器通过电子开关与储能电感构成的回路放电，电能被储存于储能电感中；
当电容器的电压低于参考电压VREF，电子开关断开，储能电感通过储能电池、二极管放电，将储能电感中的电能转存至储能电池。
以上两个放电过程是周而复始的，而且根据当前温度和光强的不同，参考电压VREF也是动态变化的。
实现本发明太阳能电池高效转换存储方案的技术原理为：①先将太阳能电池最大功率输出算法固化到单片机中；②通过光强探头、温度探头将光强信号、温度信号采集到单片机中，单片机根据最佳算法计算出一个最佳匹配值，并以电压(VREF)的形式输出到比较器；③电容器电压(VC)也输出到比较器，VC在太阳能电池充电过程中上升；④当VC大于VREF时，比较器翻转输出信号，驱动器放大后推动电子开关闭合；⑤电容器通过电子开关与储能电感构成的回路放电；⑥当VC小于VREF时，比较器又翻转，电子开关断开；⑦储能电感通过储能电池、二极管放电；这样电容器中的电能就转存到储能电池中。通过控制电容器电压值(VC)，跟踪太阳能电池的最佳输出功率点，使其始终工作在最大功率输出状态，从而达到太阳能电池与储能电池之间阻抗匹配、高效存储的目的。
本发明的有益效果有：
本发明所涉及的匹配电路，由于引入了比较器，并且比较器的输入端的参考电压VREF可以根据光强和温度调节，从而和太阳能电池的输出电压进行匹配，再根据电子开关的导通和断开并配合储能电容和储能电感能实现灵活的充放电，克服了现有技术中无法利用光强较低时太阳能电池输出的低功率能量的缺点，从而最大限度地利用了太阳能电池的输出，实现能量转换和存储效率的提高。
附图说明
图1是本发明实施例的电路结构图。
图中标号说明：太阳能电池(1)、二极管D1(2)、储能电容器(3)、电子开关(4)、储能电感(5)、储能电池(6)、光强探头(7)、温度探头(8)、微处理器(9)、比较器(10)、驱动电路(11)、二极管D2(12)
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
其实施例只是符合本发明技术内容的1个实例，本发明包含却不限于下述实施例所述的内容，即本实施例的内容不是对本发明的进一步限定。
实施例1：
关于本实施例所涉及到的元件的选择：①根据负载的电压、功率需求选择适当的二次电池(6)，如12V、9Ah的免维护铅酸电池；②太阳能电池1选用12V30W单晶硅太阳能电池；③二极管D1(2)选用MBR1545肖特基二极管，以减小PN结上的压降，降低功率损耗；④电容器3采用3只2.7V20F的双电层电容器串联，组成超级电容器组；⑤微处理器9选用单片机P89LPC935，比较器10选用LM358，驱动电路11由9013三极管构成；⑥电子开关4用CEP50P03型MOS管，储能电感5用100μH，二极管D2(12)采用MBR1545肖特基二极管；⑦将12V30W单晶硅太阳能电池最大功率输出算法固化到单片机。
电路工作过程：①太阳能电池1的电能通过二极管2给超级电容器3、储能电池6充电；②微处理器(单片机)9将光强探头7的太阳光强度信号、温度探头(8)的环境温度信号采集到单片机内部，并按照事先固化在单片机内部的最佳匹配算法进行计算(所谓的最佳匹配算法，解释如下：由于不同类型的太阳能电池甚至不同厂家同类型的太阳能电池产品，其最大功率输出时对应的匹配电压有所不同，该电压与光强、环境温度有关。因此，实际应用本电路时，需要针对不同类型太阳能电池在不同光强、不同温度下的测试所得的一组最佳匹配电压，作出光强、温度与最佳电压曲线，将该曲线拟合的公式输入到单片机，然后根据实际测得的光强、温度代入到公式求出最佳电压。实际上，也相当于在单片机中有个光强、温度与最佳电压的对应表，不同光强、温度就对应有不同的电压值)，得到一个最佳的电压匹配值VREF1(数字信号)并输出至微处理器(单片机)9的输出端，该电压匹配值VREF1(数字信号)再经数\模(D\A)转换电路输出模拟电压匹配值VREF到比较器10的输入端；随着太阳能电池1对储能电容器3的充电的进行，储能电容器3的电压(VC)逐渐上升；该电压也送入到比较器10的输入端，当VC大于VREF时，比较器10翻转，其输出端输出信号使驱动电路11工作，电子开关4接通，储能电容器(超级电容器)3通过电子开关4、储能电感5放电；储能电容器(超级电容器)3的电压VC下降，当VC小于VREF时，比较器10又翻转回初始状态，驱动电路11停止工作，电子开关4断开；由于电感的续流特性，其回路中的电流不能瞬间消失，而以原电流方向继续，因此存储在储能电感(5)中的电能，就通过储能电感)、储能电池6、二极管D2(12)构成的回路给储能电池6充电。存储在储能电容器(超级电容器)3中的电能就这样通过电子开关4、储能电感5不断地转移到储能电池6中。通过控制电容器两端的电压值(VC)，就可以跟踪太阳能电池1的最佳输出功率点，使其始终工作在最大功率输出状态，从而达到高效匹配存储的目的。
实际测量计算表明，该电路太阳能电池输出电能的转换存储效率在90％以上。
Claims (9)
1.一种太阳能电池匹配电路，其特征在于，太阳能电池(1)的正极和二极管D1(2)的正极连接，太阳能电池(1)的负极接储能电池(6)的负极；二极管D1(2)的负极接储能电容器(3)的正极(P点)，储能电容器(3)的负极(Q点)接储能电池(6)的正极；储能电容器(3)的负极(Q点)还连接电感(5)的一端；电感(5)的另一端与二极管D2(12)的负极连接；二极管D2(12)的正极接储能电池(6)的负极；电子开关(4)包括一个控制端；比较器(9)的一个输入端接储能电容器(3)的正极(P点)，另一个输入端接微处理器(10)的用于输出参考电压VREF；的输出端，比较器(9)的输出端接电子开关(4)的控制端；电子开关(4)的另外两个端子分别接储能电容器的正极(P点)和二极管D2(12)的负极；微处理器(10)的一个输入端接一光强探头(7)，另一个输入端接温度探头(8)。
2.如权利要求1所述的一种太阳能电池匹配电路，其特征在于，所述的储能电容器为电解电容器、陶瓷电容器、超级电容器、双电层电容器、电化学电容器或混合电容器。
3.如权利要求2所述的一种太阳能电池匹配电路，其特征在于，所述的储能电容器由多个电容器级联组成。
4.如权利要求1所述的一种太阳能电池匹配电路，其特征在于，电子开关为MOS管、IGBT、可关断可控硅、继电器或固态继电器。
5.如权利要求1所述的一种太阳能电池匹配电路，其特征在于，储能电池为锂离子电池、镍氢电池、镍镉电池、铅酸电池或免维护铅酸电池。
6.如权利要求1所述的一种太阳能电池匹配电路，其特征在于，所述比较器的输出端和电子开关之间设置有驱动电路。
7.如权利要求1所述的一种太阳能电池匹配电路，其特征在于，所述的二极管D1和二极管D2为肖特基二极管。
8.如权利要求1～7任一项所述的一种太阳能电池匹配电路，其特征在于，还包括数模转换电路，该数模转换电路的输入端接所述微处理器的输出端，该数模转换电路输出参考电压VREF。
9.一种太阳能电池匹配电路实现方法，其特征在于：在太阳能电池正极和储能电池正极之间设有一电容器；或在太阳能电池负极和储能电池负极之间设有一电容器；有一电子开关与储能电感串联后并接在电容器两端；二极管的负极接电子开关与储能电感的连接点；所述二极管的正极接太阳能电池负极；
根据太阳能电池实测的在最大功率输出时光强、温度与匹配电压的曲线获得当前光强和温度对应的匹配电压并作为参考电压VREF；
当电容器的电压高于参考电压VREF时，电子开关闭合，电容器通过电子开关与储能电感构成的回路放电，电能被储存于储能电感中；
当电容器的电压低于参考电压VREF，电子开关断开，储能电感通过储能电池、二极管放电，将储能电感中的电能转存至储能电池。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: ACER COMPUTER (CHINA) CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: BEIDA FANGZHENG SCIENCE + TECHNOLOGY COMPUTER SYSTEM CO., LTD., SHANGHAI Effective date: 20101101 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 100871 8/F, FANGZHENG BUILDING, ZHONGGUANCUN, NO.298, CHENGFU ROAD, HAIDIANDISTRICT, BEIJING TO: 200001 3/F, NO.168, XIZANG MIDDLE ROAD, HUANGPU DISTRICT, SHANGHAI |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20101105 Address after: 528139 Guangdong Province, Foshan City Sanshui Lubao Power Supply Bureau Patentee after: Zhang Shicai Address before: 511700 Songshan science and technology enterprise garden, Songshan, Guangdong, Dongguan Patentee before: Dongguan Interstellar Power Technology Co., Ltd. |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100623 Termination date: 20150530 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |