CN101652918A - 包括低压电源的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用低压电源为电负载供电的装置。该装置允许使用绝大多数为并联的低压电池。电池的并联配置提供了实际应用上的显著优点。在优选实施例中，低压电源电池为光生伏打电池。

Description

包括低压电源的装置

技术领域

本发明涉及一种利用低压电源为电负载供电的装置。更具体而言，本发明涉及利用产生的电压远低于电负载所需电压的电源为电负载供电。该装置将电压升高到电负载的工作点，而没有显著的电能损失。

背景技术

由于化石燃料的高成本和对燃烧化石燃料时产生二氧化碳造成的全球变暖的关注，对通过再生能量工作的电源的兴趣越来越高。这种电源的例子包括光生伏打电池、热伏打电池、氢燃料电池、生物燃料电池等。

许多这种电源产生大约一伏特或者更低的低压电能。例如，光生伏打电池提供0.35V至0.65V的电压，典型地为约0.45V。对于大多数应用情况，需要以高得多的电压来提供电能，例如12V直流电，或110伏特或230伏特的交流电。一个原因在于，对于一定量的电能，电流与电压成反比，因此远距离传输低压电能是不现实的。高电流需要非常粗的电缆，并且会带来过热和着火的高风险。

因此，通常提供这样一种组件，其中，相当多个低压电源被串联起来，从而在组件的接线端处提供合适的较高电压。因为多个低压电源被串联，组件的性能受制于电路中最弱的环节。这种组件将仅在所有单个单元都提供同样的性能时才有最优的执行性能。实际上，实际情况从不会是这样的。例如，各个生物燃料电池中的酶的性能各不相同。组件中的光生伏打电池的电输出可能不同。通常存在5％的制造容差，这意味着即使是接收到的光辐射量相同的电池，也会具有不同的电能输出。此外，例如由于某些电池上覆盖有阴影或碎屑，组件内的电池可能接收到不同的光辐射量。这种事件可能会使串联的光生伏打电池组件的输出减少30％至70％。某种程度上，可通过结合旁路二极管，以便使表现欠佳的电池可被旁通来减少这种损耗。

因为这个原因，串联电池的组件中总存在较弱的电池。这些较弱的电池使组件的性能变差，因为这些较弱的电池成为系统的负载，而不是对电池的性能有所帮助的贡献者。

本发明的目的是在不具有现有系统的缺点的情况下将低压电源的电压升高至电负载所需的电压。

发明内容

本发明涉及利用低压电源为电负载供电的装置，该装置包括：

a)提供输出电压Vp的低压电源；

b)第一电能蓄能器，其与低压电源串联连接，并且工作在第一电压V1；

c)第二电能蓄能器，其与第一蓄能器并联，并且工作在第二电压V2；

其中，V1+Vp＝V2。

低压电源的例子包括光生伏打电池、热伏打电池、氢燃料电池和生物燃料电池。

在本发明的装置中所用的电能蓄能器的例子包括飞轮、电容器和化学电池。

附图说明

图1为本发明的装置的第一实施例的示意图；

图2为本发明的装置的第二实施例的示意图；

图3为本发明的装置的第三实施例的示意图；

图4为本发明的装置的第四实施例的示意图，该实施例组合了第二和第三实施例的特征；

图5为本发明的装置的第五实施例的示意图。

具体实施方式

本发明涉及利用低压电源为电负载供电的装置，该装置包括：

a)提供输出电压Vp的低压电源；

b)第一电能蓄能器，其与低压电源串联，并且工作在第一电压V1；

c)第二电能蓄能器，其与第一蓄能器并联，并且工作在第二电压V2；

其中，V1+Vp＝V2。

在本发明的装置中使用的低压电源可以是产生的电压Vp低于为电负载供电所需电压的任何电源。低压电源可以由化石燃料提供能量，或者由非化石燃料提供能量，优选地由可再生能源提供能量。优选的例子包括光生伏打电池、热伏打电池、氢燃料电池或生物燃料电池。

以下将利用其中的低压电源包括至少一个光生伏打电池的装置的实施例来对本发明进行进一步说明。应理解，这些实施例阐明的原理可适用于其它任何低压电源。

图1中示出了装置1的第一实施例，该装置1包括光生伏打电源2。光生伏打电源2可由单个光生伏打电池组成，或者由多个光生伏打电池组成。在光生伏打电源2由多个光生伏打电池组成的情况下，各个电池可串联连接，也可并联连接，或者光生伏打电源2可由m个光生伏打电池子组件构成，每个子组件包含了n个串联的光生伏打电池。实际上，n是从1到20的整数，优选为从1到10，更优选地为从1到5。整数m的值是由对n的值的选择和组件能够容纳的光生伏打电池的数目决定的。光生伏打电池的总数为n×m。

光生伏打电源2与第一电能蓄能器3串联。第二电能蓄能器4与第一电能蓄能器3并联。优选地，第一蓄能器3与第二蓄能器4为同等设计，但应理解，如果两个蓄能器为不同设计，装置也将正常工作。

第一蓄能器3提供第一电压V1。光生伏打电源2提供输出电压Vp。第二蓄能器4上的电压根据以下等式得出：

V2＝V1+Vp    (1)

应理解，实际上，由于电路的损耗，特别是在以下讨论的实施例中向作为例子的电路添加更多部件时，V2的值可稍小于根据等式(1)计算出的值。

接线端5和6用于连接由设备1供电的外部电负载。当没有外部负载连接到接线端5和6时，光生伏打电源2产生的电能被用于为第二蓄能器4充电。当连接到接线端5和6的负载吸收的能量小于电源2产生的能量时，任何多余的能量可用于为蓄能器4充电。当连接到接线端5和6的外部负载消耗的能量多于电源2产生的能量时，由蓄能器4为负载提供附加的能量。

蓄能器3和4可以是能够存储电能的任意类型的设备。这种设备的例子包括诸如电池和电容器的传统形式，以及诸如配备了发电机的飞轮这样的非传统形式。

本文所用的术语“电池”表示能够将电能转换成化学能并能够将化学能转换成电能的设备。这种类型的电池也被称为二次电池或可再充电电池。这种电池的例子包括铅酸电池，例如湿电池、凝胶电池、可溶性玻璃垫电池、锂离子电池、聚合物锂离子电池；Nas电池、镍铁电池、金属氢化物镍电池、镍镉电池、锌镍电池，和熔盐电池。

可用作电能蓄能器的电容器的例子包括传统电容器(金属薄膜电容器、云母电容器、纸电容器、玻璃电容器和陶瓷电容器)；电解电容器；以及特别是所谓的超级电容器(super capacitor)。

有时也称为超电容器(ultra capacitor)的超级电容器，可由碳气凝胶、碳纳米管或高度多孔的电极材料制成。已知它们具有极高的电容，并被评价为可再充电电池的替换物。特别优选的是具有钛酸钡电介质的陶瓷超电容器，其具有很高的比能。

图2示出了根据本发明的装置的第二实施例的示意图。此实施例与图1中的实施例的不同之处在于存在控制器7。控制器7的作用是监视电源2的输出，并优化电源2的性能。例如，控制器7可通过根据系统中电流的函数监视电源2所提供的电压，来直接监视电源2的性能。控制器7也可以监视影响电源2的性能的外部参数。图解可见放置在靠近光生伏打电源2处的光检测元件10。光检测元件10经由连接11连接到控制器7。连接11可以是有线连接，或者从检测元件10到控制器7的通信可以是无线的，如，利用红外信号或射频信号。为进行这种间接监视，控制器7可配备有存储器设备，该存储器设备包含了将电源2的性能与检测元件10测量出的参数值关联起来的数据。例如，控制器7可使用历史数据，根据检测元件10检测出的光密度的函数，来计算电源2的功率输出。

在优选实施例中，控制器7能够监视和控制蓄能器3和4各自的充电状况。例如，如果蓄能器4被充满电，并且电源2产生的能量比连接到接线端5和6的负载所需的能量多，则控制器7将电能分流，为蓄能器3充电。

图3示出了本发明的装置的第三实施例的示意图。在此实施例中，第三电能蓄能器9包含在装置中。蓄能器9的性质和设计可以与蓄能器3和4的性质和设计相同，也可以不同。例如，蓄能器3和4可以是可再充电电池，而蓄能器9可以是电容器。控制器8监视电源2的电力产出，并将其与连接到接线端5和6的任意负载的需求相比较。当电源2产生的电能多于负载需要的电能时，控制器8将过剩的电能分流到蓄能器9。

当连接到接线端5和6的负载的需求超过电源2的电力产出时，控制器8可从蓄能器9汲取能量。此实施例特别适合于向能量需求快速波动的负载提供能量。特别地，在蓄能器9是电容器的情况下，蓄能器9可适应能量需求的快速变化。蓄能器3和4可以是化学电池，化学电池更适合对持续时间较长的功率需求的波动进行响应。

图4的实施例组合了图2和图3的特征。此外，控制器7配备有启动电路13。启动电路13被设计成用于在蓄能器3和4中产生并维持预定最小电荷量。具体而言，如果因为某些原因，蓄能器3和4的电荷值落到预定的最小值以下，启动电路13将使用来自电源2的能量，以便在能量被提供给接线端5和6之前使这些电荷恢复到所要求的最小值。

图5的实施例类似于图4的实施例。图4的控制器7和8已经被集成到控制器12中，控制器12监视电源2的工作、蓄能器3和4的充电位(chareposition)、向蓄能器9的能量分流和供应给接线端5和6的电压。图中还示出了外部检测元件10，其经由连接11向控制器12提供输入。连接11可以是有线连接，也可以是诸如红外信号或射频信号的无线连接。

根据以上内容应该清楚，本发明的装置能够向电负载提供的电压远高于低压电源产生的电压。因为这个原因，低压电源没有必要与其它这种电源串联连接。在优选实施例中，该装置包括以并联的单元的矩阵形式组合在一起的多个光生伏打电池。通过将光生伏打电池安装在单片导电材料上，可以方便地将这些电池并联起来。优选地，单片导电材料由金属制成。优选金属是导电率和导热率都很高并且耐腐蚀的那些金属。合适的金属的例子包括铜、镍、铝、金和它们的合金。尽管金在传导性和耐腐蚀性方面是优选的，但金的价格对于许多应用来说过高了。因此，在许多情况下，铜是用在单片材料中的优选金属。

将光生伏打电池导电安装在单片金属板上能够带来许多有益效果。首先，这消除了对各个光生伏打电池的相应电极之间的有线连接的需要，从而降低了制造光生伏打电池组件的复杂度和成本。此外，因为电池被并联连接，就不再需要旁路二极管，而通常电池被串联连接的光生伏打电池网中要包括旁路二极管。另一个有益效果是改善了单片导电材料的热散逸。在使用时，光生伏打电池会附带地产生热量。该热量是不希望发生的，因为光生伏打电池的效率随着电池温度的升高而降低。将电池安装在金属板上，使得可以通过将导电材料热连接到冷却介质来提供冷却。这可以通过在与光生伏打电池所安装的金属板表面相反的表面上设置冷却盘管来便利地完成。冷却盘管可连接到热泵，使得光生伏打电池的温度可被保持在其最佳温度或最佳温度附近。可从冷却介质回收热能，并将该热能用于加热目的，例如，用于加热供水。

如上文所述，使并联的光生伏打电池的数目最大化并且同样地使串联的光生伏打电池的数目最小化是有利的。这减少了对旁路二极管的需要。因此，优选地，对于低压电源中出现的每10个光生伏打电池，低压电源包含少于两个旁路二极管，并且优选地，低压电源没有旁路二极管。

并联连接光生伏打电池带来的另一个有益效果是可使用少量的光生伏打电池，每个光生伏打电池都具有很大的表面积。在优选实施例中，装置包括低压电源，该低压电源包括至少一个光生伏打电池，该至少一个光生伏打电池的表面积大于400平方厘米，更优选的是大于600平方厘米，尤为优选的是大于1000平方厘米。

如上文所述，低压电源不必提供足以为外部电负载供电的输出电源Vp。因此，可以提供输出电压小于20伏特的低压电源，低压电源的电压优选地小于10伏特，并且更优选地小于5伏特。同样，提供给电负载的外部电压Ve至少为Vp的两倍，优选地至少为Vp的十倍，更优选地至少为Vp的100倍。

热燃料电池在使用时发生膨胀会在电池被串联连接时引发问题。有人提出用特殊材料来限制这种热膨胀，使得燃料电池可以被紧密布置在一起。本发明允许燃料电池并联连接，使得它们不需要被紧密布置在一起，因此热膨胀不会引发问题。

显然，外部负载可以是任何负载，或者是电负载的组合。例如，外部负载可以是单个光源，如，发光二极管，也可以是住宅或建筑物中可能存在的电负载的组合。本发明的装置的特别有吸引力的用途是将其连接到电力网。这需要将该装置连接到转换器，该转换器用于将装置产生的电能转换成电压与电力网的电压一致的交流电。这种配置使得该装置可以在其产生的电能多于内部使用所需的电能时，将电能卖给电力网，而在需求大于装置产生的电能数量时，用来自电力网的电能来补充电能。

这样，通过参考上面讨论的某些实施例描述了本发明。应理解，这些实施例可以进行各种修改和采用本领域技术人员公知的可替代形式。

Claims (30)

1.一种利用低压电源为电负载供电的装置，所述装置包括：

a)提供输出电压Vp的低压电源；

b)第一电能蓄能器，其与所述低压电源串联连接，并且工作在第一电压V1；

c)第二电能蓄能器，其与所述第一蓄能器并联，并且工作在第二电压V2；

其中，V1+Vp＝V2。

2.如权利要求1所述的装置，还包括用于优化所述低压电源的操作的第一控制器。

3.如权利要求1或2所述的装置，还包括第三电能蓄能器和第二控制器，所述第二控制器响应于电能的可用性与需求的不平衡，将电能分流给所述第三电能蓄能器。

4.如权利要求2或3所述的装置，其中所述第二控制器与所述第一控制器集成在一起。

5.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述第一蓄能器和所述第二蓄能器是化学电池。

6.如权利要求5所述的装置，其中所述第一蓄能器和所述第二蓄能器是硫酸铅电池。

7.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其中所述第一蓄能器和所述第二蓄能器是电容器或飞轮。

8.如权利要求7所述的装置，其中所述第一蓄能器和所述第二蓄能器是超级电容器。

9.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述低压电源包括光生伏打电池、热伏打电池或燃料电池。

10.如权利要求9所述的装置，其中所述低压电源包括光生伏打电池。

11.如权利要求10所述的装置，其中所述低压电源包括集中在由并联的单元组成的矩阵中的多个光生伏打电池。

12.如权利要求11所述的装置，其中所述单元由于被导电安装在单片导电材料上而彼此并联连接。

13.如权利要求12所述的装置，其中所述单片导电材料由金属制成。

14.如权利要求13所述的装置，其中所述金属选自铜、镍、铝、金和它们的合金。

15.如权利要求14所述的装置，其中所述金属是铜。

16.如权利要求12至15中任一项所述的装置，其中所述单片导电材料被热连接到冷却介质。

17.如权利要求16所述的装置，其中，当使用所述装置时，所述冷却介质吸收所述光生伏打电池中产生的热量，并将该热量传递到远离所述光生伏打电池处。

18.如权利要求17所述的装置，其中，从所述冷却介质回收热量并用于加热的目的。

19.如权利要求18所述的装置，其中，回收的热量被用于加热供水。

20.如权利要求11至19中任一项所述的装置，其中对于每10个光生伏打电池，所述低压电源包含的旁路二极管少于2个。

21.如权利要求20所述的装置，其中，所述低压电源没有旁路二极管。

22.如权利要求10至21中任一项所述的装置，其中所述低压电源包括至少一个表面积大于400cm²的光生伏打电池。

23.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中Vp小于20伏特。

24.如权利要求23所述的装置，其中，Vp小于10伏特。

25.如权利要求24所述的装置，其中，Vp小于5伏特。

26.如前述权利要求中任一项所述的装置，提供给负载的外部电压为Ve，其中Ve至少为2×Vp。

27.如权利要求26所述的装置，其中Ve至少为10×Vp。

28.如权利要求27所述的装置，其中Ve至少为100×Vp。

29.如前述权利要求中任一项所述的装置，还包括用于将所述装置产生的电能转换为交流电的转换器。

30.如权利要求29所述的装置被连接到电力网。

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