CN101682257B - 太阳能供电装置 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能供电装置，其中包括蓄电池、至少一个光电池(该光电池可能是由多个光电池组成的太阳能组件的零部件)、以及直流电源交流设备(例如，紧凑型荧光灯)。该太阳能供电装置可能还包括接受来自那至少一个光电池的第一电信号并且把充电信号提供给蓄电池的第一DC-DC变换器和接受来自蓄电池的第二电信号并且把DC电源信号提供给直流电源交流设备的第二DC-DC变换器。

Description

太阳能供电装置
发明领域
本发明的至少一个实施方案指向太阳能供电系统和用来提供电力(更具体地说，给太阳能照明应用提供电力)的方法。
背景技术
在2006年，全球乡村能源通路分布图表明地球上大约二十四亿人没有接触现代的能源服务和大约十六亿人没有接触电。这些人当中绝大部分在乡村地区，许多地区在贫穷的国家，而且电力网将在不久的将来延伸到那些地区是不太可能的。
对于零零散散的乡村市场，改进的能源服务可能经由分布式洁净能源技术(例如，太阳能光电组件和沼气)到来。没有接触电网(即，在“网外”区域)的十六亿人当中许多人住在温暖的阳光充足的特定区域。在这些特定区域，太阳能光电系统往往是最节省成本的给网外区域供电的方法。
传统的太阳光电系统使用蓄电池储存日照期间从太阳收集的能量。这个蓄电池通常是提供直流(DC)电源的的12伏特(V)蓄电池。该系统可能要么直接与12Vdc设备连接，要么包括DC-AC变换器以允许与更常见的、较高电压(例如，120Vac或230Vac)的AC(交流电)设备连接。这个变换器通常是熟悉这项技术的人已知的H-桥式逆变器。
发明内容
各个方面和实施方案都指向可以为太阳能供电照明提供廉价解决方案的系统和方法。该系统可能在家庭和/或企业没有机会接近电网的乡村位置是特别有用的。依照一个实施方案，系统可能直接与交流电(AC)紧凑型荧光灯连接以提供有效率的廉价照明，下面将进一步详细讨论。
依照前面的讨论，有两类传统的太阳能光电系统可以用于照明应用。然而，这两类系统都有重要的缺点。第一类系统可以与12Vdc荧光灯直接连接。然而，这些12Vdc荧光灯不是按交流电紧凑型荧光灯的标准大规模生产的，所以，不是节省成本的。另一类传统系统使用接在蓄电池和AC装置之间的逆变器，DC-AC变换器。然而，这些逆变器增加系统的成本、复杂性和损失。至少一些方面和实施方案指向不需要增加来自逆变器的不必要的成本、复杂性和效率损失就能以低成本大规模生产的交流电紧凑型荧光灯的方式使用的太阳光电系统。
依照一个实施方案，装置可能包括蓄电池、至少一个光电池(该光电池可能是由多个光电池组成的太阳能组件的零部件)和至少一个直流电源交流设备(例如，紧凑型荧光灯)。该装置可能还包括接受来自那至少一个光电池的第一电信号并且把充电信号提供给蓄电池的第一DC-DC变换器和接受来自蓄电池的第二电信号并且把DC电源信号提供给直流电源交流设备的第二DC-DC变换器。
在一个范例中，第一DC-DC变换器可能是降压变换器，或作为替代，是升压变换器。在另一个范例中，第一DC-DC变换器可能包括最大功率点追踪电路。在另一个范例中，该装置可能进一步包括与第二DC-DC变换器耦合的众多固定装置，众多固定装置之中每个固定装置与众多紧凑型萤光灯或其他设备之中对应的一个耦合。微控制器可能与第一和第二DC-DC变换器耦合而且适合控制第一和第二DC-DC变换器的元器件。在一个范例中，可能提供外壳，该外壳收容微控制器、第一DC-DC变换器和第二DC-DC变换器，而且也可能非必选地收容蓄电池。
依照另一个实施方案，给直流电源交流设备提供功率的方法可能包括从光电单位提取电力和把DC信号提供给直流电源交流设备。在一个范例中，该方法可能进一步包括把电力储存在蓄电池中和从蓄电池提取DC信号。
另一些方面和实施方案以及这些可仿效的的方面和实施方案的利益将在下面详细讨论。此外，人们将理解前面的信息和下面的详细描述都仅仅是各种不同的方面和实施方案的说明性范例，而且倾向于为理解提出权利要求的方面和实施方案的本性和个性提供纵览或架构。为了提供例证和进一步理解各种不同的方面和实施方案，附图被包括在内，而且被并入这份说明书，构成这份说明书的一部份。这些附图连同说明书的其余部分一起用来解释所描述的并且提出权利要求的方面和实施方案的原则和操作。
附图说明
至少一个实施方案的各种不同的方面是在下面参照附图讨论的。在这些不打算依比例绘制的附图中，在各种不同的附图中举例说明的每个同一的或几乎同一的零部件是用相似的数字表示的。为了清楚，并非每个零部件在每幅附图中都被标注。这些附图是为举例和解释准备的，不倾向于作为本发明的范围定义。在这些附图中：
图1是依照本发明诸方面的一个系统范例的方框图；
图2是可仿效的太阳能组件的范例电流-电压曲线和功率-电压曲线的例证；而
图3是依照本发明的各个方面将电流和电压监控合并的图1所示系统的一部分的比较详细的方框图。
具体实施方式
许多商业上可得的装置(例如，紧凑型荧光灯(CFL)、一些电视机、收音机，等等)虽然通常有接受交流(AC)功率的构造，但是为了产生直流(DC)功率要对AC输入线进行整流。所以，这样的装置可以直接地用DC信号供电，因此取消了对用于传统系统的逆变器的需求。这样的装置在此被称为直流电源交流设备。因此，至少一些方面和实施方案指向不需要增加来自用于传统系统的逆变器的不必要的费用、复杂性和效率损失就能提供对像CFL这样的直流电源交流设备的直接连接通路的太阳光电系统。除此之外，依照一些实施方案的系统可以通过控制蓄电池充电维持或最大限度地增加蓄电池的寿命，下面将讨论。
人们将领会到这项发明在其应用方面不局限在下面的描述中陈述的或在附图中举例说明的零部件的构造和安排的细节。本发明能够在其他的实施方案中落实和以各种不同的方式实践或完成。特定的落实范例在此仅仅是为了举例说明提供的，而且不倾向于作为限制。具体地说，结合任何一个或多个实施方案讨论的行为、元素和特征都不倾向于被排除在其他实施方案的类似角色之外。另外，在此使用的措辞和术语是为了描述，不应该被视为限制。“包括”、“由～组成”、“有”、“包含”、“涉及”及其变化的使用在此意味着囊括其后列出的项目及其等同项目，以及附加项目。
参照图1，举例说明依照本发明的各个方面的系统的一个范例的方框图。系统100包含太阳能组件102，也被称为光电单元或太阳能电池板。太阳能组件102包含一个或多个(通常是许多)光电池，光电池把收到的阳光能量转变成电信号。至少在一些应用中，太阳能组件102可能是100瓦以下的组件。可能使用的太阳能组件的一个范例是按零配件编号BP365U从BP Solar购买的65瓦太阳能组件。该系统可能还包含可以收容在外壳110内的第一子系统104、第二子系统106和控制器108。第一和第二子系统104、106与蓄电池112耦合。该蓄电池可能如图所示在外壳110之外，也可能被装在外壳110内。在一个范例中，蓄电池112可能是12V铅酸蓄电池。第二子系统106还与一个或多个固定装置114耦合，下面将更详细地讨论。每个固定装置114与一个直流电源交流设备116(例如，紧凑型荧光灯(CFL)、小型黑白电视或彩色电视、收音机或计算机)耦合。人们将领会到虽然下面的讨论将集中在照明应用上而且可能首先提到作为紧凑型荧光灯的设备，但是本发明不受这样的限制而且可能用于任何直流电源交流设备。在此讨论的系统可能被用于利用光电组件供电的多种应用，不局限于照明。
在日照期间，系统100从太阳能组件102得到电力在不使蓄电池过载和减少蓄电池寿命的情况下把尽可能多的电荷储存在蓄电池112中。为了完成蓄电池的充电，在一个实施方案中，第一子系统可能包含从太阳能组件102获得电力并且使用该电力给蓄电池112充电的DC-DC变换器。在一个范例中，第一子系统104可能包含一个非隔离的钱变换器。如同熟悉这项技术的人知道的那样，降压变换器是可以作为包括受两个开关(通常是晶体管和二极管)控制的电感器的切换式电源实现的递降DC-DC变换器。在运行时，降压变换器交替地把电感器接到源电压上(在这种情况下，接到太阳能组件102上)把电力储存在电感器中和让电感器向负载放电(在这种情况下，向蓄电池112放电)。降压变换器可能是效率非常高(例如，95％效率或更高)的简单的变换器设计，而且可能特别适用于来自太阳能组件的电压在提供蓄电池之前将减少的那些应用。
在另一个范例中，第一子系统104可能包含非隔离的升压变换器。如同熟悉这项技术的人所知道的那样，升压变换器是输出电压高于源电压的DC-DC变换器。非隔离的升压变换器是不包括例如借助变压器提供的电流隔离的升压变换器。所以，第一子系统104可能包含升压变换器112，在这种情况下需要在提供给蓄电池之前提升从太阳能组件102得到的电压。
依照一个实施方案，第一子系统104可能合并最大功率点追踪器(MPPT)。如同熟悉这项技术的人知道的那样，MPPT是高效率的DC-DC变换器，对于太阳能组件(在这种情况下，太阳能组件102)起最佳电负荷作用，以便从该组件提取最大的或几乎最大的功率。光电组件(例如，太阳能组件102)在任何阳光和温度条件下都有一个工作点，在该工作点光电池的电流(I)和电压(V)的数值造成最大功率输出。这是用图2举例说明的，该图展示适合不同阳光条件的三条范例电流-电压曲线118a、118b和118c。这三条电流-电压曲线分别与三条功率-电压曲线120a、120b和120c相对应。如同能在图2中看到的那样，每条功率-电压曲线都有一个极大点，分别为122a、122b和122c，在极大点光电池的功率输出是最大的。最大功率点追踪器使用控制电路或逻辑寻找这个点并因此允许DC-DC变换器电路提取可从太阳能组件102得到的最大功率。
再一次参照图1，第二子系统106可能包括递升的DC-DC变换器，该变换器可以用来把蓄电池112的电压提升到紧凑型荧光灯116能用的电压。除此之外，在某些操作期间，第二子系统106可能接受直接来自第一子系统104的功率，而且可能把收到的电压递升到给设备116供电所需要的水平。举例来说，在充满阳光的时候，太阳能组件102可能产生比足以给设备116供电的能量多的能量，而过剩的能量可以储存在蓄电池中。然而，在夜晚或微弱阳光条件下，几乎没有能量可以由太阳能组件102产生，于是设备116所需要的一些或全部能量可以从蓄电池112提取。因此，第二子系统可以接受来自第一子系统104和/或蓄电池112之一或同时来自两者的信号，并且将这个信号变换到适合于设备116的水平。
依照一个实施方案，第二子系统106可能包含隔离的或非隔离的递升变换器，取决于对成本、效率和/或安全的考虑。举例来说，如果升压比较小，举例来说，升压比为4或5(例如，从24V蓄电池到120Vdc)，则非隔离的变换器通常可能更便宜和更有效。然而，如果所需的升压比大(例如，升压比大约为10以上)，那么使用变压器的隔离变换器可能更经济和有效。因为隔离变换器在电压输入点和输出点之间没有传导路径，所以隔离的变换器通常也被视为比非隔离的变换器更安全。
参照图3，举例说明第二子系统106的一个范例。第二子系统可能包含提供DC-DC向上变换的电感器124、晶体管126、二极管128和电容器130。除此之外，依照一个实施方案，第二子系统106可能与控制器108一起实现对来自第二子系统106的电流和/或电压输出的监控以检测可能指出潜在问题的情况，例如，短路，或固定装置114与不适当的设备的连接。依照前面的讨论，很多不同类型的设备可可以与固定装置114连接，只要这些设备要么是直流设备要么是直流电源交流设备，即，适合接受DC电源信号的设备。一些设备(例如，紧凑型荧光灯和一些电视机)被标明是“AC”装置，因为它们能接受AC输入功率而且传统上可以与AC线路连接，但是依照前面的讨论也能接受DC信号(那些装置被为称直流电源交流设备)。然而，其他的设备可能是不能接受直流输入功率的“真实的”AC装置。这些装置通常可能包括如果接受直流输入功率可以起短路作用的输入变压器。将这种真实的AC装置错接到固定装置114上是可能的。由于这样的装置引起的短路情况产生的电流浪涌可能是危险的，尤其是因为它可能造成着火的危险。除此之外，除了连接不适当的装置之外一些情况也可能引起可以电流浪涌，该电流浪涌可能引起火灾或造成其他的安全风险。这样的情况可能包括，举例来说，损毁与固定装置114连接的装置或损毁固定装置之间的配线。
为了避免这样的功率骤增并借此减少附带的安全风险，该系统的实施方案可能包括监测第二子系统106供应给固定装置114的电流和/或电压的电路。如图3所示，在至少一个实施方案中，控制器108可能与第二子系统106的输出线136耦合以便测知线136上的电压(例如，在连接点132)和/或电流(例如，在连接点134)。如果控制器108在线136上检测到可以指出短路或真实的AC装载到固定装置114上的连接的电压或电流条件，则控制器可以借助线138上提供的信号断开蓄电池，以便将任何功率从线136移开。这提供可以减少火灾风险或对使用与固定装置114连接的设备的人员的威胁的安全特征。
依照另一个实施方案，控制器108也可以用来控制有功部分，例如，第一个子系统104和第二子系统106两者中的场效应晶体管(FET)(例如，图3所示的晶体管126)。控制器108可能包含，举例来说，低成本的微处理器或其他的控制电路。控制器可能控制第一子系统和监测蓄电池充电，以允许尽可能多的电荷储存在蓄电池112中而不使蓄电池过载和减少蓄电池寿命。为了实现这个功能，控制器可以用蓄电池电荷分布图的知识编程而且可以监测蓄电池的温度，调整电压和电流的设定点，以便依照其电荷分布图给蓄电池充电。当设备116正在使用的时候，举例来说，如果设备是紧凑型荧光灯在黄昏之后，该系统从蓄电池提取功率给设备供电。在这种情况下，控制器108可能再次监测蓄电池以及控制第二子系统106以便通过限制放电的深度保护蓄电池。为了实现这个功能，控制器108可能监测蓄电池的电流和电压并且可能用以安培-小时计的预定的蓄电池预期输出编程。控制器可能实时地整合蓄电池供应的电流，测量所消耗的安培-小时数，而且当消耗的安培-小时数接近蓄电池能递送的期望的最大安培-小时数的时候可能减少蓄电池电力或断开蓄电池。以这种方式，控制器108可以保护蓄电池112使之免于变成完全放电的，借此防止损害蓄电池。
在一个实施方案中，固定装置114可能与适合关掉DC负载的开关合并。在一个范例中，固定装置可能还与保护电路合并以防止关掉DC电流时可能发生的击穿。固定装置也可能配置成允许与另外的固定装置容易形成“雏菊链”。
至此已经描述了这项发明的至少一个实施方案的一些方面，人们将领会到各种不同的变更、修正和改进对于熟悉这项技术的人将很容易发生。举例来说，虽然第二子系统在此被描述为包括上变换器，但是在一些应用中(举例来说，如果像LED灯这样的低电压装置与固定装置连接)，第二子系统可能改为包括下变换器。这样的和其他的变更、修正和改进倾向于成为这份揭示的一部份并且倾向于在本发明的范围之内。因此，前面的描述和附图仅仅是作为范例，而本发明的范围应该由权利要求书及其等价文本的适当诠释决定。

Claims (19)

1.一种太阳能供电装置，其中包括：
蓄电池；
至少一个光电池；
固定装置；
连接到所述固定装置的紧凑型荧光灯；
在所述蓄电池和至少一个光电池之间连接的第一DC-DC变换器，该变换器接受来自那至少一个光电池的第一电信号，并且把充电信号提供给蓄电池；以及
在所述第一DC-DC变换器和固定装置之间以及在所述蓄电池和固定装置之间连接的第二DC-DC变换器，所述第二DC-DC变换器是递升的DC-DC变换器，其被配置用于接受来自蓄电池的第二电信号和来自第一DC-DC变换器的第三电信号，并且通过所述固定装置把DC电源信号提供给紧凑型荧光灯，所述的DC电源信号来自于所述第二电信号和第三电信号的至少其中之一并且其具有的电压水平足够用于操作所述紧凑型荧光灯。
2.根据权利要求1的太阳能供电装置，其中第一DC-DC变换器是降压(buck)变换器。
3.根据权利要求1的太阳能供电装置，其中第一DC-DC变换器是升压(boost)变换器。
4.根据权利要求1的太阳能供电装置，其中第一DC-DC变换器包括最大功率点追踪电路。
5.根据权利要求1的太阳能供电装置，进一步包括太阳能组件，该太阳能组件包括众多光电池，所述的光电池包括所述的至少一个光电池。
6.根据权利要求1的太阳能供电装置，进一步包括与第二DC-DC变换器耦合的众多另外的固定装置，众多固定装置每个与众多直流电源交流设备之中相对应的一个耦合。
7.根据权利要求6的太阳能供电装置，其中众多直流电源交流设备包括众多另外的紧凑型荧光灯。
8.根据权利要求6的太阳能供电装置，其中众多直流电源交流设备包括黑白电视机、彩色电视机、收音机和计算机中的至少一个。
9.根据权利要求1的太阳能供电装置，进一步包括与第一DC-DC变换器和第二DC-DC变换器耦合的微控制器，该微控制器是为控制第一和第二DC-DC变换器的元器件而构成和安排的。
10.根据权利要求9的太阳能供电装置，进一步包括外壳，其中微控制器、第一DC-DC变换器和第二DC-DC变换器都被安排在该外壳内。
11.根据权利要求10的太阳能供电装置，其中蓄电池被安排在该外壳内。
12.一种把电力提供直流电源交流设备的方法，该方法包括：
从至少一个光电池提取电力以给第一DC-DC变换器提供第一DC电压，其中第一DC-DC变换器被连接在至少一个光电池和蓄电池之间；
从所述第一DC-DC变换器提供充电信号给蓄电池；
在第二DC-DC变换器处接受来自蓄电池的第二DC电压，其中第二DC-DC变换器被连接在第一DC-DC变换器和固定装置以及蓄电池和固定装置之间；
在第二DC-DC变换器处接受来自第一DC-DC变换器的第三DC电压；
执行DC-DC转换以递升第二DC电压和第三DC电压的至少其中之一到足够水平以操作紧凑型荧光灯，借此提供DC电源信号；以及
把所述DC电源信号提供给紧凑型荧光灯，其中紧凑型荧光灯连接在固定装置上。
13.根据权利要求12的方法，其中从至少一个光电池提取电力包括使用最大功率点追踪器优化从至少一个光电池提取的电力。
14.根据权利要求12的方法，进一步包括监控供应给所述紧凑型荧光灯的DC电源信号。
15.根据权利要求14的方法，其中监控DC电源信号包括检测DC电源信号的电流浪涌和在检测电流浪涌之时，切断DC电源信号。
16.根据权利要求12的方法，进一步包括在所述蓄电池中储存至少一些电力。
17.根据权利要求16的方法，其中储存蓄电池的电力包括保护蓄电池使之免于过度充电。
18.根据权利要求12的方法，进一步包括当从蓄电池提供第二DC电压给第二DC-DC变换器时，限制蓄电池的放电。
19.根据权利要求12的方法，进一步包括把DC电源信号提供给黑白电视机、彩色电视机、计算机和收音机中的至少一个。
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