CN102255348A

CN102255348A - 一种独立光伏混合储能系统

Info

Publication number: CN102255348A
Application number: CN2011100847207A
Authority: CN
Inventors: 李宝华; 潘学松; 杜鸿达; 贺艳兵; 康飞宇
Original assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Priority date: 2011-04-06
Filing date: 2011-04-06
Publication date: 2011-11-23

Abstract

一种独立光伏混合储能系统，包括太阳能电池板、超级电容器模块、蓄电池模块、负载、以及智能控制系统，太阳能电池板提供能量来源，智能控制系统检测太阳能电池板、蓄电池模块和超级电容器模块的状态，进而控制太阳光强度低于预定值时由超级电容器模块吸收太阳能电池板发出的电能，太阳光强度达到预定值时太阳能电池板工作在最大功率点并向蓄电池模块储存电能，太阳光强度持续低于预定值时由超级电容器模块吸收太阳能电池板发出的电能后转储到蓄电池模块，以及在负载需要供电时超级电容器模块和蓄电池模块共同为负载提供能量。本发明可提高太阳能电池板工作效率、减小负载接通瞬间对蓄电池的冲击、延长蓄电池寿命、提高输出功率。

Description

一种独立光伏混合储能系统

技术领域

本发明涉及独立光伏储能系统，特别是以蓄电池和超级电容器为储能器件的一种独立光伏混合储能系统。

背景技术

蓄电池自发明以来经过一百多年的发展已经成为一种十分成熟的储能器件，其以价格便宜、安全性好、使用寿命长、储能多等优点占据了很大的市场。目前蓄电池在汽车、光伏系统、通信等领域都有着广泛的应用。

超级电容器是一种新兴的储能器件，与传统的电容器相比，超级电容器能量密度大3～4个数量级；与蓄电池及锂电池相比，超级电容器有高的充放电速度、高功率密度和更长的寿命。超级电容器是本世纪最有发展前景的储能器件之一。

独立光伏系统作为新能源产业重要组成部分，近年来应用越来越广泛。由于独立光伏系统一般都是白天发电晚上用电，因此在独立光伏系统中常采用蓄电池模块作为储能器件，用于储存太阳能电池发出的电能，因为蓄电池具有技术成熟、价格便宜、安全性好、储能多等优点。然而作为储能的蓄电池也存在一定的缺点，比如在清晨和傍晚以及阴雨天气等阳光强度较弱时，太阳能电池板发出的电能无法储存到蓄电池当中，导致了一定的能源浪费。而如果长期阴雨天气，光伏系统夜晚将无法正常供电，而蓄电池也会处于欠充电状态，影响其寿命。此外，向功率型负载供电时，供电瞬间会对蓄电池产生较大的冲击，会影响蓄电池的使用寿命。

发明内容

本发明的目的解决现有独立光伏系统中蓄电池单一储能造成的能量利用率不高、寿命短等技术问题，提供一种能够为普通及功率型负载提供电能的独立光伏混合储能系统。

为达上述目的，本发明设计了独立光伏系统中蓄电池和超级电容器混合储能的方案，即：以太阳能电池为能量来源，采用蓄电池和超级电容器相结合作为储能系统，通过专用的控制系统针对蓄电池和超级电容器的储能特点以及太阳能电池发电特性进行智能控制，弥补蓄电池单一储能的缺点。

本发明独立光伏混合储能系统包括太阳能电池板、与太阳能电池板连接的蓄电池模块、连接在蓄电池模块两端的负载、以及智能控制系统，所述太阳能电池板还连接超级电容器模块，所述智能控制系统分别连接所述太阳能电池板、蓄电池模块、超级电容器模块和负载，用于检测它们的状态，进而控制：太阳光强度低于预定值时由超级电容器模块吸收太阳能电池板发出的电能，太阳光强度达到预定值时太阳能电池板工作在最大功率点并向蓄电池模块储存电能，太阳光强度持续低于预定值时由超级电容器模块吸收太阳能电池板发出的电能后转储到蓄电池模块，以及在负载需要供电时超级电容器模块和蓄电池模块共同为负载提供能量。

进一步，所述智能控制系统包括MCU、电压电流检测电路和第一～第四MOS管，所述电压电流检测电路实时检测太阳能电池板、蓄电池模块和超级电容器模块的充放电情况及荷电状态，并将检测数据传输到MCU，MCU处理后输出控制信号控制所述第一～第四MOS管导通或截止，从而实现对混合储能系统的充电及对负载的供电。

本发明还提供一种独立光伏系统储能方法，由智能控制系统控制超级电容器模块在清晨、傍晚以及阴雨天气时收集太阳能电池板发出的电能、并转储到蓄电池模块中，以及控制蓄电池模块在太阳光强度足够时直接收集储存太阳能电池板发出的电能。

进一步，可以由超级电容器模块和蓄电池模块同时向负载提供电能，以减小向功率型负载供电时供电瞬间对蓄电池的冲击，延长蓄电池的使用寿命。

本发明独立光伏混合储能系统具有以下有益效果：

其利用超级电容器收集清晨、傍晚以及阴雨天气太阳能电池发出的能量，并将能量转储到蓄电池中，有效解决了这些情况下太阳强度较弱，无法对蓄电池充电的问题，因此可以更充分的利用太阳能电池发出的电能，有效提高了能量利用率。同时使得在长期阴雨天气时，光伏系统夜晚也能供电，蓄电池不会处于欠充电状态，不会影响其寿命。

由于超级电容器功率密度大，与蓄电池混合使用提高了储能系统的功率密度，因此可用于向功率型负载供电，并可以减小供电瞬间对蓄电池的冲击，延长蓄电池的使用寿命。

附图说明

图1是本发明独立光伏混合储能系统的结构框图。

图2是其控制系统的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明将超级电容器模块和蓄电池模块相结合，发挥各自的特长，一方面可以收集清晨、傍晚以及阴雨天气等阳光较弱情况下太阳能电池发出的能量，更充分的利用太阳能电池发出的电能，另一方面对于功率型负载，该混合储能系统可以充分发挥超级电容器功率密度大的特点，减小对蓄电池的冲击，延长蓄电池使用寿命。

参照图1，本独立光伏混合储能系统包括太阳能电池板1、超级电容器模块3、蓄电池模块4、智能控制系统2和负载5。太阳能电池板1是能量来源。超级电容器模块3和蓄电池模块4组成混合储能系统，与太阳能电池板1连接。负载5与超级电容器模块3和蓄电池模块4连接。所述智能控制系统2分别连接所述太阳能电池板1、蓄电池模块4、超级电容器模块3和负载5，用于检测它们的状态，进而控制：太阳光强度低于预定值时由超级电容器模块3吸收太阳能电池板1发出的电能，太阳光强度达到预定值时太阳能电池板1工作在最大功率点并向蓄电池模块4储存电能，太阳光强度持续低于预定值时由超级电容器模块3吸收太阳能电池板1发出的电能后转储到蓄电池模块4，以及在负载5需要供电时超级电容器模块3和蓄电池模块4共同为负载5提供能量。上述预定值满足以下条件：当太阳光强度低于该预定值时，太阳光较弱，蓄电池模块无法收集太阳能电池板发出的电能，当太阳光强度达到预定值时，蓄电池模块才能收集储存太阳能电池板发出的电能。

参照图2，智能控制系统2包括MCU、电压电流检测电路、第一～第四MOS管Q1～Q4，所述电压电流检测电路实时检测太阳能电池板1、蓄电池模块4和超级电容器模块3的充放电情况及荷电状态，并将检测数据传输到MCU，MCU处理后输出控制信号控制所述第一～第四MOS管Q1～Q4导通或截止，从而实现对混合储能系统的充电及对负载的供电。

超级电容器模块3和蓄电池模块4之间设置电感L和防反二极管D1。

MCU包括最大功率点跟踪模块，该模块通过检测太阳能电池板1端电压和蓄电池模块4的充电电流，调整用于驱动第二MOS管Q2的PWM信号脉宽，使得太阳能电池板1工作在最大功率点，提高太阳能电池板1输出功率。

典型实施例中，MCU采用AVR公司生产的Atmega 16L单片机，第一和第二MOS管Q1、Q2采用IRF4905，第三和第四MOS管Q3、Q4采用IRF3205。第一和第二MOS管Q1、Q2分别由MCU输出的两路PWM信号经过一级放大后驱动，第三和第四MOS管Q3、Q4分别由MCU输出的另两路PWM信号经过放大后驱动，放大电路可由TL494及TC4424实现。

电压检测电路采用电阻分压的检测方式，电流检测电路采用检测主电路上小电阻R电压降的方式。

本发明的控制方案为：由智能控制系统2控制超级电容器模块3在清晨、傍晚以及阴雨天气时收集太阳能电池板1发出的电能、并转储到蓄电池模块4中，以及控制蓄电池模块4在太阳光强度足够时直接收集储存太阳能电池板1发出的电能。由超级电容器模块3和蓄电池模块4同时向负载5提供电能。具体讲：清晨太阳光较弱时，无法对蓄电池模块4进行充电，MCU发出控制信号通过第一MOS管Q1的驱动电路驱动第一MOS管Q1导通，用超级电容器模块3吸收能量。当阳光渐渐增强，超级电容器模块3被充满，此时MCU发出PWM信号通过第二MOS管Q2和第三MOS管Q3的驱动电路控制第二MOS管Q2和第三MOS管Q3的导通与关闭，使太阳能电池板1向蓄电池模块4充电，同时MCU通过检测太阳能电池板1端电压及电阻R上流过的电流，调整PWM信号脉宽，使得太阳能电池板1工作在最大功率点，提高太阳能电池板1输出功率。傍晚，阳光强度变弱，无法对蓄电池模块4进行充电，此时MCU控制第二MOS管Q2和第三MOS管Q3将超级电容器模块3中的部分能量转移到蓄电池模块4中，然后用超级电容器模块3吸收太阳能电池板1发出的能量，从而最大限度的储存太阳能电池板1发出的能量。阴雨天气，阳光长时间较弱，则循环采用超级电容器模块3吸收能量然后转储到蓄电池模块4的储能方式进行储能。为负载5供电时，MCU发出驱动信号驱动第二MOS管Q2和第四MOS管Q4导通，实现超级电容器模块3和蓄电池模块4共同为负载5供电，供电瞬间，超级电容器模块3提供大部分电流，随后超级电容器模块3供电电流逐渐减小，蓄电池模块4提供的电流逐渐增大，从而减小了接通瞬间对蓄电池模块4的冲击，并提高了储能系统的功率密度。

实验：采用尚德公司生产的210W多晶硅太阳能电池板，尺寸为1482 mm×992 mm×35mm，采用两个12V/50AH免维护蓄电池组成24V蓄电池模块，采用两个16.2V/250F超级电容器模块组成的32.4V/125F超级电容器模块，负载为24V/100W的无影灯泡，组成一个独立光伏混合储能系统进行实验，结果表明：在早晨、傍晚和阴雨天气这些阳光较弱的情况下，均可以收集储存太阳能电池板发出的电能，而在这些阳光较弱的情况下，现有采用蓄电池单一储能的独立光伏储能系统均无法收集储存太阳能电池板发出的电能。

Claims

1.一种独立光伏混合储能系统，包括太阳能电池板、与太阳能电池板连接的蓄电池模块、连接在蓄电池模块两端的负载、以及智能控制系统，其特征是：所述太阳能电池板还连接超级电容器模块，所述智能控制系统分别连接所述太阳能电池板、蓄电池模块、超级电容器模块和负载，用于检测它们的状态，进而控制：太阳光强度低于预定值时由超级电容器模块吸收太阳能电池板发出的电能，太阳光强度达到预定值时太阳能电池板工作在最大功率点并向蓄电池模块储存电能，太阳光强度持续低于预定值时由超级电容器模块吸收太阳能电池板发出的电能后转储到蓄电池模块，以及在负载需要供电时超级电容器模块和蓄电池模块共同为负载提供能量。

2.根据权利要求1所述的独立光伏混合储能系统，其特征是：所述智能控制系统包括MCU、电压电流检测电路和第一～第四MOS管，所述电压电流检测电路实时检测太阳能电池板、蓄电池模块和超级电容器模块的充放电情况及荷电状态，并将检测数据传输到MCU，MCU处理后输出控制信号控制所述第一～第四MOS管导通或截止，从而实现对混合储能系统的充电及对负载的供电。

3.根据权利要求2所述的独立光伏混合储能系统，其特征是：所述超级电容器模块和蓄电池模块之间设置电感和防反二极管。

4.根据权利要求2所述的独立光伏混合储能系统，其特征是：所述MCU包括最大功率点跟踪模块，该模块通过检测太阳能电池板端电压和蓄电池模块的充电电流，调整用于驱动第二MOS管的PWM信号脉宽，使得太阳能电池板工作在最大功率点。

5.根据权利要求2所述的独立光伏混合储能系统，其特征是：所述MCU采用AVR公司生产的Atmega 16L单片机，第一和第二MOS管采用IRF4905，第三和第四MOS管采用IRF3205。

6.根据权利要求5所述的独立光伏混合储能系统，其特征是：所述第一和第二MOS管分别由MCU输出的两路PWM信号经过一级放大后驱动，第三和第四MOS管分别由MCU输出的另两路PWM信号经过TL494及TC4424放大后驱动。

7.根据权利要求2所述的独立光伏混合储能系统，其特征是：电压检测电路采用电阻分压的检测方式，电流检测电路采用检测主电路上小电阻电压降的方式。

8.一种独立光伏系统储能方法，其特征是：由智能控制系统控制超级电容器模块在清晨、傍晚以及阴雨天气时收集太阳能电池板发出的电能、并转储到蓄电池模块中，以及控制蓄电池模块在太阳光强度足够时直接收集储存太阳能电池板发出的电能。

9.根据权利要求8所述的独立光伏系统储能方法，其特征是：由超级电容器模块和蓄电池模块同时向负载提供电能。