CN102983185B - 共基太阳能电池板及其直流增压装置 - Google Patents

共基太阳能电池板及其直流增压装置 Download PDF

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Abstract

一种共基太阳能电池板及其直流增压装置，其太阳能金属基板在作为导电基板的同时，为单片化和大型化太阳能电池板提供高强度结构支撑，各片太阳能金属基可处于相互联接的等电点共基状态，依靠自外被金属网分区引出的单极电缆确保各分区太阳能电池板的独立工作；一种直流增压装置能够使单个或几个太阳能板产生的0.5伏特低压直流电变升为较高电压的脉冲直流电；各分区太阳能电池板电缆与增压装置输入电路可以分区自动断开和联接，增压装置与太阳能电池板全系统可以自动启动与停运、并可以根据太阳能电池板电流大小自适应工作。

Description

共基太阳能电池板及其直流增压装置
技术领域 本发明系一种新型太阳能电池板及其直流增压装置，属于新能源电子技术领域。
技术背景 目前，公知单片太阳能光伏电池板只能产生0.5伏电压，在制备时需要将多片太阳能电池板串联，以获得12伏以上较高的电压，以便由可控硅制备的逆变器升压变送。由此造成电池板的金属基片处于断续状态，使光伏电池板本身变得十分脆弱，需要额外的结构支撑，难以应用于机动车这类振动环境。本人设计的“一种太阳能电动汽车”(专利申请号201210241501.x)提出了将汽车面板和太阳能光伏电池板融合制造的方案，一方面充分增强太阳能电池板硅与金属的紧密结合；另一方面，具有较高强度的金属基片在导电的同时，提供高强度的结构支撑。需要解决的问题是，大型单片太阳能板产生的电压太低，只有0.5伏特；考虑在使用中每片光照差异，无法通过多片串联提高电压，即使3-4片串联，也只有最高2伏特的电压。由于逆变器的可控硅电阻较高(40欧姆)，电流通过时不仅能效耗损，且每通过一个晶闸管电压会降低0.5伏以上，无法实现半导体自动化增压充电。该专利虽然通过对蓄电池进行修改来实现低压充电，但由此增加的工程量和手动操作上的繁琐和不便，影响其推广应用。
为了克服现有的不足，本发明提供一种低压直流电增压装置，实现大型共基太阳能电池板的实用化和自动化。
发明内容 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在目前现有的机动车面板和其他金属结构板材的外表面，根据光照同步要求，分区域大面积融结两层硅或其他光伏发电材料，每一区域独立外被金属网与防反射膜，高强度金属结构与太阳能光伏电池板融合为一体结构，金属结构在提供高强度支撑的同时也作为太阳能光伏电池板一个导电基板，在机动车、设备和建筑的多个金属板材之间的原有牢固联接方式未作任何改变。上述分区域设置的多个太阳能光伏电池处于共基状态。通过分区硅层表面的金属网导引出的独立电缆确保各分区太阳能光伏电池独立工作。各区域金属基板处于等电压状态，每一区域在光照时产生0.5伏直流电则表现为该区域金属网电缆与金属基板的电压差，而未接受光照的区域金属网电缆与金属基板的电压差则为零。光照区域产生的电流通过低压直流增压装置，升压到常规蓄电池及其它电路所需的电压输出。该低压直流增压装置由以下几部分组成：密布多个电接点的外套环、多个导电金属片镶嵌于同一象限的内芯、多个与外套环电接点相接的电容器、脉冲直流电机、印刷电路板及控制电路。当太阳能光伏电池板受光线照射产生电压与电流时，其电流和电压作为控制信号使该区域光伏电池电源与增压装置电路接通并使后者启动工作，其伺服脉冲直流电机带动内芯在外套环内旋转，金属导电片分别使电容器先后通过外套环上的并联和串联电路进行太阳能板电源输入并联低压充电和串联高压输出放电，从而使单个或几个太阳能板产生的0.5伏特低压直流电转变为高压脉冲直流电，同时代替蓄电池驱动电机工作，并给后者充电。当该区太阳能光伏电池板无光激发电流产生时，电机及系统停止工作，实现系统的自动化运行。
本发明的有益效果是，由于金属电接触和电容器的电阻几乎为零，在进行直流变压时几乎没有电压损失；受太阳能电池板产生的电流信号全程控制脉冲直流伺服电机的工作，全过程可以实现自动化控制。本身由高强度金属基片提供结构支撑，单片太阳能电池板可以制备成各种形状，面积实现大型化和巨型化，单片太阳能电池板可以作为整体屋顶，墙壁，大型机动车车面等，不仅安装方便，更加结实耐用，尤其适合于运动中的振动环境。金属共基结构不需要对原有结构作大的改变，原有的车辆制造流程无需作大的改变，大大节省成本，便于推广应用。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为大型共基太阳能电池板制作流程及结构图。
图2为低压直流电增压装置结构图及工作原理示意图。
图3为实施例一：单片大型太阳能电池板与低压直流电增压装置联接及结构示意图。
图4、5为实施例二：多片共基太阳能电池板与低压直流电增压装置联接及结构示意图。
图中1太阳能一体金属基板  1.1金属基板  1.2硅或其它太阳能材料的P层  1.3金属基板N层1.4金属网  1.5防反射膜  1.6金属网电流引出线  1.7金属基板电流引出线  2.低压直流增压装置  2.1印刷电路板  2.1.1电容器联接电路  2.1.2并联充电输入电路  2.1.3串联放电输出电路  2.1.4并联充电输入电路接线柱  2.1.5单向晶闸管  2.1.6串联放电输出电路接线柱  2.2外套环  2.2.1电容器线路电接点  2.2.2电容器线路电接点  2.2.3并联充电输入电路电接点  2.2.4串联放电输出电路电接点  2.3旋转内芯  2.3.1导电金属片2.4绝缘减震垫  2.5电容器  2.6伺服电机  3单片太阳能电池板用控制电路  3.1可充电蓄电池  3.2正极连线  3.3电磁转换阀  3.4转换开关  3.5弹簧  3.6电接点  3.7晶闸管  3.8连接线  3.9太阳能电池板电源线  3.10限流分压电阻  3.11线圈绕组  3.12电接点  3.13单向晶闸管  4多片太阳能共基电池板用控制电路  4.1可充电蓄电池  4.2正极连线  4.3电磁转换阀4.4转换开关  4.5弹簧  4.6电接点  4.7连接线  4.8abc晶闸管  4.9abc太阳能电池板金属网电源引出线  4.10共基板引出线  4.11abc常断电磁继电器  4.12abc线圈绕组  4.13联接线4.14限流分压电阻  4.15线圈绕组  4.16单向晶闸管  4.17电接点
图1所示，太阳能一体化金属板(1)的制作流程包括：带小孔或凹陷的金属基板(1.1)压制完成后，外表面依次凝硅或其他太阳能材料的P层(1.2)和N层(1.3)层，金属基板的小孔或凹陷是为了增加硅层或其他太阳能材料与钢板的结合力，再被覆以金属网(1.4)和兼具防光反射与绝缘功能的防反射膜(1.5)，每一区域太阳能光伏电池的独立单极电流经引出线(1.6)自金属网(1.4)引出。自共用基板引出光伏电池的另一极电流(1.7)，所有金属基板可以相互牢固焊接以获得高强度结构支撑。
图2所示，低压直流增压装置(2)由以下几部分组成：印刷电路板(2.1)、外套环(2.2)、旋转内芯(2.3)、绝缘减震垫(2.4)、电容器(2.5)及伺服电机(2.6)。左右外套环(2.2)、伺服电机(2.6)通过减震缓冲垫(2.4)固定于印刷电路板(2.1)上。外套环(2.2)上3、6、9、12点位置等距离分布多个电接点，其内装配的旋转内芯(2.3)在同一象限上与外套环电接点等距对应位置镶嵌安置导电金属片(2.3.1)，两套旋转内芯通过传动轴与其间的直流电机(2.6)联接同轴旋转。外套环(2.2)上3点位置的电接点及其连接线(2.2.1)与9点位置的电接点及其连接线(2.2.2)经印刷电路板的焊接点(2.1.1)与交错排列的电容器(2.5)两个极板之一相联接；左外套环12点位置电接点及连接线与右外套环6点位置电接点(2.2.3)经过印刷电路板联接并联充电输入电路(2.1.2)；左外套环6点位置电接点及连接线与右外套环12点位置电接点及连接线(2.2.4)经过联接印刷电路板上的串联放电输出电路(2.1.3)。左右外套环上输入充电电路和放电输出电路交叉设置并相互连通，在内芯导电金属片旋转时，当左侧充电电路(2.1.2)处于导通状态时，右侧放电电路(2.1.3)导通。而当左侧放电电路(2.1.3)处于导通状态时，右侧充电电路(2.1.2)导通。由于内芯导电金属片一个旋转周期内有4个位置均处于与充电及放电电路瞬时断开状态，故该低压直流增压装置输出的始终是脉冲直流电，输出电路上接线柱(2.1.6)前设置单向晶闸管(2.1.5)防止外源电流反流。每一装置所需的电容器数目＝升压倍数X2，外套环上每一象限电连接点数目则是电容器的2倍。
图3所示共基太阳能板与低压直流增压装置实施例一：能够产生较大电流输出的大型一体化单片太阳能电池板上(1)，安装固定一块低压直流增压装置(2)，太阳能电池板的金属网(1.6)和金属基板电流引出线(1.7)与低压直流增压装置(2.1)上的充电输入电路接线柱(2.1.4)焊接。太阳能电池板产生的低压电流经过增压以脉冲直流电的方式经单向晶闸管(2.1.5)、串联放电输出电路接线柱(2.1.6)与外接线输出。其单片太阳能电池板用电机控制电路(3)中，可充电蓄电池(3.1)的正极连线(3.2)联接电磁转换阀(3.3)的转换开关(3.4)，当太阳能电池板无光照休眠状态时，转换开关(3.4)在弹簧(3.5)的作用下与电接点(3.6)导通，后者经过晶闸管(3.7)及连接线(3.8)联接伺服电机(2.6)，该晶闸管的导通受来自充电输入电路联接线(3.9)的信号控制，当后者光照产生电流时，晶闸管(3.7)导通，蓄电池电源通过连线(3.8)启动伺服电机(2.6)工作，印刷电路板上的放电输出电路(2.1.3)产生电流，该电流的电压即使经过限流分压电阻(3.10)降压，仍高于蓄电池电压，放电输出电路产生电流经过电磁阀(3.3)的线圈绕组(3.11)之后，经过(3.8)连线代替蓄电池电流推动伺服电机(2.6)工作，同时，线圈(3.11)产生的力吸引电磁阀(3.3)的衔铁，使转换开关(3.4)与电接点(3.12)导通，来自放电输出电路(2.1.3)产生电流经过限流分压电阻(2.10)、单向晶闸管(3.13)、电接点(3.12)、转换开关(3.4)与连线(3.1)对蓄电池进行充电。由于放电输出电路输出的是脉冲电路，单向晶闸管(3.13)的目的是防止蓄电池在充电期间漏电的发生。蓄电池仅起电机启动作用，加上自动充电设计，蓄电池可以实现低容量和微型化。放电输出电路(2.1.3)对电机的接管和控制，当太阳能产生的电流量小且电压低时，输出电路的电压相应降低，电机的转速下降，能耗降低且电容充放电时间延长。反之，当印刷电路板输入和输出电压和电流增加时，电机转速增加，电容充放电时间缩短。不仅实现自动化运行，且能够自适应运行。
图4、5所示，共基太阳能电池板与低压直流电增压装置实施例二：对于产生较小电流的汽车面板类中小型太阳能一体化电池板(1)，多个区域太阳能电池板的自金属网引出的电源线分别与低压直流增压装置(2)输入接线柱(2.1.4)焊接。其多区域共基太阳能电池板共用电机控制电路(4)中，可充电蓄电池(4.1)的正极连线(4.2)联接电磁转换阀(4.3)的转换开关(4.4)，当太阳能电池板无光照休眠状态时，转换开关(4.4)在弹簧(4.5)的作用下与电接点(4.6)导通，后者经过连接线(4.7)并行联接多个晶闸管(4.8abc)与常断电磁继电器(4.11abc)的电磁绕组(4.12abc)，再通过并联联接线(4.13)联接伺服电机(2.6)。其晶闸管(4.8abc)及电磁绕组(4.12abc)的导通受来自其区域太阳能电池板独立金属网引出线(4.9abc)与共基板引出线(4.10)的信号控制。当太阳能电池板无光照时，常断电磁继电器(4.11abc)使各区太阳能电缆线(4.9abc)与输入充电电路(2.1.2)处于常断状态，当所有区域太阳能电池板无电流产生时，晶闸管(4.8abc)使电机电路处于断开状态。当任一区域太阳能电池板产生电流信号，如电源引出线(4.9a)与(4.10)之间产生电流，其晶闸管(4.8a)导通，电磁绕组(4.12a)产生磁力，使太阳能电缆线(4.9a)与充电输入电路导通，蓄电池电源通过连线(4.13)启动伺服电机(2.6)工作，印刷电路板上的放电输出电路(2.1.3)产生电流，该电流的电压即使经过限流分压电阻(4.14)降压，仍高于蓄电池电压，放电输出电路产生电流经过电磁阀(4.3)的线圈绕组(4.15)之后，经过(4.7)连线代替蓄电池电流经晶闸管(4.8a)和电磁继电器(4.11a)的线圈绕组(4.12a)继续推动伺服电机(2.6)工作。同时，线圈绕组(4.15)产生的力吸引电磁阀(4.3)的衔铁，使转换开关(4.4)与电接点(4.17)导通，来自放电输出电路(2.1.3)产生电流经过单向晶闸管(4.16)、电接点(4.17)、转换开关(4.4)与连线(4.1)对蓄电池进行充电。在此基础上，如果晶闸管(4.8b)受电源线(4.9b)与(4.10)间信号导通，则电流经过线圈绕组(4.12b)进一步增加了电机驱动电流，线圈绕组(4.12b)使来自太阳能电池板的电流(4.9b)与充电电路接通，充电电路(2.1.2)及放电电路(2.1.3)电流量增加，而电机驱动电流量增加，转速加快，实现升压装置的自动与自适应运行。而无太阳能电流产生的(4.9c)与充电电路(2.1.2)仍处于隔离状态。防止其他太阳能电池板电流经电源线(4.9c)漏出损失。

Claims (5)

1.一种带有直流增压装置的单片或多片共基太阳能电池板，其特征在于：太阳能电池板制备成巨型单片结构，或多片太阳能电池板的金属基板相互牢固焊接，形成共基结构，依靠自外被金属网分区引出的单极电缆确保各分片太阳能电池板的独立工作，其具体结构为：带网孔或凹坑的金属基板，外表面融结两层N型与P型硅或其他太阳能电池材料，外被金属网与防反射保护膜，太阳能电池两极电压电流分别自内层金属基板及外层金属网引出，金属基板在作为太阳能电池导电基板的同时，为太阳能电池板提供高强度支撑；自金属网与金属基板引出的低压直流电经过直流增压装置变升至较高电压的脉冲直流电；该低压直流增压装置由以下几部分组成：密布多个电接点的外套环、多个导电金属片镶嵌于同一象限的内芯、多个与外套环电接点相接的电容器、伺服脉冲直流电机、印刷电路板及控制电路；由每片太阳能电池板的电压与电流信号使该片电池电源与低压直流增压装置输入电路接通并使低压直流增压装置的伺服脉冲直流电机启动工作，伺服脉冲直流电机带动旋转内芯在外套环内旋转，旋转内芯上的导电金属片分别使电容器交替联接外套环上的并联和串联电路，进行太阳能电池板电源输入并联低压充电和串联高压输出放电，从而使单片或多片太阳能电池板产生的0.5伏特低压直流电转变为较高电压的脉冲直流电；伺服脉冲直流电机由可充电蓄电池启动运转，随之增压形成的脉冲直流电接替蓄电池继续维持伺服脉冲直流电机运转，并给蓄电池充电；当任一片太阳能电池板无光照激发电流产生时，该片金属网电缆与低压直流增压装置输入电路自动切断，伺服脉冲直流电机转速随太阳能电池板电流大小自适应运行，低压直流增压装置输入电路完全终断时该片太阳能电池板自动停止工作。
2.根据权利要求1所述带有直流增压装置的单片或多片共基太阳能电池板，其特征在于：多片共基太阳能电池板由下述方法制备而成：带小孔或凹陷的金属基板(1.1)压制完成后，外表面凝结硅或其他太阳能材料的P层(1.2)和N层(1.3)层，再被覆以金属网(1.4)和兼具防光反射与绝缘功能的防反射保护膜(1.5)，金属基板相互牢固焊接处于等电位共基状态，每一片太阳能电池板的独立单极电流经引出线(1.6)自金属网(1.4)引出，自共用基板引出太阳能电池板的另一极电流(1.7)。
3.根据权利要求1所述带有直流增压装置的单片或多片共基太阳能电池板，其特征在于：低压直流增压装置(2)由以下几部分组成：印刷电路板(2.1)、外套环(2.2)、旋转内芯(2.3)、绝缘减震垫(2.4)、电容器(2.5)和伺服脉冲直流电机(2.6)；左右外套环(2.2)、伺服脉冲直流电机(2.6)通过减震缓冲垫(2.4)固定于印刷电路板 (2.1)上；外套环(2.2)上时钟指针3、6、9、12点位置等距离分布多个电接点，其内装配的旋转内芯(2.3)在同一象限上与外套环电接点等距对应位置镶嵌安置导电金属片(2.3.1)，两套旋转内芯的传动轴与其之间的伺服脉冲直流电机(2.6)同轴联接;外套环(2.2)上3点位置的电接点及其连接线(2.2.1)与9点位置的电接点及其连接线(2.2.2)经印刷电路板的焊接点(2.1.1)与交错排列的电容器(2.5)两个极板之一相联接；左外套环12点位置电接点及连接线与右外套环6点位置电接点(2.2.3)经过印刷电路板联接并联充电输入电路接线柱(2.1.2)；左外套环6点位置电接点及连接线与右外套环12点位置电接点及连接线(2.2.4)经过联接印刷电路板上的串联放电输出电路(2.1.3)；左右外套环上输入充电电路和放电输出电路交叉设置并相互连通，输出电路上接线柱(2.1.6)前设置单向晶闸管(2.1.5)。
4.根据权利要求1所述带有直流增压装置的单片或多片共基太阳能电池板，其特征在于：单片太阳能电池板上(1)上安装固定一块低压直流增压装置(2)，太阳能电池板的金属网(1.6)和金属基板电流引出线(1.7)与低压直流增压装置(2)上的充电输入电路接线柱(2.1.2)焊接；单片太阳能电池板用单片电机控制电路(3)中，单片可充电蓄电池(3.1)的单片正极连线(3.2)联接单片电磁转换阀(3.3)的单片转换开关(3.4)，单片转换开关(3.4)在单片弹簧(3.5)的作用下通常与单片电接点(3.6)导通，后者经过单片晶闸管(3.7)及单片连接线(3.8)伺服脉冲直流电机(2.6)，该单片晶闸管的导通受来自充电输入电路联接线(3.9)的信号控制，后者信号使单片晶闸管(3.7)导通，蓄电池电源通过单片连接线(3.8)启动伺服脉冲直流电机(2.6)工作，印刷电路板上的放电输出电路(2.1.3)产生的电流经限流分压电阻(3.10)、单片电磁阀(3.3)的单片线圈绕组(3.11)之后，经过单片连接线(3.8)代替蓄电池电流推动伺服脉冲直流电机(2.6)工作，同时，单片线圈绕组(3.11)产生的力吸引单片电磁阀(3.3)的衔铁，使单片转换开关(3.4)与电接点(3.12)导通，来自放电输出电路(2.1.3)产生电流经过限流分压电阻(3.10)、单向晶闸管(3.13)、电接点(3.12)、单片转换开关(3.4)与连线对蓄电池(3.1)进行充电。
5.权利要求1所述带有直流增压装置的单片或多片共基太阳能电池板，其特征在于：多片共基太阳能电池板的自金属网引出的电源线分别与低压直流增压装置(2)输入接线柱(2.1.2)焊接；多片共基太阳能电池板共用多片电机控制电路(4)中，多片可充电蓄电池(4.1)的正极连线联接多片电磁转换阀(4.3)的多片转换开关(4.4)，多片 转换开关(4.4)在多片弹簧(4.5)的作用下与多片电接点(4.6)常通，后者经过多片连接线(4.7)并行联接多个多片晶闸管(4.8abc)与常断电磁继电器(4.11abc)的电磁绕组(4.12abc)，再通过并联联接线(4.13)联接伺服脉冲直流电机(2.6)；多片晶闸管(4.8abc)及电磁绕组(4.12abc)的导通受来自该片太阳能电池板独立金属网引出电缆线线(4.9abc)与共基板引出线(4.10)的信号控制；常断电磁继电器(4.11abc)使各片太阳能电池板独立金属网引出电缆线(4.9abc)与输入充电电路处于常断状态，当所有片太阳能电池板无电流产生时，多片晶闸管(4.8abc)使伺服脉冲直流电机电路处于断开状态；当任一片太阳能电池板产生电流信号，其晶闸管导通，电磁绕组产生磁力，使电缆线与充电输入电路导通，蓄电池电源通过并联联接线(4.13)启动伺服脉冲直流电机(2.6)工作，印刷电路板上的放电输出电路(2.1.3)产生电流，该电流经过多片限流分压电阻(4.14)、多片电磁转换阀(4.3)的多片线圈绕组(4.15)、多片连接线(4.7)代替蓄电池电流经其晶闸管和电磁继电器的线圈绕组继续推动伺服电机(2.6)工作;同时，多片线圈绕组(4.15)产生的力吸引多片电磁转换阀(4.3)的衔铁，使多片转换开关(4.4)与多片电接点(4.17)导通，来自放电输出电路(2.1.3)产生电流经过多片单向晶闸管(4.16)、多片电接点(4.17)、多片转换开关(4.4)与连线对蓄电池进行充电。
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