CN104953944A

CN104953944A - 一种使用推挽变换器的太阳能电池

Info

Publication number: CN104953944A
Application number: CN201510279129.5A
Authority: CN
Inventors: 金涛
Original assignee: Xiangyang Jing Sheng Scientific And Technological Information Advisory Co Ltd
Current assignee: Xiangyang Jing Sheng Scientific And Technological Information Advisory Co Ltd
Priority date: 2014-12-13
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2015-09-30

Abstract

本发明公布了一种使用推挽变换器的太阳能电池，包括输入光采集模块与推挽变换器，推挽变换器包括两个开关器件S1、S2，隔离变压器T，整流二极管D1、D2，储能电感L、储能电容C和负载R，与储能电感L耦合的辅助线圈Lau，PWM控制器和输出电压计算器，输出电压计算器根据辅助线圈Lau的测量电压U_det、隔离变压器T的原边绕组匝数N1、副边绕组匝数N2、输入电压Uin、二极管D1、D2管压降、开关器件导通时间以及储能电感L耦合的辅助线圈Lau的变比α来确定输出电压的实时输出值Uout，PWM控制器根据该实时输出值产生PWM驱动信号来控制开关器件S1、S2的导通或关断。

Description

一种使用推挽变换器的太阳能电池

【技术领域】

本发明涉及一种太阳能电池，尤其是一种使用推挽式直流变流器的太阳能电池。

【背景技术】

由于移动制冷系统如车载空调，车载冰箱及用于野外的制冷装置的电源绝大多数为太阳能电池或新能源电池；而太阳能或新能源电池的供电系统的供电能力有限且不稳定，通过对开关电源的调整而达到提高设备使用效率。

由于开关电源相对于传统线性电源具有高效率、小体积、高可靠性等优点，越来越广泛的被应用于计算机、通讯、电力、家电、仪器和航空航天等领域。当由铅酸电池供电的开关电源和逆变器，如何使其效率更高、体积更小和能量密度高，如今用的最多拓扑结构是采用推挽电路拓扑，其特点是采用高频变压器，使开关电源体积小和功率密度高；同时此类拓扑适合低压和大电流的应用场合，因此在不间断电源和正弦波逆变器等电源系统前级中得到广泛的应用。这类电源系统输出的电压和电流稳定性很大程度上取决于前级输出高压的稳定性，无论是电压单环控制还是电压电流双闭环控制，其基础均是电压反馈控制，输出电压通过光耦反馈电路将其反馈到前端控制器中，增加了系统的复杂性，降低了反馈的动态性能导致不能精确控制(如图1所示)。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题，是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种新的太阳能电池，通过在太阳能电池中增加推完控制器，保证电池的输出电压稳定性，同时提高电源输出功率，其中推挽变换器采样不依赖光耦等附加采样措施，可以降低系统成本，提高反馈的动态性能进而实现精确的PWM控制。

本发明中的太阳能电池由光采集转换模块将太阳能转化为电能并输入推挽变换器中；所述光采集转换模块包括：晶娃衬底、背电极、纳米管。

所述多晶硅衬底中晶粒间的畴界处存在着大量的不饱和悬挂键。

该背电极设置于所述多晶硅衬底的下表面，且与该多晶硅衬底的下表面欧姆接触。

所述光采集转换模块进一步包括碳纳米管结构，该碳纳米管结构设置于所述多晶硅衬底的上表面，且与该多晶硅衬底的上表面接触，所述碳纳米管结构在不饱和悬挂键的作用下吸附于所述多晶硅衬底的上表面，减少能耗损失，饱和畴界处的部分悬挂键，降低悬挂键对载流子的俘获，从而提高所述光采集转换模块的光电转换效率及载流子的迁移率。

输入电源Uin由光采集转换模块提供，开关器件S1、S2由PWM控制器驱动进行开关动作，将直流电压变换为交流方波电压加在隔离变压器T的原边，在隔离变压器的副边绕组只有一个二极管管压降，隔离变压器的原边绕组匝数为N1，副边绕组匝数为N2，两个开关器件交替导通，在开关器件闭合的区间内，如当开关器件S1导通时，二极管D1承受正压而导通，而D2由于反向偏置而截至，开关器件S2导通时，D2导通，D1截至。而在开关器件闭合区间内，储能电感L两端的电压为：

u_{L} = \frac{N_{2}}{N_{1}} U_{in} - U_{D} - U_{out} - - - (1)

在两个开关器件同时关断的时候，电感电流i_L平均分配到隔离变压器副边的两个绕组中，此时储能电感L两端的电压为：

u_L＝-U_D-U_out (2)

其中，U_D为整流二极管D1、D2的电压降，U_out为输出电压；

假设与储能电感L耦合的辅助线圈Lau的变比为α，辅助绕组的电压为测量电压U_det，u_L＝αU_det那么，输出电压可以表示为

开关管开通期间：

U_{out} = \frac{N_{2}}{N_{1}} U_{in} - U_{D} - α U_{\det},

开关管关断期间：U_out＝-U_D-αU_det；

与现有技术相比，本发明的有益效包括：

所述光采集转换模块通过使用纳米管,减少能耗损失，饱和畴界处的部分悬挂键，降低悬挂键对载流子的俘获，从而提高所述光采集转换模块的光电转换效率及载流子的迁移率；

所述推挽变换器通过直接检测储能电感L的实时电压，并根据变压器固有参数、输入电压和开关管是否导通即可确定输出电压的变化情况。该推挽变换器采样不依赖光耦等附加采样措施，可以降低系统成本，提高反馈的动态性能进而实现精确的PWM控制

【附图说明】

图1：现有推挽变换器的电路控制图；

图2：本发明的推挽变换器电路结构图；

图3：本发明光采集转换模块结构示意图。

【具体实施方式】

为使本发明的技术方案更加清楚，下面结合附图及具体实施过程对本发明作进一步的详细说明。

由图2可知，该推挽变换器的包括输入电源Uin，两个开关器件S1、S2，隔离变压器T，整流二极管D1、D2，储能电感L、储能电容C和负载R，与储能电感L耦合的辅助线圈Lau，PWM控制器和输出电压计算器。

本发明中的太阳能电池由光采集转换模块将太阳能转化为电能并输入推挽变换器中；所述光采集转换模块包括：多晶硅衬底、背电极、纳米管。

所述推挽变换器包括：开关器件S1、S2由PWM控制器驱动进行开关动作，将直流电压变换为交流方波电压加在隔离变压器T的原边，在隔离变压器的副边绕组只有一个二极管管压降，隔离变压器的原边绕组匝数为N1，副边绕组匝数为N2，两个开关管交替导通，在开关元件闭合的区间内，如当开关管S1导通时，二极管D1承受正压而导通，而D2由于反向偏置而截至，开关管S2导通时，D2导通，D1截至。而在开关元件闭合区间内，根据基尔霍夫电压定律可以确定储能电感L两端的电压为：

u_{L} = \frac{N_{2}}{N_{1}} U_{in} - U_{D} - U_{out} - - - (1)

在两个开关管同时关断的时候，电感电流i_L平均分配到隔离变压器副边的两个绕组中，此时储能电感L两端的电压为：

u_L＝-U_D-U_out (2)

其中，U_D为整流二极管D1、D2的电压降，U_out为输出电压；

假设与储能电感L耦合的辅助线圈Lau的变比为α，辅助绕组的电压为测量电压U_det，则，u_L＝αU_det，那么，输出电压可推导为：

开关管开通期间：

U_{out} = \frac{N_{2}}{N_{1}} U_{in} - U_{D} - α U_{\det};

开关管关断期间：U_out＝-U_D-αU_det；

因此，通过直接检测储能电感L的实时电压，并根据变压器固有参数、输入电压和开关管是否导通即可确定输出电压的变化情况。

而上述关系可以直接在PWM控制器中利用现有技术的数字编程实现，也可以通过模拟电路的方式实现，如使用减法器、加法器；在使用模拟电路时候，减法器是否使用可以由一个单刀双掷开关来进行控制，单刀双掷开关的控制与开关管的控制脉冲相同，在开关管导通期间使用该电平，在开关管截至期间减法器的正输入端直接接地.

由图3可知，所述光采集转换模块进一步包括至少电极1，该电极1的材料为银、金或者碳纳米管等导电材料。所述电极1的形状和厚度不限，可设置于所述碳纳米管结构2的上表面21或者下表面22,并与碳纳米管结构2的上表面21或者下表面22电接触。所述电极1的设置可用于收集流过所述碳纳米管结构2中的电流，并与升压模块连接。

所述背电极3的材料可为铝、镁或者银等金属。所述背电极3的形状和厚度不限。

所述多晶硅衬底4为p型多晶硅片。所述多晶硅衬底4与所述碳纳米管结构2形成异质结结构，从而实现所述太阳能电池中光能到电能的转换。

所述碳纳米管结构2为一层状结构，包括多个均匀分布的碳纳米管。该碳纳米管结构具有良好的吸收太阳光能力，在所述光采集转换模块中起到光电转换材料及上电极的双重作用。该碳纳米管结构包括无序碳纳米管层或者有序碳纳米管层。

所述无序碳纳米管层包括多个无序排列的碳纳米管。该碳纳米管在无序碳纳米管层中相互缠绕或者各向同性。

所述有序碳纳米管层包括多个有序排列的碳纳米管，该碳纳米管沿固定方向择优取向排列。所述的多个碳纳米管在该有序碳纳米管层中平行于所述有序碳纳米管层的表面排列，且沿同一方向或者沿多个方向择优取向排列。

所述碳纳米管结构2中的碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或者多壁碳纳米管。其中，多壁碳纳米管是金属性质的，单壁碳纳米管根据其手性和直径不同分为半导体和金属两种，双壁碳纳米管的属性是金属性质的。由于所述碳纳米管结构2中的碳纳米管非常纯净，且由于碳纳米管本身的比表面积非常大，所以该碳纳米管结构2本身具有较强的粘性。该碳纳米管结构2可利用其本身的粘性直接固定于所述多晶硅衬底4的表面。

所述光采集转换模块在应用时，太阳光照射到所述碳纳米管结构2，入射光子被所述碳纳米管结构2吸收后，在所述多晶硅衬底4和碳纳米管结构2的接触面上产生大量的激子，即电子和空穴对。这些激子将会分离成两种自由载流子，其中自由空穴载流子通过所述多晶硅衬底4向背电极3传输，而由所述背电极3收集。自由电子载流子通过所述碳纳米管结构的传输、收集。进一步，通过碳纳米管结构2所收集的电流被所述至少一电极1再次收集,这样升压电路就有电流通过。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种使用推挽变换器的太阳能电池，其包括光采集转换模块与推挽变换器，其特征在于：

所述光采集转换模块包括多晶硅衬底，所述多晶硅衬底中晶粒间的畴界处存在着大量的不饱和悬挂键；

背电极，该背电极设置于所述多晶硅衬底的下表面，且与该多晶硅衬底的下表面欧姆接触；

所述光采集转换模块进一步包括碳纳米管结构，该碳纳米管结构设置于所述多晶硅衬底的上表面，且与该多晶硅衬底的上表面接触，所述碳纳米管结构在不饱和悬挂键的作用下吸附于所述多晶硅衬底的上表面，减少能耗损失，饱和畴界处的部分悬挂键，降低悬挂键对载流子的俘获，从而提高所述光采集转换模块的光电转换效率及载流子的迁移率；

所述推挽变换器由光采集转换模块提供输入电压Uin；

所述推挽变换器包括两个开关器件S1、S2，隔离变压器T，整流二极管D1、D2，储能电感L、储能电容C和负载R，与储能电感L耦合的辅助线圈Lau，PWM控制器和输出电压计算器，开关器件S1、S2由PWM控制器驱动进行开关动作，将输入电源的直流电压变换为交流方波电压加在隔离变压器T的原边，在隔离变压器的副边绕组只有一个二极管管压降，两个开关器件交替导通，在开关元件闭合的区间内，当开关管S1导通时，二极管D1承受正压而导通，而二极管D2由于反向偏置而截至，当开关管S2导通时，二极管D2导通，二极管D1截至；输出电压计算器根据辅助线圈Lau的测量电压U_det、隔离变压器T的原边绕组匝数N1、副边绕组匝数N2、输入电压Uin、二极管D1、D2管压降、开关器件导通时间以及储能电感L耦合的辅助线圈Lau的变比α来确定输出电压的实时输出值Uout，PWM控制器根据该实时输出值产生PWM驱动信号来控制开关器件S1、S2的导通或关断。

2.根据权利要求1所述的使用推挽变换器的太阳能电池，其中所述实时输出值Uout的计算公式为：

开关管开通期间：

U_{out} = \frac{N_{2}}{N_{1}} U_{in} - U_{D} - α U_{\det},

开关管关断期间：U_out＝-U_D-αU_det；

其中，U_D为二极管D1、D2的管压降，U_det为辅助线圈Lau的测量电压。

3.根据权利要求2所述的使用推挽变换器的太阳能电池，其中所述实时输出值Uout的计算为数字编程实现或者通过模拟电路的方式实现。

4.根据权利要求3所述的使用推挽变换器的太阳能电池，其中该通过模拟电路实现实时输出值Uout的计算中，模拟电路为减法器，减法器的其中一个输入采用单刀双掷来实现与参考地之间的切换，其切换频率与开关器件的导通频率一致。

5.根据权利要求3所述的使用推挽变换器的太阳能电池，其中所述实时输出值Uout的经计算后通过低通滤波器将高次谐波滤除，将滤波后的电压发送至PWM控制器。