CN105391157B - 基于薄膜太阳能电池的长效一体化的电源系统及充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于薄膜太阳能电池的长效一体化的电源系统，包括薄膜光伏组件、超级电容模组、充放电控制器、稳压模组和锂电池组件组成的储能设备，薄膜光伏组件的输出端连接所述的超级电容模组的输入端，超级电容模组的输出端连接充放电控制器的输入端，充放电控制器的输出端连接所述的稳压模组；锂电池组件与所述的充放电控制器相连；薄膜光伏组件为柔性或刚性的薄膜太阳能电池；薄膜光伏组件的额定电压高于锂电池组件的最大电压。本发明一种轻便、高效、长寿命的基于薄膜太阳能电池的长效一体化的电源系统及充电方法，充分利用薄膜光伏组件的弱光发电性和超级电容的低压充电性，具有高效弱光发电、整体系统效率高的优点。

Description

基于薄膜太阳能电池的长效一体化的电源系统及充电方法

技术领域

本发明专利属于离网型光伏储能技术领域，具体地，涉及一种基于薄膜太阳能电池的长效一体化的电源系统。

背景技术

目前，太阳能电池因其资源巨大、清洁无污、安装方便的优点正广泛应用于电站、监控、路灯、草坪灯等方面。在实际应用中，太阳能电池的一般储能设备为铅酸蓄电池、锂电池、超级电容等。对于铅酸蓄电池而言，体积庞大，不利于安装，使用寿命短，冬季恶劣气候下无法给负载正常供电。因此，锂电池因其相同容量下，体积更小，重量更轻，然而因为锂电池系统复杂、造价高，其应用也收到一定的局限性。

现有技术中，以晶硅太阳能电池为供电设备，蓄电池为储能设备的监控系统，使用寿命短，体积庞大，重量较重，且系统在弱光条件下充电能力不足，导致太阳能利用率不高。主要原因是单晶硅太阳能电池在低辐照下不产生电流或产生小电流，而无法给铅酸蓄电池充电，使得系统效率降低至50％～60％，尤其是在雾霾天较多的地方。且铅酸蓄电池的一般寿命为2～3年，使用寿命短，以铅酸蓄电池为储能电源的光伏离网系统甚至冬季恶劣气候下无法正常启动，且单晶硅电池组件重量较重，在高山等的场所不易运输，人工成本高，安全性低，维护成本高，在电网等重要领域甚至易造成重大生命安全隐患。

而中国申请号为201510323778.0的发明专利申请“利用超级电容延长蓄电池寿命的太阳能供电方法及装置”，公开了一种“通过太阳能电池板同时给蓄电池和超级电容充电，蓄电池和超级电容通过电压比较电路进行电压比较，电压高者作为供电输出，向用电设备供电。”利用了超级电容，延长了使用的寿命。而超级电容器，是一种新型储能元件，具有功率密度高、充放电性能好、高低温特性好、充放电效率高、循环充放电寿命长的优良特性，可有效弥补蓄电池的不足。然而超级电容的放电电压，电流是不稳定的。超级电容电压随着放电的进行逐步降低，超级电容放电的电流随着负载的大小不同和电压的降低变化。该方案在光照强度不够稳定的情况下，超级电容供电性能不够稳定，放电电压、电流比较难控制，并且气候恶劣的情况下，如在低温下，锂电池无法正常供电而负载无法正常启动。

发明内容

本发明的发明目的是解决上述现有太阳能电池的局限性，提出一种轻便、高效、长寿命的基于薄膜太阳能电池的长效一体化的电源系统，以解决铅酸电池或超级电容独立供电所存在的使用寿命短或成本高、体积重量高、系统弱光条件下充电效率差，或气候恶劣的条件下负载设备无法正常启动的问题。本发明充分利用薄膜光伏组件的弱光发电性和超级电容的低压充电性，具有高效弱光发电、整体系统效率高的优点。

本发明一种基于薄膜太阳能电池的长效一体化的电源系统，包括薄膜光伏组件、超级电容模组、充放电控制器、稳压模组和锂电池组件组成的储能设备，所述的薄膜光伏组件的输出端连接所述的超级电容模组的输入端，所述的超级电容模组的输出端连接充放电控制器的输入端，所述的充放电控制器的输出端连接所述的稳压模组；所述的锂电池组件与所述的充放电控制器相连；所述的薄膜光伏组件为柔性或刚性的薄膜太阳能电池；所述的薄膜光伏组件的额定电压高于锂电池组件的最大电压。

基于薄膜太阳能电池的长效一体化的电源系统的充电方法：包括如下步骤：

S1、薄膜光伏组件吸收太阳能能量并转换为电流Ia，所述的超级电容模组吸收薄膜光伏组件产生的电流Ia并累积电荷＝Ia*t，所述的超级电容模组电压为其中t为充电时长，C为电容量；

S2、设锂电池组件电压为U2，当超级电容模组的电压U1高于锂电池电压U2时，触发智能控制器以连续脉冲的方式给锂电池组件充电，直到超级电容模组电压U1接近于锂电池组件电压U2；当超级电容模组的电压U1小于或等于锂电池组件电压U2时，锂电池组件不充电；充放电控制器决定脉冲充电释放时间及次数对电池充电。

采用以上结构后，本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明一种基于薄膜太阳能电池的长效一体化的电源系统，采用了薄膜太阳能电池，弱光性能更佳，利用光电效应产生电能。柔性太阳能电池质量轻便，减轻电源系统的重量，提高发电量，较低辐照下也能产生小电流、自洁性好、使用寿命长，质轻柔软，尤其可适用于对承重较为重视的场所。本发明还采用了超级电容模组，就算在很小的体积下也能达到法拉级的电容量，使得整体装置更加轻便，体积更小，能够使用在更多场合，减轻电源系统的质量，在不易运输及搬运的地方，极大地降低了人工成本，提高了安全性；且和电池相比，超级电容过充、过放都不对其寿命构成负面影响，正是利用了这一特性，使超级电容模组可以不计次给锂电池组件充电，使用寿命更长。另外，本发明利用超级电容模组作为能量缓存单位，吸收微小电流，提高储能效率，即便在微弱光照的条件下也能够存储电荷；超级电容提供瞬间大电流放电，减轻锂电池组件的放电压力，保证恶劣气候下负载的正常启动，即使在气候严寒的条件下，依然可以持续提供电流，使锂电池能够正常工作，且延长储能设备的使用寿命；在光照下，所述的超级电容模组吸收薄膜光伏组件的产生的直流电，不论强弱，让后段的充电系统中的控制系统维持最长的工作时间及工作量，可提供瞬间大电流抽拉，且不伤害薄膜光伏组件的性能。所述的充放电控制器采用最先进的脉冲充电方式给锂电池组件充电，所述的锂电池组件通过所述的充放电控制器，给负载提供能量。稳压模组，使得输出电压保持在负载的工作范围，保证负载稳定可靠工作。另外，该系统支持充放电同时进行，系统电池BMS设计有针对太阳能充电系统，采用输出输入同口设计，芯片会自动无缝选择。同时，该系统利用超级电容器模组一定的储能能力，在负载启动瞬间，提供瞬间的大电流，减轻锂电池组件的压力，解决在冬季下负载无法正常启动的情况，最大限度延长锂电池组件的使用寿命与负载正常工作的可靠性。

作为优选，所述的薄膜太阳能电池由直接带隙半导体构成。直接带隙半导体构成的薄膜太阳能电池，内阻均很小，即使在低辐照下，例如辐照为200～300w/m2，效率大于标准辐照下的80％，弱光性能更佳，与同等功率下的单晶硅太阳能电池相比，日照小时数更长。

作为优选，所述的薄膜太阳能电池为柔性铜铟镓硒薄膜太阳能电池、或刚性铜铟镓硒薄膜太阳能电池、或碲化镉太阳能电池电池、或非晶硅太阳能电池、或砷化镓太阳能电池。

作为优选，所述的薄膜太阳能电池为不锈钢或塑料为衬底的柔性铜铟镓硒太阳能电池。柔性铜铟镓硒太阳能电池，即为柔性CIGS太阳能电池，相同功率下，柔性铜铟镓硒太阳能电池的发电力量高于单晶硅组件。

作为优选，所述的超级电容模组包括多个以串并联的方式组合的超级电容单体，所述的超级电容模组内置超级电容保护电路和稳压电路，用于保持所述的各超级电容单体电压的平衡和一致。

作为优选，所述的超级电容模组的额定电压高于所述的薄膜光伏组件的额定电压。无需担心超级电容模组的过压现象。

作为优选，所述的超级电容模组的电压的大小与所述的薄膜光伏组件和锂电池组件的电压呈正比，所述的超级电容模组的容量的大小与负载的启动时间和弱光下系统所需的缓冲空间呈正比；所述的超级电容模组的内阻小于或等于所述的薄膜光伏组件的内阻，呈阻抗匹配。所述的超级电容模组主要用于实现与所述的薄膜太阳能电池的阻抗匹配。利用所述的超级电容模组从低压升高压，电压随电荷的积累而升高的特性，所述的超级电容模组的电压与所述的薄膜光伏组件的保持电压一致，系统实现阻抗匹配，使得所述的薄膜太阳能电池无论何时均保持最大峰值功率输出，从而提升能源效益。

作为优选，所述的薄膜光伏组件的额定电压高于锂电池组件的最大电压。使得即使是弱光条件下，薄膜光伏组件产生的微小电流也能使超级电容模组的电压高于锂电池组件的电压，使超级电容模组能够单向向锂电池组件充电。

作为优选，所述的锂电池组件为磷酸铁锂电池、或钴酸锂电池、或聚合物锂电池。

作为优选，所述的充放电控制器、稳压模组集成设置在智能控制器上，所述的智能控制器上设置有三种颜色的显示灯，分别用于显示薄膜太阳能电池、锂电池组件、负载的工作状态。

本发明将柔性薄膜太阳能电池和超级电容模组的结合，大大提高了系统的储能效率，与铅酸蓄电池相比，在电源系统质量明显减轻的技术上，通过高效储能技术，进一步降低锂电池组件的容量，减轻电源系统的质量，在不易运输及搬运的地方，极大地降低了人工成本，提高了安全性。且冬季恶劣气候下，负载的正常启动，降低了维护成本，为电网等重要领域的监控提供了稳定可靠的保障，从而保障更多的生命财产安全，维护了社会的稳定。本发明利用所述的超级电容模组更佳地采集所述的薄膜光伏组件在弱光性条件下产生的电量，本发明的发电效率可增加10％～40％，使得整体发电效率高于80％，比市面上传统的太阳能电池电源系统发电效率增加10％～40％。

附图说明

图1是本发明的模块框图。

图中所示1、薄膜光伏组件，2、超级电容模组，3、智能控制器，4、充放电控制器，5、稳压模组，6、锂电池组件，7、负载。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示本发明包括薄膜光伏组件1、超级电容模组2、充放电控制器4、稳压模组5和锂电池组件6组成的储能设备，所述的薄膜光伏组件1的输出端连接所述的超级电容模组2的输入端，所述的超级电容模组2的输出端连接充放电控制器4的输入端，所述的充放电控制器4的输出端连接所述的稳压模组5；所述的锂电池组件6与所述的充放电控制器4相连；所述的薄膜光伏组件1为柔性或刚性的薄膜太阳能电池；所述的超级电容模组2的额定电压高于所述的薄膜光伏组件1的额定电压。所述的薄膜太阳能电池由直接带隙半导体构成；所述的薄膜太阳能电池为柔性铜铟镓硒薄膜太阳能电池、或刚性铜铟镓硒薄膜太阳能电池、或碲化镉太阳能电池电池、或非晶硅太阳能电池、或砷化镓太阳能电池。所述的薄膜太阳能电池为不锈钢或塑料为衬底的柔性铜铟镓硒太阳能电池。所述的超级电容模组2包括多个以串并联的方式组合的超级电容单体，所述的超级电容模组2内置超级电容保护电路和稳压电路，用于保持所述的各超级电容单体电压的平衡和一致。所述的超级电容模组2的电压的大小与所述的薄膜光伏组件1和锂电池组件6的电压呈正比，所述的超级电容模组的容量的大小与负载的启动时间和弱光下系统所需的缓冲空间呈正比；所述的超级电容模组2的内阻小于或等于所述的薄膜光伏组件1的内阻，呈阻抗匹配。所述的薄膜光伏组件1的额定电压高于锂电池组件6的最大电压。所述的锂电池组件6为磷酸铁锂电池、或钴酸锂电池、或聚合物锂电池。所述的充放电控制器4、稳压模组5集成设置在智能控制器3上，所述的智能控制器3上设置有三种颜色的显示灯，分别用于显示薄膜太阳能电池、锂电池组件、负载的工作状态。

基于薄膜太阳能电池的长效一体化的电源系统的充电方法：包括如下步骤：

S1、薄膜光伏组件1吸收太阳能能量并转换为电流Ia，所述的超级电容模组2吸收薄膜光伏组件1产生的电流Ia并累积电荷＝Ia*t，所述的超级电容模组2电压为其中t为充电时长，C为电容量；

S2、设锂电池组件6电压为U2，当超级电容模组2的电压U1高于锂电池电压U2时，触发智能控制器以连续脉冲的方式给锂电池组件6充电，直到超级电容模组2电压U1接近于锂电池组件6电压U2；当超级电容模组2的电压U1小于或等于锂电池组件6电压U2时，锂电池组件6不充电；

充放电控制器4决定脉冲充电释放时间及次数对电池充电。

除此之外，所述的充放电控制器4上设置有黄、红、绿三种颜色的灯，分别代表太阳能电池、锂电池、负载7的工作状态，以常亮，闪烁两种形式代表工作状态，代表正常或非正常。与光伏组件1相连接的超级电容模组2，超级电容模组2由多个2.7v 350F的超级电容单体以串并联的方式组合。超级电容模组2与薄膜光伏组件1通过电缆连接，与太阳能控制器一体化连接。所述的薄膜光伏组件1、超级电容模组2、锂电池组件6、智能控制器3之间分别通过插拔式电缆连接。

该系统中，所述的超级电容模组2具有稳定输入电压及储能、增加充电效能、瞬间大电流供应的作用。超级电容模组2的电压与负载7相对应，当负载7电压大时，所述的超级电容模组2也需相应的增加超级电容单体的串联数，将电压增大到相应的数值。且超级电容无下限工作电压，可提供瞬间大电流放电，过低的工作电压及瞬间大电流放电，均不会对所述的超级电容模组2的寿命产生影响。

所述的充放电控制器4分别连接所述的超级电容模组2与所述的锂电池，与锂电池通过电缆连接。

所述的稳压模组5为Buck/Boost DC/DC稳压模组5，与负载7和所述的充放电控制器4相连接。所述的充放电控制器4具有过载保护、输出过压保护、输入过电压保护、连续短路保护等功能，采用最先进技术的脉冲充电模式(CCP-CVP)，输出采用升降压电流模式控制，效率高达90％以上，更能释放电池能量，软启动电源。

以下对本发明的技术方案以实施例加以说明。该实施例中，所述的锂电池组件6为磷酸铁锂电池。所述的薄膜光伏组件1为CIGS柔性太阳能电池。

白天，薄膜光伏组件1利用光电效应吸收太阳光，产生直流电。所述的超级电容吸收薄膜光伏组件1的直流电，不论强弱，让后段的充电系统中的控制系统维持最长的工作时间及工作量，可提供瞬间大电流抽拉，不伤害薄膜光伏组件1的性能。所述的充放电控制器4将直流电给锂电池进行供电，所述的锂电池在一定输出电压范围内通过所述的充放电控制器4，给负载7提供能量。Buck/Boost DC/DC稳压模组5，使得输出电压保持在负载7的工作范围，保证负载7稳定可靠工作。同时，该系统支持充放电同时进行，系统电池BMS设计有针对太阳能充电系统，采用输出输入同口设计，芯片会自动无缝选择。

当太阳光辐照较弱时，所述的CIGS柔性太阳能电池与现有的晶硅组件相比，具有更好的弱光性能。即使在弱光下，也能产生电流。所述的超级电容模组2也可吸收薄膜光伏组件1产生的微小电流，实现增流的作用。CIGS薄膜光伏组件、超级电容模组和锂电池三者的结合，将大大提高光伏系统在弱光条件下的储能效果。

当环境温度处于零度以下时，锂电池组件6中的电解液活性降低，锂电池组件6两端电压U相应降低，此时的锂电池组件6无法提供瞬间大电流，导致负载7在低温下无法正常启动。超级电容模组2工作范围广(-40℃～85℃)、使用寿命长，在低温下仍可正常工作。通过超级电容的直流电，经充放电控制器4，向锂电池传输。充电电流可使锂电池加热。锂电池温度从低温上升时，锂电池两端的输出电压逐渐升高，放电效率增大。当温度升至磷酸铁电池的工作范围时，负载7可正常开启。

薄膜光伏组件1吸收太阳能能量，转换为电流。超级电容模组2可吸收薄膜光伏组件1产生的所有电流。当太阳能充足时，充放电控制器4会以连续脉冲的方式给锂电池组件6充电；

当太阳能不足时，即弱光条件下，超级电容模组2累积到一定电荷，充放电控制器4中的微处理器会决定脉冲充电释放时间及次数对电池充电，以最高效率为原则。当超级电容模组2的电压高于锂电池组件6电压时，高出锂电池组件6电压的电压差值部分所对应的电量被电流抽拉走，给锂电池组件6充电，此时超级电容电压接近于锂电池组件6电压；当超级电容模组2的电压小于或等于锂电池组件6电压时，锂电池组件不充电。

基于薄膜太阳能电池的长效一体化的电源系统装置将超级电容作为能量缓存单元，充分利用超级电容器循环寿命长、储能效率高等优点，及CIGS薄膜太阳能电池较好的弱光性，在太阳光辐照较低情况下也能发电的优势，大大提高太阳光辐照较低情况下储能单元的能量吸收效率，并采用合理、高效的控制策略，将薄膜光伏组件1跟超级电容模组2相连接，最大限度吸收直流电，采用最先进的脉冲充电方式给锂电池充电；同时利用超级电容器一定的储能能力，解决在冬季下蓄电池无法正常启动的情况，最大限度延长蓄电池使用寿命与负载7正常工作的可靠性。

该控制装置以提高弱光照情况下储能装置的充电效率为目标，能够有效提高能源利用效率；改善供电系统可靠性和经济性；优化蓄电池充放电过程、提高系统充放电效率、以延长蓄电池使用寿命，保证在极恶劣气候下，负载7能够稳定可靠工作，从而降低维护成本，提高安全性。且柔性CIGS太阳能电池组件重量较轻，单位面积下仅约为单晶硅太阳能电池组件的四分之一，在不易运输及搬运的地方，极大地降低了人工成本，减少了安全隐患，从而提高了安全性。

所述的长效一体化电源系统的连接线为防水、耐高低温、高稳定性的连接线。所有接头均采用防水接头，该系统的防水等级为IP65。

以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅限于以上实施例，凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于薄膜太阳能电池的长效一体化的电源系统，其特征在于：包括薄膜光伏组件(1)、超级电容模组(2)、充放电控制器(4)、稳压模组(5)和锂电池组件(6)组成的储能设备，所述的薄膜光伏组件(1)的输出端连接所述的超级电容模组(2)的输入端，所述的超级电容模组(2)的输出端连接充放电控制器(4)的输入端，所述的充放电控制器(4)的输出端连接所述的稳压模组(5)；所述的锂电池组件(6)与所述的充放电控制器(4)相连；所述的薄膜光伏组件(1)为柔性或刚性的薄膜太阳能电池；所述的薄膜光伏组件(1)的额定电压高于锂电池组件(6)的最大电压；所述的超级电容模组(2)的电压的大小与所述的薄膜光伏组件(1)和锂电池组件(6)的电压呈正比，所述的超级电容模组的容量的大小与负载的启动时间和弱光下系统所需的缓冲空间呈正比；所述的超级电容模组(2)的内阻小于或等于所述的薄膜光伏组件(1)的内阻，呈阻抗匹配。

2.根据权利要求1所述的基于薄膜太阳能电池的长效一体化的电源系统，其特征在于：所述的薄膜太阳能电池由直接带隙半导体构成。

3.根据权利要求2所述的基于薄膜太阳能电池的长效一体化的电源系统，其特征在于：所述的薄膜太阳能电池为柔性铜铟镓硒薄膜太阳能电池、或刚性铜铟镓硒薄膜太阳能电池、或碲化镉太阳能电池电池、或非晶硅太阳能电池、或砷化镓太阳能电池。

4.根据权利要求1或3所述的基于薄膜太阳能电池的长效一体化的电源系统，其特征在于：所述的薄膜太阳能电池为不锈钢或塑料为衬底的柔性铜铟镓硒太阳能电池。

5.根据权利要求1所述的基于薄膜太阳能电池的长效一体化的电源系统，其特征在于：所述的超级电容模组(2)包括多个以串并联的方式组合的超级电容单体，所述的超级电容模组(2)内置超级电容保护电路和稳压电路，用于保持所述的各超级电容单体电压的平衡和一致。

6.根据权利要求1或5所述的基于薄膜太阳能电池的长效一体化的电源系统，其特征在于：所述的超级电容模组(2)的额定电压高于所述的薄膜光伏组件(1)的额定电压。

7.根据权利要求1所述的基于薄膜太阳能电池的长效一体化的电源系统，其特征在于：所述的锂电池组件(6)为磷酸铁锂电池、或钴酸锂电池、或聚合物锂电池。

8.根据权利要求1所述的基于薄膜太阳能电池的长效一体化的电源系统，其特征在于：所述的充放电控制器(4)、稳压模组(5)集成设置在智能控制器(3)上，所述的智能控制器(3)上设置有三种颜色的显示灯，分别用于显示薄膜太阳能电池、锂电池组件、负载的工作状态。

9.根据权利要求1所述的基于薄膜太阳能电池的长效一体化的电源系统的充电方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、薄膜光伏组件(1)吸收太阳能能量并转换为电流Ia，所述的超级电容模组(2)吸收光伏组件(1)产生的电流Ia并累积电荷＝Ia*t，超级电容电压为其中t为充电时长，C为电容量；

S2、设锂电池组件(6)电压为U2，当超级电容模组(2)的电压U1高于锂电池电压U2时，触发智能控制器以连续脉冲的方式给锂电池组件(6)充电，直到超级电容模组(2)电压U1接近于锂电池组件(6)电压U2；当超级电容模组(2)的电压U1小于或等于锂电池组件(6)电压U2时，锂电池组件(6)不充电；

所述的充放电控制器(4)决定脉冲充电释放时间及次数对电池充电。