CN106549479B - 一种复合能源系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合能源系统及其控制方法，该复合能源包括直接甲醇燃料电池组、太阳能电池装置、超级电容器以及能源控制系统；直接甲醇燃料电池组由直接甲醇燃料电池级联而成；太阳能电池装置包括极板侧太阳能电池阵列和顶部太阳能电池阵列；超级电容器包括若干超级电容，超级电容平行安装在所述直接甲醇燃料电池组四周且垂直于顶部太阳能电池阵列；能源控制系统包括电流电压监控模块、第一智能选通升压模块、第二智能选通模块、微控制器MCU；本发明使用超级电容对于太阳能电池阵列输出的电能有很好的收集效果；太阳能电池阵列由于使用了荧光式聚光器，可以将入射的太阳光以一窄波长范围的荧光形式放出，同时由于四周加装反射面，能够收集大荧光。

Description

一种复合能源系统

技术领域

本发明属于复合能源技术领域，具体涉及一种复合能源系统。

背景技术

燃料电池是一种电化学的发电装置，通过电化学反应将持续供给的燃料和氧化剂的化学能连续不断地转化为电能。相对内燃机而言，它不受卡诺循环的限制，能量转化效率高；环境友好，几乎不排放氮氧化物和硫氧化物，二氧化碳的排放量也比常规放电厂少40%以上；相对蓄电池而言，燃料电池的能量密度和功率密度高，且无需等待充电。由于这些突出的优点，燃料电池技术的研究与开发备受各国政府与公司的关注，被认为是21世纪首选的、洁净的、高效的发电技术。燃料电池的研究与开发，不仅有利于能源工业和电池工业的发展，而且必将推动电子工业、材料工业、医疗通讯等领域的技术进步，对提高资源利用率和解决环境污染问题等国家战略需求具有重要意义。

直接甲醇燃料电池使用甲醇作为燃料，具有燃料来源丰富、价格低廉、操作方便和易于小型化等优点，其阴极的反应物为氧气，反应产物为水。直接甲醇燃料电池可以在常温下工作，不需要辅助设备，能提供便携式电源所需要的功率要求，因此适用于便携式电子产品。

太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被满足一定照度条件的光照到，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。当天然气、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。

太阳能系统具有易于安装，易于扩充，易于拆卸等优点，同时使用太阳能也很经济实惠,在操作过程中没有能量耗费。另外此系统耐机械磨损，一个太阳能系统需要可靠的太阳能电池以便于接受和储存太阳能。一般太阳能电池有如下优点：高荷电吸收能力；循环使用寿命长；良好的可充性能；无需保养。

超级电容器，又名电化学电容器，是通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽，是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种。超级电容的突出特点是：充电速度快；循环使用寿命长；没有“记忆效应”；大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小；功率密度高；产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源；充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护；检测方便，剩余电量可直接读出。

复合能源优点是可以将不同情况下适用的单个能源系统有机的组合在一起，从而可以高效的统筹管理。并且可以降低单一能源发生故障导致整个系统失去作用的风险。作为复合能源系统，用哪几种能源复合，怎样复合能最高效的利用各个大一的能源系统，如何将多个能源系统高效而有序的管理及控制，都是首要而且十分重要的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种复合能源系统，以解决单一能源系统适用面窄及单一能源失效导致系统无法使用的问题。

本发明是通过如下方案实现的：

一种复合能源系统，包括直接甲醇燃料电池组、太阳能电池装置、超级电容器以及能源控制系统；

所述直接甲醇燃料电池组由直接甲醇燃料电池级联而成；

所述太阳能电池装置，包括：极板侧太阳能电池阵列和顶部太阳能电池阵列；两个极板侧太阳能电池阵列分别集成到直接甲醇燃料电池的阳极极板的外侧、阴极极板的外侧，顶部太阳能电池阵列安装到所述直接甲醇燃料电池组上方；

所述超级电容器，包括：若干超级电容，超级电容平行安装在所述直接甲醇燃料电池组四周且垂直于顶部太阳能电池阵列；

所述能源控制系统，包括：电流电压监控模块、第一智能选通升压模块、第二智能选通模块、微控制器MCU；微控制器MCU分别与第一智能选通升压模块、第二智能选通升压模块、电流电压监控模块连接，第一智能选通升压模块与电流电压监控模块连接，电流电压监控模块与负载连接，极板侧太阳能电池阵列、顶部太阳能电池阵列均与所述超级电容器中的各超级电容连接，四个超级电容均与第一智能选通升压模块连接，第二智能选通模块与所述直接甲醇燃料电池组连接，所述直接甲醇燃料电池组与所述超级电容器中的各超级电容连接。

所述直接甲醇燃料电池，包括：阴极极板与阳极极板构成的双极板、膜电极及绝缘垫；膜电极位于阳极极板、阴极极板之间，膜电极与阳极极板之间、膜电极与阴极极板之间均设置绝缘垫。

所述直接甲醇燃料电池采用夹具进行封装，将直接甲醇燃料电池从夹具与绝缘垫的孔洞中固定好，保证直接甲醇燃料电池的燃料不会泄露及阴极极板、阳极极板连接的紧密性。

所述阴极极板与极板侧太阳能电池阵列、阳极极板与极板侧太阳能电池阵列之间，均填充橡胶等绝缘物质防止产生额外的电容。

所述能源控制系统安装在直接甲醇燃料电池组底部。

所述直接甲醇燃料电池组进行级联成组时，拆除其中前后相邻的两个直接甲醇燃料电池中相接触的极板侧太阳能电池阵列。

所述极板侧太阳能电池阵列顶部太阳能电池阵列均采用太阳能电池板与荧光式聚光器耦合的方式，极板侧太阳能电池阵列分别与阴极极板、阳极极板通过电绝缘层耦合。

所述荧光式聚光器的四周加装反射面。

所述荧光式聚光器内部结构为在玻璃板或塑料板中掺入荧光物质组合而成。

所述的复合能源系统的控制方法，包括：

当电流电压监控模块检测到负载的电压从无到有出现时，唤醒微控制器MCU使其进入工作状态，此时复合能源系统开始工作，直接甲醇燃料电池组和太阳能电池阵列提供能量，二者都将能量存储在超级电容中，同时电流电压监控模块将负载工作时的电压值和电流值直接读出反馈到微控制器MCU中；

微控制器MCU根据电流电压监控模块反馈的电压值将选通的电压值输入到第一智能选通升压模块中，将从超级电容输出的电压转换为负载所需的电压值，完成复合能源系统输出电压与负载所需电压的匹配；同时，微控制器MCU根据负载电流和电压所计算出的负载的功率控制第二智能选通模块选通直接甲醇燃料电池组的级联个数；

当电流电压监控模块检测到电流值超过复合能源系统所能承受的最大值，发出报警信号到微控制器MCU中，微控制器MCU断开所有工作电路使复合能源系统停止工作，防止复合能源系统被破坏。

有益效果：

本发明具有以下优点：（1）本发明所使用的超级电容，比能量密度高，较一般的蓄电池有更高的充放电效率，对于无法预料所处环境的太阳能电池阵列输出的电能有很好的收集效果；（2）本发明所述的太阳能电池阵列由于使用了荧光式聚光器，可以将入射的太阳光以一窄波长范围的荧光形式放出，同时由于四周加装了反射面，能够收集大荧光，从而大大提高了太阳能电池阵列的效率；（3）本发明所述的直接甲醇燃料电池，采用多电堆智能级联的方式，由能源控制系统控制级联数量以满足多种负载的输出要求；（4）本发明采用能源控制系统根据负载的要求智能选择输出电压与工作模块的数目，并且留出拓展接口方便特殊要求下增加新的模块。同时，本发明还具有制作成本低，占用空间小，便于改装，电池性能稳定性高的优点，利于推广应用。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中微型种复合能源系统结构示意图；

图2是本发明具体实施方式中的直接甲醇燃料电池与太阳能电池阵列耦合分解结构示意图；

图3是本发明具体实施方式中能源控制系统电路的结构示意图；

图4是本发明具体实施方式中极板侧太阳能电池阵列或顶部太阳能电池阵列的结构示意图；

图5是本发明具体实施方式中极板侧太阳能电池阵列或顶部太阳能电池阵列的剖面结构示意图；

其中：1——夹具；2——极板侧太阳能电池阵列；3——阴极极板；4——绝缘垫；5——膜电极；6——阳极极板；7——超级电容；8——能源控制系统；9——电绝缘层；10——太阳能电池板；11——反射面；12——荧光式聚光器；13——顶部太阳能电池阵列。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

本实施方式提供一种如图1所示的复合能源系统，包括直接甲醇燃料电池组、太阳能电池装置、超级电容器以及能源控制系统8；如图1所示的直接甲醇燃料电池组由4个直接甲醇燃料电池级联而成， 所述直接甲醇燃料电池，包括：阴极极板3与阳极极板6构成的双极板、膜电极5及绝缘垫4；膜电极5位于阳极极板6、阴极极板3之间，膜电极5与阳极极板6之间、膜电极5与阴极极板3之间均设置绝缘垫4；直接甲醇燃料电池采用夹具1进行封装，封装所使用的夹具1利用微细精密加工技术加工高分子材料( 如有机玻璃、塑料等)制成，将装配好的直接甲醇燃料电池用螺栓从夹具1与绝缘垫4的孔洞中固定好，形成一定的封装压力，保证直接甲醇燃料电池的燃料不会泄露及阴极极板3、阳极极板6连接的紧密性。阴极极板3、膜电极5和阳极极板6装配在一起形成“三明治”结构。

所述太阳能电池装置，包括：极板侧太阳能电池阵列2和顶部太阳能电池阵列13；如图2所示，两个极板侧太阳能电池阵列2分别集成到阳极极板6的外侧、阴极极板3的外侧，顶部太阳能电池阵列13安装到所述直接甲醇燃料电池组上方；在阴极极板3、膜电极5和阳极极板6装配在一起形成的“三明治”结构两侧集成极板侧太阳能电池阵列2，即对称设置极板侧太阳能电池阵列2，使直接甲醇燃料电池由单一的甲醇燃料能源外，还能提供太阳能。阴极极板3与极板侧太阳能电池阵列2、阳极极板6与极板侧太阳能电池阵列2之间，均填充橡胶等绝缘物质防止产生额外的电容。

所述超级电容器，包括：四个超级电容7，超级电容7通过并联的方式提高电容量，平行安装在所述直接甲醇燃料电池组四周且垂直于顶部太阳能电池阵列13；使用超级电容7进行储能与电压缓冲，超级电容7能够在短时间充放电，且具有很长的循环寿命，使得极板侧太阳能电池阵列2、顶部太阳能电池阵列13与直接甲醇燃料电池产生的不稳定的电量能够有效的被存储起来，从而能被能源控制系统高效而合理的控制。

如图3所示的能源控制系统8，包括：电流电压监控模块、第一智能选通升压模块、第二智能选通模块、微控制器MCU；微控制器MCU分别与第一智能选通升压模块、第二智能选通升压模块、电流电压监控模块连接，第一智能选通升压模块与电流电压监控模块连接，电流电压监控模块与负载连接，极板侧太阳能电池阵列2、顶部太阳能电池阵列13均与所述超级电容器中的四个超级电容7连接，四个超级电容7均与第一智能选通升压模块连接，第二智能选通模块与所述直接甲醇燃料电池组连接，所述直接甲醇燃料电池组与所述超级电容器中的四个超级电容7连接。所述能源控制系统8安装在直接甲醇燃料电池组底部。

对直接甲醇燃料电池进行级联成组时，拆除其中前后相邻的两个直接甲醇燃料电池中相接触的极板侧太阳能电池阵列2，避免其在无法受到太阳能照射的情况下浪费材料，同时也进一步减小了复合能源系统整体体积。除了极板侧太阳能电池阵列2外，为了使复合能源系统能够高效的利用太阳能，同时也为了进一步提高空间利用率，在直接甲醇燃料电池级联而成的直接甲醇燃料电池组顶部加装一块较大的太阳能电池阵列即顶部太阳能电池阵列13，这样就保证了对太阳能的高效利用。将不同的单个能源电池有机耦合，满足了在微型的前提下对空间的最大化以及高效的利用。根据不同的负载可以选择不同的级联个数与输出电压。

如图4、5所示的极板侧太阳能电池阵列2、顶部太阳能电池阵列13均采用太阳能电池板10与荧光式聚光器12耦合的方式，极板侧太阳能电池阵列2分别与阴极极板3、阳极极板6通过电绝缘层9耦合。荧光式聚光器12的四周加装反射面11，荧光式聚光器12内部结构为在玻璃板或塑料板中掺入荧光物质组合而成。在荧光式聚光器12的下底面装配太阳能电池板10，在太阳能电池板10各个侧面加装反射面，荧光式聚光器12中的荧光物质可以将入射的太阳光以一窄波长范围的荧光形式放出，同时由于荧光式聚光器12四周加装了反射面11，能够收集大部分荧光。

能源控制系统中，电流电压检测模块可选用CS5460A，它是Crystal公司最新推出的用于测电流、电压、功率等的芯片芯片。第一智能选通升压模块可选用TPS61032。第二智能选通模块可选用TI公司的TS5A1066模拟开关芯片。

微控制器MCU为能源控制系统的核心，要求保证正常运行时功耗尽可能低，因此选择超低功耗系列的芯片MSP430，它是美国德州仪器TI生产的一种16位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器。

超级电容7输出直接连接到第一智能选通升压模块中，选通的具体升压的电压值由微控制器MCU给出。电压电流监控模块具有三个功能，一是从负载中检测出工作要求的电压值反馈到微控制器MCU中，由微控制器MCU控制第一智能选通升压模块进行智能选通，从而完成智能选压过程；二是监控负载输出的电流防止其超过预设的警戒值而造成能源控制系统损毁；三是当检测到负载电压从无到有时，能源控制系统从休眠模式中唤醒，当负载电压从有到无时，将能源控制系统转入休眠模式从而最大限度的节省能源。

第二智能选通模块控制直接甲醇燃料电池组的级联个数，根据负载的要求控制级联，当负载较小时，选用较少的直接甲醇燃料电池组的级联个数即可满足需求；当负载较大时，由MCU控制第二智能选通模块选通较多直接甲醇燃料电池组的级联个数甚至全部直接甲醇燃料电池以满足负载的功率要求；当能源控制系统进入休眠模式时，断开直接甲醇燃料电池组的电路从而节省能源。

第一智能选通升压模块所能输出的电压值由直接甲醇燃料电池组常用负载的电压值决定，在第一智能选通升压模块中包含有输出常用电压值的若干升压芯片以及对应的滤波稳压芯片，由微控制器MCU所输出的信号控制具体选通的升压芯片，然后滤波稳压，输出到负载。可选的升压芯片有：TPS61032，输入电压范围为1.8至7V，输出电压为5V；TPS61031，输入电压范围为1.8至7V，输出电压为3V；TPS60301/3，输入电压范围为0.9至1.8V，输出电压为3V。

上述复合能源系统的控制方法，包括：

当电流电压监控模块检测到负载的电压从无到有出现时，唤醒微控制器MCU使其进入工作状态，此时复合能源系统开始工作，同时电流电压监控模块将负载工作时的电压值和电流值直接读出反馈到微控制器MCU中。微控制器MCU根据电流电压监控模块反馈的电压值将选通的电压值输入到第一智能选通升压模块中，将从超级电容输出的电压转换为负载所需 的电压值，完成复合能源系统输出电压与负载所需电压的匹配。同时，微控制器MCU根据负载电流和电压所计算出的负载的功率控制第二智能选通模块选通直接甲醇燃料电池组的级联个数。当负载功率较大时，级联较多直接甲醇燃料电池组以满足负载的功率要求；当负载较小时，选用较少的直接甲醇燃料电池组的级联个数即可满足需求。复合能源系统中，直接甲醇燃料电池组和太阳能电池阵列用于提供能量，二者都将能量存储在超级电容中，方便后续控制电路对复合能源系统最终输出的电压及电流进行控制以满足负载的需求。当电流电压监控模块检测到负载电压从无到有消失时，可以认为此时负载停止工作，电流电压监控模块发出信号将微控制器MCU转入休眠模式，这样就可以在最大限度上保证空闲时控制系统消耗能源最少。当电流电压监控模块检测到电流值超过复合能源系统所能承受的最大值，发出报警信号到微控制器MCU中，微控制器MCU断开所有工作电路使复合能源系统停止工作，防止复合能源系统被破坏。

本发明的复合能源系统，可有效解决现有技术中直接甲醇燃料电池存在的电池性能低、输出电流不稳定以及太阳能电池由于工作环境导致输出电流不稳定的问题，同时以优化了适用电压以及功率范围，提高了复合能源系统的可靠性。

本发明具有提高电池性能、能保证电池稳定运行以及根据负载要求自主选择电压的优点，同时，本发明还具有制作过程简单、成本低廉、占用空间小、方便改装以适应不同的要求、节省体积、绿色环保的优点，利于推广应用。

上述实施方式只是对本发明的示例性说明而并不限定它的保护范围，本领域人员还可以对其进行局部改变，只要没有出本发明的精神实质，都视为对本发明的等同替换，都在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种复合能源系统，包括直接甲醇燃料电池组、太阳能电池装置、超级电容器以及能源控制系统（8）；

所述直接甲醇燃料电池组由直接甲醇燃料电池级联而成；

所述能源控制系统（8），包括：电流电压监控模块、第二智能选通模块、微控制器MCU；微控制器MCU分别与第二智能选通升压模块、电流电压监控模块连接，电流电压监控模块与负载连接，极板侧太阳能电池阵列（2）、顶部太阳能电池阵列（13）均与所述超级电容器中的各超级电容（7）连接，第二智能选通模块与所述直接甲醇燃料电池组连接，所述直接甲醇燃料电池组与所述超级电容器中的各超级电容（7）连接；

其特征在于，所述太阳能电池装置，包括：极板侧太阳能电池阵列（2）和顶部太阳能电池阵列（13）；两个极板侧太阳能电池阵列（2）分别集成到直接甲醇燃料电池的阳极极板（6）的外侧、阴极极板（3）的外侧，顶部太阳能电池阵列（13）安装到所述直接甲醇燃料电池组上方；

所述超级电容器，包括：若干超级电容（7），超级电容（7）平行安装在所述直接甲醇燃料电池组四周且垂直于顶部太阳能电池阵列（13）；

所述能源控制系统（8），还包括：第一智能选通升压模块，微控制器MCU与第一智能选通升压模块连接，第一智能选通升压模块与电流电压监控模块连接，四个超级电容（7）均与第一智能选通升压模块连接；

所述能源控制系统（8）安装在直接甲醇燃料电池组底部；

所述直接甲醇燃料电池组进行级联成组时，拆除其中前后相邻的两个直接甲醇燃料电池中相接触的极板侧太阳能电池阵列（2）；

所述微控制器MCU根据负载电流和电压所计算出的负载的功率控制第二智能选通模块选通直接甲醇燃料电池组的级联个数。

2.根据权利要求1所述的复合能源系统，其特征在于，所述直接甲醇燃料电池，包括：阴极极板（3）与阳极极板（6）构成的双极板、膜电极（5）及绝缘垫（4）；膜电极（5）位于阳极极板（6）、阴极极板（3）之间，膜电极（5）与阳极极板（6）之间、膜电极（5）与阴极极板（3）之间均设置绝缘垫（4）。

3.根据权利要求2所述的复合能源系统，其特征在于，所述直接甲醇燃料电池采用夹具（1）进行封装，将直接甲醇燃料电池从夹具（1）与绝缘垫（4）的孔洞中固定好，保证直接甲醇燃料电池的燃料不会泄露及阴极极板（3）、阳极极板（6）连接的紧密性。

4.根据权利要求1所述的复合能源系统，其特征在于，所述阴极极板（3）与极板侧太阳能电池阵列（2）、阳极极板（6）与极板侧太阳能电池阵列（2）之间，均填充橡胶等绝缘物质防止产生额外的电容。

5.根据权利要求1所述的复合能源系统，其特征在于，所述极板侧太阳能电池阵列（2）、顶部太阳能电池阵列（13）均采用太阳能电池板（10）与荧光式聚光器（12）耦合的方式，极板侧太阳能电池阵列（2）分别与阴极极板（3）、阳极极板（6）通过电绝缘层（9）耦合。

6.根据权利要求5所述的复合能源系统，其特征在于，所述荧光式聚光器（12）的四周加装反射面（11）。

7.根据权利要求5所述的复合能源系统，其特征在于，所述荧光式聚光器（12）内部结构为在玻璃板或塑料板中掺入荧光物质组合而成。

8.如权利要求1所述的复合能源系统的控制方法，其特征在于，包括：

当电流电压监控模块检测到负载的电压从无到有出现时，唤醒微控制器MCU使其进入工作状态，此时复合能源系统开始工作，直接甲醇燃料电池组和太阳能电池阵列提供能量，二者都将能量存储在超级电容中，同时电流电压监控模块将负载工作时的电压值和电流值直接读出反馈到微控制器MCU中；

微控制器MCU根据电流电压监控模块反馈的电压值将选通的电压值输入到第一智能选通升压模块中，将从超级电容输出的电压转换为负载所需的电压值，完成复合能源系统输出电压与负载所需电压的匹配；同时，微控制器MCU根据负载电流和电压所计算出的负载的功率控制第二智能选通模块选通直接甲醇燃料电池组的级联个数；

当电流电压监控模块检测到电流值超过复合能源系统所能承受的最大值，发出报警信号到微控制器MCU中，微控制器MCU断开所有工作电路使复合能源系统停止工作，防止复合能源系统被破坏。