CN106849848A - 新型太阳能光伏发电系统 - Google Patents

Abstract

新型石墨烯太阳能光伏发电自动跟踪逆变系统和石墨烯太阳能光伏发电系统装置，是将1仟瓦到3仟瓦石墨烯太阳能电池板安装在地面支架上，3仟到5仟瓦或更大功率安装在建筑物顶、墙壁上、地面等。微小型装自动控制器跟踪太阳朝向太阳转动装置，最大效率获取太阳能转换成电能向石墨烯蓄电池和超级电容充电。本装置经单片机智能控制逆变器推动高频变压器逆变升成220V/380V交流电供给千万城乡家庭使用。本发明解决：能源紧缺节约能源，环境严重污染保护环境；用电不花钱惠及民生；国家可节约开发电力治理环境大量资金；本装置可形成不同功率系列化产品。

Description

新型太阳能光伏发电系统

技术领域：本发明与太阳能新能源开发应用有关。

背景技术：我国是世界人口大国，又是能源消耗大国，也是能源紧缺国，石油、天然气、电力能源消耗都是世界第一，为减轻能源消耗压力，保护环境减少能源消耗产生的废物废气排放和污染，为我们的子孙后代留下篮天白云青山绿水，为我国今后世代久远国民经济的长足发展，所以我国必须大量开发应用太阳能新能源。因为太阳能是纯天然最清洁能源，无排放无污染，无须开采和运输可直接开发应用的新能源，太阳能总量是现今世界上可开发应用的最大量清洁能源，而且永远取之不尽用之不竭，推广开发应用太阳能对提升和改进城乡面貌，治理大气环境污染具有十分重要意义，太阳能新能源非常具有开发应用前景和巨大经济价值。

发明内容：本发明是为了设计开发生产制造一种由石墨烯新型材料构成的太阳能电池板智能型光伏发电系统，他具有性能好转换效率高寿命长的特点，可用于全国以及全世界城乡家庭独立使用或与电网相互交换使用、也可与电网并联运行多种工作运行模式的新型太阳能光伏发电逆变系统。本系统装置无任何污染很环保节能，获取使用廉价太阳能新能源，经久耐用，安全可靠生产制造容易，可大量产业化系列化生产，符合国家新能源发展战略政策一种极好的新型太阳能光伏发电新能源装置。

解决的问题：1、能源紧缺节约能源，2环境严重污染保护环境，3、应用低成本绿色新能源，千千万万城乡家庭用电自给自足，用电不付费惠及民生，4、国家可节约大量开发建设电力、治理环境污染资金，5、缓减电力生产供应紧张压力和打破陇断局面，6、国民经济可长足发展，利国利民；本发明的新型石墨烯太阳能光伏发电装置能解决这些大难题。

本发明是这样实现的：太阳能发电系统工作原理，白天石墨烯太阳能电池板在单片机智能主控制器的控制下，整块或多块太阳能阵列电池板经感光控制器自动控制跟踪太阳经太阳光的照射，石墨烯太阳能电池板最大效率吸收太阳光能热能并转换成电能，白天太阳能电池组件向超级电容和石墨烯蓄电池储能充电，在需用电能时由超级电容器和石墨烯蓄电池储存的直流电能，经单片机控制逆变器升压供给家庭照明和家用电器等交流负载用电。太阳能发电系统可离网城乡家庭独立用，可自动控制与电网相互交换转换用，也可与电网并网用。主要由硬件和软件两大部份组成，一个控制系统要正常工作，仅有硬件是不够的，还需要软件部分的支持配合才能构成一个正常工作完整的控制系统装置。太阳能发电系统硬件是以单片机为核心的主控器组成系统、硬件系统由太阳能电池板阵列、充放电电路、温度检测电路、电压电流检测电路、蓄电池电压检测电路、负载检测保护电路、石墨烯蓄电池和超级电容器、直流逆变器升压(含高频变压器)、太阳能自动跟踪系统(含驱动电动机)、用户负载、电缆等组成。本装置系统采用性能好转换效率极高长寿命的石墨烯新型太阳能光伏电池代替目前普遍所用的晶硅光伏电池。将1000W至3000W太阳能自动跟踪逆变发电系统装置装在房屋地面锥形立式支架上，将3000W至5000W或更大功率的太阳能电池板固定安装在房屋顶上或墙壁上平面式支架上。1000W至3000W太阳能自动跟踪逆变发电系统电池板平面支架下端与锥形立式支架装置相联接至地面基础，在地面立式锥形支架机箱内中心位置装一立式圆柱，在立式圆柱的上、下端各装一套轴承、电机和相配套转动齿轮。在地面锥形支架立式圆柱底下端装置水平向转动齿轮，齿轮与电机旋转齿轮配套，机箱内立圆柱下端电机使太阳能电池板每天自动控制像“向日葵”样水平向朝向太阳转动；上端电机装在平板式支架与立式锥形支架装置间并与一大齿轮配套使太阳能电池板自动控制垂直向转动，可调节太阳能电池板与太阳光照射角度。电机受太阳自动跟踪系统装置的控制转动，带动立式圆柱和整块电池支架装置和太阳能电池板转动，立圆柱上、下端电机转动受控于控制盒上光敏电阻两个光控比较器自动控制驱动电机转动。根据系统负载容量在机箱内上层装置多组6V石墨烯蓄电池和多组超级电容器，多组蓄电池相串联联结与多组超级电容器并联再与多组6V太阳能电池板相并联联结，形成12V、24V或48V电能的储存，经太阳能电池板全白天向石墨烯蓄电池和超级电容充电将太阳能转换的电能储存，在需用电时放电经逆变器将储存的电能进行逆变，将石墨烯蓄电池和超级电容器储存的电能由单片机控制逆变器经高频变压器自动逆变升成220V或380V交流电供给千万城乡家庭等地方使用。在锥形机箱内装置电动机转动装置、装置高频逆变变压器和太阳能自动跟踪控制器、单片机智能主控制器、逆变器等装置。太阳能自动跟踪器经控制盒上光敏电阻RG1、RG3与RG2、RG4之间装置的垂直遮阳板构成两个光控比较器自动控制电机转动，使整块太阳能电池板白天全天候跟踪太阳朝向太阳转动，最大效率获取太阳能转换成电能向石墨烯蓄电池和超级电容器或只给超级电容器充电不需装石墨烯蓄电池。以现在使用的晶硅光伏电池为例具测算，使用太阳能自动跟踪控制器发电系统与固定式太阳能发电系统相比，约能提高太阳能电池转换效率50％。本太阳能发电系统装置现在暂时采用晶硅光伏电池板，转换效率高寿命长新型石墨烯光伏电池和石墨烯蓄电池已研发成功，待上市全面用石墨烯光伏电池板和石墨烯蓄电池。

太阳能自动跟踪控制器工作原理如图3所示装置2套，一套采用4只光敏电阻和两个比较器，分别构成2个光控比较器，控制直流电机的正反转，使太阳能电池板接收装置每天白天自动控制水平向跟随太阳转动，在太阳不停的偏移过程中，垂直遮阳板两侧受阳光照射的强弱不断的变化，电动机由转到停，由停到转，使太阳能接收装置太阳能电池板始终面朝向太阳；另一套装置控制太阳能电池板与太阳的照射角度，使太阳能电池板最大效率吸收太阳能转换成电能。在控制盒上四只光敏电阻之间装有垂直遮阳板构成两个光控比较器自动控制电机的转动，使整块或多快太阳能电池板每天全天候朝向太阳转动，最大效率获取太阳能转换成电能，使太阳能电池阵列组件转换效率最大化。

石墨烯太阳能电池向石墨烯蓄电池充电自动控制逆变器工作原理：如图4所示，利用单片脉冲调制开关稳压集成电路SW3524，组成自动逆变电源，电路简单，转换效率高，输出误差小，系统设置输入欠压输入过压保护、过载自动保护、过充过放保护、输出短路保护、输入反接保护、防雷保护蓄电池过温保护，开机软启动功能等。图(a)为内部等效电路和引脚排列，图(b)为自动逆变电源电路图，图中经单片脉冲调制开关稳压集成电路SW3524自动检测控制，由Q1至Q4构成多谐振荡器，输出50HZ方波由4只VMOS大功率Q1、Q3并联，Q2、Q4并联推动变压器自动逆变，高频变压器将12V/24V/48V蓄电池直流电电压升到220V交流电供家用电器和照明使用，继电器J2用于电网向太阳能发电系统充电与太阳能发电系统逆变向电网充电的自动转换。

石墨烯太阳能自动跟踪逆变发电系统装置生产制作容易，简单实用、安全可靠，使用本装置用户从此用电自给自足，一次投资安装使用太阳能清洁电能源，终身受益。

附图说明：

图1是太阳能自动跟踪系统装置布局侧视图，图中1石墨烯太阳能电池板，2自动跟踪控制器(盒)，3平式和立式支架，4齿轮，5垂直向控制驱动电机，6立圆柱，7水平向控制驱动电机，8齿轮，9轴承，10底座。

图2是太阳能自动跟踪独立系统构成及方框图，图中1石墨烯太阳能电池板，2自动跟踪控制器(盒)，3支架，4齿轮，5垂直向控制驱动电机，6立圆柱，7水平向控制驱动电机，8齿轮，9轴承，10底座。

图3是太阳能自动跟踪系统原理图，说明见具体实施方式。

图4由芯片SW3524控制的逆变系统原理图，说明见具体实施方式。

图5是1000W逆变器电路原理图。

图6是太阳能自动跟踪原理方框图。

图7a是光伏发电并网系统结构框图，图b是太阳能光伏发电独立系统框图。

图8是全桥逆变驱动器芯片电路图。

图9是三相桥式逆变器电路图。

图10是软开关DC-DC变换器电路图。

图11是DC/AC转换电路图。

图12(a)是负载保护图，图(b)是5KW光伏并网逆变器系统结构图。

图13(a)是充电电路图，图(b)是放电电路图。

图14(a)是蓄电池主要保护电路原理框图，图(b)是蓄电池温度检测电路，图(c)是蓄电池电压检测电路，图(d)是太阳能电池板电压检测电路图。

图15(a)是电流检测电路图，图(b)是单相光伏并网发电系统框图。

图16(a)是单片机控制芯片图，图(b)是白天处理程序流程框图。

图17(a)是主程序流程图，图(b)是12V/24V系统识别流程图。

图18(a)是自动控制跟踪主程序流程图，图(b)是白天黑天判别程序流程图。

图19(a)是充放电控制器总体流程图，图(b)是MPPT程序控制流程框图。

图20(a)是充电程序流程图，图(b)是放电程序流程图。

具体实施方式：

石墨烯新型材料太阳能自动跟踪逆变发电系统和石墨烯新型材料太阳能逆变发电系统由硬件和软件两大部分构成，控制器电路以单片机为核心的主控电路、电源电路、温度检测电路、太阳能电池板电压检测电路蓄电池电压检测电路、负载控制和保护电路等。装置应用性能好转换效率极高寿命特长的新型石墨烯太阳能光伏电池代替目前普遍所用的晶硅光伏电池。硬件系统由石墨烯太阳能光伏电池组件、主控制器和太阳能自动跟踪控制器、电动机、蓄电池、逆变器、用户负载、电缆等组成。如图2在地面锥形支架机箱3内中心位置装置一立式圆柱6，在立柱6的上、下端各装一套电机、轴承和齿轮，在地面锥形支架3的中心立式圆柱6的下端装置转动齿轮8，齿轮8与电机7旋转齿轮配套，电机7转动带动立圆柱和整块或多块电池支架装置和太阳能电池板1水平向朝向太阳转动，立圆柱上端电机5带动齿轮4使电池板支架3垂直向朝向太阳转动，调节太阳光入射角度。主控电路采用AVR单片机，采用热敏电阻对石墨烯蓄电池进行温度检测。石墨烯蓄电池电压检测采用AVR片内的1.1伏基准电压作为基准源，将采集到的蓄电池的电压信息送到A/D转换器进行转换，通过单片机的算法分析，判断当前电池的工作状态。对太阳能电池板电压采样检测，可以判断出白天黑夜，更可使控制器发出是否对蓄电池充电或放电的控制信号，提高对石墨烯蓄电池的保护。充电电路采用场效应管(MOSFET)，放电电路在放电模块同样采用功率场效应管，为了避免负载短路或过载，设置负载保护电路，用0.01Ω采样电阻将电流转换为电压进行测量。如图1所示，将石墨烯太阳能光伏电池阵列组件1000W至3000W功率的太阳能电池板1装在平支架上，支架下方与立式锥形柱和中心圆柱相联结到基础上，将3000W至5000W或更大功率石墨烯太阳能光伏电池组件固定装在房屋顶上、墙壁、地平面支架上作并网运行工作模式光伏逆变系统发电站。在1000W至3000W功率的立式机箱内装置石墨烯蓄电池和多组超级电容器，因石墨烯蓄电池体积小、重量轻、寿命长、容量大，使用超级电容器储能是因为他容量大、成本低、寿命特别长、不怕过充过放不需要维护保养检修。蓄电池容量+超级电容器容量计算＝用电负载功率X每天所用时间/用电电压X连续阴雨天X1.5(损耗系数)，太阳能电池板的电压要超过蓄电池电压的20％至30％，才能给蓄电池正常充电，太阳能电池板功率须高于负载2至4倍，系统才能正常工作。多组石墨烯蓄电池相串联联结+超级电容器与多组6V太阳能电池相并联联结，太阳能电池板一组提供6V电压两组相串联提供12V直流电电压，4组提供24V电压，也可装设更多组将电压提高到48V。太阳能电池充电自动控制集成电路LT1073经由R18的13欧电阻检测充电电流，一组电池维持16mA(或更大电流)的固定充电电流，LT1073内的低电压测定器在夜幕无太阳能时太阳能板的输出电压降到4V时，LT1073将关断充电电路，而当太阳升起电压升到5V时又对蓄电池充电。在机箱内装置电机、高频变压器和控制器等电路板，经控制盒2上光敏电阻RG1、RG3与RG2、RG4之间装置有垂直遮阳板构成两个光控比较器自动控制电机的转动，使整块太阳能电池板白天全天候朝向太阳转动获取最大效率太阳能转换成电能，向石墨烯蓄电池和超级电容器充电将太阳能转换电能储存，经图4(b)电路将石墨烯蓄电池和超级电容器储存电能自动控制逆变，将蓄电池超级电容器蓄存的12V/24V/48V直流电经控制器使高频变压器逆变升压成220V或380V50HZ交流电供给家庭家用电器和照明使用或光伏水泵使用。1000W到3000W微小型太阳能自动跟踪逆变发电系统直流储存电能装置也可不用装石墨烯蓄电池只装超级电容器，以降低成本。本系统装置可独立用或与电网并网，在1000W到3000W微小型系统装太阳能自动跟踪系统。

本自动跟踪控制器工作原理如图3所示，微小型太阳能自动跟踪逆变发电系统的自动跟踪控制器装置2套，一套采用4只光敏电阻和两个比较器，分别构成2个光控比较器，控制直流电机的正反转，能使太阳能电池接收装置每天白天自动控制水平向跟随太阳转动，在太阳不停的偏移过程中，垂直遮阳板两侧受阳光照射的强弱不断的变化，电动机由转到停，由停到转，使太阳能接收装置太阳能电池板始终面朝向太阳；另一套旋转装置控制太阳能电池板与太阳的照射角度，使太阳能电池板最大效率吸收太阳能转换成电能。如图3双运算放大器LM358与R1、R2构成两个电压比较器，参考电压为UDD(+12V)的1/2，光敏电阻RG1、RG2与电位器RP1，光敏电阻RG3、RG4与电位器RP2，分别组成光敏传感电路。为保在环境光线强或弱的情况下能自动进行补偿，将RG1、RG3安装在控制电路控制盒外壳的一侧，RG2、RG4安装在控制电路控制盒外壳的另一侧，当RG1、RG2、RG3、RG4同时受到环境自然光线作用时，RP1、RP2的中心电压不变，如果只有RG1、RG3受阳光照射，RG1的内阻减小，IC1同相端电位升高，输出高电平，三极管VT1导通，继电器K1工作，其触点3与触点1闭合。同时RG3内阻减小，IC2同相端电位下降，继电器K2不工作，其触点3与触点2处于闭合状态，电机M正转；同理，如果RG2、RG4受太阳光照射，继电器K2工作，K1停止工作，电机M反转。当太阳能接收器转到垂直遮阳板两侧的光照度相同时，继电器K1、K2同时工作，电动机才停转。在太阳不停的偏移过程中，垂直遮阳板两侧受阳光照射的强弱不断的变化，电动机由转到停，由停到转，使太阳能接收装置太阳能电池始终面朝向太阳，使太阳能光伏电池转换效率最大化。

如图4所示，石墨烯太阳能电池向石墨烯蓄电池充电自动逆变工作原理：利用单片脉冲调制开关稳压集成电路SW3524，组成自动逆变电源。电路简单，转换效率高，输出误差小，系统设置输入欠压输入过压保护、过载自动保护、过充过放保护、输出短路保护、输入反接保护、防雷保护、蓄电池过温保护，开机软启动功能。图(a)为内部等效电路和引脚排列；图(b)为自动逆变电源电路图，电路包括振荡器、推动级、功率放大及变压器升压。由Q1、Q3并联，Q2、Q4并联构成多谐振荡器，Q1、Q3导通，其正反馈使Q2、Q4截止，随着Q1、Q3集电极电流的不断增加，变压器铁芯便逐渐饱和，此时变压器绕组中的感应电压为零。这样致使Q1、Q3基极激励不足，导致Q1、Q3截止，集电极电流为零。Q1、Q3集电极电流下降又引起所有绕组的极性反转，Q1、Q3截止而Q2、Q4则导通。当变压器铁芯为负饱和时，Q2、Q4又截止，其集电极电流变为零，Q1、Q3又导通。如此交互反复导通与截止，使电路不停的振荡，输出方波由4只MOSFET功率场效应管推动高频变压器，在高频变压器B的次级便感应出220V或380交流电压，将蓄电池和超级电容器储存的12V/24V/48V直流电逆变升为50Hz220V交流电供家庭用，继电器J2用于电网相互交换充电与逆变的自动转换。主要元件选择，继电器J1选用JQX-15F12V直流继电器，J2选用JQX-18F交流继电器；Q1至Q4选用IRF131、30A/60V或与逆变器功率相配套大功率的MOSFET场效应管，每只管均加装足够散热片；高频变压器容量1000W至5000W或更大容量与之相匹配，直流电压12V、24V、48V，逆变交流电压220V/380V，本系统逆变器也可选择采用其他12V、24V、48V直流系统逆变的单相、三相半桥或全桥式逆变器装置电路。

新型石墨烯太阳能自动跟踪逆变发电系统装置和石墨烯新型材料太阳能发电系统装置制作简单、成本低廉、寿命长、转换效率高、极其实用、使用方便、安全可靠、用途广泛，可安装在房屋顶上、墙壁上、地面上、阳台上、汽车顶、船舶、岛屿、边防哨所、通讯基站、汽车充电站等需用电地方为其提供免费廉价电能，本技术可开发生产各类大、中、小型不同功率的独立工作运行太阳能发电逆变发电站系统或与电网并列运行的系统装置，形成不同功率、不同工作模式的石墨烯光伏发电系统装置系列化产品，供多种场所使用的太阳能逆变光伏发电站，将太阳能光伏发电站与建筑相结合，使建筑实现用电自给自足，满足社会不同单位和城乡家庭对太阳能新能源应用的需要。

Claims (5)

1.新型石墨烯太阳能光伏发电系统和微小型太阳能自动跟踪逆变发电系统由硬件和软件两大部份组成，硬件是以单片机为核心的智能型主控器组成系统，本装置系统采用石墨烯新型材料制作的太阳能光伏发电系统和新型石墨烯蓄电池装置，具有性能好转换效率高寿命长的特点，硬件由石墨烯新型太阳能电池板阵列、充放电电路、温度检测电路、电压电流检测电路、蓄电池电压检测电路、负载检测保护电路、石墨烯蓄电池和超级电容器、逆变器、太阳能自动跟踪系统(微小型系统装)、用户负载、电缆等组成，将1000W至3000W太阳能自动跟踪逆变发电系统装在房屋地面锥形立式支架上，将3000W至5000W或更大功率的太阳能电池板固定安装在房屋顶上、墙壁上、充电站、地面支架上等地方，在1000W至3000W微小型太阳能自动跟踪逆变发电系统电池板平面支架下端与地面锥形立式支架装置相联接至地面基础，在地面立式锥形支架机箱内中心位置装一立式圆柱，在立式圆柱的上、下端各装一套电机、轴承和相配套齿轮，在地面锥形支架的立式圆柱底下端装置水平向转动齿轮，齿轮与电机旋转齿轮配套，在机箱内立圆柱下端电机使太阳能电池板每天自动控制光伏电池板水平向朝向太阳转动，上端电机装在平板式支架与立式锥形支架装置间并与一大齿轮配套，使太阳能电池板自动控制垂直向朝向太阳转动，调节太阳能电池板与太阳光照射角度，立圆柱上、下端电机转动受控于控制盒上光敏电阻两个光控比较器自动控制驱动电机转动，根据系统负载容量在锥形机箱内装置多组6V石墨烯蓄电池和多组超级电容器，多组石墨烯蓄电池相串联联结与多组超级电容器并联再与多组6V太阳能电池板相并联联结，形成12V、24V或48V直流电能储存，白天经石墨烯太阳能电池板全天向石墨烯蓄电池和超级电容充电，将太阳能转换的电能储存，在需用电时放电经逆变器将储存的电能进行逆变，将石墨烯蓄电池和超级电容储存的12V、24V或48V直流电能由单片机控制逆变器经高频变压器逆变升成220V或380V交流电供给千万城乡家庭等地方使用，在锥形机箱内装置电动机转动装置、高频逆变变压器和太阳能自动跟踪控制器、单片机智能主控制器、逆变器等装置。

2.微小型太阳能自动跟踪逆变发电系统的自动跟踪控制器装2套，一套采用4只光敏电阻和两个比较器，分别构成2个光控比较器，控制直流电机的正反转，使太阳能电池板接收装置每天白天自动控制水平向跟随太阳转动，在太阳不停的偏移过程中，垂直遮阳板两侧受阳光照射的强弱不断的变化，电动机由转到停，由停到转，使太阳能接收装置太阳能电池板始终面朝向太阳，另一套装置控制太阳能电池板与太阳的照射角度，使太阳能电池板最大效率吸收太阳能转换成电能，在控制盒上四只光敏电阻之间装有垂直遮阳板构成两个光控比较器自动控制电机的转动，使整块或多快太阳能电池板每天全天候朝向太阳转动，最大效率获取太阳能转换成电能。

3.石墨烯新型材料太阳能自动跟踪逆变发电系统和石墨烯新型材料太阳能逆变发电系统，应用石墨烯太阳能电池向石墨烯蓄电池和超级电容器充电自动控制逆变，采用单片脉冲调制开关稳压集成电路自动控制组成自动逆变电源，电路包括振荡器、推动级、功率放大及变压器升压；系统设置输入欠压输入过压保护、过载自动保护、过充过放保护、输出短路保护、输入反接保护、防雷保护、蓄电池过温保护，开机软启动功能，由半桥或全桥大功率场效应管构成多谐振荡器，输出方波由大功率场效应管推动高频变压器将石墨烯蓄电池和超级电容器储存的12V、24V或48V直流电逆变升成50Hz220V、380V交流电供家庭等地方使用，本自动逆变器也可选择采用其他12V、24V、48V直流系统的单相、三相半桥或全桥式自动控制逆变器电路。

4.石墨烯新型材料太阳能自动跟踪逆变发电系统设有太阳能电池充放电自动控制集成电路，维持充电电流放电电压，集成电路低电压测定器在夜幕无太阳能时太阳能电池板的输出电压降到4V时将关断充电电路，而当太阳升起电压升到5V时又对蓄电池超级电容器充电。

5.本石墨烯新型材料太阳能自动跟踪逆变发电系统装置和石墨烯新型材料太阳能发电系统装置制作容易，简单实用、安全可靠、应用广泛，本技术可开发生产各类大、中、小型不同功率的石墨烯新型太阳能光伏发电系统可供离网城乡家庭独立用，可自动控制与电网相互交换转换用或与电网并网用三种工作模式的发电系统，形成不同功率、不同工作模式的石墨烯光伏发电系统装置系列化产品，供多种场所使用的石墨烯太阳能逆变光伏发电站，将石墨烯太阳能光伏发电站与建筑相结合，使建筑用电实现电力自给自足，满足社会不同单位城乡家庭对太阳能新能源应用的需要。