CN1086844C - 太阳能电池系统 - Google Patents

Abstract

一种存贮由太阳能电池产生的电能并向负载供电的太阳能电池系统。该系统包括一个能够产生负载一天所耗用电量的太阳能电池部件和一个具有存贮负载至少一天所耗电量容量的双电层电解电容器，该用电量可从对阴雨天的太阳辐射量的估算中确定出来。

Description

太阳能电池系统

本发明涉及一种将太阳能电池产生的电能存贮起来并向负载供电的太阳能电池系统。

一个在无人照看灯塔、路灯或类似场合下用作电源的太阳能电池系统包括一个在太阳能电池与负载之间配置的蓄电池。太阳能电池产生的电能存贮在蓄电池内，即使在雨天或晚间也向负载稳定地供电。

太阳能电池系统中太阳能电池和蓄电池的容量由安装地点处的太阳辐射数据决定。这是因为太阳辐射量的大小是随着安装地点的纬度和季节而变化着的。

例如可以按下面的顺序确定其容量。

假定负载每天耗用电能PL，太阳能电池的输出PS(在晴朗的天气)以下式表示为：

PS＝K×PL

在以上方程中，校正因子K随安装地点或地区的不同而不同，一般来说其选取范围为1-4之间。

从对组合了太阳能电池与蓄电池的最普通单电源的实际运行检测和类似测试所得的结果可以导出校正因子K与日照小时之间的经验关系式。校正因子K包含有全年内太阳能电池输出引起的温度变化的差值和蓄电池效率等的校正值。

例如，下面给出一些校正因子K值：

海面、公路中央、高速车道和电线杆                 1-2

(高纬度或阳光充足的地方)

楼房和其它类似的建筑物                           2-3

路边、地面和侧面                                 3-4

向蓄电池提供必要充电电流的太阳能电池容量根据上面所述由太阳能电池的输出PS导出。

与太阳能电池联用的蓄电池需要满足如下条件：

(1)自身放电小；

(2)易于维护；

(3)寿命长；

(4)价格低廉；

(5)单位体积容量大；以及

(6)充放电效率高。

因此，蓄电池通常包括经济实惠的铅电池或使用寿命长的镍镉电池(所谓的NiCd电池)。

蓄电池的容量PB由各种条件确定，如可能要在阴雨天气使用，以及系统只依靠由蓄电池供电的天数。一般情况下，容量PB确定在负载功率消耗PL的5-30天之间。

即，电池容量PB＝5-30×PL。

就普通的太阳能电池系统而言，由于照射到太阳能电池上的太阳光光强并不恒定而是在较宽的范围内变化，所以太阳能电池和蓄电池的容量较大以保证足够的富裕量。

但是，普通的太阳能电池是针对其必须安装在光线充足(面朝南)并且没有遮挡的位置的情况来设计达到在晴好天气接收太阳辐射的目的的。这已经成为阻碍太阳能电池系统推广的一个因素。

而且，如上所述，为了保证足够的富裕量，太阳能电池和蓄电池的容量较大。这使得太阳能电池系统的构造庞大、造价昂贵，也阻碍了其推广。

太阳能电池系统中所用的蓄电池(二次电池)的充/放电循环寿命较短，约为200-500次，而且通常必须在2或3年内更换。除此之外，铅电池需要作电解液的补充和比重测量之类的定期检查工作，因此维护比较麻烦。因此，系统的维护和其它费用较高。

而且，二次电池包括如铅或镉之类的重金属。二次电池的报废处理会带来二次污染，因而有必要将其收集起来。

二次电池的工作温度范围较窄，为0-45℃。这对于系统在寒冷的气候下使用是不利的。

为此，美国专利No.4,959,603揭示了一种太阳能电池系统，它包含太阳能电池和与太阳能电池并联的电容器，其中电容器与负载并联并且可以在太阳能电池不工作时将其储存的电能提供给负载。但是这种系统无法根据日照或太阳光强等天气情况来选择是使电容器向负载放电还是由太阳能电池向其充电，也不能控制供电时间和以间歇方式运行。

本发明是针对上述本技术领域内的状况而作出的，其目标是提供一种价格便宜的小型、经久耐用、安全、无污染并且可在寒冷气候中使用的普通太阳能电池系统，它甚至可在阴影下使用，这使得它可以非常灵活地选择安装地点。

按照本发明，利用一种将太阳能电池产生的电能存贮起来并向负载供电的太阳能电池实现了上述的目标，该系统包含：

一个可以安装在阴影地点并且能够产生所述负载一天所耗用电量的太阳能电池部件，所述用电量可从对阴雨天的太阳辐射量的估算中确定出来；

一个具有存贮所述负载至少一天所耗电量容量的双电层电解电容器装置；以及

负载控制电路，用于重复日常的充电和放电控制，使得在环境亮度超过预定值时从所述太阳能电池部件向所述双层电解电容器装置充电，并且在环境亮度低于所述预定值时从所述双层电解电容器装置向所述负载供电。

在上述太阳能电池系统中，太阳能电池部件有较高输出能力可以在阴雨天的阴影下产生电能。因此，在白天可以对双电层电解电容器充电，而这些电能又将供负载在这一天耗用。

白天，双电层电解电容器由太阳能电池部件向其充电，而在夜间没有太阳光照射时又向负载供电。因此，双电层电解电容器一直处于充电和放电状态。但是，在没有化学反应参与的情况下，这种双电层电解电容器的充放电重复次数可以超过100,000次，因而可以长期使用。双电层电解电容器的结构包括活性炭和一种具有不同相接触的有机溶剂。在那里电荷(离子)只是通过吸附/解吸附过程积累起来。对于充放电过程中的电流大小并无要求。因此，双电层电解电容器在晴朗的天气里直接曝晒的情况下可以大电流充电，而在雨天或遮阳的情况下可以小电流充电。不管安装和天气情况如何，即太阳能电池部件是否处于阴影下，天气是晴天还是雨天，在白天双电层电解电容器都能够充以所需的电能。

而且，双电层电解电容器具有从-40℃至75℃的宽使用温度范围、结构中不包括重金属的特点。这些特点使得系统可以应用在寒冷气候条件下，在报废处理时也不会引起污染。因此，本发明解决了普通太阳能电池系统中存在的问题。

在本发明较好的实施例中，双电层电解电容器的构造为一个包括多个由充电电压和太阳辐射情况确定并可由手动或自动方式将其从并联状态切换至串联状态的电容器的双电层电解电容器单元。

太阳能电池部件的输出能力是根据最恶劣的天气情况来确定的，如冬天、朝北方向、安装在阴影下、雨天等等。此外，在因出现难以预料的异常天气情况(如日食)而引起充电量不足时，这数个电容从并联状态切换至串联状态。这种切换提供了一个升高的电压并充分利用了剩余能量来满足一天的能耗。

在本发明的较好实施例中，进一步包含位于所述太阳能电池部件与所述双层电解电容器装置之间的过电压保护电路，用于在所述太阳能电池部件的输出达到所述双层电解电容器装置的过电压时切断所述太阳能电池逐渐的输出。在本发明的较好实施例中，所述双层电解电容器装置和所述负载控制电路安装在容器内以构成安全标志，所述太阳能电池部件和作为所述负载的发光二极管安置在所述容器的表面。

为了阐述本发明，在附图中表示了本发明较好实施例的几种形式，但是需要理解的是，所表示的精确安排和工具对本发明并无限定作用。

图1是本发明的第一个实施例的太阳能电池系统的框图；

图2是本发明的第二个实施例的太阳能电池系统的框图；

图3是在对已有技术与本发明作比较时采用的路面安全指示灯(road safetytack)的透视图；

图4是路面安全指示灯的框图；以及

图5是一张对普通的路面安全指示灯与按照本发明的路面安全指示灯的运行进行比较的图表。

以下将借助附图详述本发明的较好实施例。

第一个实施例

图1是本发明的第一个实施例中的太阳能电池系统的框图。

如图1所示，太阳能电池系统A包括一个放置在太阳能电池部件1和负载6之间的双电层电解电容器4。太阳能电池部件1包括数块串/并联的太阳能电池块。太阳能电池部件1设计成在阴雨天气里只有少量的太阳辐射量时也能工作。因此，即使在那样的天气情况下，对电层电解电容器4也能充电以供负载6在这一天耗用。

所以当太阳能电池部件1朝南安装并且天气晴朗因而暴露于较强的太阳辐射下时，将产生非常大的充电电流。不过双电层电解电容器短时间内大电流充电不会出现问题。因此并不需要特殊的限流电路，只需用一个反向电流保护二极管2即可。

双电层电解电容器的容量PB至少能够存贮负载6一天所耗用的电量。因此，双电层电解电容器的容量PB只是普通太阳能电池系统所用的蓄电池的容量的1/5到1/30。与普通蓄电池相比，双电层电解电容器4的体积要小得多，而重量也轻得多。

下面将叙述计算本实施例的太阳能电池系统A中太阳能电池部件1的输出能力PS和双电层电解电容器4的容量PB的基本原理。

首先，确定出负载6每天消耗电能PL(天)。

PL(天)＝负载电流×额定电压×日常运行累计时间(秒)

随后，从上面确定下来的PL(天)：瓦·秒推算出双电层电解电容器4的容量PB和电容C。

一般情况下，电容器存贮的能量为1/2·CV²(瓦·秒)。这里所用电压为V₁至V₂，所以

PL(天)＝PB＝1/2·C(V² ₁-V² ₂)(瓦·秒)

即，C＝(2×PL(天))/(V² ₁-V² ₂)(F：法拉)

接下来确定出向双电层电解电容器4充电的太阳能电池部件1的输出能力PS。

通常，根据C·V＝I·T，双电层电解电容器的充电电流I为

I＝C(V₁-V₂)/T(秒)

假如双电层电解电容器4在太阳辐射下充电H小时，则

I＝C(V₁-V₂)/(60(秒)×60(分)×H(小时))

这里，充电电流I的设定使得在阴影下和阴雨天气里也可以对双电层电解电容器4充电。于是，

太阳能电池部件1的输出能力PS＝额定电压×I

通常情况下，太阳能电池的输出随气候、天气情况和安装地点的不同而变化范围较宽。

例如，假定在晴朗天气里直接曝晒的情况下输出为100％，那么

在阴影下：30％

在阴天的阴影下：10％

在雨天的阴影下：3％

因此，不考虑气候条件和安装地点，太阳能电池部件也可能只有3％的额定输出可供利用。但是这并需要象普通的蓄电池系统那样提供能补偿5-30天阴雨天的用电量的容量。对于双电层电解电容器来说，一个能供一天消耗的存贮容量就足够了。因此，较小的太阳能电池输出就足以对双电层电解电容器充电。

图1中的标号3代表过电压保护电路。当太阳能电池部件1的输出电压达到双电层电解电容器4的过充电电压时，保护电路3就会切断太阳能电池部件1的输出以保护双电层电解电容器4。

图1中的标号5表示控制输往负载6的电能的负载控制电路。负载控制电路5的作用是控制供电时间和间歇运行。例如，负载控制电路5检测太阳能电池部件1的输出电压，当日落后检测值低于一预定值时即向负载6供电。

第二个实施例

下面将借助图2描述第二个实施例。图2是太阳能电池系统B的框图。图2中，与第一个实施例相同的部分用相同的标号表示，此处不再重复。本系统的基本操作与图1所示的太阳能系统A相同。其不同之处在于，第二个实施例包括数个可以通过手动或自动方式由并联状态切换至串联状态的双电层电解电容器。

图2中的标号BU表示双电层电解电容器单元。双电层电解电容器单元BU包括两个双电层电解电容器41和42。这两个双电层电解电容器41和42可以通过切换开关SW1和SW2在并联(以实线表示)和串联(以虚线表示)之间切换。在通常情况下(充电时)，双电层电解电容器单元BU是并联的(如图2所示)。切换开关SW1和SW2既可手动也可自动控制。双电层电解电容器的数目可以不止两个，而可以根据负载6的额定值确定。

提供可切换的双电层电解电容器是为了在发生无法预料的异常天气情况(如日食)从而引起充电量不足时保证一天的电力供应。一种充分考虑了异常天气情况的系统设计要求一个过份庞大的太阳能电池部件。这样一种用来应付每年只出现一次甚至一次也不会出现的事件的系统经济上并不划算，而且也难以令人接受。

当在恶劣的天气情况下太阳辐射量降至可接受的最小值时，由于充电量不足，供电达不到要求。在这种情况下，根据在太阳辐射或充电电压标准基础上作出的判断，手动或自动控制串/并联切换电路7，将双电层电解电容器41和42由并联状态切换至串联状态。因此提高了向负载6供电的电压，满足了这一天的电能消耗。

举个例子，如果双电层电解电容器41和42的额定值为2.5伏和10法拉，采用的电压为2.5伏-2伏，当太阳辐射量高于可接受的最小值时(正常充电)，“并联状态”下的能量(1/2·C(V² ₁-V² ₂))由下式表示为：

1/2·20·(2.5²-2²)＝22.5(瓦·秒)

如果由于上述异常天气情况引起充电量不足，同时双电层电解电容器41或42变为“2.0伏”和10法拉(非正常充电)时，若“串联状态”下采用的电压为4.0伏-2.0伏，则该能量以下式表示为：

1/2·5·(4²-2²)＝30(瓦·秒)

也能满足这一天的电能消耗。

因此，由并联切换至串联可以满足负载6这一天的电能消耗。也就是说，即使发生因罕见的天气异常情况而引起的充电不足，太阳能电池系统B也能以正常方式运行。

太阳能电池系统A和B的构造如上所述。容量增加的太阳能电池部件1在一天内产生电能有所变化的情况下，甚至安装在阴影下，并且不管是不是阴雨天气时，都能向双电层电解电容器4(或电容器41和42)充以负载在这一天所耗用的电能。太阳能电池部件1暴露在太阳辐射下，该辐射量并不恒定，而是从日出到日落在一个较宽的范围内变化。也就是说，在早晨当太阳辐射量较小时以及晚上没有太阳辐射时双层电解电容器4(或电容器41和42)也能向负载6供电。

在太阳辐射较强的天气，双电层电解电容器4(或电容器41和42)由太阳能电池部件1充电，存贮负载6在这一天所需消耗的电能。双电层电解电容器(或电容器41和42)的输出能力PB较小，仅够满足负载6这一天需要消耗的电能。因此，双电层电解电容器4(或电容器41和42)重复着放电以及接近于完全放电的放电过程。

如果在这种情形下使用的是蓄电池，则在经过200-500次的重复充放电过程以后电池通常会损坏。这就需要在2或3年内对电池进行更换。但是，如果在充放电过程中不伴随化学反应，那么双电层电解电容器4(或电容器41和42)可以经受充放电过程100,000次以上而不出现问题。因此，双电层电解电容器4(或电容器41和42)长期不用更换，也不需要维护，由此达到了低成本的目标。

在按照本发明的太阳能电池系统A和B中，双电层电解电容器4(或41和42)的容量PB可以仅够一天之用。在通常太阳能电池系统中，蓄电池需要供给负载5-30天消耗的容量，双电层电解电容器4(或电容器41和42)与蓄电池的容量之比为1/5至1/30。按照本发明的太阳能系统A和B的所占安装空间有所减小，报废电容器的个数也有所减少，从而节约了资源。

双电层电解电容器4(或电容器41和42)由活性碳和有机溶剂构成，报废后不会引起重金属污染的问题。

而且，双电层电解电容器的使用温度范围较宽，从-40到75℃。这使得系统可以在寒冷的气候条件下使用。

图3表示的是一个采用本发明的路面安全指示灯8。如图4所示，指示灯8包括安装在太阳能电池部件1与负载(发光二极管)10之间的双电层电解电容器4。已经利用普通的二次电池制造出了类似的指示灯(未画出)。下面是一张对两种指示灯在存贮容量PB、太阳能电池输出能力PS及其它方面进行比较的表格。在测试中，路面安全指示灯或负载L一天消耗的电能设定为PL(天)＝1(瓦·小时)。

比较内容	已有技术	本发明
			存贮容量PB	30(瓦·小时)Ni-Cd或铅电池	1(瓦·小时)双电层电解电容器
太阳能电池输出PS	1-4(瓦)	0.1-0.125(瓦)PS＝PL/8-10小时在晴朗的天气输出约为3(瓦)
			使用温度范围	0-45	-40-75℃
安装地点和使用条件	晴朗天气阳光充足的南面	安装地点无要求在阴影下和雨天也可
			寿命	2-3年	15年以上
其它方面定期检查维护污染	需要需要必须控制	不需要不需要无污染

由上述结果可见，按照本发明采用了双电层电解电容器4(或电容器41和42)的太阳能电池系统A或B与采用Ni Cd电池或铅蓄电池的普通太阳能电池系统相比，在尺寸、重量、使用温度范围、寿命、费用及其它方面具有优势。

图5表示的是两类系统运行方面的比较结果。由图可见，由于在阴雨天气或阴影下无法产生足够的电力，普通太阳能电池系统需要较大的存贮容量。在按照本发明的系统中，确立的太阳能电池输出能力PS保证即使在阴雨天或阴影下也能产生足够的电力。此外，本发明采用可重复充放电的双电层电解电容器作贮能电池，形成了上述的优势。

本发明还可以在不背离其精神或实质特征的情况下以其它形式实现，因此，本发明的范围以后面所附权利要求为准，并不由上述说明限定。

Claims (4)

1.一种太阳能电池系统存贮太阳能电池产生的电能并向负载供电，其特征在于，所述系统包括：

一个可以安装在阴影地点并且能够产生所述负载一天所耗用电量的太阳能电池部件，所述用电量可从对阴雨天的太阳辐射量的估算中确定出来；

一个具有存贮所述负载至少一天所耗电量容量的双电层电解电容器装置；以及

负载控制电路，用于重复日常的充电和放电控制，使得在环境亮度超过预定值时从所述太阳能电池部件向所述双层电解电容器装置充电，并且在环境亮度低于所述预定值时从所述双层电解电容器装置向所述负载供电。

2.一种如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的双电层电解电容器的构造为一个包括多个由充电电压和太阳辐射情况确定并可由手动或自动方式将其从并联状态切换至串联状态的电容器的双电层电解电容器单元。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于进一步包含位于所述太阳能电池部件与所述双层电解电容器装置之间的过电压保护电路，用于在所述太阳能电池部件的输出达到所述双层电解电容器装置的过电压时切断所述太阳能电池逐渐的输出。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述双层电解电容器装置和所述负载控制电路安装在容器内以构成安全标志，所述太阳能电池部件和作为所述负载的发光二极管安置在所述容器的表面。

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