CN1104090C - 太阳能电池系统及利用该系统的间歇运行装置 - Google Patents

Abstract

一种用太阳能电池向负载供电的太阳能电池系统，该太阳能电池系统包括用以将光能转换为电能的太阳能电池，用于储存取自太阳能电池之电能的双层电容器，以及一个放电控制器。该放电控制器用以在预定周期内使双层电容器间歇地向负载放电，同时向双层电容器充电。其中放电时期短于充电时期，而向负载放电的电流大于对双层电容器的充电电流。

Description

太阳能电池系统及利用 该系统的间歇运行装置

本发明涉及一种太阳能电池系统，利用取自太阳能电池的电能为负载供电，并涉及诸如广告显示器一类的间歇运行装置，使人们对特价销售的商品引起注意。

利用太阳能电池的传统装置包括较小的如电子计算器、时钟和类似由太阳能电池供电的装置，以及较大的如自动抽水浇地的泵、大的广告塔等类似装置。

然而，此类传统装置存在以下一些缺陷：

它特别要求由太阳能电池供电的电子计算器、时钟和类似装置做得小而轻巧。这样，装在这些装置中的太阳能电池就很小。因此，连接到这些小型太阳能电池的负载只能局限于耗电很小的器件，诸如液晶显示器。

另一方面，较大的泵和广告塔需耗用大量的电能。因此，这类装置需要很大的太阳能电池来解决功耗。

本发明已经考虑到上述现有技术，其目的是提供一种能从小型太阳能电池取得大量电能的太阳能电池系统，以及采用该太阳能电池系统的间歇运行装置。

根据本发明的第一方面，通过一个太阳能电池系统把太阳能电池的电能供给负载供电，实现了上述目的，它包括：

将光能转变为电能的太阳能电池；

用以存储取自太阳能电池之电能的双层电容器；以及

放电控制器，用以在预定周期内使双层电容器向负载间歇放电，同时向双层电容器充电，并使放电时期短于充电时期，而向负载放电的电流则大于加到双层电容器上的充电电流。

当双层电容器向负载释放由太阳能电池所充的电能时，充电控制器在预定的周期内间歇地施加电能，这样，放电时期短于充电时期，而放电电流大于充电电流。充电电能(充电时间×充电电流)与放电电能(放电时间×放电电流)相等。因此，缩短放电时间可以增加释放的电流。增加的能量可以在间歇运行的每个周期内加到负载上。

由于放电控制器控制放电时间短于充电时间，故可以从小型太阳能电池取得大量的电能。这样，小型太阳能电池就能够驱动大负载了。

最好，太阳能电池由非晶硅制成。

与多晶硅制成的太阳能电池比较，由非晶硅制成的太阳能电池能有效地吸收短波长光能。因此，双层电容器可以有效地由室内光，诸如荧光灯充电。

本发明的太阳能电池系统最好包括一串接于太阳能电池与双层电容器之间的反向电流阻止二极管。

例如在多云天气，太阳能电池的电动势可以小于双层电容器两端的电压。此时，二极管可以阻止反向电流从双层电容器流向太阳能电池。这样，充电电能可以无浪费地加到负载上。

反向电流阻止二极管最好包括一个肖特基二极管。

普通二极管的正向电压〔VF〕高达0.6V，而肖特基二极管的正向电压为0.3V数量级，抑制了由太阳能电池所产生的电压的下降。这样，由太阳能电池所产生的电能可以无浪费地加到双层电容器上。

最好将一个电压控制电路连接在太阳能电池与双层电容器之间，以控制太阳能电池的输出电压不超过双层电容器的最大额定电压。

例如，当阳光比预期的更强时，太阳能电池阵列两端产生的电压可能超过双层电容器的最大额定电压。而电压控制电路控制所加的电压不超过该最大额定电压，由此保护了双层电容器。这一特征允许系统即使在强烈的阳光条件下也能使用。

最好，电能释放时建立的T1/T大致为1％，其中T为每一个预定周期，T1为每个预定周期内的负载驱动时间(放电时间)。

根据本发明的另一方面，提供一种用以间歇驱动负载的间歇运行装置，它包括：

用以将光能转换为电能的太阳能电池；

用以储存取自太阳能电池之电能的双层电容器；

由双层电容器供电驱动的输出部件；以及

放电控制器，用以使双层电容器以预定的周期间歇地向输出部件放电，同时向双层电容器充电，使放电时期短于充电时期，使向输出部件放电的电流大于加到双层电容器上的充电电流。

当双层电容器向输出部件放电时，充电控制器以预定的周期间歇地提供能量，由此使放电时期短于充电时间，并使放电电流大于充电电流。充电电能(充电时间×充电电流)与放电电能(放电时间×放电电流)相等。因此，缩短放电时间可以增加释放的电流。这样，在间歇运行的每个周期内，可以向输出部件供应更大的电能。

由于放电控制器把放电时间控制得短于充电时间，所以可以从小型太阳能电池取得大量电能。这样，由本发明提供的间歇运行装置就可以驱动能耗较大的大型输出部件。

最好，输出部件包括一台电动机。

输出部件可以包括发光二极管。

输出部件包括一发声部件。

此外，输出部件也可以是一个螺线管。

最好，电动机包括一个接到其旋转轴上的可绕枢轴旋转的部件，用以间歇地摆动一个装在外壳上可以摆动的摆动件，重物接在其底部，在常态下保持直立。

作为输出部件的电动机通过放电控制器的间歇放电而被间歇地驱动。由于可绕枢轴旋转的部件连接到电动机的旋转轴上，所以电动机的间歇性旋转摆动着装在外壳上可摆动的摆动件。摆动件的间歇性摆动运动可以引起顾容的注意。

另外，电动机可以包括从一个外壳向下延伸的旋转轴，机壳则通过悬挂件从室内灯具上悬挂下来，该旋转轴在其底部接一块广告牌。

作为输出部件的电动机通过放电控制器的间歇放电而被间歇地驱动。随着电动机旋转轴的间歇性旋转，接在其底部的广告牌以水平方向旋转。该装置的外壳通过悬挂部件从室内灯具上悬挂下来。这样，可以把太阳能电池装得靠近光源，以实现大量的输出电流。这就允许太阳能电池减小面积，以减小整个装置。此外，悬挂而间歇旋转的广告牌可以引起顾客的注意。

最好，该装置中的太阳能电池由非晶硅制成。

为了说明本发明，以下示出较佳表示的几张图，然而本发明显然并不局限于图示那样完全一致的安排和手段。

图1是本发明第一个实施例的一个广告显示器的整体透视图；

图2是太阳能电池系统的电路图；

图3A和3B是一个放电控制器的电路图；

图4A和4B是太阳能电池系统的工作时序图；

图5是本发明第二个实施例的一个广告显示器的整体透视图。

以下将参照附图详细描述本发明的较佳实施例。

图1是本发明第一个实施例的一个广告显示器的整体透视图。

图1中，标号1表示广告显示器，其大小大致像一个烟盒。广告显示器1有多个太阳能电池2(它通过光照产生电动势)，这些太阳能电池按格子图形设置在显示器的顶背面，以提供所需的电能。广告显示器1在其顶前面有一开孔5。例如，把一个模拟熊的摆动件7装在开孔5，由支承件7a可绕枢轴旋转地予以支承。重物7b接在摆动件7的底部，以平衡摆动件7处于直立姿势。摆动件7具有发光二极管7c，安装在熊眼内。广告显示器1的侧面有一只电源开关11。把具有上述构造的广告显示器1置于廉价商品附近，以唤起顾客的注意。

太阳能电池2最好由非晶硅制成。

摆动件7的发光二极管7c由以下将要描述的控制电路10点亮。此外，摆动件7以支承件7a为轴而旋转，重物7b由电动机8a旋转而驱动的枢轴部件8a推动。

接下来参照图2。图2是广告显示器1使用的一个太阳能电池系统的电路图。

标号2表示上述太阳能电池。当太阳能电池阵列2由光照射时，在其两端产生电压VS，然后提供电流IS。太阳能电池2的正端通过二极管(用以阻止反向电流)20连接双层电容器30的一端，并通过电源开关11连接到放电控制器40的电源线VCC。太阳能电池阵列2的负端连接到双层电容器30的另一端，并连接到放电控制器40的接地线GND。反向电流阻止二极管20、双层电容器30和放电控制器40构成上述控制电路10。

当光照射太阳能电池2时，该电路开始用电流IS实际向双层电容器30充电，直至其两端电压VC等于电压VS。这样，双层电容器30的最大额定电压应大于太阳能电池2的电压VS。

最好，反向电流阻止二极管20例如包括一个肖特基二极管，它具有最小正向电压，由此使太阳能电池2所产生的电压VS尽可能维持得高些。

为了防止向双层电容器30施加大于最大额定电压的一个电压，太阳能电池2的输出电压可以通过一个电压控制电路加到双层电容器30，该电压控制电路用以把输出电压控制到不超过最大额定电压。

对双层电容器30的充电电流(最大充电电流)没有限制。因此，不像Ni-Cd电池那样需要一个复杂的充电电流控制电路，此特征简化了控制电路。双层电容器采用断开型故障模式，用以增大串联内阻，它没有曝裂或烧毁等危险。

放电控制器40控制着加到连接于输出线Uout与接地线GND之间的负载L的电流。负载L包括前述表示的电动机8和两个发光二极管7c。两个发光二极管7c的每一个通过限流电阻器R连接到放电控制器40的输出线Vout和接地线GND。

太阳能电池2、控制电路10和双层电容器30相当于本发明的太阳能电池系统。发光二极管7c和电动机8相当于输出部件。

接下来参照图3A，它表示放电控制器40的电路图。放电控制器40包括一个非稳态多谐振荡器(它是自激型电路，用以提供方波输出)，电流放大级电路以及电阻器R6。其中，非稳态多谐振荡器包括电阻器R1和R5、电容器C1、晶体管Tr2、电阻器R2和R3、电容器C2以及晶体管Tr1；电流放大级电路包括电阻器R4和晶体管Tr3，用以放大非稳态多谐振荡器的输出；电阻器R6用以限制提供给负载L的电流，后者连接到输出端V_OUT。放电控制器40并不局限于非稳态多谐振荡器，它可以包括多种其它类方波输出电路中的一种，只要它能周期性地驱动负载即可。例如，可以采用含有CMOS反相器的振荡电路。

图3B表示向上述构成的放电控制器40的输出线V_OUT输出一个方波的例子。图3B中，参照号T表示该方波输出的每个周期。参照号T1表示一个时期，其间电流放大级电路的晶体管Tr3处于导通状态向负载L提供电流(负载驱动周期)。参照号T2表示另一个时期，其间电流放大级电路的晶体管Tr2处于非导通状态，不向负载提供电流(负载非驱动周期)。显然，负载驱动时期T1，负载非驱动时期T2和负载驱动周期T的近似值由下列等式求得：

负载驱动时期T10.69C2R2

负载非驱动时期T20.69C1R1

负载驱动周期TT1+T2

在本实施例中，例如为放电控制器40设置常数，这样，负载驱动时期T1即为周期T的(占空比K)1％。例如，假定负载驱动周期T为1秒(即充电时间)，这样，负载驱动时期为0.01秒(＝K·T)，负载非驱动时期T2为0.99秒。这种在充电时间T(＝1秒)内的瞬间充放电用诸如Ni-Cd电池之类的二次电池是不可能的。这只有采用能够在短时间内充放电的双层电容器才可实现。该双层电容器30通过电荷对活性炭的吸附/解吸完成充放电。它可以重复100,000次。这样，广告显示器1就可以在很长的时期内重复使用。此外，它不需要维护，不用电池，对环境不产生不利影响。

占空比K＝1％不是限制性的，该数值是可变的。该数值将根据负载和环境而决定。

充电特性(充电的电能)用下式表示，其中双层电容器30具有容量C(F)，充电时间为T(秒)，充电电流Ii具有相对充电时间T的平均值Ii′。晶体管Tr1和Tr2的集电极电阻R3和R5可以设置成较大的值，使放电控制器40的耗用电流减到足够小，与放电电流Io相比，可以忽略不计。

C·VS＝Ii′·T                                  (1)

放电特性(放电的电能)由下式表示：

C·VS＝Io·K·T                                 (2)

假设双层电容器30的电容C和太阳能电池2的电压VS不随重复进行的充放电变化，充电的电能则和放电的电能相等。这样，由等式(1)和(2)可以得到以下等式：

Ii′·T＝Io·K·T

∴Io＝Ii′/K                                    (3)

将占空比K＝1％(0.01)代入等式(3)，Io＝100·Ii′。由此可见，可以供给负载L的电流(放电电流)Io是充电电流Ii平均值(Ii′)的100倍。充电电能(充电时间)×充电电流)与放电电能(放电时间×放电电流)相等。因此，通过缩短放电时间可以增大释放的电流。尽管增大的电流(放电电流)是短时间的，但仍可以在间歇运动的每个周期供给负载。

接下来参照图4所示的时序图。图4A的时序图表示双层电容器30两端的电压VC。图4B的时序图表示双层电容器30的充电电流Ii以及供给负载L的负载电流Io(放电电流)。时间轴“t”的原点表示广告显示器1的电源开接通使太阳能电池2接受光照的那一刻时间。

双层电容器30两端的电压VC随时间常数而增大，后者取决于串联内阻及其本身的电容量，电压VC基本上可以达到太阳能电池2的输出电压VS(严格说来，由于反向电流阻止二极管的正向压降而稍低一些)。此时的充电电流Ii比形成峰值的太阳能电池2的输出电流IS低些。充电的电能由等式(1)表示，并由图4B所示的区域S2表示。此外，图4B还示出了充电电流Ii的平均值Ii′。

在负载不驱动时期T2(＝T-K·T)消逝后，放电控制器40的晶体管Tr3成为“导通”状态，将负载电流Io由输出端VOUT供给负载L。根据等式(3)，该负载电流Io是平均充电电流Ii′的100倍。在负载驱动时期T1(＝K·T)消逝后，重复进行双层电容器30的充电以及向负载L的放电。

随着反复的充放电，广告显示器1的电动机8被间歇地驱动，使得枢轴部件8a不断地撞击摆动件7的重物7b。于是，摆动件7呈间歇地摆动。此外，当作小熊眼睛的发光二极管7c也间歇地点亮，引起人们的注意。

第二个实施例

图5是一个经更改的广告显示器的整体透视图。

该广告显示器1a例如通过悬挂件50从荧光灯上悬挂下来。广告牌60a设置在旋转悬杆60的底部，后者连接到安装在显示器1a中的电动机8。采用该装置，电动机8在上述充放电周期内间歇地被驱动，使广告牌60a通过施转轴60在水平方向上间歇地旋转。处于间歇旋转的广告牌引起了人们的注意。电动机8、旋转轴80以及广告牌部分60a相当于本发明的输出部件。

根据该装置，太阳能电池2可以靠近光源设置，以实现较大的输出电流。由此减小了太阳能电池的面积，以减小广告显示器。

在上述第一和第二实施例中，电动机的负载和发光二极管构成了输出部件。但是，本发明并非局限于此，它可以用其它各种负载来构成输出部件。例如将一个发声部件用作负载，以间歇地发出声响。

以上描述了第一和第二个实施例，例举的广告显示器作为间歇运动装置，利用了太阳能电池系统。本发明还适用于其它类型的各种间歇运动装置。例如，本发明可以应用于太阳能车辆，用以间歇地操纵一个螺线管，以驱动其车轮。

本发明在不脱离其精神和基本特性的情况下，还可以用其它特定形式实施，因此，本发明的范围应当由所附权利要求书而并非由前述说明书所限定。

Claims (16)

1.一种用太阳能电池向负载供电的太阳能电池系统，包括：

用以将光能转变为电能的太阳能电池；

用以存储取自太阳能电池之电能的双层电容器；以及

放电控制器，用以在预定周期内使所述双层电容器间歇地向负载放电，同时向所述双层电容器充电，使放电时期短于充电时期，并使向负载放电的电流大于对双层电容器充电的电流。

2.如权利要求1所述的太阳能电池系统，其特征在于，所述太阳能电池由非晶硅制成。

3.如权利要求1所述的太阳能电池系统，其特征在于进一步包括串联连接于所述太阳能电池与所述双层电容器之间的反向电流阻止二极管。

4.如权利要求3所述的太阳能电池系统，其特征在于，所述反向电流阻止二极管包括一只肖特基二极管。

5.如权利要求1所述的太阳能电池系统，其特征在于进一步包括连接在所述太阳能电池与所述双层电容器之间的电压控制电路，所述电压控制电路把所述太阳能电池的输出电压控制得不超过所述双层电容器的最大额定电压。

6.如权利要求1所述的太阳能电池系统，其特征在于，放电时建立的T1/T设置在大致1％，其中T为每一个所述预定周期，T1为每一个所述预定周期内的负载驱动时间(放电时间)。

7.一种用以间歇驱动负载的间歇运行装置，包括：

用以将光能转换为电能的太阳能电池；

用以储存取自太阳能电池之电能的双层电容器；

由所述双层电容器供电驱动的输出装置；以及

放电控制装置，用以使所述双层电容器在预定的周期内间歇地向输出装置放电，同时向双层电容器充电，使放电时期短于充电时期，并使向输出装置放电的电流大于对双层电容器充电的电流。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述输出装置包括一个电动机。

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述输出装置包括发光二极管。

10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述输出装置包括发声装置。

11.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述输出装置包括螺线管。

12.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述电动机包括连接在其旋转轴上可绕枢轴旋转的部件，用以间歇地摆动一摆动件，所述摆动件装在外壳里可摆动，其重物接在其底部，在常态下呈直立状。

13.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述电动机包括从外壳向下延伸的旋转轴，并通过悬挂部件从室内灯具上悬挂下来，所述旋转轴具有附设在其底部的广告牌。

14.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述太阳能电池由非晶硅制成。

15.一种用以间歇驱动负载的间歇运行装置，包括：

用以将光能转换为电能的太阳能电池；

用以储存取自太阳能电池之电能的双层电容器；

串联连接在所述太阳能电池与所述双层电容器之间的反向电流阻止二极管，用以阻止电能的反向电流从所述双层电容器流向所述太阳能电池；

由所述双层电容器供电驱动的电动机；

连接到所述电动机的旋转轴上可绕枢轴旋转的部件；

一摆动件，有一重物接在其底部，在常态下呈直立状，所述摆动件由所述可绕枢轴旋转的部件摆动，以及

放电控制装置，用以使所述双层电容器在预定的周期内间歇地向所述电动机放电，同时向双层电容器充电，使放电时期短于充电时期，并使向所述电动机放电的电流大于对双层电容器充电的电流。

16.一种用以间歇驱动负载的间歇运行装置，包括：

用以将光能转换为电能的太阳能电池；

用以储存取自太阳能电池之电能的双层电容器；

串联连接在所述太阳能电池与所述双层电容器之间的反向电流阻止二极管，用以阻止电能的反向电流从所述双层电容器流向所述太阳能电池；

由所述双层电容器供电驱动的电动机；

将所述太阳能电池设置在其上表面的盒体，所述盒体内包含所述双层电容器、所述反向电流阻止二极管和所述电动机；

连接到所述电动机的旋转轴并从所述盒体向下延伸的广告牌；

用以将所述盒体从室内照明灯悬挂下来的悬挂装置；以及

放电控制装置，用以使所述双层电容器在预定的周期内间歇地向所述电动机放电，同时向双层电容器充电，使放电时期短于充电时期，并使向所述电动机放电的电流大于对双层电容器充电的电流。

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