CN202334371U - 光伏电源控制器及光伏发电系统和独立光伏式农业大棚 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种光伏电源控制器，包括光伏电源控制电路，其设有太阳能输入端、太阳能直流输出端、蓄电池负载输出端和蓄电池端，光伏电源控制电路包括DC-DC变换电路和蓄电池充放电电路；本实用新型具有蓄电池过充电和过放电保护功能，能减少电能库仑损失，提高电能利用效率。本实用新型还公开了一种采用上述光伏电源控制器的光伏发电系统；本实用新型能减少电能库仑损失，提高电能利用效率，减少系统蓄电池的配置容量和设备投入，提高蓄电池使用寿命。本实用新型还公开了一种采用上述光伏发电系统的独立光伏式农业大棚；本实用新型能独立供电，提高电能利用效率，减少蓄电池和逆变器的配置容量，降低设备成本。

Description

光伏电源控制器及光伏发电系统和独立光伏式农业大棚
技术领域
本实用新型涉及太阳能发电领域，尤其涉及一种光伏电源控制器和采用该控制器的太阳能光伏发电系统。本实用新型还涉及一种独立太阳能光伏式农业大棚。
背景技术
随着经济的发展，常规化石能源日渐枯竭，对可再生能源的开发和利用迫在眉睫。传统太阳能发电是利用太阳能的热效应来加热工作介质，产生高温高压的水蒸汽驱动汽轮机带动发电机发电的。然而太阳能热发电技术的能量利用效率低、系统庞大复杂且成本较高。随着技术的进步，太阳能光伏发电成本越来越低，并已进入大规模的商业化应用阶段，太阳能光伏发电技术较太阳能热发电技术的能量利用效率高、系统简单。
常规的光伏电源控制器含太阳能输入端、蓄电池端、负载输出端，其内部简化电气结构示意图如图1，图中L是蓄能电感、D是续流和防反充二极管、Q1和Q2是电子开关(功率场效应管)、C是蓄能电容器、R1和R2是分压电阻。Q1受智能芯片的控制信号P1的作用可反复通/断，并可实现蓄电池的充电和过充电保护功能，以及最大功率点(MPPT)功能；Q2受智能芯片的控制信号P2的作用可通/断，实现蓄电池的放电和过放电保护功能。这使得在负载白天不用电或用电量很少的情况下，太阳能白天发的电能通过控制器太阳能输入端、经控制器DC-DC变换电路输出，绝大部分充进蓄电池存储，再在夜间供给负载，这样在蓄电池的充放电过程中产生大量的电能库仑损失(由蓄电池的充放电化学反应特性产生)；并且当蓄电池充满电实行过充电保护时，使并联在电路中的场效应管Q1连通将太阳能短接(或者使被串联在电路中的Q1断开)，使得太阳能发的电不能被利用，造成电能浪费。同时在负载白天用电过程中因光线变化导致太阳能发电量不稳定的情况下，会经常出现蓄电池电能的时充时放现象，这不但增加电能的库仑损失，降低光伏发电利用效率，还会导致蓄电池使用寿命缩短。
随着技术进步和市场需求，节能直流电器产品越来越普及，低压直流独立光伏式发电系统也越来越多。设计时为保证系统自给天数和可靠性时，一般将太阳电池的功率和蓄电池的容量都设计的较大，但太阳能发的电能大部分被充进蓄电池储存、再在用电时供给负载，仅有小部分可直接供给负载使用，这过程有大量的电能库仑损失，尤其在负载白天不用电(如照明系统)或很少用电的低压直流光伏发电系统中，电能的库仑损失量更大，如图2所示，图中虚心箭头表示白天时太阳能发电及系统用电情况，图中实心箭头表示夜间系统用电情况。
常规的太阳能农业大棚只是利用太阳光的光照条件和热效应，利用温室原理，在不利气候条件下制造一个有助于作物生长的室内环境，甚至在特定情况下需要用到电辅助加热升温、通风换气及降温、浇灌喷淋、湿度调节、营养液循环、植物生长灯照明等，所以需要消耗较多的电能，并且农业大棚一般建在地域空旷的地方，引电不方便。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种能减少电能库仑损失，提高电能利用效率的光伏电源控制器；
本实用新型的另一个目的在于提供一种能减少电能库仑损失，提高电能利用效率，减少系统蓄电池的配置容量和设备投入，提高蓄电池使用寿命的光伏发电系统；
本实用新型的第三个目的在于提供一种能独立供电，提高电能利用效率，减少蓄电池和逆变器的配置容量，降低设备成本的独立光伏式农业大棚。
为了达到第一个目的，本实用新型提供一种光伏电源控制器，包括光伏电源控制电路，所述光伏电源控制电路设有太阳能输入端、太阳能直流输出端、蓄电池负载输出端和蓄电池端，所述光伏电源控制电路包括由电感L1、场效应管Q3、续流二极管D1和蓄能电容器C1电性连接组成的DC-DC变换电路，以及由充电回路和放电回路组成的蓄电池充放电电路，所述充电回路由场效应管Q4、防逆流二极管D2、电阻R3和电阻R4电性连接组成，所述放电回路由场效应管Q5和防逆流二级管D3电性连接组成。
本实用新型的一种优选方案，所述光伏电源控制电路为共负极电路或者共正极电路。
本实用新型光伏电源控制器，既可实现最大功率点跟踪功能、蓄电池过充电和过放电保护功能，又可令太阳光线明亮时使用太阳能直流输出端的负载用电量仅来自太阳能电能的DC-DC变换输出，同时在夜间或光线昏暗时蓄电池又可为太阳能直流输出端供电；这样使得在白天负载用电量大的光伏发电系统中，对蓄电池充放电过程中的电能库仑损失量大大减少，提供了系统电能利用效率，也可减少系统蓄电池的配置容量和设备投入，同时可减少蓄电池白天的时充时放电现象，延长了蓄电池的使用寿命。
为了达到第二个目的，本实用新型还提供一种光伏发电系统，包括太阳能电池组件、直流负载、交流负载、蓄电池，还包括分别与太阳能电池组件、直流负载、交流负载、蓄电池电性连接的光伏电源控制器，所述光伏电源控制器的太阳能输入端与太阳能电池组件电性连接，所述光伏电源控制器的太阳能直流输出端与直流负载电性连接，所述光伏电源控制器的蓄电池负载输出端依次与逆变器、交流负载电性连接，所述光伏电源控制器的蓄电池端与蓄电池电性连接。
本实用新型光伏发电系统，既可为直流负载提供直流电源，又可为交流负载提供交流电源，增强了用电的灵活性；同时，当太阳光线明亮时使用直流输出端的负载用电量仅来自太阳能电能的DC-DC变换输出，在夜间或光线昏暗时蓄电池又可为直流输出端供电；这使得在白天负载用电量大的光伏发电系统中，蓄电池充放电过程中的电能库仑损失量大量减少，提高了系统电能利用效率，也可减少系统蓄电池的配置容量和设备投入；也可尽量避免负载在白天用电时因太阳能发电量不稳定而导致的蓄电池时充时放现象。
为了达到第三个目的，本实用新型还提供一种独立光伏式农业大棚，包括农业大棚和光伏发电系统，所述农业大棚设有通风换气窗、侧面采光玻璃窗和外围护结构，所述光伏发电系统向通风换气及降温、浇灌喷淋、湿度调节、营养液循环、LED植物生长灯、加热升温等用电设备提供稳定的电源。
所述太阳能电池组件为可透光结构，并作为农业大棚的采光顶。
所述农业大棚的采光顶是斜坡式结构。
所述农业大棚的四周围墙是热阻较大的外围护结构。
所述光伏发电系统与农业大棚是一体化安装结构。
所述独立光伏式农业大棚还包括用电优化系统，所述用电优化系统将负载分为白天电负载和夜间电负载，所述白天电负载包括通风换气及降温、浇灌喷淋、湿度调节、营养液循环、LED植物生长灯助长照明系统；所述夜间电负载包括加热升温、LED植物生长灯助长照明系统。
本实用新型独立光伏式农业大棚，充分结合了交/直流光伏发电系统和农业大棚两者供电和用电的互补性；节约了交/直流光伏系统太阳电池组件的安装场地，节省了农业大棚的采光顶材料，可透光的太阳电池组件既能吸收光能发电，又能透过光线为作物的生长提供合适的光照条件，同时可阻挡过多的对作物和人体有害的紫外线进入农业大棚内部；交/直流光伏发电系统与农业大棚一体化设计和安装提高了两者的使用性能；此外，农业大棚的用电量主要其中在白天，使得交/直流光伏发电系统一边发电、一边对外供电，蓄电池只要储存少量电能供农业大棚夜间使用，即使得大部分电能没有经过蓄电池的库仑损失而直接供给负载，系统供电和用电效率得到提高，同时也减少了交/直流光伏发电系统的蓄电池和逆变器的配置容量，降低成本。
附图说明
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明：
图1是常规光伏电源控制器的电路原理图
图2是常规低压直流光伏发电系统的示意图
图3是本实用新型光伏电源控制器共负极的电路原理图
图4是本实用新型光伏电源控制器共正极的电路原理图
图5是本实用新型光伏发电系统太阳能供电示意图
图6是本实用新型光伏发电系统蓄电池供电示意图
图7是本实用新型独立光伏式农业大棚的结构示意图
图8是本实用新型独立光伏式农业大棚的电气框图
图中标示说明：10-光伏电源控制电路；11-DC-DC变换电路；12-蓄电池充放电电路；13-太阳能输入端；14-太阳能直流输出端；15-蓄电池端；16-蓄电池负载输出端；20-农业大棚；21-通风换气窗；22-门；23-围墙；24-玻璃窗；25-采光顶；
具体实施方式
如图3所示为本实用新型光伏电源控制器共负极的电路原理图，具体包括太阳能输入端13、太阳能直流输出端14、蓄电池端15、蓄电池负载输出端16、电感L1、场效应管Q3、续流二极管D1、蓄能电容器C1、场效应管Q4、防逆流二极管D2、防逆流二极管D3、电阻R3、电阻R4、场效应管Q5。电波信号P4、P5是受电路的主控智能芯片控制的数字逻辑控制信号，电波信号P3是受主控智能芯片控制的脉宽调制(PWM)信号。
由电感L1、场效应管Q3、续流二极管D1、蓄能电容器C1构成DC-DC变换电路11负责将太阳能输入的电能变换为一合适的电能输出给后级电路。具体实施方式如下：1、当场效应管Q3受信号P3控制而导通时，太阳能电能经电感L1和场效应管Q3构成回路(后级电路被场效应管Q3短路)、为电感L1充电，电感L1的a端为正、b端为负；2、当场效应管Q3受信号P3控制而突然截止时，由电磁感应定律知电感L1会产生一个阻碍其自身磁通量减少的反向感生电动势，使得电感L1的a端为负、b端为正，恰好得到一个由电感L1的感生电动势与太阳能电源串联的电压，通过续流二极管D1给蓄能电容器C1充电；3、由于续流二极管D1的单向导通性，使得蓄能电容器C1上的电能不会倒回至DC-DC回路、并储存在蓄能电容器C1上；4、快速重复步骤1和2，由智能芯片并依照b点的电压调整PWM信号P3的占空比，即可在蓄能电容器C1上得到一个稳定的输出电压。
同时，由电感L1、场效应管Q3、续流二极管D1、蓄能电容器C1构成的DC-DC变换电路11可实现太阳能最大功率点跟踪(MPPT)功能。由全电路欧姆定律知当外部电路的有效输入电阻等于该电路电源的内阻时，该外部电路从电源获得的功率最大，也即电源的输出功率最大。通过调整PWM信号P3的占空比，令场效应管Q3调整单位时间流入DC-DC电路的电能，使得DC-DC变换电路的输入电阻与太阳能输入端的太阳能电池组件的内阻相等，使太阳能电池组件输出功率最大。实际操作时，可采用恒定电压控制法、观测扰动法、导纳增量法、基于梯度变步长的导纳增量法等方式来实现MPPT功能。
由上可知，太阳能直流输出端(即电容器C1两端)可维持一个输出电压稳定、输出功率最大的直流电源。
此外，由场效应管Q4、防逆流二极管D2、电阻R3、电阻R4、场效应管Q5构成蓄电池充放电电路12，充电回路由场效应管Q4、防逆流二极管D2、电阻R3和电阻R4电性连接组成，放电回路由场效应管Q5和防逆流二级管D3电性连接组成。d点的电流(即电容器两端的电能)可由导通的场效应管Q4、二极管D2流至e点，同时流至e点的电流既可流入蓄电池、对蓄电池充电，也可由导通的场效应管Q5对外放电；防逆流二级管D2的作用是使得蓄电池不会通过蓄电池的充电回路放电，防逆流二级管D3的作用是使得c点的电能不会通过蓄电池的放电回路给蓄电池充电。
由电阻R3和电阻R4串联构成的分压电路可对d点的电压采样得电压Vf，智能芯片通过判断Vf值和基准电压大小的关系，输出相应的信号P4和P5控制场效应管Q4和Q5导通或截止，实现蓄电池的过充过放保护。具体实施如下：1、当蓄电池电压过高时，信号P4控制场效应管Q4断开进行蓄电池的过充电保护；2、当蓄电池的电压过低时，信号P5控制场效应管Q5断开进行蓄电池的过放电保护；3、当蓄电池电压被充电到一定值(过放恢复电压)时，信号P5控制Q5导通使蓄电池可对外供电。
如图3所示，该光伏电源控制器共负极电路可使得太阳能电池组件在太阳光强度高时产生的电能，一部分从太阳能直流输出端输出，另一部分电能经过场效应管Q4、防逆流二极管D2给蓄电池充电，或再经场效应管Q5输出给蓄电池负载输出端。由于本充电电路设计特性使充电电压等于蓄电池过充保护电压时，即d点的电压大于e点的电压，c点电压大于e点的电压，所以在太阳光线明亮时，太阳能直流输出端的电能仅是来自该光伏电源控制电路的DC-DC变换电路输出。
图5是本实用新型光伏发电系统太阳能供电示意图，图中虚心箭头表示电能的流向情况。
如图3所示，在太阳光强度不高或黑夜时，太阳能电池组件产电量少或不产电，满足不了负载用电需求量，此时相当于外部负载电阻小，电源内部电阻大，由全电路欧姆定律知，DC-DC变换电路11的d点输出电压下降并低于e点电压(即c点电压低于蓄电池电压)，所以蓄电池可通过场效应管Q5、防逆流二极管D3经c点向太阳能直流输出端供电。同时，DC-DC变换电路11的续流二极管D1可防止蓄电池电流逆流，且d点电压低于e点电压，故不能给蓄电池充电。同时，蓄电池还可通过场效应管Q5经蓄电池负载输出端对外(即逆变器)供电。
图6是本实用新型光伏发电系统蓄电池供电示意图，图中虚心箭头表示电能的流向情况。
如图4所述示，本实用新型光伏电源控制器共负极电路与上述共正极电路的结构相似，仅是部分电子元器件连接方向变化，本实用新型光伏电源控制器共负极电路的分析类同上述，在此不在赘述。
如图7所示，农业大棚20采用斜坡式结构，太阳能电池组件安装于农业大棚20顶部，太阳能电池组件采用可透光结构、并作为农业大棚20的采光顶25；太阳能光伏发电系统与农业大棚20一体化设计、安装，农业大棚20设有通风换气窗21、用于侧面采光的玻璃窗24、门22和围墙23，围墙23采用热阻较大的外围护结构，侧面采光玻璃窗24可被电驱动打开或关闭；农业大棚20设有电辅助通风换气及降温、浇灌喷淋、湿度调节、营养液循环、LED植物生长灯、加热升温等用电设备。
白天时太阳能电池组件受太阳光辐射发电，通过光伏控制器供给用电负载或给蓄电池充电；太阳能电池组件既可吸收紫外线和强光、保护农业大棚20内部作物，还可透过太阳光满足农业大棚20内部作物生长需要的光照。白天农业大棚气温高时，通过电驱动通风换气窗或玻璃窗将农业大棚内部高温空气排出，并利用流动的空气散热降温；还可通过浇灌喷淋，以水降温(水蒸发时吸热)。由于作物的光合作用，农业大棚20内的CO2含量逐渐降低，并影响作物的光合作用效率和作物的生长速率，故需要及时通风换气，保证农业大棚20内的空气质量。白天时尽量完成农业大棚20内作物的浇灌喷淋、湿度调节、营养液循环、通风换气的作业。同时白天也进行LED植物生长灯进行作物助长照明，LED植物生长灯主要发出作物生长需要的红蓝光，加强作物的光和作用来达到作物助长的目的；LED植物生长灯采用低压直流驱动，光效高、寿命长，非常省电，可24小时工作，并可依外界光线自动调整亮度。
夜间气温降低时，可通过农业大棚20内电辅助加热升温设备升高室内气温，达到作物生长的合适温度，同时夜间也采用LED植物生长灯给农业大棚20内作物辅助光照，加速作物的生长。
如图8所示为独立光伏式农业大棚的电气框图，交/直流光伏发电系统通过直流母线、交流母线提供直流电源和交流电源给农业大棚，农业大棚内有电辅助通风换气及降温、浇灌喷淋、湿度调节、营养液循环、LED植物生长灯、加热升温用电设备。直流电源是引自光伏电源控制器的太阳能直流输出端(当用电电压和太阳能系统电压不匹配时，直流电源可引自连接在光伏电源控制器的太阳能直流输出端的DC-DC变换电路输出端)；交流电源是引自光伏发电系统的逆变器输出端。
由于现行市场及技术，交流用电设备种类多、技术成熟，直流用电设备种类少、技术有待发展，但直流用电比交流用电效率高，故农业大棚的电辅助通风换气及降温、浇灌喷淋、湿度调节、营养液循环、LED植物生长灯、加热升温用电设备可依具体特性，选择不同的工作电源。如LED植物生长灯因LED灯珠是低压直流工作的，故可选择直流电源。又如通风换气及降温设备采用直流变频驱动的电动机、加热升温设备采用低压安全的直流电源等。
同时采用了用电优化系统设计，有效地优化农业大棚各用电设备的工作时间段，如电辅助通风换气及降温、浇灌喷淋、湿度调节、营养液循环、LED植物生长灯尽量在白天工作，电辅助加热升温、LED植物生长灯在夜间工作，使得农业大棚的用电量大部分集中在白天，并尽量采用直流电源工作，从而减少了电能的库仑损失和逆变损失，也可减少交直流光伏发电系统的蓄电池和逆变器的配置容量，减少设备投入费用，还减少了蓄电池白天的时充时放电现象、延长了蓄电池的使用寿命，最终大幅度的节约了系统成本。
采用本实用新型光伏电源控制器的交/直流光伏发电系统和应用该系统的农业大棚，可有效减少电能库仑损失、提高用电效率，降低系统的蓄电池和逆变器的配置容量、减少设备投入费用。交直流光伏发电系统与农业大棚一体化设计及安装，节省了太阳能安装场地和农业大棚的采光顶材料，太阳能电池组件即可发电、滤除紫外线，又可透光、促进作物生长。结合交直流光伏发电系统和农业大棚的电辅助通风换气及降温、浇灌喷淋、湿度调节、营养液循环、LED植物生长灯、加热升温等用设备，可在不利气候条件下为农业大棚内的作物提供一个良好的生长环境，加速作物的生长速度，并可使作物反季节生产，提高作物生产效益。
以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种光伏电源控制器，包括光伏电源控制电路(10)，所述光伏电源控制电路(10)设有太阳能输入端(13)、太阳能直流输出端(14)、蓄电池负载输出端(16)和蓄电池端(15)，其特征在于：所述光伏电源控制电路(10)包括由电感L1、场效应管Q3、续流二极管D1和蓄能电容器C1电性连接组成的DC-DC变换电路(11)，以及由充电回路和放电回路组成的蓄电池充放电电路(12)，所述充电回路由场效应管Q4、防逆流二极管D2、电阻R3和电阻R4电性连接组成，所述放电回路由场效应管Q5和防逆流二级管D3电性连接组成。
2.根据权利要求1所述的光伏电源控制器，其特征在于：所述光伏电源控制电路(10)为共负极电路。
3.根据权利要求1所述的光伏电源控制器，其特征在于：所述光伏电源控制电路(10)为共正极电路。
4.一种光伏发电系统，包括太阳能电池组件、直流负载、交流负载、蓄电池，其特征在于：还包括分别与太阳能电池组件、直流负载、交流负载、蓄电池电性连接的如权利要求1所述的光伏电源控制器，所述光伏电源控制器的太阳能输入端与太阳能电池组件电性连接，所述光伏电源控制器的太阳能直流输出端与直流负载电性连接，所述光伏电源控制器的蓄电池负载输出端依次与逆变器、交流负载电性连接，所述光伏电源控制器的蓄电池端与蓄电池电性连接。
5.一种独立光伏式农业大棚，包括农业大棚(20)和光伏发电系统，所述农业大棚(20)设有通风换气窗(21)、门(22)、围墙(23)和侧面采光玻璃窗(24)，其特征在于：所述光伏发电系统采用如权利要求4所述的光伏发电系统，所述光伏发电系统向通风换气及降温、浇灌喷淋、湿度调节、营养液循环、LED植物生长灯、加热升温等用电设备提供稳定的电源。
6.根据权利要求5所述的独立光伏式农业大棚，其特征在于：所述光伏发电系统的太阳能电池组件为可透光结构，并作为农业大棚(20)的采光顶(25)。
7.根据权利要求6所述的独立光伏式农业大棚，其特征在于：所述农业大棚(20)的采光顶(25)是斜坡式结构。
8.根据权利要求5所述的独立光伏式农业大棚，其特征在于：所述农业大棚(20)的围墙(23)是热阻较大的外围护结构。
9.根据权利要求5所述的独立光伏式农业大棚，其特征在于：所述光伏发电系统与农业大棚(20)是一体化安装结构。
10.根据权利要求5至9项任一所述的独立光伏式农业大棚，其特征在于：还包括用电优化系统，所述用电优化系统将负载分为白天电负载和夜间电负载，所述白天电负载包括通风换气及降温、浇灌喷淋、湿度调节、营养液循环、LED植物生长灯助长照明系统；所述夜间电负载包括加热升温、LED植物生长灯助长照明系统。
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