CN202696290U - 一种基于太阳能光伏系统中超级电容混合储能系统 - Google Patents

一种基于太阳能光伏系统中超级电容混合储能系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种基于太阳能光伏系统中超级电容混合储能系统。传统的蓄电池充电控制器一般采用的是三阶段充电方式，容易造成热失控、易损坏蓄电池。本实用新型中光伏阵列依次经过电压电流采样模块和模数转换器将数字信号反馈至单片机，单片机输出PWM信号使开关电路工作，开关电路控制光伏阵列与超级电容组之间的导通与关断，超级电容组经DC/DC模块后与储能电源并联，智能芯片控制DC/DC模块。在智能芯片控制下，储能电源充电的过程依次为：涓流充电、恒流充电、恒压充电和浮充充电。本实用新型采用储能电源与超级电容器组混合储能，结合超级电容功率密度高及铅酸蓄电池能量密度高的特点，提高储能系统性能。

Description

一种基于太阳能光伏系统中超级电容混合储能系统
技术领域
本实用新型属于新能源技术领域，涉及一种基于太阳能光伏系统中超级电容混合储能系统。
背景技术
随着能源短缺问题日益突出，太阳能、风能等新型无污染的替代能源应用日益受到重视。独立的太阳能照明系统因其结构简单、无需铺设电缆， 且搭建、携带较为方便等特点在照明领域有着广泛应用前景。
但目前急需解决的有铅酸蓄电池使用寿命较短及系统在弱光条件下充电能力不足这两大问题。系统储能元件铅酸蓄电池设计寿命约三年，但由于充电方式、存储方式以及人为等诸多因素的影响导致其使用寿命过短，需要经常更换， 不仅加大了使用成本也影响了系统的稳定性。另外大部分已使用的系统在弱光条件下充电能力不足，导致系统太阳能板利用率不高； 传统提高弱光充电能力的方法是采用组态优化控制来实现， 即根据外界光照强弱采用继电器控制太阳能板组件按照串联或并联等不同的组合方式给蓄电池充电， 确保太阳能板组件输出电压始终达到设定充电电压。专利CN201010125915.7提出了这样的充电方式，这种方法虽然可以实现弱光充电，但在组态变化的瞬间，电路输出电压波动较大，影响系统稳定性。此外，专利200620013904.9采用继电器控制，继电器的机械开关触点在工作较长时间后容易磨损失灵甚至引起误操作。
发明内容
本实用新型针对现有技术的不足，提出了一种考虑到蓄电池的充电特性，采用超级电容器和电池组合成混合储能系统。同时混合储能采用智能控制芯片实现蓄电池分段充放电控制管理。
本实用新型解决技术问题所采取的技术方案为：
本实用新型包括光伏阵列、电压电流采样模块、模数转换器、单片机、开关电路、超级电容组、DC/DC模块、智能芯片、储能电源和温度采用模块。光伏阵列依次经过电压电流采样模块和模数转换器将数字信号反馈至单片机，单片机根据光伏阵列的工作状况，输出PWM信号使开关电路工作，开关电路控制光伏阵列与超级电容组之间的导通与关断，超级电容组经DC/DC模块后与储能电源并联，在储能电源外部设置有温度采用模块，温度采用模块的输出端与智能芯片输入端信号连接，智能芯片控制DC/DC模块。
所述的储能电源为铅酸蓄电池或锂离子电池。
所述的超级电容组由多个超级电容串联而成，所述的超级电容为双电层超级电容。
本实用新型采用储能电源与超级电容器组混合储能， 结合超级电容功率密度高及铅酸蓄电池能量密度高的特点，提高储能系统性能。采用超级电容器组及升降压电路（DC/DC模块）来实现弱光条件下有效充电，并采用智能电池管理系统，实现对蓄电池智能化充电管理， 延长蓄电池使用寿命。同时超级电容器和储能电源并联，可以有效提高系统弱光充电能力。该实用新型经过实际测量，精度很高，且电路简单、成本低、容易实现。
附图说明
图1是本实用新型的电路结构示意图；
图2是本实用新型的充电原理图；
图3是温度补偿电路图；
图4是智能芯片输出脉冲与DC/DC模块输出波形图。
具体实施方式
下面结合实施例对实用新型作进一步说明。
如图1所示，本实施例包括光伏阵列、电压电流采样模块、模数转换器ADC、单片机、开关电路(由PMOS 管实现)、超级电容组、DC/DC、智能芯片、储能电源和温度采用模块。光伏阵列依次经过电压电流采样模块和模数转换器ADC将数字信号反馈至单片机，单片机根据光伏阵列的工作状况，输出PWM信号使PMOS 管工作，实现对光伏阵列的最大功率跟踪。超级电容组经DC/DC后与储能电源并联，在储能电源外部设置有温度采用模块，温度采用模块的输出端与智能芯片输入端信号连接，智能芯片控制DC/DC。本实施例中的储能电源选用12V，100Ah胶体密封铅酸蓄电池，也可以是锂离子电池，但是不局限于二者，其他储能电源也可以使用。
如图2所示，以智能芯片选择UC3909芯片为例，可以根据混合储能系统中蓄电池的状态实现涓流充电、恒流充电、恒压充电和浮充充电四个阶段合理充电。就四种状态说明如下：
状态1：涓流充电。
当蓄电池电压低于充电使能电压UT，充电器提供很小的涓流IT进行充电， IT一般约为0.01C（C为蓄电池容量）。
状态2：恒流充电。
当蓄电池的电压达到充电使能电压UT时， 充电器提供一个大电流IBULK对蓄电池进行恒流充电， 这一阶段是充电的主要阶段， 蓄电池端电压上升很快， 直至电压上升到过压充电电压UOC时进入恒压充电阶段。
状态3：恒压充电。
在此阶段，充电器提供一个略高于蓄电池额定值的电压UOC进行恒压充电， 电路的充电电流将按指数规律逐渐减小，直至电流大小等于充电终止电流IOCT（约为10%IBULK），蓄电池已被充满，充电器进入浮充充电状态。
状态4：浮充充电。
浮充充电阶段，充电器提供浮充电压UF对蓄电池以很小的浮充电流进行充电，以弥补蓄电池自放电造成的容量损失。同时由于蓄电池的浮充电压随温度变化而变化，因此需要选择与蓄电池相同温度系数的热敏电阻进行温度补偿， 确保在任何温度下都能以精确的浮充电压进行浮充充电。温度系数一般选择-3.5～-5mV/℃。
本实施例中浮充电压UF取13.8 V，充电使能电压UT取10.8V，过压充电电压UOC取14.7V，涓流充电电流IT取0.26 A，恒流充电电流IBULK取系统最大充电电流6.5A，过充终止电流IOCT取1A。
光伏系统中的铅酸蓄电池一般与太阳能板一起安装在户外， 而周围温度的变化对铅酸蓄电池的性能有重大影响，有研究表明，铅酸蓄电池的浮充电流对温度极为敏感，温度每变化10℃，浮充电流成倍增长，对于本实用新型中用到的蓄电池，根据厂家提供的参数，同一浮充电流下，其温度系数为- 3.9 mV/℃，也就是说如果要防止浮充电流增加，当温度升高1℃时，其浮充电压应该降低3.9mV，同理，当温度降低1℃时，其浮充电压应该升高3.9mV才能保持浮充电流不变。
在本实用新型所选用的智能芯片内部集成了具有铅酸蓄电池温度补偿功能的电路，如图3 所示，A1为电流/电压转换元件，其输入端分别接10kΩ普通电阻及10kΩ热敏电阻RTHM。A2与外接四个20 kΩ电阻组成差动运算放大电路。热敏电阻RTHM一般贴附在铅酸蓄电池的表面壳体用于检测其温度，形成所述的温度采集模块。当铅酸蓄电池内部温度变化时，通过热敏电阻RTHM的反馈使智能芯片的基准电压2.3V也随温度按3.9mV/℃的温度系数变化。从而确保铅酸蓄电池在浮充状态下准确工作于安全的浮充电压，保护了铅酸蓄电池。
本实施例中同时采用12个1.5V 4000F的双电层超级电容串联成额定电压18V，容量为330F的超级电容器组，由于本实施例中，我们把12V太阳能板在强光照射时其输出电压设计约为18 V，采用18V超级电容器组既可确保储能器件的安全同时可以充分吸收太阳能板输出能量，超级电容可选用无机、有机对称和非对称的超级电容。
本实施例中采用DC／DC技术来实现最大功率输出，PMOS管的高速导通与关断都会在输出端产生相应干扰谐波， 在太阳能板输出端及铅酸蓄电池间加上超级电容器组可以有效抑制干扰谐波，保证铅酸蓄电池平稳充放电，延长铅酸蓄电池使用寿命。
由于铅酸蓄电池只能工作在UT至UOC电压范围内（以12V铅酸蓄电池为例， 只能工作在10.8～14.7V之间）。相比之下， 由于超级电容器组可深度放电， 其工作电压可以设定在较低范围， 如该系统中设定超级电容器组的最低输出电压为6V。因此在弱光状态下，太阳能板的输出电压会高于超级电容器组端电压，确保输出电能被超级电容器组吸收储存，再由升降压电路DC／DC转换输出给铅酸蓄电池，即实现了弱光充电功能。
铅酸蓄电池的充电条件极为严格，在蓄电池的不同四个充电阶段下，其允许输入的电量不同，而太阳能板的输出受外界环境影响变化很大。当太阳能板输出的电量大于铅酸蓄电池当前工作状态下可接受的输入电量时， 多余的部分能量将保存在超级电容器组中；反之，当太阳能板输出的电量小于铅酸蓄电池可接受的输入电量时，超级电容器组内储存的电量可补偿不足输出给铅酸蓄电池。这样既可以确保铅酸蓄电池的平稳充电，延长使用寿命，也可以提高系统利用率。
如图4为仿真器中，当超级电容器组端电压为6V时，智能芯片脚输出脉冲及此时DC/DC 的输出波形。仿真显示，DC/ DC转换电路的输出较为平滑，且电压幅值为13.6V，属于设定输出电压范围，与实测效果基本相符，说明系统可以实现弱光充电功能。

Claims (4)

1. 一种基于太阳能光伏系统中超级电容混合储能系统，包括光伏阵列、电压电流采样模块、模数转换器、单片机、开关电路、超级电容组、DC/DC模块、智能芯片、储能电源和温度采用模块，其特征在于：光伏阵列依次经过电压电流采样模块和模数转换器将数字信号反馈至单片机，单片机根据光伏阵列的工作状况，输出PWM信号使开关电路工作，开关电路控制光伏阵列与超级电容组之间的导通与关断，超级电容组经DC/DC模块后与储能电源并联，在储能电源外部设置有温度采用模块，温度采用模块的输出端与智能芯片输入端信号连接，智能芯片控制DC/DC模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于太阳能光伏系统中超级电容混合储能系统，其特征在于：所述的储能电源为铅酸蓄电池或锂离子电池。
3.根据权利要求1所述的一种基于太阳能光伏系统中超级电容混合储能系统，其特征在于：所述的超级电容组由多个超级电容串联而成。
4.根据权利要求3所述的一种基于太阳能光伏系统中超级电容混合储能系统，其特征在于：所述的超级电容为双电层超级电容。
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