CN217362643U - 基于光伏蓄电及昼夜判断的超级电容充放电切换电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于光伏蓄电及昼夜判断的超级电容充放电切换电路。其结构包括光伏电池、超级电容、昼夜判断电路和充放电切换电路。昼夜判断电路中，利用光伏电池的光敏特性，可根据随光照强弱光伏电池具有不同的输出电压判断当前时刻是“白天”还是“夜晚”。“白天”时，光伏电池作为光电转换器件，由光伏电池为超级电容充电，“夜晚”时，由充放电切换电路切换为超级电容放电，由超级电容为负载供电。本实用新型很好地结合了太阳能和超级电容的优势，利用光伏电池白天发电并储存在超级电容中，夜晚由超级电容给用电设备供电。光伏电池产生的能量蓄积在超级电容里，可以有效的提高系统的太阳能利用率。

Description

基于光伏蓄电及昼夜判断的超级电容充放电切换电路

技术领域

本实用新型涉及光伏电池技术领域，具体地说是一种基于光伏蓄电及昼夜判断的超级电容充放电切换电路。

背景技术

光伏电池组件和蓄电池结合的方式供电，广泛用于户外照明控制、交通灯控制、防盗监测报警等领域。现有技术中可用来对太阳能进行充放电的蓄电池包括铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池、胶体蓄电池和碱性镍镉蓄电池。铅酸蓄电池通过铅及铅的氧化物与硫酸溶液的反应来充放电，在电动车中应用较为常见，其性能易下降、易产生极化、硫化现象，充电时间长且污染性高。即使铅酸免维护蓄电池相比普通铅酸蓄电池而言对环境的污染较少，但其仍不可避免地存在一定的污染。因此，现有的蓄电池存在充电时间长、高污染、长期使用性能下降等问题。

太阳能是可再生、绿色环保型能源，但利用其充电时电压较不稳定，而且有时一整天阳光都很充足，有时又会遇到连续的阴雨天，故需要选用的储能器件的过充放电能力要强，循环寿命要强。而且，基于节能环保的理念，储能器件还要具备清洁无污染的特性，可靠性也得高。

实用新型内容

本实用新型的目的就是提供一种基于光伏蓄电及昼夜判断的超级电容充放电切换电路，通过将光伏电池与超级电容相结合，光照充足时由光伏电池为超级电容充电，光照不足时切换为超级电容放电以给用电设备供电。

本实用新型是这样实现的：一种基于光伏蓄电及昼夜判断的超级电容充放电切换电路，包括光伏电池、超级电容、昼夜判断电路和充放电切换电路。

所述昼夜判断电路包括稳压电路和电压比较电路；所述稳压电路设置在光伏电池和超级电容之间，即：稳压电路的输入端与光伏电池的输出端相接，稳压电路的输出端与超级电容的非接地端相接（具体是：超级电容的非接地端通过一个二极管与稳压电路的输出端相接，且二极管的正极连接稳压电路的输出端，二极管的负极连接超级电容的非接地端，超级电容的非接地端也称超级电容的正极），光伏电池输出的电压经所述稳压电路后被稳定在设定范围内；所述电压比较电路包括运算放大器及由四个电阻组成的外围电路，光伏电池输出的电压经分压后与运算放大器的同相输入端相接，稳压电路输出的电压经分压后与运算放大器的反相输入端相接。运算放大器的输出端与充放电切换电路相接。

所述充放电切换电路包括三极管Q1和三极管Q2，运算放大器的输出端与三极管Q2的基极相接，三极管Q2的集电极与三极管Q1的基极相接，三极管Q2的发射极和三极管Q1的发射极均接地，三极管Q1的集电极与负载电路相接；三极管Q1的基极通过一电阻与超级电容的非接地端相接。

优选的，所述稳压电路包括稳压模块78L05，稳压模块78L05的输入端和输出端分别通过一滤波电容接地，稳压模块78L05的接地端通过一个二极管接地，且该二极管的正极与稳压模块78L05的接地端相接。

优选的，稳压电路的输出端通过一定值电阻和一可调电阻与运算放大器的反相输入端相接，且运算放大器的反相输入端连接可调电阻。

优选的，所述运算放大器的型号为LM324，所述三极管Q1和三极管Q2的型号均为8050。

优选的，所述超级电容是容量为10F、额定电压为5.5V的超级电容。

本实用新型基于节能环保的理念，能源部分采用光伏太阳能，储能器件采用绿色环保的超级电容。超级电容也称电化学电容器，是一种新兴的储能器件，其容量可达到上万法拉级。与传统蓄电池相比，其不涉及任何化学反应，且具有优良的脉冲充放电性能和大容量储能性能。超级电容因其功率大、质量轻、无污染、可多次充放电等优点而成为一种新型的绿色环保储能器件。

利用光伏电池白天发电并储存在超级电容中，夜晚由超级电容给用电设备供电。工作稳定可靠、便携、免维护、环保无污染、使用寿命长。光伏电池作为光电转换器件，白天将太阳能转换为电能，为超级电容充电。夜晚光伏电池不工作，充放电切换电路切换为超级电容供电。光伏电池同时还作为光敏元件判断当前光照情况，利用其随光照不同而输出不同电压的特点，判断是否切换为超级电容供电。

本实用新型很好地结合了太阳能和超级电容的优势，利用光伏电池白天发电并储存在超级电容中，夜晚由超级电容给用电设备供电。光伏电池产生的能量蓄积在超级电容里，可以有效的提高系统的太阳能利用率。

附图说明

图1是本实用新型中基于光伏蓄电及昼夜判断的超级电容充放电切换电路的具体电路图。

具体实施方式

本实用新型所提供的基于光伏蓄电及昼夜判断的超级电容充放电切换电路包括光伏电池（或称太阳能电池）、超级电容、昼夜判断电路和充放电切换电路。

本实用新型将光伏电池和超级电容结合起来使用。超级电容的容量可达到上万法拉级，与传统蓄电池相比具有优良的脉冲充放电性能和大容量储能性能，不涉及化学反应、生产和使用过程无污染、可多次充放电，且体积小，是一种新型的绿色环保储能器件。基于节能环保的理念，能源部分采用太阳能。光伏电池一方面作为光电转换器件将光能转换为电能，另一方面作为光敏元件判断当前的光照情况，利用其随光照不同而输出不同电压的特点，判断是否切换为超级电容供电。如果白天光照充足，则由光伏电池为超级电容充电；本实用新型的应用场景为在夜间为负载供电，因此白天无需光伏电池为负载供电。如阴天或夜晚，则切换为超级电容放电，由超级电容给用电设备（或称负载）供电。

由于光伏电池既非恒压源，也非恒流源，也不可能为负载提供任意大的功率，是一种非线性直流电源。因此若充电电压超过超级电容的最大限压则会烧毁超级电容。另外光伏电池发出的电压成非线性，忽高忽低，这也会在一定程度上影响超级电容的使用寿命。所以电路设计时不能直接将光伏电池接在超级电容两端，需考虑限压和稳压的电路设计。

另外，需要设计电路实现根据环境光线变化来切换超级电容的充放电功能，本实用新型中采用光伏电池本身作为光敏元件，利用其随光照不同而输出不同电压的特点，判断光线强弱，实现超级电容充放电切换。

昼夜判断电路包括稳压电路和电压比较电路。

本实用新型采用光伏电池进行光电转换，并将其作为光敏元件，通过电压比较电路判断当前时刻为“白天”或“夜晚”。本实用新型中的“白天”指光线较为明亮的时间段，“夜晚”指晚上以及光线昏暗的时间段。“白天”，光伏电池将太阳能转换为电能，为超级电容充电。超级电容的作用是：白天光线充足时完成蓄电功能，夜晚或光线昏暗时作为供电电源为负载供电。本实用新型中超级电容的容量为10F，额定电压为5.5V。充电过程中当超级电容两端电压达到5V时，电压不再上升，即：超级电容充电结束。经实验测试，对于一个10F的超级电容而言，其充电时间为10~12分钟，夜晚持续待机时间8小时。“夜晚”，光伏电池不工作，通过超级电容为负载供电。

如图1所示，稳压电路包括稳压模块78L05、电容C1、电容C2以及二极管D1。稳压模块78L05设置在光伏电池和超级电容C3之间。电容C1、电容C2分别为稳压模块78L05输入端和输出端的滤波电容，稳压模块78L05的输入端通过电容C1接地，稳压模块78L05的输出端通过电容C2接地，稳压模块78L05的接地端通过二极管D1（型号为1N4007）接地，且二极管D1的正极与稳压模块78L05的接地端相接。二极管D1起到提升稳压模块78L05输出电压的作用。光伏电池的输出电压经稳压模块78L05稳压后，电压被稳定在+5.7V输出。稳压模块78L05的输出端和超级电容C3的正极（或称非接地端）之间连接有二极管D2（型号为1N4007），二极管D2的正极连接稳压模块78L05的输出端，二极管D2的负极连接超级电容C3的正极，二极管D2单向导通。为超级电容C3充电时，稳压模块78L05输出的5.7V的稳定电压经二极管D2后，保持在5V，这样保证了对超级电容C3稳定充电，且不会超过超级电容C3的电压上限。

本实用新型采用的是额定电压为17V的光伏电池，此电压既没有超过稳压模块78L05的最高输入电压，又能在外界光线较暗时有较高的电压输出，有利于系统的稳定运行。

电压比较电路包括运算放大器LM324及由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4组成的外围电路。电阻R1一端连接光伏电池输出端，另一端通过电阻R2接地；电阻R3一端连接稳压模块78L05的输出端，另一端通过电阻R4接地；电阻R4为可调电阻，其滑动端连接运算放大器LM324的反相输入端；电阻R1与电阻R2的连接节点与运算放大器LM324的同相输入端相接；运算放大器LM324的正、负电源端分别接稳压模块78L05的输出端和接地端。利用运算放大器LM324及其外围电路构成电压比较电路，运算放大器LM324的同相输入端电压U⁺由光伏电池的输出电压经电阻R1和电阻R2分压得到，运算放大器LM324的反相输入端连接基准电压V_REF，基准电压V_REF即是稳压模块78L05输出端的电压经电阻R3和电阻R4分压得到，调节电阻R4可设置适当的基准电压V_REF。光伏电池也作为光敏器件使用，其随光照不同而输出不同的电压。光伏电池输出的电压经电阻R1和电阻R2分压后，输入到运算放大器LM324的同相输入端，运算放大器LM324同相输入端的电压U⁺将随着光线的不同而有所变化。因此，通过运算放大器LM324等构成的电压比较电路来比较U⁺与V_REF的大小，当运算放大器LM324的同相输入端电压U⁺大于基准电压V_REF时认为此时为“白天”，为超级电容C3充电，反之为“夜晚”，切换为由超级电容C3为负载供电。

充放电切换电路包括三极管Q1和三极管Q2，通过三极管Q1和三极管Q2作为开关电路来驱动负载。三极管Q1和三极管Q2的型号为8050。运算放大器LM324的输出端连接三极管Q2的基极，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的集电极连接三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极连接负载电路。三极管Q1的基极还通过电阻R5与超级电容C3的正极相接。三极管Q1的集电极与负载电路相接（图中未示出）。二极管D2的正极连接稳压模块78L05的输出端，二极管D2的负极连接超级电容C3的非接地端，即二极管D2的负极通过超级电容C3接地。当稳压模块78L05的输出端电压与超级电容C3正极电压的差值U_d大于二极管D2的导通电压（0.7V）时，光伏电池为超级电容C3充电。持续充电一段时间后，当稳压模块78L05的输出端电压与超级电容C3正极电压的差值U_d小于等于二极管D2导通电压时，二极管D2关断，超级电容C3充电停止。

运算放大器LM324的同相输入端和反相输入端的电压进行比较，当同相输入端电压大于反相输入端电压时输出高电平，三极管Q2导通，导致三极管Q2集电极为低电平，此时三极管Q1截止，此时判断为“白天”，由光伏电池为超级电容C3充电。反之当运算放大器LM324的反相输入端的电压大于同相输入端的电压时，运算放大器LM324的输出端为低电平，三极管Q2截止，三极管Q1导通，此时判断为“晚上”，切换为超级电容C3为负载供电。因此，充放电切换电路是通过运算放大器LM324比较电压U⁺和基准电压V_REF而进行的切换。

光伏电池一方面进行光电转换，另一方面作为光敏元件，通过电压比较电路判断当前时间属于“白天”还是“夜晚”。光伏电池在不同的光照强度下输出不同的电压，当光线暗时产生的电压低，光线强时产生的电压高。“白天”，光伏电池将太阳能转换为电能，为超级电容充电。当超级电容两端电压达到+5V时，电压不再上升。“夜晚”，光伏电池不工作，切换为采用超级电容为负载供电。

据发明人的研究，切换时间点与太阳能光照有关，而冬天和夏天的光照不同，因此切换时间根据季节有所不同。发明人研究发现，6月份日落时间大约在19:30左右，一般在此时间过后即会切换为超级电容供电。当然，通过调整基准电压V_REF，也会改变切换时间点。

本实用新型中所述负载例如可以为热释电红外感应夜间报警电路或夜间景观灯等。当负载为热释电红外感应夜间报警电路时，经实验测试，对于10F的超级电容而言，其充电时间为10~12分钟，夜晚可持续待机8小时。若一个超级电容储存的电量不足以支持负载的用电量时，可以通过并联多个超级电容来实现。

本实用新型所采用的供能方式很好地结合了新型环保器件光伏电池和超级电容的优势。基于节能环保的理念，能源部分采用光伏电池，储能器件采用绿色环保的超级电容。利用光伏电池白天发电并储存在超级电容中，夜晚切换为超级电容供电。光伏电池产生的能量蓄积在超级电容里，可以有效地提高系统的太阳能利用率。利用光伏电池的光敏特性，设计了昼夜判断电路。利用其随光照不同而输出不同电压的特点，通过电压比较电路判断是否切换超级电容供电。本实用新型可广泛应用于户外夜间景观灯控制、夜间照明控制、夜间防盗报警等领域。

Claims (6)

1.一种基于光伏蓄电及昼夜判断的超级电容充放电切换电路，其特征是，包括光伏电池、超级电容、昼夜判断电路和充放电切换电路；

所述昼夜判断电路包括稳压电路和电压比较电路；所述稳压电路设置在光伏电池和超级电容之间，光伏电池输出的电压经所述稳压电路后被稳定在设定范围内；所述电压比较电路包括运算放大器及由四个电阻组成的外围电路，光伏电池输出的电压经分压后与运算放大器的同相输入端相接，稳压电路输出的电压经分压后与运算放大器的反相输入端相接；

所述充放电切换电路包括三极管Q1和三极管Q2，运算放大器的输出端与三极管Q2的基极相接，三极管Q2的集电极与三极管Q1的基极相接，三极管Q2的发射极和三极管Q1的发射极均接地，三极管Q1的集电极与负载电路相接；三极管Q1的基极通过一电阻与超级电容的非接地端相接；

超级电容的非接地端通过一个二极管与稳压电路的输出端相接，且二极管的正极连接稳压电路的输出端。

2.根据权利要求1所述的基于光伏蓄电及昼夜判断的超级电容充放电切换电路，其特征是，所述稳压电路包括稳压模块78L05，稳压模块78L05的输入端和输出端分别通过一滤波电容接地，稳压模块78L05的接地端通过一个二极管接地，且二极管的正极与稳压模块78L05的接地端相接。

3.根据权利要求1所述的基于光伏蓄电及昼夜判断的超级电容充放电切换电路，其特征是，所述稳压电路的输出端通过一定值电阻和一可调电阻与运算放大器的反相输入端相接，且运算放大器的反相输入端连接可调电阻。

4.根据权利要求1所述的基于光伏蓄电及昼夜判断的超级电容充放电切换电路，其特征是，所述运算放大器的型号为LM324。

5.根据权利要求1所述的基于光伏蓄电及昼夜判断的超级电容充放电切换电路，其特征是，所述三极管Q1和三极管Q2的型号均为8050。

6.根据权利要求1所述的基于光伏蓄电及昼夜判断的超级电容充放电切换电路，其特征是，所述超级电容是容量为10F、额定电压为5.5V的超级电容。

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