WO2005109622A1 - Solar power generation system - Google Patents

Description

太阳能发电系统 技术领域

本发明涉及一种太阳能发电系统， 更具体地， 本发明涉及一 种利用太阳能电池产生的电能直接向蓄电池组充电、并由蓄电池 提供直流输出或经由逆变器提供交流输出的太阳能发电系统。 背景技术

在典型的太阳能电池应用系统中，由太阳能电池向蓄电池组 充电以储存电能， 然后由蓄电池組直接向直流负载供电，或者蓄 电池组的直流输出经过直流-交流逆变器转换成交流输出从而 向交流负载供电。这种采用蓄电池组储存电能的应用系统能够在 有日照的白天储存太阳能电池产生的电能，并在夜晚或阴天对负 载供电， 从而满足电能使用上的需要。

现有技术的太阳能电池发电系统在太阳能电池和蓄电池组 之间包括电压转换器。

一种电压转换器的工作原理是将太阳能电池输出的可变电 压转换成预定的恒定电压向蓄电池组充电。例如，在日本专利特 开平 2 - 23042中公开了这样的充电系统。 所述预定的恒定电压 应当达到使蓄电池组充满的满充电压值。 然而，在环境光强超过 标准光强时， 太阳能电池的输出电压将高于规定充电电压， 为了 获得恒定的充电电压，电压转换器将高于规定充电电压的部分过 滤掉。 也就是说， 为了满足蓄电池的充电条件， 太阳能电池产生 的电能中的一部分被电压转换器舍弃， 而没有提供给蓄电池。结 果，提供恒定的充电电压的电压转换器的能量转换效率通常只能 达到 70%。

另一种电压转换器是利用脉宽调制控制的电压转换器。 例 如， 中国专利 CN97110965.6公开了一种太阳能充电系统，其中， 在太阳能电池和蓄电池組之间包括由斩波器和脉宽调制控制器 组成的电压转换器电路。所述斩波器将太阳能电池的直流电压转 换成预定的直流电压，所述脉宽调制控制器检测在不同日光条件 和环境温度下太阳能电池的最大功率输出参数，并对斩波器进行 脉宽调制控制，以使斩波器工作在太阳能电池的最大输出功率状 态下，从而能够在最大功率条件下对蓄电池组充电。这种电压转 换器能够实现与太阳能电池之间的最佳功率匹配，从而能够提高 充电效率。 然而，该电压转换器存在着电路复杂和增加成本的问 题。

此外， 在采用电压转换器的上述发电系统中， 太阳能电池、 电压转换器和蓄电池构成回路， 由于电压转换器的电阻分压效 应，从而减小了分配在蓄电池组上的充电电压， 因此降低了充电 效率。 也即， 电压转换器自身需要消耗太阳能电池产生的电能， 从而减少了提供给蓄电池的电能。

最简单的太阳能电池发电系统是将太阳能电池与蓄电池直 接连接。在这样的充电系统中， 太阳能电池的峰值输出电压应当 高于蓄电池的满充电压， 以使蓄电池充满。但由于缺少上述的包 括过电夺保护功能的电压转换电路，因此在太阳能电池的输出电 压过高时， 可能引起过充， 从而对蓄电池造成损害。

充电电压过高对蓄电池的损害包括： 失水严重， 电解质和极 板的消耗过快。其中导致蓄电池失效的主要原因是失水。 因此在 直接向蓄电池充电的发明系统中， 应解决蓄电池失水的问题。 发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种利用太阳能电池产生的 电能直接向蓄电池组充电并由蓄电池向负载提供电能的太阳能 发电系统。

根据本发明，提供一种太阳能发电系统， 包括： 太阳能电池， 蓄电池組和串联连接在所述太阳能电池和蓄电池组之间的二极 管，所述二极管的正极端和负极端分别连接到太阳能电池的正极 端和蓄电池的正极端， 从而由太阳能电池直接向蓄电池组充电， 其中该发电系统还包括连接在蓄电池上的补水装置，该补水装置 检测蓄电池的失水情况， 如果蓄电池的失水量达到极限值， 则由 该补水装置自动对蓄电池进行补水， 从而维持蓄电池的液面高 度。

采用本发明的太阳发电系统，通过利用补水装置对各种使用 电解液的蓄电池进行自动补水，可以避免蓄电池由于过度失水而 损坏，从而即使在蓄电池偶然被过充的情形下，也能够保证发电 系统的有效运行。 附图说明

图 1表示根据本发明的太阳能发电系统。

图 2表示在图 1 的太阳能发电系统中使用的蓄电池补水装 置。

图 3表示用于图 2所示蓄电池补水装置的控制电路。 具体实施方式

图 1表示根据本发明的太阳能发电系统。该太阳能发电系统 包括： 将太阳能转换成电能的太阳能电池 1 , 贮存电能的蓄电池 组 2， 和串联连接在太阳能电池 1和蓄电池组之间的二极管 3。 所述二极管. 3的正极端与太阳能电池 1的正极端电连接，负极端 与蓄电池组 2的正极端电连接，所述太阳能电池 1的负极与蓄电 池组 2的负极端电连接。二极管 3的作用是在太阳能电池 1的输 出电压低于蓄电池组 2的电压时提供防反充保护。

该发电系统还包括连接在蓄电池 2上的补水装置 4。 在太阳 能发电系统的运行期间， 该补水装置 4检测蓄电池的失水情况。 如果蓄电池的失水量达到极限值，则由该补水装置 4 自动对蓄电 池进行补水， 从而维持蓄电池的液面高度。

按照负载的需要， 可以由蓄电池组直接对负载提供直流输 出，或经过逆变器 5将蓄电池的直流输出转换成交流电压提供给 负载。 例如， 所述直流负载是工作在 12V直流电压下的高频无 极放电灯組件。

太阳能电池 1 例如可以是由多个单晶或多晶或非晶硅太阳 电池单体串联组成的太阳能电池组件。每个太阳能电池单体提供 的峰值电压约为 0.48V, 因此由 36个太阳能电池单体组成的太 阳能电池组件的峰值电压在 16.5V - 17.2V之间。 本说明书中所 称的峰值电压是指在标准光强条件下，太阳能电池单体在达到最 大输出功率时对应的输出电压。 对于标称电压为 12V的蓄电池 组（由 10节标称电压分别为 1.2V的单电池串联组成）， 为使蓄 电池组充满需要提供的满充电压约为 17.5V。 由于太阳能电池组 件的峰值电压稍小于蓄电池的满充电压， 因此， 如果直接采用 36个单体組成的太阳能电池组件对 12V的蓄电池充电， 则不可 能将蓄电池组充满。

本发明人发现， 如果减少蓄电池组中蓄电池的数目， 则太阳 能电池组件的输出电压就可能高于蓄电池组的满充电压，从而将 蓄电池组充满。 然而， 如果太阳能组件的输出电压过高， 则由于 相对于蓄电池组的标称电压而言采用了过多的太阳能电池单体， 从而提高了太阳能充电系统的成本。并且，在太阳能电池模块的 输出电压超过蓄电池的过充电压时，还会对蓄电池造成损害，甚 至可能缩短蓄电池的使用寿命。 因此，应当适当选择太阳能电池 模块的单体数目与蓄电池组中的蓄电池数目的比值，以使太阳能 电池模块的输出电压略高于蓄电池的满充电压。

优选地， 在本发明的发电系统中， 太阳能电池 1中单体的峰 值电压约为 0.48V, 蓄电池组 2中单电池的标称电压为 1.2V， 其 中組成太阳能电池 1的单体的数目 n与组成蓄电池组 2的单电池 的数目 m的比值 n/m在 3.5到 4.0的范围内。

此外， 在直接将蓄电池组作为太阳能电池的负载时， 还需要 选择蓄电池的内阻。正如本领域的技术人员公知的那样， 太阳能 电池的输出电压决定于负载电阻。单电池内阻的下限值可按标准 光强条件下太阳能电池单体输出电压 0.36 V来设置，从而保证太 阳能电池的输出电压不低于蓄电池的满充电压。

优选地，对蓄电池的选择还应考虑太阳能电池和蓄电池之间 的功率匹配。太阳能电池只有在最佳负载电阻条件下才能最大输 出功率。负载电阻值太大或太小都将引起太阳能电池的输出功率 的下降，从而降低整个充电系统的充电效率。 因此蓄电池组的内 阻应当选择在最佳负载电阻附近，以保证太阳能电池在最大输出 功率下对蓄电池组供电， 实现最佳充电效率。 优选地， 蓄电池组 中单电池内阻的上限值可按标准光强条件下太阳能电池单体最 大输出功率来设置，对应于 0.48V的输出电压。但是，应当理解， 即使太阳能电池单体输出电压达到 0.5V, 其输出功率也不会下 降很多。对于蓄电池組中单电池内阻的下限值的设置， 不仅要保 证太阳能电池达到足够的输出功率，还要保证太阳能电池的输出 电压不低于蓄电池的满充电压，实际上后者是决定下限值的关键 因素， 因此， 如上所述， 可以按标准光强条件下太阳能电池单体 的输出电压 0.36V来设置单电池内阻的下限值。

可以从市场上购得不同内阻值的蓄电池。 例如， 可从新乡太 行电源股份有限公司生产的太行牌蓄电池产品中选择所需内阻 值的蓄电池。

图 2表示根据本发明的蓄电池补水装置。在水箱 201中一次 性地预置足够体积的水，使得在蓄电池的寿命期内能够由水箱中 来补充蓄电池损失的水分。 在水箱的上部（预置液面之上， 该液 面如图 2的水箱 201中的虚线所示）包括连接空气管 211的上端 口 （未示出）， 在水箱的下部（预置液面之下） 包括连接注水管 208的下端口 （未示出） 。

在蓄电池 202的平衡孔盖 206上设置排气管 210, 该排气管 210经由单向阀 212连接到大气环境中， 从而能够将蓄电池内产 生的反应气体释放至大气中，避免由于内压过高而损坏电池， 同 时电池内部与大气隔绝，避免了电解液接触空气而变质。排气管 210和空气管 211彼此连通， 以保持水箱 201和蓄电池 202中的 压力平衡， 使得水箱中的水能够注入到蓄电池中。

尽管水箱和蓄电池内部的气体互通，但水箱在预先注入水后 保持就封闭起来， 园此蓄电池不能经由水箱接触到大气中的空 气， 从而保证了蓄电池与空气之间的隔离。

在蓄电池的注水孔上设置注水孔盖 207, 连接水箱的注水管 208穿过该盖进入到蓄电池 201内， 并插入到蓄电池的底部（工 作液面之下， 该液面如图 2的蓄电池 202中虚线所示）。 如上所 述， 由于水箱 201和蓄电池 202中的压力保持平衡， 因此在重力 的作用下水箱中的水可以流到蓄电池中。 在水箱 201 和蓄电池 202之间的注水管 208的路径上设置电磁阀 204, 以控制注水动 作。

由控制器 203控制电磁阀 204的打开和关闭。该控制器通过 导线连接到蓄电池的正负电极（图 2中用数字 205表示）， 从而 由蓄电池自身提供电力。

在蓄电池的平衡孔盖上还设置有液面传感器 209, 分别检测 3

蓄电池中电解液液面高度的下限和上限。在蓄电池不需要注水的 正常状态下（电解液液面高度如图 2的蓄电池 202中虚线所示）， 液面传感器 209 检测到电解液的液面位于下限值和上限值之间 的范围内。 当检测信号指示蓄电池的失水量达到预定值时，也即 液面传感器 209检测到电解液的液面低于下限值时， 控制器 203 打开电磁阀 204对蓄电池注水， 而在注水量足够时，也即液面传 感器 209检测到电解液的液面高于上限值时，控制器 203关闭电 磁阀 204以停止注水动作。

图 3表示用于图 2所示蓄电池补水装置中控制器 203的电路 图。 由蓄电池提供的 12V电源电压 VCC经过稳压器 301后得到 稳定的 8V电压 VDD， 该电压被提供给由两个与非门 303和 305 组成的 RS触发器 300。 该控制器电路还包括由电阻 309、 二极 管 310和电容器 311组成的开机清除电路， 以保证在开机时 RS 触发器 300的输出端为低电位。

液面传感器 209在图 3中表示成开关 209-1和 209-2 , 分别 指示液面的下限值和上限值。例如， 液面传感器 209可以包括浮 在液面上的浮块， 当液面下降到低于下限值时，该浮块触发下限 值开关 209-1， 相反， 当液面上升到高于上限值时， 该浮块触发 上限值开关 209-2。

在不需要补水的正常状态下， 开关 209-1和 209-2都处于断 开状态，由于开机清除电路在开机时将触发器 300输出电压设置 在低电平， 因此在此状态下， 触发器 300 输出低电平， 电磁阀 204不动作。 当蓄电池中由于失水而导致电解液液面下降时， 如 果浮块到达下限值开关的位置， 则开关 209-1 闭合， 并且开关 209-2断开， 触发器 300输出高电平， 并经由整流二极管 306和 P艮'流电阻 307将该高电平提供给驱动晶体管 308， 使得驱动晶体 管 308导通并打开电磁阀以进行注水。当液面上升时，开关 209-1 断开， 同时开关 209-2也断开， 触发器 300仍维持高电平， 并继 续注水。 如果浮块到达上限值开关的位置， 则开关 209-2闭合， 触发器输出低电平，驱动晶体管 308断开，使电磁阀关闭从而停 止注水。 因此， 采用该控制器， 可以将蓄电池 202中的液位保持 在由液面传感器 209限定的下限值和上限值之间的范围内。

作为上述实施方式的变更， 注水管 208、 液面传感器 209和 排气管 210还可以设置在同一个盖上， 例如注入孔盖 207上， 通 过同一个注水孔进入到蓄电池内，从而可以将本发明应用至只有 注入孔、 并在注水孔盖上设置排气孔的蓄电池。

在一种实施方式中，可以将补水装置和相应的蓄电池封装成 一个整体， 形成蓄电池组件。 由于补水装置中的控制器由蓄电池 自供电， 因此该蓄电池组件可以独立地运行， 不需要外接电源。

在另一种实施方式中，本发明可以包括多个蓄电池组成的蓄 电池组， 分别为各个蓄电池提供水箱、 控制器、 液面检测器和注 水管。

作为上述实施方式的变更，本发明可以包括多个蓄电池组成 的蓄电池组，分别为各个蓄电池提供液面检测器和注水管，但该 蓄电池组共用一个水箱和一个控制器。

从以上实施方式可以看出，本发明不需要对蓄电池内部进行 任何变更， 注水管、液面传感器和排气管可以设置在原有蓄电池 平衡孔或注水孔或二者的盖子上，因此可以容易地将本发明应用 到传统蓄电池中。

由于采用上述补水装置，本发明可以利用太阳能电池直接对 蓄电池充电。其中， 允许太阳能电池的输出电压超过蓄电池的过 充电压， 充电电压过高导致的失水可以由补水装置自动进行补 偿， 从而保证太阳能发电系统的稳定运行。

在本发明的优选实施方式中， 不仅采用补水装置， 而且设置 组成太阳能电池 1的单体的数目 n与组成蓄电池组 2的单电池的 数目 m的比值 n/m在 3.5到 4.0的范围内，使得太阳能电池的输 出电压仅稍稍超过蓄电池的满充电压，在大多数时间内蓄电池的 充电过程都在低于过充电压的安全电压范围进行。即使在强烈的 光照条件和其它因素作用下，太阳能电池的输出电压偶然超过过 充电压，造成蓄电池的严重失水，也可以由补水装置自动向蓄电 池内注水， 从而保证蓄电池的有效运行。

在本发明的更优选实施方式中， 进一步选择蓄电池的内阻 值， 使得太阳能电池单体在标准光强条件下的输出电压约为' 0.48V, 以使太阳能电池的输出功率最大， 实现最佳的充电效率。

本领域的技术人员应认识到，尽管对本发明进行了详细的描 述，但显然对本领域的技术人员而言，本发明可以按不同的具体 形式来具体实施， 可以进行各种改变、 替换、 变更， 而不背离本 发明的精神和范围。因此所描述的实施方式只是示例性而不是限 制性的， 本发明的范围仅由权利要求限定。

Claims

1. 一种太阳能发电系统， 包括太阳能电池、 蓄电池组和串 联连接在所述太阳能电池和蓄电池组之间的二极管，所述二极管 的正极端和负极端分別连接到太阳能电池的正极端和蓄电池的 正极端，

其中， 由太阳能电池直接向蓄电池组充电， 并且该发电系统 还包括连接在蓄电池上的补水装置，该补水装置检测蓄电池的失 水情况，如果蓄电池的失水量达到极限值， 则由该补水装置自动 对蓄电池进行补水， 从而维持蓄电池的液面高度。

2. 根据权利要求 1的太阳能发电系统， 其中所述补水装置 包括： 用于对所述蓄电池供水的水箱， 所述水箱和所述蓄电池内 部的气体互通； 设置在供水管路上的电磁阀； 设置在所述蓄电池 中的液面传感器；用于处理液面传感器的检测信号以控制电磁阀 的打开和关闭的控制器，

其中在所述液面传感器检测到蓄电池中的液面下降达到下 限值时， 所述控制器打开电磁阀从而向蓄电池中注水，在所述液 面传感器检测到蓄电池中的液面上升达到上限值时，所述控制器 关闭电磁阀从而停止注水。

3. 根据权利要求 2的太阳能发电系统， 其中在向所述水箱 中注入预置水量的水后， 封闭水箱， 使其仅与蓄电池连通。

4. 根据权利要求 3的太阳能发电系统， 其中所述补水装置 还包括设置在所述排气管上的单向阀，以允许向大气中排放蓄电 池产生的气体， 并防止大气中的空气进入蓄电池内部。

5. 根据权利要求 1至 4中任一项的太阳能发电系统， 其中 将组成所述太阳能电池的单体的数目 n 与组成蓄电池组的单电 池的数目 m的比值 n/m在 3.5到 4.0的范围内。

6. 根据权利要求 5的太阳能发电系统， 其中进一步选择蓄 电池的内阻值，使得太阳能电池单体在标准光强条件下的输出电 压大于 0.36V并且小于 0.5V。

7. 根据权利要求 6中的太阳能发电系统， 其中进一步选择 蓄电池的内阻值，使得太阳能电池单体在标准光强条件下的输出 电压约为 0.48V, 以使太阳能电池的输出功率最大。

8. 根据权利要求 1至 4中任一项的太阳能发电系统， 其中 由蓄电池组直接对负载提供直流输出。

9. 根据权利要求 1至 4中任一项的太阳能发电系统， 其中 经过逆变器将蓄电池的直流输出转换成交流电压提供给负载。

10. 根据权利要求 9 的太阳能发电系统， 其中所述直流负 载是高频无极放电灯组件。