太陽能電池匹配電路及其實現方法
2023-05-19 23:47:31
專利名稱：太陽能電池匹配電路及其實現方法
技術領域：
本發明屬於電子技術和太陽能應用領域，涉及一種太陽能電池匹配電路
及其實現方法。
背景技術：
隨著全球能源的緊張，太陽能電池得到廣泛的研究與發展。太陽能電池在 沒有陽光時不能產生電能，為滿足用電器的持續需求，必須將太陽能電池的 電能存儲在儲能器件中(如鋰離子電池、鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池等 各種二次電池)。由於太陽能電池本身將光能轉換為電能的效率不高(一般小
於20%)，加上目前太陽能電池還較為昂貴，因此將太陽能電池輸出的電能高 效轉換存儲十分重要，是幾乎所有太陽能電源系統中都必須考慮的問題。
最初的太陽能存儲方式為將太陽能電池通過二極體後與二次電池並聯， 使太陽能電池的電能直接存儲於二次電池中。但當光強發生變化時，太陽能 電池輸出的電壓及阻抗都會發生顯著變化；光線較弱時，太陽能電池輸出的 電壓較低，當電壓低於電池的電壓時就不能繼續給二次電池充電，此時太陽 能電池的電能被白白浪費，因此這種直接將太陽能電池與二次電池並聯的儲 能方式效率較低。
ZL95106136.4提出了一種將太陽能電池輸出的電能直接存儲於雙層電容 器中方案，它只能通過放電控制器將雙層電容器中的電能間歇地向負載輸出， 其放電時間短於太陽能電池向雙層電容器的充電時間，由於雙層電容器的容 量有限，無法滿足太陽能電池電能的大容量存儲；又由於放電過程中，雙層電容器兩端的電壓是線性下降的，因此無法滿足負載對恆定電壓的需求。
CN1185584A提出了一種對隨入射到太陽能電池的太陽光強度和周邊溫 度而變化的最大功率點進行追蹤的檢測電路，根據檢測結果控制後續電路的 工作狀態。但該電路在光強較小、太陽能電池輸出功率較低時，無法使後續 電路轉換存儲，因此其效率仍然不高，且該電路較為複雜。
美國專利4873480中提出設立一個另外的獨立電池，通過該電池產生基準 電壓，將該基準電壓與太陽能電池輸出電壓比較，根據比較結果來控制後續 電路的工作狀態。但其存在問題由於太陽光強度是不斷變化的，造成太陽 能電池的輸出電壓、阻抗不斷變化，因此該電路不能在全部條件下轉換電能， 並且還必須有另一個獨立的電池，在長時間的工作中，該電池的性能變化會 影響電壓基準的變化，而難以保證其電路一直工作於最高效率狀態。
美國專利4916382中利用模擬數字轉換電路對太陽能電池的輸出電壓和 輸出電流進行轉換得到相應的數字數據，再利用微處理器進行處理，並根據 處理結果控制轉換電路工作於較高的轉換效率狀態，但該電路複雜，成本高， 並且仍然無法利用光強較低時太陽能電池輸出的低功率能量。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，提供一種太陽能電池匹配電路，該電路 可以在光強較弱時對太陽能電池輸出的低功率電能進行高效的轉換，並將其
存儲在二次電池中。
本發明為解決上述技術問題所採用的技術方案是
一種太陽能電池匹配電路，其特徵在於，太陽能電池和二極體D1串聯
後一端接地，另一端接儲能電容器的一端P點，儲能電容器的另一端Q點接儲能電池的正極，儲能電池的負極接地； 一電子開關和一儲能電感串接後一
端接P點，另-端接Q點，該電子開關包括一個控制端；比較器的一個輸入 端接P點，另一個輸入端接參考電壓Vref，該比較器的輸出端接電子開關的 控制端，二極體D2正端接地，負端接電子開關和儲能電感的連接點。
作為改進，該太陽能電池匹配電路還包括一光強探頭、 一溫度探頭和一 微處理器，光強探頭連接微處理器的一個輸入端，溫度探頭連接微處理器的 另一個輸入端，微處理器的輸出端控制所述的參考電壓Vref。
所述的儲能電容器為電解電容器、陶瓷電容器、超級電容器、雙電層電 容器、電化學電容器或混合電容器。
作為改進，所述的儲能電容器由多個電容器級聯組成。
電子開關為MOS管、IGBT、可關斷可控矽、繼電器或固態繼電器。
儲能電池為鋰離子電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鉛酸電池或免維護鉛酸 電池。
作為改進，所述比較器的輸出端和電子開關之間設置有驅動電路。 所述的二極體Dl和二極體D2為肖特基二極體。
該太陽能電池匹配電路還包括數模轉換電路，該數模轉換電路的輸入端 接所述微處理器的輸出端，該數模轉換電路輸出參考電壓Vref。
微處理器可以是單片機(如51系列)、DSP處理器、ARM處理器、 FPGA\CPLD電子系統等。
一種太陽能電池匹配電路實現方法，其特徵在於在太陽能電池正極和儲能電池正極之間設有一電容器；有一電子開關與儲能電感串聯後並接在電 容器兩端；從電路上講，電容放在太陽能電池負極與儲能電池負極之間也可 以。
根據太陽能電池實測的在最大功率輸出時光強、溫度與匹配電壓的曲線 獲得的當前光強和溫度對應的匹配電壓Vref;
當電容器的電壓高於參考電壓v,時，電子開關閉合，電容器通過電子
開關與儲能電感構成的迴路放電；
當電容器的電壓低於參考電壓VREF，電子開關斷開，儲能電感通過儲能 電池、二極體放電，電能轉存於儲能電池中。
以上兩個放電過程是周而復始的，而且根據當前溫度和光強的不同，參
考電壓V^F也是動態變化的。
實現本發明太陽能電池高效轉換存儲方案的技術原理為①先將太陽能 電池最大功率輸出算法固化到單片機中；②通過光強探頭、溫度探頭將光強 信號、溫度信號採集到單片機中，單片機根據最佳算法計算出一個最佳匹配 值，並以電壓(VREF)的形式輸出到比較器；③電容器電壓(Vc)也輸出到
比較器，Vc在太陽能電池充電過程中上升；④當Vc大於Vref吋，比較器翻
轉輸出信號，驅動器放大後推動電子開關閉合；⑤電容器通過電子開關與儲 能電感構成的迴路放電； 當Vc小於V,時，比較器又翻轉，電子開關斷開； ⑦儲能電感通過儲能電池、二極體放電；這樣電容器中的電能就轉存到儲能 電池中。通過控制電容器電壓值(Vc)，跟蹤太陽能電池的最佳輸出功率點， 使其始終工作在最大功率輸出狀態，從而達到太陽能電池與儲能電池之間阻 抗匹配、高效存儲的目的。本發明的冇益效果有
本發明所涉及的匹配電路，由於引入了比較器，並且比較器的輸入端的
參考電壓Vref可以根據光強和溫度調節，從而和太陽能電池的輸出電壓進行
匹配，再根據電子開關的導通和斷開並配合儲能電容和儲能電感能實現靈活 的充放電，克服了現有技術中無法利用光強較低時太陽能電池輸出的低功率 能量的缺點，從而最大限度地利用了太陽能電池的輸出，實現能量轉換和存
儲效率的提高。
圖1是本發明實施例的電路結構圖。
圖中標號說明太陽能電池(1) 、 二極體D1 (2)、儲能電容器(3)、 電子開關(4)、儲能電感(5)、儲能電池(6)、光強探頭(7)、溫度探 頭(8)、微處理器(9)、比較器(10)、驅動電路(11) 、 二極體D2 (12)
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步說明。 其實施例只是符合本發明技術內容的1個實例，本發明包含卻不限於下 述實施例所述的內容，即本實施例的內容不是對本發明的進一步限定。
關於本實施例所涉及到的元件的選擇①根據負載的電壓、功率需求選擇 適當的二次電池(6)，如12V、 9Ah的免維護鉛酸電池；②太陽能電池1選用12V30W單晶矽太陽能電池；③二極體D1 (2)選用MBR1545肖特基二極 管，以減小PN結上的壓降，降低功率損耗；④電容器3採用3隻2.7V20F的 雙電層電容器串聯，組成超級電容器組；⑤微處理器9選用單片機P89LPC935， 比較器10選用LM358，驅動電路11由9013三極體構成；⑥電子開關4用 CEP50P03型MOS管，儲能電感5用100tiH， 二極體D2 (12)採用MBR1545肖 特基二極體；⑦將12V30W單晶矽太陽能電池最大功率輸出算法固化到單片
電路工作過程①太陽能電池1的電能通過二極體2給超級電容器3、儲能電 池6充電；②微處理器(單片機)9將光強探頭7的太陽光強度信號、溫度探 頭(8)的環境溫度信號採集到單片機內部，並按照事先固化在單片機內部的 最佳匹配算法進行計算(所謂的最佳匹配算法，解釋如下由於不同類型的 太陽能電池甚至不同廠家同類型的太陽能電池產品，其最大功率輸出時對應 的匹配電壓有所不同，該電壓與光強、環境溫度有關。因此，實際應用本電 路時，需要針對不同類型太陽能電池在不同光強、不同溫度下的測試所得的 一組最佳匹配電壓，作出光強、溫度與最佳電壓曲線，將該曲線擬合的公式 輸入到單片機，然後根據實際測得的光強、溫度代入到公式求出最佳電壓。 實際上，也相當於在單片機中有個光強、溫度與最佳電壓的對應表，不同光
強、溫度就對應有不同的電壓值)，得到一個最佳的電壓匹配值V^H (數字
信號)並輸出至微處理器(單片機)9的輸出端，該電壓匹配值VreF1 (數字 信號)再經數猴(D、A)轉換電路輸出模擬電壓匹配值V腳到比較器10的輸入 端；隨著太陽能電池1對儲能電容器3的充電的進行，儲能電容器3的電壓 (Vc)逐漸上升；該電壓也送入到比較器10的輸入端，當Vc大於Vref吋， 比較器10翻轉，其輸出端輸出信號使驅動電路11工作，電子開關4接通，儲能電容器(超級電容器)3通過電子開關4、儲能電感5放電；儲能電容器
(超級電容器)3的電壓Vc下降，當Vc小於V,時，比較器10又翻轉回初
始狀態，驅動電路ll停止工作，電子開關4斷開；由於電感的續流特性，其
迴路中的電流不能瞬間消失，而以原電流方向繼續，因此存儲在儲能電感(5) 中的電能，就通過儲能電感)、儲能電池6、 二極體D2 (12)構成的迴路給 儲能電池6充電。存儲在儲能電容器(超級電容器)3中的電能就這樣通過電 子開關4、儲能電感5不斷地轉移到儲能電池6中。通過控制電容器兩端的電 壓值(Vc)，就可以跟蹤太陽能電池1的最佳輸出功率點，使其始終工作在 最大功率輸出狀態，從而達到高效匹配存儲的目的。
實際測量計算表明，該電路太陽能電池輸出電能的轉換存儲效率在90% 以上。
權利要求
1. 一種太陽能電池匹配電路，其特徵在於，太陽能電池和二極體D1串聯後一端接地，另一端接儲能電容器的一端P點，儲能電容器的另一端Q點接儲能電池的正極，儲能電池的負極接地；一電子開關和一儲能電感串接後一端接P點，另一端接Q點，該電子開關包括一個控制端；比較器的一個輸入端接P點，另一個輸入端接參考電壓Vref，該比較器的輸出端接電子開關的控制端，二極體D2正端接地，負端接電子開關和儲能電感的連接點。
2、 如權利要求l所述的一種太陽能電池匹配電路，其特徵在於，還包 括一光強探頭、 一溫度探頭和一微處理器，光強探頭連接微處理器的一個輸 入端，溫度探頭連接微處理器的另一個輸入端，微處理器的輸出端控制所述 的參考電壓Vref。
3、 如權利要求1所述的一種太陽能電池匹配電路，其特徵在於，所述 的儲能電容器為電解電容器、陶瓷電容器、超級電容器、雙電層電容器、電 化學電容器或混合電容器。
4、 如權利要求3所述的一種太陽能電池匹配電路，其特徵在於，所述 的儲能電容器由多個電容器級聯組成。
5、 如權利要求l所述的一種太陽能電池匹配電路，其特徵在於，電子 開關為MOS管、IGBT、可關斷可控矽、繼電器或固態繼電器。
6、 如權利要求1所述的一種太陽能電池匹配電路，其特徵在於，儲能 電池為鋰離子電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鉛酸電池或免維護鉛酸電池。
7、 如權利要求1所述的一種太陽能電池匹配電路，其特徵在於，所述 比較器的輸出端和電子開關之間設置有驅動電路。
8、 如權利要求l所述的一種太陽能電池匹配電路，其特徵在於，所述的二極體Dl和二極體D2為肖特基二極體。
9、 如權利要求1~8任一項所述的一種太陽能電池匹配電路，其特徵在 於，還包括數模轉換電路，該數模轉換電路的輸入端接所述微處理器的輸出 端，該數模轉換電路輸出參考電壓Vref。
10、 一種太陽能電池匹配電路實現方法，其特徵在於在太陽能電池正 極和儲能電池正極之間設有一電容器；或在太陽能電池負極和儲能電池負極 之間設有一電容器；有一電子開關與儲能電感串聯後並接在電容器兩端；根據太陽能電池實測的在最大功率輸出時光強、溫度與匹配電壓的曲線 獲得的當前光強和溫度對應的匹配電壓Vref;當電容器的電壓高於參考電壓VREF時，電子開關閉合，電容器通過電子 開關與儲能電感構成的迴路放電，電能被儲存於儲能電感中；當電容器的電壓低於參考電壓VREF，電子開關斷開，儲能電感通過儲能 電池、二極體放電，將儲能電感中的電能轉存至儲能電池。
全文摘要
本發明公開了一種太陽能電池匹配電路及其實現方法，其特徵在於，太陽能電池和二極體D1串聯後一端接地，另一端接儲能電容器的一端P點，儲能電容器的另一端Q點接儲能電池的正極，儲能電池的負極接地；一電子開關和一儲能電感串接後一端接P點，另一端接Q點，該電子開關包括一個控制端；比較器的一個輸入端接P點，另一個輸入端接參考電壓Vref，該比較器的輸出端接電子開關的控制端，二極體D2正端接地，負端接電子開關和儲能電感的連接點。該太陽能電池匹配電路的太陽能電池輸出電能的轉換存儲效率高，其效率在90％以上。
文檔編號H02J7/00GK101282044SQ20081003143
公開日2008年10月8日 申請日期2008年5月30日 優先權日2008年5月30日
發明者張仕財, 薦 李, 袁偉初 申請人:東莞市特龍金科能源科技有限公司