專利名稱：一種獨(dú)立光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及獨(dú)立光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)，特別是以蓄電池和超級(jí)電容器為儲(chǔ)能器件的一種獨(dú)立光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
蓄電池自發(fā)明以來(lái)經(jīng)過(guò)一百多年的發(fā)展已經(jīng)成為一種十分成熟的儲(chǔ)能器件，其以價(jià)格便宜、安全性好、使用壽命長(zhǎng)、儲(chǔ)能多等優(yōu)點(diǎn)占據(jù)了很大的市場(chǎng)。目前蓄電池在汽車、 光伏系統(tǒng)、通信等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。超級(jí)電容器是一種新興的儲(chǔ)能器件，與傳統(tǒng)的電容器相比，超級(jí)電容器能量密度大3 4個(gè)數(shù)量級(jí)；與蓄電池及鋰電池相比，超級(jí)電容器有高的充放電速度、高功率密度和更長(zhǎng)的壽命。超級(jí)電容器是本世紀(jì)最有發(fā)展前景的儲(chǔ)能器件之一。獨(dú)立光伏系統(tǒng)作為新能源產(chǎn)業(yè)重要組成部分，近年來(lái)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。由于獨(dú)立光伏系統(tǒng)一般都是白天發(fā)電晚上用電，因此在獨(dú)立光伏系統(tǒng)中常采用蓄電池模塊作為儲(chǔ)能器件，用于儲(chǔ)存太陽(yáng)能電池發(fā)出的電能，因?yàn)樾铍姵鼐哂屑夹g(shù)成熟、價(jià)格便宜、安全性好、 儲(chǔ)能多等優(yōu)點(diǎn)。然而作為儲(chǔ)能的蓄電池也存在一定的缺點(diǎn)，比如在清晨和傍晚以及陰雨天氣等陽(yáng)光強(qiáng)度較弱時(shí)，太陽(yáng)能電池板發(fā)出的電能無(wú)法儲(chǔ)存到蓄電池當(dāng)中，導(dǎo)致了一定的能源浪費(fèi)。而如果長(zhǎng)期陰雨天氣，光伏系統(tǒng)夜晚將無(wú)法正常供電，而蓄電池也會(huì)處于欠充電狀態(tài)，影響其壽命。此外，向功率型負(fù)載供電時(shí)，供電瞬間會(huì)對(duì)蓄電池產(chǎn)生較大的沖擊，會(huì)影響蓄電池的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的解決現(xiàn)有獨(dú)立光伏系統(tǒng)中蓄電池單一儲(chǔ)能造成的能量利用率不高、 壽命短等技術(shù)問(wèn)題，提供一種能夠?yàn)槠胀肮β市拓?fù)載提供電能的獨(dú)立光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。為達(dá)上述目的，本發(fā)明設(shè)計(jì)了獨(dú)立光伏系統(tǒng)中蓄電池和超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能的方案，即以太陽(yáng)能電池為能量來(lái)源，采用蓄電池和超級(jí)電容器相結(jié)合作為儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過(guò)專用的控制系統(tǒng)針對(duì)蓄電池和超級(jí)電容器的儲(chǔ)能特點(diǎn)以及太陽(yáng)能電池發(fā)電特性進(jìn)行智能控制，彌補(bǔ)蓄電池單一儲(chǔ)能的缺點(diǎn)。本發(fā)明獨(dú)立光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)包括太陽(yáng)能電池板、與太陽(yáng)能電池板連接的蓄電池模塊、連接在蓄電池模塊兩端的負(fù)載、以及智能控制系統(tǒng)，所述太陽(yáng)能電池板還連接超級(jí)電容器模塊，所述智能控制系統(tǒng)分別連接所述太陽(yáng)能電池板、蓄電池模塊、超級(jí)電容器模塊和負(fù)載，用于檢測(cè)它們的狀態(tài)，進(jìn)而控制太陽(yáng)光強(qiáng)度低于預(yù)定值時(shí)由超級(jí)電容器模塊吸收太陽(yáng)能電池板發(fā)出的電能，太陽(yáng)光強(qiáng)度達(dá)到預(yù)定值時(shí)太陽(yáng)能電池板工作在最大功率點(diǎn)并向蓄電池模塊儲(chǔ)存電能，太陽(yáng)光強(qiáng)度持續(xù)低于預(yù)定值時(shí)由超級(jí)電容器模塊吸收太陽(yáng)能電池板發(fā)出的電能后轉(zhuǎn)儲(chǔ)到蓄電池模塊，以及在負(fù)載需要供電時(shí)超級(jí)電容器模塊和蓄電池模塊共同為負(fù)載提供能量。
進(jìn)一步，所述智能控制系統(tǒng)包括MCU、電壓電流檢測(cè)電路和第一 第四MOS管，所述電壓電流檢測(cè)電路實(shí)時(shí)檢測(cè)太陽(yáng)能電池板、蓄電池模塊和超級(jí)電容器模塊的充放電情況及荷電狀態(tài)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)組CU，MCU處理后輸出控制信號(hào)控制所述第一 第四MOS 管導(dǎo)通或截止，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電及對(duì)負(fù)載的供電。本發(fā)明還提供一種獨(dú)立光伏系統(tǒng)儲(chǔ)能方法，由智能控制系統(tǒng)控制超級(jí)電容器模塊在清晨、傍晚以及陰雨天氣時(shí)收集太陽(yáng)能電池板發(fā)出的電能、并轉(zhuǎn)儲(chǔ)到蓄電池模塊中，以及控制蓄電池模塊在太陽(yáng)光強(qiáng)度足夠時(shí)直接收集儲(chǔ)存太陽(yáng)能電池板發(fā)出的電能。進(jìn)一步，可以由超級(jí)電容器模塊和蓄電池模塊同時(shí)向負(fù)載提供電能，以減小向功率型負(fù)載供電時(shí)供電瞬間對(duì)蓄電池的沖擊，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。本發(fā)哪拉光伏混創(chuàng)諸t孫統(tǒng)具有以下有敲媒川其利用超級(jí)電容器收集清晨、傍晚以及陰雨天氣太陽(yáng)能電池發(fā)出的能量，并將能量轉(zhuǎn)儲(chǔ)到蓄電池中，有效解決了這些情況下太陽(yáng)強(qiáng)度較弱，無(wú)法對(duì)蓄電池充電的問(wèn)題，因此可以更充分的利用太陽(yáng)能電池發(fā)出的電能， 有效提高了能量利用率。同時(shí)使得在長(zhǎng)期陰雨天氣時(shí)，光伏系統(tǒng)夜晚也能供電，蓄電池不會(huì)處于欠充電狀態(tài)，不會(huì)影響其壽命。丨21由于超級(jí)電容器功率密度大，與蓄電池混合使用提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率密度，因此可用于向功率型負(fù)載供電，并可以減小供電瞬間對(duì)蓄電池的沖擊，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。


圖1是本發(fā)明獨(dú)立光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是其控制系統(tǒng)的電路原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明將超級(jí)電容器模塊和蓄電池模塊相結(jié)合，發(fā)揮各自的特長(zhǎng)，一方面可以收集清晨、傍晚以及陰雨天氣等陽(yáng)光較弱情況下太陽(yáng)能電池發(fā)出的能量，更充分的利用太陽(yáng)能電池發(fā)出的電能，另一方面對(duì)于功率型負(fù)載，該混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可以充分發(fā)揮超級(jí)電容器功率密度大的特點(diǎn)，減小對(duì)蓄電池的沖擊，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。參照?qǐng)D1，本獨(dú)立光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)包括太陽(yáng)能電池板1、超級(jí)電容器模塊3、蓄電池模塊4、智能控制系統(tǒng)2和負(fù)載5。太陽(yáng)能電池板1是能量來(lái)源。超級(jí)電容器模塊3和蓄電池模塊4組成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，與太陽(yáng)能電池板1連接。負(fù)載5與超級(jí)電容器模塊3和蓄電池模塊4連接。所述智能控制系統(tǒng)2分別連接所述太陽(yáng)能電池板1、蓄電池模塊4、超級(jí)電容器模塊3和負(fù)載5，用于檢測(cè)它們的狀態(tài)，進(jìn)而控制太陽(yáng)光強(qiáng)度低于預(yù)定值時(shí)由超級(jí)電容器模塊3吸收太陽(yáng)能電池板1發(fā)出的電能，太陽(yáng)光強(qiáng)度達(dá)到預(yù)定值時(shí)太陽(yáng)能電池板1 工作在最大功率點(diǎn)并向蓄電池模塊4儲(chǔ)存電能，太陽(yáng)光強(qiáng)度持續(xù)低于預(yù)定值時(shí)由超級(jí)電容器模塊3吸收太陽(yáng)能電池板1發(fā)出的電能后轉(zhuǎn)儲(chǔ)到蓄電池模塊4，以及在負(fù)載5需要供電時(shí)超級(jí)電容器模塊3和蓄電池模塊4共同為負(fù)載5提供能量。上述預(yù)定值滿足以下條件當(dāng)太陽(yáng)光強(qiáng)度低于該預(yù)定值時(shí)，太陽(yáng)光較弱，蓄電池模塊無(wú)法收集太陽(yáng)能電池板發(fā)出的電能， 當(dāng)太陽(yáng)光強(qiáng)度達(dá)到預(yù)定值時(shí)，蓄電池模塊才能收集儲(chǔ)存太陽(yáng)能電池板發(fā)出的電能。參照?qǐng)D2，智能控制系統(tǒng)2包括MCU、電壓電流檢測(cè)電路、第一 第四MOS管Ql Q4，所述電壓電流檢測(cè)電路實(shí)時(shí)檢測(cè)太陽(yáng)能電池板1、蓄電池模塊4和超級(jí)電容器模塊3的充放電情況及荷電狀態(tài)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)組CU，MCU處理后輸出控制信號(hào)控制所述第一 第四MOS管Ql Q4導(dǎo)通或截止，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電及對(duì)負(fù)載的供電。超級(jí)電容器模塊3和蓄電池模塊4之間設(shè)置電感L和防反二極管D1。MCU包括最大功率點(diǎn)跟蹤模塊，該模塊通過(guò)檢測(cè)太陽(yáng)能電池板1端電壓和蓄電池模塊4的充電電流，調(diào)整用于驅(qū)動(dòng)第二 MOS管Q2的PWM信號(hào)脈寬，使得太陽(yáng)能電池板1工作在最大功率點(diǎn)，提高太陽(yáng)能電池板1輸出功率。典型實(shí)施例中，MCU采用AVR公司生產(chǎn)的Atmega 16L單片機(jī)，第一和第二 MOS管 Q1、Q2采用IRF4905，第三和第四MOS管Q3、Q4采用IRF3205。第一和第二 MOS管Ql、Q2分別由MCU輸出的兩路PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)一級(jí)放大后驅(qū)動(dòng)，第三和第四MOS管Q3、Q4分別由MCU 輸出的另兩路PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后驅(qū)動(dòng)，放大電路可由TL494及TC44M實(shí)現(xiàn)。電壓檢測(cè)電路采用電阻分壓的檢測(cè)方式，電流檢測(cè)電路采用檢測(cè)主電路上小電阻 R電壓降的方式。本發(fā)明的控制方案為由智能控制系統(tǒng)2控制超級(jí)電容器模塊3在清晨、傍晚以及陰雨天氣時(shí)收集太陽(yáng)能電池板1發(fā)出的電能、并轉(zhuǎn)儲(chǔ)到蓄電池模塊4中，以及控制蓄電池模塊4在太陽(yáng)光強(qiáng)度足夠時(shí)直接收集儲(chǔ)存太陽(yáng)能電池板1發(fā)出的電能。由超級(jí)電容器模塊3 和蓄電池模塊4同時(shí)向負(fù)載5提供電能。具體講清晨太陽(yáng)光較弱時(shí)，無(wú)法對(duì)蓄電池模塊4 進(jìn)行充電，MCU發(fā)出控制信號(hào)通過(guò)第一 MOS管Ql的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)第一 MOS管Ql導(dǎo)通，用超級(jí)電容器模塊3吸收能量。當(dāng)陽(yáng)光漸漸增強(qiáng)，超級(jí)電容器模塊3被充滿，此時(shí)MCU發(fā)出PWM 信號(hào)通過(guò)第二 MOS管Q2和第三MOS管Q3的驅(qū)動(dòng)電路控制第二 MOS管Q2和第三MOS管Q3 的導(dǎo)通與關(guān)閉，使太陽(yáng)能電池板1向蓄電池模塊4充電，同時(shí)MCU通過(guò)檢測(cè)太陽(yáng)能電池板1 端電壓及電阻R上流過(guò)的電流，調(diào)整PWM信號(hào)脈寬，使得太陽(yáng)能電池板1工作在最大功率點(diǎn)，提高太陽(yáng)能電池板1輸出功率。傍晚，陽(yáng)光強(qiáng)度變?nèi)?，無(wú)法對(duì)蓄電池模塊4進(jìn)行充電，此時(shí)MCU控制第二 MOS管Q2和第三MOS管Q3將超級(jí)電容器模塊3中的部分能量轉(zhuǎn)移到蓄電池模塊4中，然后用超級(jí)電容器模塊3吸收太陽(yáng)能電池板1發(fā)出的能量，從而最大限度的儲(chǔ)存太陽(yáng)能電池板1發(fā)出的能量。陰雨天氣，陽(yáng)光長(zhǎng)時(shí)間較弱，則循環(huán)采用超級(jí)電容器模塊3 吸收能量然后轉(zhuǎn)儲(chǔ)到蓄電池模塊4的儲(chǔ)能方式進(jìn)行儲(chǔ)能。為負(fù)載5供電時(shí)，MCU發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)第二 MOS管Q2和第四MOS管Q4導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器模塊3和蓄電池模塊4共同為負(fù)載5供電，供電瞬間，超級(jí)電容器模塊3提供大部分電流，隨后超級(jí)電容器模塊3供電電流逐漸減小，蓄電池模塊4提供的電流逐漸增大，從而減小了接通瞬間對(duì)蓄電池模塊4 的沖擊，并提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率密度。實(shí)驗(yàn)采用尚德公司生產(chǎn)的210W多晶硅太陽(yáng)能電池板，尺寸為1482 mmX992 mmX35mm，采用兩個(gè)12V/50AH免維護(hù)蓄電池組成24V蓄電池模塊，采用兩個(gè)16. 2V/250F超級(jí)電容器模塊組成的32. 4V/125F超級(jí)電容器模塊，負(fù)載為MV/100W的無(wú)影燈泡，組成一個(gè)獨(dú)立光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明在早晨、傍晚和陰雨天氣這些陽(yáng)光較弱的情況下，均可以收集儲(chǔ)存太陽(yáng)能電池板發(fā)出的電能，而在這些陽(yáng)光較弱的情況下，現(xiàn)有采用蓄電池單一儲(chǔ)能的獨(dú)立光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)均無(wú)法收集儲(chǔ)存太陽(yáng)能電池板發(fā)出的電能。
權(quán)利要求
1.一種獨(dú)立光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括太陽(yáng)能電池板、與太陽(yáng)能電池板連接的蓄電池模塊、連接在蓄電池模塊兩端的負(fù)載、以及智能控制系統(tǒng)，其特征是所述太陽(yáng)能電池板還連接超級(jí)電容器模塊，所述智能控制系統(tǒng)分別連接所述太陽(yáng)能電池板、蓄電池模塊、超級(jí)電容器模塊和負(fù)載，用于檢測(cè)它們的狀態(tài)，進(jìn)而控制太陽(yáng)光強(qiáng)度低于預(yù)定值時(shí)由超級(jí)電容器模塊吸收太陽(yáng)能電池板發(fā)出的電能，太陽(yáng)光強(qiáng)度達(dá)到預(yù)定值時(shí)太陽(yáng)能電池板工作在最大功率點(diǎn)并向蓄電池模塊儲(chǔ)存電能，太陽(yáng)光強(qiáng)度持續(xù)低于預(yù)定值時(shí)由超級(jí)電容器模塊吸收太陽(yáng)能電池板發(fā)出的電能后轉(zhuǎn)儲(chǔ)到蓄電池模塊，以及在負(fù)載需要供電時(shí)超級(jí)電容器模塊和蓄電池模塊共同為負(fù)載提供能量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獨(dú)立光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征是所述智能控制系統(tǒng)包括 MCU、電壓電流檢測(cè)電路和第一 第四MOS管，所述電壓電流檢測(cè)電路實(shí)時(shí)檢測(cè)太陽(yáng)能電池板、蓄電池模塊和超級(jí)電容器模塊的充放電情況及荷電狀態(tài)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)組CU，MCU 處理后輸出控制信號(hào)控制所述第一 第四MOS管導(dǎo)通或截止，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電及對(duì)負(fù)載的供電。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的獨(dú)立光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征是所述超級(jí)電容器模塊和蓄電池模塊之間設(shè)置電感和防反二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的獨(dú)立光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征是所述MCU包括最大功率點(diǎn)跟蹤模塊，該模塊通過(guò)檢測(cè)太陽(yáng)能電池板端電壓和蓄電池模塊的充電電流，調(diào)整用于驅(qū)動(dòng)第二 MOS管的PWM信號(hào)脈寬，使得太陽(yáng)能電池板工作在最大功率點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的獨(dú)立光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征是所述MCU采用AVR公司生產(chǎn)的Atmega 16L單片機(jī)，第一和第二 MOS管采用IRF4905，第三和第四MOS管采用IRF3205。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的獨(dú)立光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征是所述第一和第二MOS管分別由MCU輸出的兩路PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)一級(jí)放大后驅(qū)動(dòng)，第三和第四MOS管分別由MCU輸出的另兩路PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)TL494及TC44M放大后驅(qū)動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的獨(dú)立光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征是電壓檢測(cè)電路采用電阻分壓的檢測(cè)方式，電流檢測(cè)電路采用檢測(cè)主電路上小電阻電壓降的方式。
8.—種獨(dú)立光伏系統(tǒng)儲(chǔ)能方法，其特征是由智能控制系統(tǒng)控制超級(jí)電容器模塊在清晨、傍晚以及陰雨天氣時(shí)收集太陽(yáng)能電池板發(fā)出的電能、并轉(zhuǎn)儲(chǔ)到蓄電池模塊中，以及控制蓄電池模塊在太陽(yáng)光強(qiáng)度足夠時(shí)直接收集儲(chǔ)存太陽(yáng)能電池板發(fā)出的電能。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的獨(dú)立光伏系統(tǒng)儲(chǔ)能方法，其特征是由超級(jí)電容器模塊和蓄電池模塊同時(shí)向負(fù)載提供電能。
全文摘要
一種獨(dú)立光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括太陽(yáng)能電池板、超級(jí)電容器模塊、蓄電池模塊、負(fù)載、以及智能控制系統(tǒng)，太陽(yáng)能電池板提供能量來(lái)源，智能控制系統(tǒng)檢測(cè)太陽(yáng)能電池板、蓄電池模塊和超級(jí)電容器模塊的狀態(tài)，進(jìn)而控制太陽(yáng)光強(qiáng)度低于預(yù)定值時(shí)由超級(jí)電容器模塊吸收太陽(yáng)能電池板發(fā)出的電能，太陽(yáng)光強(qiáng)度達(dá)到預(yù)定值時(shí)太陽(yáng)能電池板工作在最大功率點(diǎn)并向蓄電池模塊儲(chǔ)存電能，太陽(yáng)光強(qiáng)度持續(xù)低于預(yù)定值時(shí)由超級(jí)電容器模塊吸收太陽(yáng)能電池板發(fā)出的電能后轉(zhuǎn)儲(chǔ)到蓄電池模塊，以及在負(fù)載需要供電時(shí)超級(jí)電容器模塊和蓄電池模塊共同為負(fù)載提供能量。本發(fā)明可提高太陽(yáng)能電池板工作效率、減小負(fù)載接通瞬間對(duì)蓄電池的沖擊、延長(zhǎng)蓄電池壽命、提高輸出功率。
文檔編號(hào)H02J7/00GK102255348SQ201110084720
公開(kāi)日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月6日
發(fā)明者康飛宇, 李寶華, 杜鴻達(dá), 潘學(xué)松, 賀艷兵 申請(qǐng)人:清華大學(xué)深圳研究生院