專利名稱：一種提高小功率光伏電池輸出效率的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高小功率光伏電池輸出效率的裝置及方法，屬于光電技 術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光伏電池的制造技術(shù)和光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。但是，在光伏能源自 治微系統(tǒng)中利用光電微能源給系統(tǒng)供電，最近幾年才得到研究與應(yīng)用。在光伏 能源自治微系統(tǒng)中，光伏電池的面積通常小于幾十平方厘米，輸出電壓較低(一 般為幾伏)，功率小于1瓦。因此，需要提高微系統(tǒng)的光伏電池輸出效率。
傳統(tǒng)的用于提高光伏電池輸出效率的方法如最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)， 包括"爬山"法、短路電流法、開路電壓法等。這些方法在大功率光伏電池發(fā) 電系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景，但不適用于小功率光伏電池系統(tǒng)。其主要原因 在于控制系統(tǒng)復(fù)雜、控制電路自身功耗較大以及BUCK變換電路轉(zhuǎn)換損耗大 等，在小功率光電能源中使用時(shí)，將增加系統(tǒng)的功耗，使系統(tǒng)的輸出功率降低。 因此，需要研究出一種在光電微能源中提高光伏電池輸出效率的新方法。
在發(fā)明專利申請(qǐng)"鋰離子電池-超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能光伏系統(tǒng)"(申請(qǐng)?zhí)枮?200710178894)中，介紹了利用超級(jí)電容器和鋰離子電池進(jìn)行光伏能量存儲(chǔ)的 結(jié)構(gòu)。在"太陽能發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤方法及裝置"(專利申請(qǐng)?zhí)枮?CN200610098495.1)中，介紹了一種利用DC-DC變換器進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤的 方法。在文獻(xiàn)"超級(jí)電容器蓄電池混合儲(chǔ)能獨(dú)立光伏系統(tǒng)研究"(太陽能學(xué)報(bào)， 第28巻第2期，ppl78-183)中提出了超級(jí)電容器與鉛酸蓄電池混合能量存儲(chǔ) 的方案。但上述專利和文獻(xiàn)中均未涉及到提高光伏電池輸出效率的最佳電壓控 制法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為提高小功率光伏電池系統(tǒng)中光伏電池的輸出效率，提出一種提高小功率光伏電池輸出效率的裝置和方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
本發(fā)明根據(jù)小功率光伏電池的i-v特性、P-V特性及超級(jí)電容器的電特性，
采用最佳電壓控制法，提高光伏電池輸出效率，其原理如圖3所示。
首先說明最佳電壓控制法。在光電微能源中，光伏電池將太陽能轉(zhuǎn)換為電 能，其輸出功率與電池板的面積、入射光強(qiáng)和溫度等有關(guān)。光伏電池的端電壓 與晶體二極管的端電壓類似，輸出電流直接與光強(qiáng)成正比。例如， 一個(gè)由12個(gè)
單體光伏電池串聯(lián)，面積為15x7cm的光伏電池在標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下(輻照度 1000W/m2，溫度為25'C)的I-V、 P-V性如圖2所示，最大功率點(diǎn)電壓Vpm和 電流Ipm分別為5.732V和196.47mA。隨光強(qiáng)和溫度等環(huán)境條件的變化，光伏 電池的輸出電壓、電流和最大功率點(diǎn)會(huì)發(fā)生變化，其在一天之內(nèi)，光伏電池最 大功率點(diǎn)的變化主要集中在圖1所示的陰影區(qū)中(電壓在4.5-5.8V)，稱之為最 佳電壓變化區(qū)。通過控制光伏電池的輸出電壓，使其工作在最佳電壓變化區(qū)， 從而提高光伏電池的輸出效率。
本發(fā)明的一種提高小功率光伏電池輸出效率的裝置，包括 光伏電池、超級(jí)電容器、最佳電壓控制器、能量存儲(chǔ)開關(guān)、能量存儲(chǔ)器和 二極管。
光伏電池將太陽能轉(zhuǎn)換為電能；
二極管起反向偏壓保護(hù)作用，防止光伏電池被反向輸入。 將超級(jí)電容器作為能量緩存器，暫存光伏電池的輸出能量，在最佳電壓控 制器的控制下，為能量存儲(chǔ)器充電。這是因?yàn)槌?jí)電容器具備長壽命、內(nèi)阻小、 輸出功率密度大的特性，可避免由于光伏電池輸出不穩(wěn)定對(duì)能量存儲(chǔ)器頻繁充 放電造成的不良影響。
最佳電壓控制器通過檢測(cè)超級(jí)電容器的輸出電壓，經(jīng)過運(yùn)算產(chǎn)生最佳電壓 控制信號(hào)，控制能量存儲(chǔ)開關(guān)的通斷，從而達(dá)到控制充放電過程的作用。為了 實(shí)現(xiàn)光伏電池工作在最佳電壓變化區(qū)，最佳電壓控制器由具有遲滯特性的控制 器組成。
能量存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)光伏電池的輸出電能。
其中，光伏電池經(jīng)二極管與超級(jí)電容器的正極相聯(lián)。超級(jí)電容器的正極(輸 出端)同時(shí)與最佳電壓控制器和能量存儲(chǔ)開關(guān)的一端相接。能量存儲(chǔ)開關(guān)的另一端與能量存儲(chǔ)器的正極相接。光伏電池的負(fù)極同時(shí)與超級(jí)電容器、能量存儲(chǔ) 器的負(fù)極相接。
本發(fā)明的一種使用上述裝置提高小功率光伏電池輸出效率的方法。 首先，光伏電池將能量存儲(chǔ)在超級(jí)電容器中。然后，在最佳電壓控制器的 控制下，利用超級(jí)電容器內(nèi)阻小的特點(diǎn)，使得超級(jí)電容器端電壓Vc直接影響光 伏電池的輸出電壓Vs， Vc=VS。通過控制超級(jí)電容器的充放電過程來控制光伏
電池的輸出電壓，使光伏電池工作在最大輸出功率區(qū)(如圖2所示的陰影部分)，
實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大輸出效率。其中，超級(jí)電容器的額定工作電壓v要求大于
光伏電池的最佳輸出電壓Vpm。即V>Vpm。
為實(shí)現(xiàn)光伏電池輸出電壓的控制，最佳電壓控制器具備三個(gè)工作狀態(tài)，艮口 能量緩存狀態(tài)、最佳電壓控制狀態(tài)I和最佳電壓控制狀態(tài)n。
當(dāng)超級(jí)電容器電壓Vc小于光伏電池最大功率區(qū)下限電壓VL時(shí)，最佳電壓
控制器處于能量緩存狀態(tài)，其等效電路如圖4中(a)所示。此時(shí)，光伏電池只
對(duì)超級(jí)電容器充電，超級(jí)電容器電壓變化如式(1)所示
K《,+cJV《,+cjV (1)
其中，V艦為超級(jí)電容器2的初始電壓，ic為超級(jí)電容器的充電電流，is為光
伏電池1的輸出電流。
當(dāng)超級(jí)電容器電壓VC大于等于VL時(shí)，此時(shí)，最佳電壓控制器處于最佳電
壓控制狀態(tài)I下。若Vc增加，光伏電池繼續(xù)給超級(jí)電容器充電，其等效電路模 型如圖4中(b)所示，超級(jí)電容器電壓變化如式(2)所示
K = r麵+ C〖= r艦+ C JS.聲 (2)
當(dāng)超級(jí)電容器電壓Ve達(dá)到光伏電池最大功率區(qū)的上限電壓Vh時(shí)，能量存儲(chǔ)
開關(guān)導(dǎo)通，等效電路模型如圖4中(c)所示。此時(shí)，最佳電壓控制器處于最佳
電壓控制狀態(tài)II下。光伏電池與超級(jí)電容器一起給能量存儲(chǔ)器充電，實(shí)現(xiàn)能量
存儲(chǔ)。此時(shí)，超級(jí)電容器放電，其電壓下降，Ve如(3)式所示
K = K - C〖/, = ^ — C fft — /5 (3)
(3)式中，ib為能量存儲(chǔ)器的充電電流。隨著超級(jí)電容器持續(xù)放電，光伏電池電壓逐漸下降，當(dāng)V^Vl吋，能量存儲(chǔ)開關(guān)斷開，光伏電池又開始為超級(jí)電容
器充電，重復(fù)最佳電壓控制狀態(tài)i和n，始終使光伏電池的輸出電壓控制在最大 輸出功率區(qū)內(nèi)。如此，即達(dá)到提高小功率光伏電池的輸出效率。 有益效果
本發(fā)明提出的提高小功率光伏電池輸出效率的裝置及方法，基于最佳電壓 控制法，通過在光伏電池與能量存儲(chǔ)器之間配置超級(jí)電容器和最佳電壓控制器， 使光伏電池的輸出電壓處于最佳電壓變化區(qū)，從而有效的提高了光伏電池的輸 出效率。相對(duì)于傳統(tǒng)的方法，具有電路簡(jiǎn)單、自身功耗低，適合于在小功率微 光伏系統(tǒng)中使用。


圖1為本發(fā)明的提高小功率光伏電池輸出效率的裝置框圖2為光伏電池在標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下的I-V， P-V特性示意圖3為采用最佳電壓控制方法提高光伏電池輸出效率的電路原理圖4—a控制器能量緩存、圖4一b最佳電壓控制I和圖4一c最佳電壓控制
II時(shí)的等效電路圖5為最佳電壓控制提高光伏電池輸出效率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖，
其中，l-光伏電池、2-超級(jí)電容器、3-最佳電壓控制器、4-能量存儲(chǔ)開關(guān)、
5-能量存儲(chǔ)器、6-二極管。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做一進(jìn)步詳細(xì)說明。 如圖l所示，本發(fā)明的提高小功率光伏電池輸出效率的裝置包括 光伏電池l、超級(jí)電容器2、最佳電壓控制器3、能量存儲(chǔ)開關(guān)4、能量存 儲(chǔ)器5和二極管6。
其中，光伏電池l可等效為一個(gè)理想電流源Iph和二極管D的并聯(lián)，Rs為其 等效內(nèi)阻。其輸出電壓經(jīng)二極管6 (Dl)給超級(jí)電容器2充電。最佳電壓控制 器3由升壓式DC-DC變換器，電阻R1、 R2、 R3，以及集成運(yùn)算放大器組成。
光伏電池1的輸出端與二極管D1的正極相接，Dl的負(fù)極與超級(jí)電容器2的正極相接。DC-DC變換器的輸入端與超級(jí)電容器2的正極相接，DC-DC變換 器的輸出端與集成運(yùn)算放大器的電源端相接。電阻R1的一端與集成運(yùn)算放大器 的反向端相接，另一端與超級(jí)電容器2的正極相接。電阻R2的一端與DC-DC 變換器的輸出端相接，另一端與集成運(yùn)算放大器的同向端相接。電阻R3的一端 與集成運(yùn)算放大器的輸出端相接，另一端與集成運(yùn)算放大器的同向端相接。集 成運(yùn)算放大器的輸出端與能量存儲(chǔ)開關(guān)5的控制端相接，能量存儲(chǔ)開關(guān)5的輸 出端與能量存儲(chǔ)器4的正極相接，能量存儲(chǔ)開關(guān)5的輸入端與超級(jí)電容器2的 正極相接。光伏電池l的負(fù)極同時(shí)與超級(jí)電容器2、能量存儲(chǔ)器5的負(fù)極相接。 實(shí)施例
假定某面積為150mmx67mm的光伏電池，處于平均太陽輻照度E二 93mW/cm2的條件下，如圖5中c所示。在一個(gè)最佳電壓控制周期中，光伏電池 輸出能量存儲(chǔ)在2個(gè)120F串聯(lián)超級(jí)電容器中。
如圖5中a所示，當(dāng)超級(jí)電容器的電壓從4.3V升至5.3V時(shí)，光伏電池的輸 出功率Wi如下
% 二會(huì)C(K -^2) = 30x (5.32 — 4.32) =288( /)
光伏電池平均輸出轉(zhuǎn)換效率Tlo=9.1%。
作為對(duì)比，若不采用最佳電壓控制，即，不將電壓控制在最佳電壓范圍中， 如圖5中b所示，而是將光伏電池的輸出直接存儲(chǔ)在一個(gè)70F的超級(jí)電容器中， 此時(shí)，電壓從0.46V至1.162V,光伏電池1的輸出能量W2 = 79.38(J)。經(jīng)上式 計(jì)算后，光伏電池的輸出轉(zhuǎn)換效率"0=2.5%。
可見，采用最佳電壓控制后，光伏電池的輸出轉(zhuǎn)換率提高了近3倍。
權(quán)利要求
1、一種提高小功率光伏電池輸出效率的裝置，包括光伏電池、能量存儲(chǔ)器、超級(jí)電容器、二極管，其特征在于還包括最佳電壓控制器和能量存儲(chǔ)開關(guān)；其中，光伏電池將太陽能轉(zhuǎn)換為電能；二極管起反向偏壓保護(hù)作用，防止光伏電池被反向輸入；超級(jí)電容器作為能量緩存器，暫存光伏電池的輸出能量，在最佳電壓控制器的控制下，為能量存儲(chǔ)器充電；最佳電壓控制器通過檢測(cè)超級(jí)電容器的輸出電壓，經(jīng)過運(yùn)算產(chǎn)生最佳電壓控制信號(hào)，控制能量存儲(chǔ)開關(guān)的通斷；為實(shí)現(xiàn)光伏電池工作在最佳電壓變化區(qū)，最佳電壓控制器由具有遲滯特性的控制器組成；能量存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)光伏電池的輸出電能；上述組成元件的連接關(guān)系為光伏電池經(jīng)二極管與超級(jí)電容器的正極相聯(lián)，超級(jí)電容器的正極同時(shí)與最佳電壓控制器和能量存儲(chǔ)開關(guān)的一端相接，能量存儲(chǔ)開關(guān)的另一端與能量存儲(chǔ)器的正極相接，光伏電池的負(fù)極同時(shí)與超級(jí)電容器、能量存儲(chǔ)器的負(fù)極相接。
2、 如權(quán)利要求l所述的一種提高小功率光伏電池輸出效率的裝置，其特征 在于最佳電壓控制器3由升壓式DC-DC變換器，電阻R1、 R2、 R3，以及集成 運(yùn)算放大器組成；其中，光伏電池1的輸出端與二極管D1的正極相接，Dl的負(fù)極與超級(jí)電 容器2的正極相接;DC-DC變換器的輸入端與超級(jí)電容器2的正極相接，DC-DC 變換器的輸出端與集成運(yùn)算放大器的電源端相接；電阻R1的一端與集成運(yùn)算放 大器的反向端相接，另一端與超級(jí)電容器2的正極相接；電阻R2的一端與DC-DC 變換器的輸出端相接，另一端與集成運(yùn)算放大器的同向端相接；電阻R3的一端 與集成運(yùn)算放大器的輸出端相接，另一端與集成運(yùn)算放大器的同向端相接；集 成運(yùn)算放大器的輸出端與能量存儲(chǔ)開關(guān)5的控制端相接，能量存儲(chǔ)開關(guān)5的輸 出端與能量存儲(chǔ)器4的正極相接，能量存儲(chǔ)開關(guān)5的輸入端與超級(jí)電容器2的 正極相接；光伏電池l的負(fù)極同時(shí)與超級(jí)電容器2、能量存儲(chǔ)器5的負(fù)極相接。
3、 一種使用權(quán)利要求1所述裝置的提高小功率光伏電池輸出效率的方法， 其特征在于首先，光伏電池將能量存儲(chǔ)在超級(jí)電容器中，然后，在最佳電壓控制器的控制下，利用超級(jí)電容器內(nèi)阻小的特點(diǎn)，使得超級(jí)電容器端電壓Vc直接影響光 伏電池的輸出電壓VS， Vc=VS;通過控制超級(jí)電容器的充放電過程來控制光伏 電池的輸出電壓，使光伏電池工作在最大輸出功率區(qū)，實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大輸 出效率，其中，超級(jí)電容器的額定工作電壓V要求大于光伏電池的最佳輸出電 壓VPM，即V〉Vpm;為實(shí)現(xiàn)光伏電池輸出電壓的控制，最佳電壓控制器具備三個(gè)工作狀態(tài)，艮卩 能量緩存狀態(tài)、最佳電壓控制狀態(tài)I和最佳電壓控制狀態(tài)II;當(dāng)超級(jí)電容器電壓Vc小于光伏電池最大功率區(qū)下限電壓Vl吋，最佳電壓 控制器處于能量緩存狀態(tài)，此時(shí)，光伏電池只對(duì)超級(jí)電容器充電，超級(jí)電容器 電壓變化如式(1)所示<formula>formula see original document page 3</formula>, (1)其中，V^rt為超級(jí)電容器2的初始電壓，ie為超級(jí)電容器的充電電流，t為光 伏電池1的輸出電流；當(dāng)超級(jí)電容器電壓Vc大于等于Vl吋，此時(shí)，最佳電壓控制器處于最佳電 壓控制狀態(tài)I下；若Vc增加，光伏電池繼續(xù)給超級(jí)電容器充電，超級(jí)電容器電 壓變化如式(2)所示<formula>formula see original document page 3</formula> (2)當(dāng)超級(jí)電容器電壓Ve達(dá)到光伏電池最大功率區(qū)的上限電壓Vh時(shí)，能量存儲(chǔ) 開關(guān)導(dǎo)通，此時(shí)，最佳電壓控制器處于最佳電壓控制狀態(tài)II下，光伏電池與超 級(jí)電容器一起給能量存儲(chǔ)器充電，實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)；此時(shí)，超級(jí)電容器放電，其 電壓下降，Vc如(3)式所示-(3)式中，ib為能量存儲(chǔ)器的充電電流；隨著超級(jí)電容器持續(xù)放電，光伏電池 電壓逐漸下降，當(dāng)Ve-VL時(shí)，能量存儲(chǔ)開關(guān)斷開，光伏電池又開始為超級(jí)電容器充電，重復(fù)最佳電壓控制狀態(tài)I和II，始終使光伏電池的輸出電壓控制在最大 輸出功率區(qū)內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高小功率光伏電池輸出效率的裝置及方法，屬于光電技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明基于最佳電壓控制法，通過在光伏電池與能量存儲(chǔ)器之間配置超級(jí)電容器和最佳電壓控制器，利用超級(jí)電容器內(nèi)阻小的特點(diǎn)，使得超級(jí)電容器端電壓V_c直接影響光伏電池的輸出電壓Vs；通過控制超級(jí)電容器的充放電過程來控制光伏電池的輸出電壓，使光伏電池工作在最大輸出功率區(qū)，從而有效的提高了光伏電池的輸出效率。本發(fā)明相對(duì)于傳統(tǒng)方法，具有電路簡(jiǎn)單、自身功耗低，適合于在小功率微光伏系統(tǒng)中使用。
文檔編號(hào)H02J15/00GK101431246SQ200810188140
公開日2009年5月13日 申請(qǐng)日期2008年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月19日
發(fā)明者何永泰, 劉麗輝, 李艷秋, 磊 王 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)