專利名稱：基于太陽能光伏系統(tǒng)中超級電容混合儲能系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新能源技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于太陽能光伏系統(tǒng)中超級電容混合儲能系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著能源短缺問題日益突出，太陽能、風(fēng)能等新型無污染的替代能源應(yīng)用日益受到重視。獨立的太陽能照明系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)簡單、無需鋪設(shè)電纜，且搭建、攜帶較為方便等特點在照明領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。但目前急需解決的有鉛酸蓄電池使用壽命較短及系統(tǒng)在弱光條件下充電能力不足這兩大問題。系統(tǒng)儲能元件鉛酸蓄電池設(shè)計壽命約三年，但由于充電方式、存儲方式以及 人為等諸多因素的影響導(dǎo)致其使用壽命過短，需要經(jīng)常更換，不僅加大了使用成本也影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外大部分已使用的系統(tǒng)在弱光條件下充電能力不足，導(dǎo)致系統(tǒng)太陽能板利用率不高；傳統(tǒng)提高弱光充電能力的方法是采用組態(tài)優(yōu)化控制來實現(xiàn)，即根據(jù)外界光照強弱采用繼電器控制太陽能板組件按照串聯(lián)或并聯(lián)等不同的組合方式給蓄電池充電，確保太陽能板組件輸出電壓始終達到設(shè)定充電電壓。專利CN201010125915. 7提出了這樣的充電方式，這種方法雖然可以實現(xiàn)弱光充電，但在組態(tài)變化的瞬間，電路輸出電壓波動較大，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。此外，專利200620013904. 9采用繼電器控制，繼電器的機械開關(guān)觸點在工作較長時間后容易磨損失靈甚至引起誤操作。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種考慮到蓄電池的充電特性，采用超級電容器和電池組合成混合儲能系統(tǒng)。同時混合儲能采用智能控制芯片實現(xiàn)蓄電池分段充放電
控制管理。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為
本發(fā)明包括光伏陣列、電壓電流采樣模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、單片機、開關(guān)電路、超級電容組、DC/DC模塊、智能芯片、儲能電源和溫度采用模塊。光伏陣列依次經(jīng)過電壓電流采樣模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號反饋至單片機，單片機根據(jù)光伏陣列的工作狀況，輸出PWM信號使開關(guān)電路工作，開關(guān)電路控制光伏陣列與超級電容組之間的導(dǎo)通與關(guān)斷，超級電容組經(jīng)DC/DC模塊后與儲能電源并聯(lián)，在儲能電源外部設(shè)置有溫度采用模塊，溫度采用模塊的輸出端與智能芯片輸入端信號連接，智能芯片控制DC/DC模塊。本發(fā)明采用儲能電源與超級電容器組混合儲能，結(jié)合超級電容功率密度高及鉛酸蓄電池能量密度高的特點，提高儲能系統(tǒng)性能。采用超級電容器組及升降壓電路(DC/DC模塊)來實現(xiàn)弱光條件下有效充電，并采用智能電池管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對蓄電池智能化充電管理，延長蓄電池使用壽命。同時超級電容器和儲能電源并聯(lián)，可以有效提高系統(tǒng)弱光充電能力。該發(fā)明經(jīng)過實際測量，精度很高，且電路簡單、成本低、容易實現(xiàn)。
圖I是本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明的充電原理 圖3是溫度補償電路 圖4是智能芯片輸出脈沖與DC/DC模塊輸出波形圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對發(fā)明作進一步說明。如圖I所示，本實施例包括光伏陣列、電壓電流采樣模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、單片 機、開關(guān)電路(由PMOS管實現(xiàn))、超級電容組、DC/DC、智能芯片、儲能電源和溫度采用模塊。光伏陣列依次經(jīng)過電壓電流采樣模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC將數(shù)字信號反饋至單片機，單片機根據(jù)光伏陣列的工作狀況，輸出PWM信號使PMOS管工作，實現(xiàn)對光伏陣列的最大功率跟蹤。超級電容組經(jīng)DC/DC后與儲能電源并聯(lián)，在儲能電源外部設(shè)置有溫度采用模塊，溫度采用模塊的輸出端與智能芯片輸入端信號連接，智能芯片控制DC/DC。本實施例中的儲能電源選用12V，IOOAh膠體密封鉛酸蓄電池，也可以是鋰離子電池，但是不局限于二者，其他儲能電源也可以使用。如圖2所示，本實施例中的智能芯片選定UC3909芯片，此時可以根據(jù)混合儲能系統(tǒng)中蓄電池的狀態(tài)實現(xiàn)涓流充電、恒流充電、恒壓充電和浮充充電四個階段合理充電。就四種狀態(tài)說明如下
狀態(tài)I :涓流充電。當(dāng)蓄電池電壓低于充電使能電壓Ut，充電器提供很小的涓流It進行充電，It 一般約為0. OlC (C為蓄電池容量)。狀態(tài)2:恒流充電。當(dāng)蓄電池的電壓達到充電使能電壓Ut時，充電器提供一個大電流Ibim對蓄電池進行恒流充電，這一階段是充電的主要階段，蓄電池端電壓上升很快，直至電壓上升到過壓充電電壓Uoc時進入恒壓充電階段。狀態(tài)3:恒壓充電。在此階段，充電器提供一個略高于蓄電池額定值的電壓Utj。進行恒壓充電，電路的充電電流將按指數(shù)規(guī)律逐漸減小，直至電流大小等于充電終止電流Iqct (約為10%1_)，蓄電池已被充滿，充電器進入浮充充電狀態(tài)。狀態(tài)4:浮充充電。浮充充電階段，充電器提供浮充電壓Uf對蓄電池以很小的浮充電流進行充電，以彌補蓄電池自放電造成的容量損失。同時由于蓄電池的浮充電壓隨溫度變化而變化，因此需要選擇與蓄電池相同溫度系數(shù)的熱敏電阻進行溫度補償，確保在任何溫度下都能以精確的浮充電壓進行浮充充電。溫度系數(shù)一般選擇-3. 5 -5mV/°C。本實施例中浮充電壓Uf取13.8 V，充電使能電壓Ut取10. 8V，過壓充電電壓Uqc取14. 7V，涓流充電電流It取0. 26 A，恒流充電電流Ibim取系統(tǒng)最大充電電流6. 5A，過充終止電流Ioct取IA。光伏系統(tǒng)中的鉛酸蓄電池一般與太陽能板一起安裝在戶外，而周圍溫度的變化對鉛酸蓄電池的性能有重大影響，有研究表明，鉛酸蓄電池的浮充電流對溫度極為敏感，溫度每變化10°C，浮充電流成倍增長，對于本發(fā)明中用到的蓄電池，根據(jù)廠家提供的參數(shù)，同一浮充電流下，其溫度系數(shù)為-3.9 mV/°C，也就是說如果要防止浮充電流增加，當(dāng)溫度升高I °C時，其浮充電壓應(yīng)該降低3. 9mV,同理，當(dāng)溫度降低I °C時，其浮充電壓應(yīng)該升高3. 9mV才能保持浮充電流不變。在本發(fā)明所選用的智能芯片內(nèi)部集成了具有鉛酸蓄電池溫度補償功能的電路，如圖3所示，Al為電流/電壓轉(zhuǎn)換元件，其輸入端分別接IOkQ普通電阻及IOkQ熱敏電阻Rthm。A2與外接四個20 kQ電阻組成差動運算放大電路。熱敏電阻Rthm—般貼附在鉛酸蓄電池的表面殼體用于檢測其溫度，形成所述的溫度采集模塊。當(dāng)鉛酸蓄電池內(nèi)部溫度變化時，通過熱敏電阻Rthm的反饋使智能芯片的基準(zhǔn)電壓2. 3V也隨溫度按3. 9mV/°C的溫度系數(shù)變化。從而確保鉛酸蓄電池在浮充狀態(tài)下準(zhǔn)確工作于安全的浮充電壓，保護了鉛酸蓄電池。本實施例中同時采用12個I. 5V 4000F的雙電層超級電容串聯(lián)成額定電壓18V，容量為330 F的超級電容器組，由于本實施例中，我們把12V太陽能板在強光照射時其輸出電壓設(shè)計約為18 V，采用18V超級電容器組既可確保儲能器件的安全同時可以充分吸收太陽能板輸出能量，超級電容可選用無機、有機對稱和非對稱的超級電容。本實施例中采用DC / DC技術(shù)來實現(xiàn)最大功率輸出，PMOS管的高速導(dǎo)通與關(guān)斷都會在輸出端產(chǎn)生相應(yīng)干擾諧波，在太陽能板輸出端及鉛酸蓄電池間加上超級電容器組可以有效抑制干擾諧波，保證鉛酸蓄電池平穩(wěn)充放電，延長鉛酸蓄電池使用壽命。由于鉛酸蓄電池只能工作在Ut至Uoc電壓范圍內(nèi)(以12V鉛酸蓄電池為例，只能工作在10. 8 14. 7V之間)。相比之下，由于超級電容器組可深度放電，其工作電壓可以設(shè)定在較低范圍，如該系統(tǒng)中設(shè)定超級電容器組的最低輸出電壓為6V。因此在弱光狀態(tài)下，太陽能板的輸出電壓會高于超級電容器組端電壓，確保輸出電能被超級電容器組吸收儲存，再由升降壓電路DC / DC轉(zhuǎn)換輸出給鉛酸蓄電池，即實現(xiàn)了弱光充電功能。鉛酸蓄電池的充電條件極為嚴(yán)格，在蓄電池的不同四個充電階段下，其允許輸入的電量不同，而太陽能板的輸出受外界環(huán)境影響變化很大。當(dāng)太陽能板輸出的電量大于鉛酸蓄電池當(dāng)前工作狀態(tài)下可接受的輸入電量時，多余的部分能量將保存在超級電容器組中；反之，當(dāng)太陽能板輸出的電量小于鉛酸蓄電池可接受的輸入電量時，超級電容器組內(nèi)儲存的電量可補償不足輸出給鉛酸蓄電池。這樣既可以確保鉛酸蓄電池的平穩(wěn)充電，延長使用壽命，也可以提高系統(tǒng)利用率。如圖4為仿真器中，當(dāng)超級電容器組端電壓為6V時，智能芯片腳輸出脈沖及此時DC/DC的輸出波形。仿真顯示，DC/ DC轉(zhuǎn)換電路的輸出較為平滑，且電壓幅值為13.6V，屬于設(shè)定輸出電壓范圍，與實測效果基本相符，說明系統(tǒng)可以實現(xiàn)弱光充電功能。權(quán)利要求
1.基于太陽能光伏系統(tǒng)中超級電容混合儲能系統(tǒng)，包括光伏陣列、電壓電流采樣模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、單片機、開關(guān)電路、超級電容組、DC/DC模塊、智能芯片、儲能電源和溫度采用模塊，其特征在于光伏陣列依次經(jīng)過電壓電流采樣模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號反饋至單片機，單片機根據(jù)光伏陣列的工作狀況，輸出PWM信號使開關(guān)電路工作，開關(guān)電路控制光伏陣列與超級電容組之間的導(dǎo)通與關(guān)斷，超級電容組經(jīng)DC/DC模塊后與儲能電源并聯(lián)，在儲能電源外部設(shè)置有溫度采用模塊，溫度采用模塊的輸出端與智能芯片輸入端信號連接，智能芯片控制DC/DC模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于太陽能光伏系統(tǒng)中超級電容混合儲能系統(tǒng)，其特征在于所述的儲能電源為鉛酸蓄電池或鋰離子電池。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于太陽能光伏系統(tǒng)中超級電容混合儲能系統(tǒng)，其特征在于在所述的智能芯片控制下，儲能電源充電的過程依次為涓流充電、恒流充電、恒壓充電和浮充充電。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于太陽能光伏系統(tǒng)中超級電容混合儲能系統(tǒng)，其特征在于所述的涓流充電，其過程為當(dāng)儲能電源電壓低于充電使能電壓Ut，采用很小的涓流It進行充電，It為0. 01C, C為儲能電源容量。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于太陽能光伏系統(tǒng)中超級電容混合儲能系統(tǒng)，其特征在于所述的恒流充電，其過程為當(dāng)儲能電源的電壓達到充電使能電壓Ut時，采用一個大電流Ibm對儲能電源進行恒流充電，這一階段是充電的主要階段，儲能電源端電壓上升很快，直至電壓上升到過壓充電電壓Uoc時進入恒壓充電階段。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于太陽能光伏系統(tǒng)中超級電容混合儲能系統(tǒng)，其特征在于所述的恒壓充電，其過程為采用電壓Ure進行恒壓充電，電路的充電電流將按指數(shù)規(guī)律逐漸減小，直至電流大小等于充電終止電流Ira，儲能電源已被充滿。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于太陽能光伏系統(tǒng)中超級電容混合儲能系統(tǒng)，其特征在于所述的浮充充電，其過程為采用浮充電壓Uf對蓄電池以很小的浮充電流進行充電，以彌補儲能電源自放電造成的容量損失；同時由于儲能電源的浮充電壓隨溫度變化而變化，選擇與儲能電源相同溫度系數(shù)的熱敏電阻進行溫度補償，確保在任何溫度下都能以精確的浮充電壓進行浮充充電，溫度系數(shù)選擇-3. 5 -5mV/°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于太陽能光伏系統(tǒng)中超級電容混合儲能系統(tǒng)，其特征在于所述的超級電容組由多個超級電容串聯(lián)而成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于太陽能光伏系統(tǒng)中超級電容混合儲能系統(tǒng)，其特征在于所述的超級電容為雙電層超級電容。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于太陽能光伏系統(tǒng)中超級電容混合儲能系統(tǒng)。傳統(tǒng)的蓄電池充電控制器一般采用的是三階段充電方式，容易造成熱失控、易損壞蓄電池。本發(fā)明中光伏陣列依次經(jīng)過電壓電流采樣模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號反饋至單片機，單片機輸出PWM信號使開關(guān)電路工作，開關(guān)電路控制光伏陣列與超級電容組之間的導(dǎo)通與關(guān)斷，超級電容組經(jīng)DC/DC模塊后與儲能電源并聯(lián)，智能芯片控制DC/DC模塊。在智能芯片控制下，儲能電源充電的過程依次為涓流充電、恒流充電、恒壓充電和浮充充電。本發(fā)明采用儲能電源與超級電容器組混合儲能，結(jié)合超級電容功率密度高及鉛酸蓄電池能量密度高的特點，提高儲能系統(tǒng)性能。
文檔編號H02J15/00GK102751790SQ20121023862
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月11日
發(fā)明者韋華鵬 申請人:韋華鵬