專利名稱：雙升壓電容式光伏電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電源，尤其是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能并存儲(chǔ)于電容中驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)光的電源。
背景技術(shù)：
能源是人類生存和發(fā)展的永恒主題。
太陽能電池(光伏電池)具有質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、可靠性高、無污染、無噪聲、抗輻射、能承受各種環(huán)境的變化且具有很高的靈敏度，寬的光譜響應(yīng)和良好的線性度?；诖?，太陽能電池應(yīng)用技術(shù)已被越來越多的人們所接受和認(rèn)可，世界觀察研究所1998年報(bào)告指出到本世紀(jì)50年代，光伏發(fā)電將占全球總用電量的20％以上。
對(duì)于不能且不需要與市電連網(wǎng)的獨(dú)立光伏系統(tǒng)，單位太陽能電池在日輻射一定的條件下獲取最大的電能是人們追求的目標(biāo)。
一般而言，對(duì)于獨(dú)立微型(太陽能電池功率介于毫瓦幾瓦之間)且24小時(shí)周期性工作光伏系統(tǒng)，例如白天光伏系統(tǒng)存儲(chǔ)電能，夜晚由電能驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管工作。由于日輻射能的變化，需將太陽能電池的功率提高2-5倍且增加電容組容量，以滿足負(fù)載要求。這雖無奈，也無疑是對(duì)資源的浪費(fèi)。
將太陽能經(jīng)光伏電池轉(zhuǎn)成電能存儲(chǔ)在蓄電池中是常見的轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)方法。但蓄電池壽命較短，充放電約300-500次，正常必須在2-3年內(nèi)更換。此外，鉛蓄電池需要作電解液的補(bǔ)充和比重測(cè)量之類的定期檢查工作。維護(hù)麻煩。蓄電池含鉛和鎘之類的重金屬，報(bào)廢會(huì)帶來二次污染。蓄電池工作溫度范圍較窄，一般為0℃-45℃(最好的零下15度)，這對(duì)于系統(tǒng)在寒冷氣候條件是無法工作的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)中存在的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理，節(jié)約電能，無污染且高效率的雙升壓電容式光伏電源。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是光伏電池的正端經(jīng)電阻R1串接二極管D1與并聯(lián)的電容C1、C2、Cx-1、Cx正極相接。
光伏電池的正端與芯片Ic1的輸入端相鏈，芯片Ic1的輸出端經(jīng)電阻R2串接二極管D2、電感L1與芯片Ic2的輸入端相鏈，芯片Ic2的輸入、出端跨接有二極管D3，芯片Ic2的輸出端與電容C0的正極和并聯(lián)的電容C1、C2、Cx-1、Cx正極相接。
光伏電池的負(fù)端、芯片Ic1、芯片Ic2的接地與電容C1、C2、Cx-1、Cx和電容C0的負(fù)端相接。
電容C1、C2、Cx-1、Cx正負(fù)兩端之間跨接有電阻R3和光敏三極管1，光敏三極管T1與電阻R3間接至三極管T2的基極，電容C1、C2、Cx-1、Cx正端經(jīng)電感L2接芯片Ic3的輸入端，芯片Ic3地端與三極管T2的集電極相鏈，電容C1、C2、Cx-1、Cx正端與芯片Ic3的輸出端接有二極管D4，芯片Ic3的輸出端還與電容C01正極相鏈，光敏三極管T1的發(fā)射極、三極管T2的發(fā)射極和電容C01的負(fù)極接地。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理，節(jié)約電能，無污染，工業(yè)化生產(chǎn)成本低。該裝置將太陽能經(jīng)光伏電池轉(zhuǎn)化成電能，當(dāng)日輻射量高時(shí)可大電流向超級(jí)電容充電，當(dāng)日輻射量低(陰雨天)時(shí)可小電流向超級(jí)電容充電，避免傳統(tǒng)微型光伏系統(tǒng)當(dāng)日輻射量低(陰雨天)時(shí)，不能向超級(jí)電容充電的弱點(diǎn)。該裝置使用壽命長(zhǎng)，溫度范圍寬，體積小，重量輕，易維護(hù)。


圖1是本發(fā)明的電路原理圖；圖2是不同日輻射量功率曲線示意圖；具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
由圖1可知，光伏電池的正端經(jīng)電阻R1串接二極管D1與并聯(lián)的電容C1、C2、Cx-1、Cx正極相接。
光伏電池的正端與芯片Ic1的輸入端相鏈，芯片Ic1的輸出端經(jīng)電阻R2串接二極管D2、電感L1與芯片Ic2的輸入端相鏈，芯片Ic2的輸入、出端跨接有二極管D3，芯片Ic2的輸出端與電容C0的正極和并聯(lián)的電容C1、C2、Cx-1、Cx正極相接。
光伏電池的負(fù)端、芯片Ic1、芯片Ic2的接地與電容C1、C2、Cx-1、Cx和電容C0的負(fù)端相接。
電容C1、C2、Cx-1、Cx正負(fù)兩端之間跨接有電阻R3和光敏三極管T1，光敏三極管T1與電阻R3間接至三極管T2的基極，電容C1、C2、Cx-1、Cx正端經(jīng)電感L2接芯片Ic3的輸入端，芯片Ic3地端與三極管T2的集電極相鏈，電容C1、C2、Cx-1、Cx正端與芯片Ic3的輸出端接有二極管D4，芯片Ic3的輸出端還與電容C01正極相鏈，光敏三極管T1的發(fā)射極、三極管T2的發(fā)射極和電容C01的負(fù)極接地。
參見圖1，當(dāng)日輻射強(qiáng)時(shí)，日光照射在光伏電池上，激發(fā)電子一空穴對(duì)。在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，空間電荷區(qū)兩邊有光生載流子積累而產(chǎn)生電壓，光伏電池正端接電阻R1，光伏電池負(fù)端接地，光伏電池經(jīng)電阻R1二級(jí)管D1以大電流向電容C1、C2、Cx-1、Cx充電。其中R1起鎮(zhèn)流作用；肖特基二報(bào)管D1起反向電流保護(hù)作用；C1、C2、Cx-1、Cx為并連的超級(jí)電容，其并連數(shù)X由負(fù)載決定。
當(dāng)日輻射弱時(shí)，此時(shí)光伏電池的電壓小于電容C1、C2、Cx-1、Cx充電電壓，電壓比較器芯片Ic1開啟，由電感L1、芯片Ic2、肖特基二級(jí)管D3、電解電容C0組成升壓電路，當(dāng)芯片IC2導(dǎo)通時(shí)，太陽能電池向電感L1儲(chǔ)能，電感電流增加，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為左正右負(fù)，負(fù)載由電容C0供電。當(dāng)芯片Ic2截止時(shí)，電感電流減少，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為左負(fù)右正，電感L1中能量釋放與太陽能電池輸入的電壓順極性一致經(jīng)二級(jí)管D3向C1、C2、Cx-1、Cx供電，并同時(shí)向電容Co充電。周期性工作，可把光伏電池兩端的低壓直流變換成足以向C1、C2、
Cx-1、Cx供電的高壓直流。
由電感L2、芯片Ic3、肖特基二級(jí)管D34、電解電容C01組成第二升壓電路，其工作原理與上述相同，只不過C1、C2、Cx-1、Cx由負(fù)載變成電源。
參見圖2，設(shè)某光伏系統(tǒng)日輻射量為100％時(shí)產(chǎn)生電壓u為2.5伏，輸出電流(充電電流)為a，超級(jí)電容的容量為C，其工作電壓為2.3V，不同功率點(diǎn)太陽能電池的輸出電流為a1，a2...ax，太陽能電池的輸出功率為w。對(duì)于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，為滿足不同氣候(日輻射量)條件下仍能有足夠的電能向超級(jí)電容充電，滿足負(fù)載要求，通常采用增加備用電容和擴(kuò)大太陽能電池的輸出功率的方法?，F(xiàn)設(shè)實(shí)際太陽能電池的輸出功率為W＝4w，太陽能電池的輸出電壓為U＝2u，太陽能電池的輸出電流為A＝2a。
曲線①為日輻射量等于100％時(shí)，輸出電壓為5伏時(shí)的功率曲線。
曲線②為日輻射量等于50％時(shí)，輸出電壓為2.5伏時(shí)的功率曲線。
曲線③為日輻射量大于10％-小于50％時(shí)，輸出電壓為0.5伏--2.5伏之間的功率曲線。
曲線④為考慮DC/DC升壓損耗時(shí)的功率曲線。
曲線⑤為日輻射量等于10％時(shí)，輸出電壓為0.5伏時(shí)的功率曲線。
忽略次要因素對(duì)太陽能電池輸出功率的影響，太陽能電池的輸出功率與日輻射量呈線性關(guān)系。顯然，當(dāng)日輻射量介于曲線①、曲線②之間，能夠滿足向超級(jí)電容充電的要求。反之，當(dāng)日輻射量低于曲線②，不能夠滿足向超級(jí)電容充電的要求，此時(shí)，當(dāng)日輻射量介于零、曲線②之間，太陽能電池仍有輸出功率，只不過不能向超級(jí)電容充電罷了。
在太陽能電池與超級(jí)電容充電間接有DC/DC前升壓電路，當(dāng)日輻射量介于曲線②、曲線⑤之間，即太陽能電池輸出的輸出大于DC/DC前升壓電路開起功率(電壓0.5V，電流0.8μA)，視DC/DC前升壓電路的參數(shù)的不同，可以得到2.5伏-7.0伏(步長(zhǎng)0.1伏)的電壓，仍可向超級(jí)電容充電。
設(shè)DC/DC前升壓電路的損耗為15％，DC/DC前升壓電路的輸出電壓為2.5V，實(shí)際介于曲線②、曲線④之間的功率，是采用DC/DC前升壓電路有效功率利用區(qū)。
由此可見，采用DC/DC前升壓技術(shù)，可以提高太陽能電池的能量利用率，進(jìn)一步降低太陽能電池的面積(功率)和備用電容的容量.
由R3，T1組成的控制電路，其中R3為限流電阻，T1為光敏三極管，當(dāng)光照射在T1時(shí)，T2不工作，負(fù)載(發(fā)光二極管D5、D6)不工作。當(dāng)無光照射在光敏三極管時(shí)，T2管工作，負(fù)載亦工作。
目前，市場(chǎng)上商品化的超級(jí)電容，其工作電壓為2.3V-2.7V，容量為50F-60F性能價(jià)格比最佳。而常用的紅色、黃色發(fā)光二級(jí)管工作電壓一般在1.8V-2.3v，蘭、白、綠色發(fā)光二級(jí)管最小工作電壓均大于2V。
現(xiàn)以2.3V、60F的超級(jí)電容，負(fù)載紅色發(fā)光二級(jí)管為例，比較采用電容直接驅(qū)動(dòng)和利用電容升壓電路驅(qū)動(dòng)發(fā)光二級(jí)管的能量利用率。
存儲(chǔ)在電容中的能量一般為W＝I/2CV2①式中W為存儲(chǔ)電容中能量，單位焦耳C為電容單位法拉V為電壓?jiǎn)挝环貏t2.3V，60F的電容中的最大存儲(chǔ)能量為W0＝1/2×60F×2.3V2＝158.7焦耳若1.8V為驅(qū)動(dòng)紅色發(fā)光二極管的最小工作電壓，利用電容直接驅(qū)動(dòng)紅色發(fā)光二級(jí)管工作的能量為W1＝1/2×60F×(2.32-1.82)＝61.5焦耳。
采用升壓電路，當(dāng)電容的輸出電壓為0.5V時(shí)，經(jīng)升壓后的輸出的電壓大于驅(qū)動(dòng)紅色發(fā)光二級(jí)管的閾值，則經(jīng)升壓后可驅(qū)動(dòng)紅色發(fā)光二級(jí)管的能量為
W2＝1/2×60F×(2.32-0.52)＝151.2焦耳。
由于升壓電路的損耗，設(shè)升壓電路的效率比η＝82％。則實(shí)際經(jīng)升壓后用于驅(qū)動(dòng)紅色發(fā)光二極管的能量為W3＝η×W2＝0.82×151.2＝123.984焦耳。
比較W1與W3可知，采用升壓電路電容的能量利用率提高了一倍。
由于目前采用光伏電池，超級(jí)電容存儲(chǔ)電，最后來驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管的電路中，超級(jí)電容器的價(jià)格幾乎決定系統(tǒng)的價(jià)格。采用升壓電路后會(huì)節(jié)省一半電容量，其意義是十分明顯的。
權(quán)利要求
1.當(dāng)日輻射量高時(shí)可大電流向超級(jí)電容充電，當(dāng)日輻射量低(陰雨天)時(shí)，啟動(dòng)第一級(jí)升壓，可小電流向超級(jí)電容充電，避免傳統(tǒng)微型光伏系統(tǒng)當(dāng)日輻射量低(陰雨天)時(shí)，不能向超級(jí)電容充電的弱點(diǎn)。
2.利用第二級(jí)升壓，可提高電容中的能量利用率。
全文摘要
一種電容式雙升壓太陽能電源。采用雙級(jí)升壓，當(dāng)日輻射量高時(shí)可大電流向超級(jí)電容充電，當(dāng)日輻射量低(陰雨天)時(shí)，啟動(dòng)第一級(jí)升壓，可小電流向超級(jí)電容充電，避免傳統(tǒng)微型光伏系統(tǒng)當(dāng)日輻射量低(陰雨天)時(shí)，不能向超級(jí)電容充電的弱點(diǎn)。利用第二級(jí)升壓，可提高電容中的能量利用率。該電源使用壽命長(zhǎng)，溫度范圍寬，體積小，重量輕，易維護(hù)。適用于不能且不需要與市電連網(wǎng)微型(太陽能電池功率介于毫瓦幾瓦之間)光伏系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H02M3/07GK101051765SQ200610009898
公開日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2006年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月4日
發(fā)明者郝萬福 申請(qǐng)人:郝萬福