一种提高小功率光伏电池输出效率的装置及方法

摘要

本发明公开了一种提高小功率光伏电池输出效率的装置及方法，属于光电技术领域。本发明基于最佳电压控制法，通过在光伏电池与能量存储器之间配置超级电容器和最佳电压控制器，利用超级电容器内阻小的特点，使得超级电容器端电压Vc直接影响光伏电池的输出电压Vs；通过控制超级电容器的充放电过程来控制光伏电池的输出电压，使光伏电池工作在最大输出功率区，从而有效的提高了光伏电池的输出效率。本发明相对于传统方法，具有电路简单、自身功耗低，适合于在小功率微光伏系统中使用。

权利要求

1.一种提高小功率光伏电池输出效率的装置，包括光伏电池、能量存储器、超级电容器、二极管，其特征在于：还包括最佳电压控制器和能量存储开关；

其中，光伏电池将太阳能转换为电能；

二极管起反向偏压保护作用，防止光伏电池被反向输入；

超级电容器作为能量缓存器，暂存光伏电池的输出能量，在最佳电压控制器的控制下，为能量存储器充电；所述最佳电压是指光伏电池最大功率点的变化区域所对应的电压范围；

最佳电压控制器通过检测超级电容器的输出电压，经过运算产生最佳电压控制信号，控制能量存储开关的通断；为实现光伏电池工作在最佳电压变化区，最佳电压控制器由具有迟滞特性的控制器组成；

能量存储器用于存储光伏电池的输出电能；

上述组成元件的连接关系为：

光伏电池经二极管与超级电容器的正极相联，超级电容器的正极同时与最佳电压控制器和能量存储开关的一端相接，能量存储开关的另一端与能量存储器的正极相接，光伏电池的负极同时与超级电容器、能量存储器的负极相接。

2.如权利要求1所述的一种提高小功率光伏电池输出效率的装置，其特征在于：最佳电压控制器(3)由升压式DC-DC变换器，电阻R1、R2、R3，以及集成运算放大器组成；

其中，光伏电池(1)的输出端与二极管D1的正极相接，D1的负极与超级电容器(2)的正极相接；DC-DC变换器的输入端与超级电容器(2)的正极相接，DC-DC变换器的输出端与集成运算放大器的电源端相接；电阻R1的一端与集成运算放大器的反向端相接，另一端与超级电容器(2)的正极相接；电阻R2的一端与DC-DC变换器的输出端相接，另一端与集成运算放大器的同向端相接；电阻R3的一端与集成运算放大器的输出端相接，另一端与集成运算放大器的同向端相接；集成运算放大器的输出端与能量存储开关(4)的控制端相接，能量存储开关(4)的输出端与能量存储器(5)的正极相接，能量存储开关(4)的输入端与超级电容器(2)的正极相接；光伏电池(1)的负极同时与超级电容器(2)、能量存储器(5)的负极相接。

3.一种使用权利要求1所述装置的提高小功率光伏电池输出效率的方法，其特征在于：首先，光伏电池将能量存储在超级电容器中，然后，在最佳电压控制器的控制下，利用超级电容器内阻小的特点，使得超级电容器电压Vc直接影响光伏电池的输出电压Vs，Vc＝Vs；通过控制超级电容器的充放电过程来控制光伏电池的输出电压，使光伏电池工作在最大输出功率区，实现光伏电池的最大输出效率，其中，超级电容器的额定工作电压V要求大于光伏电池的最佳输出电压VPM，即V＞VPM；

为实现光伏电池输出电压的控制，最佳电压控制器具备三个工作状态，即：能量缓存状态、最佳电压控制状态I和最佳电压控制状态II；

当超级电容器电压Vc小于光伏电池最大功率区下限电压VL时，最佳电压控制器处于能量缓存状态，此时，光伏电池只对超级电容器充电，超级电容器电压变化如式(1)所示：

其中，Vstart为超级电容器(2)的初始电压，ic为超级电容器的充电电流，is为光伏电池（1）的输出电流；

当超级电容器电压Vc大于等于VL时，此时，最佳电压控制器处于最佳电压控制状态I下；若Vc增加，光伏电池继续给超级电容器充电，超级电容器电压变化如式(2)所示：

当超级电容器电压Vc达到光伏电池最大功率区的上限电压Vh时，能量存储开关导通，此时，最佳电压控制器处于最佳电压控制状态II下，光伏电池与超级电容器一起给能量存储器充电，实现能量存储；此时，超级电容器放电，其电压下降，Vc如(3)式所示：

(3)式中，ib为能量存储器的充电电流；随着超级电容器持续放电，光伏电池电压逐渐下降，当Vc＝VL时，能量存储开关断开，光伏电池又开始为超级电容器充电，重复最佳电压控制状态I和II，始终使光伏电池的输出电压控制在最大输出功率区内。

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高小功率光伏电池输出效率的装置及方法，属于光电技术领域。

背景技术

光伏电池的制造技术和光伏发电技术已经相当成熟。但是，在光伏能源自治微系统中利用光电微能源给系统供电，最近几年才得到研究与应用。在光伏能源自治微系统中，光伏电池的面积通常小于几十平方厘米，输出电压较低(一般为几伏)，功率小于1瓦。因此，需要提高微系统的光伏电池输出效率。
传统的用于提高光伏电池输出效率的方法如最大功率点跟踪(MPPT)技术，包括“爬山”法、短路电流法、开路电压法等。这些方法在大功率光伏电池发电系统中具有良好的应用前景，但不适用于小功率光伏电池系统。其主要原因在于：控制系统复杂、控制电路自身功耗较大以及BUCK变换电路转换损耗大等，在小功率光电能源中使用时，将增加系统的功耗，使系统的输出功率降低。因此，需要研究出一种在光电微能源中提高光伏电池输出效率的新方法。
在发明专利申请“锂离子电池-超级电容器混合储能光伏系统”(申请号为：200710178894)中，介绍了利用超级电容器和锂离子电池进行光伏能量存储的结构。在“太阳能发电系统的最大功率跟踪方法及装置”(专利申请号为：CN200610098495.1)中，介绍了一种利用DC-DC变换器进行最大功率点跟踪的方法。在文献“超级电容器蓄电池混合储能独立光伏系统研究”(太阳能学报，第28卷第2期，pp178-183)中提出了超级电容器与铅酸蓄电池混合能量存储的方案。但上述专利和文献中均未涉及到提高光伏电池输出效率的最佳电压控制法。

发明内容

本发明的目的是为提高小功率光伏电池系统中光伏电池的输出效率，提出一种提高小功率光伏电池输出效率的装置和方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明根据小功率光伏电池的I-V特性、P-V特性及超级电容器的电特性，采用最佳电压控制法，提高光伏电池输出效率，其原理如图3所示。
首先说明最佳电压控制法。在光电微能源中，光伏电池将太阳能转换为电能，其输出功率与电池板的面积、入射光强和温度等有关。光伏电池的端电压与晶体二极管的端电压类似，输出电流直接与光强成正比。例如，一个由12个单体光伏电池串联，面积为15×7cm的光伏电池在标准光强下(辐照度1000W/m2，温度为25℃)的I-V、P-V性如图2所示，最大功率点电压Vpm和电流Ipm分别为5.732V和196.47mA。随光强和温度等环境条件的变化，光伏电池的输出电压、电流和最大功率点会发生变化，其在一天之内，光伏电池最大功率点的变化主要集中在图2所示的阴影区中(电压在4.5-5.8V)，称之为最佳电压变化区。通过控制光伏电池的输出电压，使其工作在最佳电压变化区，从而提高光伏电池的输出效率。
本发明的一种提高小功率光伏电池输出效率的装置，包括：
光伏电池、超级电容器、最佳电压控制器、能量存储开关、能量存储器和二极管。
光伏电池将太阳能转换为电能；
二极管起反向偏压保护作用，防止光伏电池被反向输入。
将超级电容器作为能量缓存器，暂存光伏电池的输出能量，在最佳电压控制器的控制下，为能量存储器充电。这是因为超级电容器具备长寿命、内阻小、输出功率密度大的特性，可避免由于光伏电池输出不稳定对能量存储器频繁充放电造成的不良影响。
最佳电压控制器通过检测超级电容器的输出电压，经过运算产生最佳电压控制信号，控制能量存储开关的通断，从而达到控制充放电过程的作用。为了实现光伏电池工作在最佳电压变化区，最佳电压控制器由具有迟滞特性的控制器组成。
能量存储器用于存储光伏电池的输出电能。
其中，光伏电池经二极管与超级电容器的正极相联。超级电容器的正极(输出端)同时与最佳电压控制器和能量存储开关的一端相接。能量存储开关的另一端与能量存储器的正极相接。光伏电池的负极同时与超级电容器、能量存储器的负极相接。
本发明的一种使用上述装置提高小功率光伏电池输出效率的方法。
首先，光伏电池将能量存储在超级电容器中。然后，在最佳电压控制器的控制下，利用超级电容器内阻小的特点，使得超级电容器端电压Vc直接影响光伏电池的输出电压VS，Vc＝VS。通过控制超级电容器的充放电过程来控制光伏电池的输出电压，使光伏电池工作在最大输出功率区(如图2所示的阴影部分)，实现光伏电池的最大输出效率。其中，超级电容器的额定工作电压V要求大于光伏电池的最佳输出电压VPM。即V＞VPM。
为实现光伏电池输出电压的控制，最佳电压控制器具备三个工作状态，即：能量缓存状态、最佳电压控制状态I和最佳电压控制状态II。
当超级电容器电压Vc小于光伏电池最大功率区下限电压VL时，最佳电压控制器处于能量缓存状态，其等效电路如图4中(a)所示。此时，光伏电池只对超级电容器充电，超级电容器电压变化如式(1)所示：
$V_c=V_{\mathrm{start}}+C{\int }_{t_0}^{t_1}{i}_c\mathrm{dt}=V_{\mathrm{start}}+C{\int }_{t_0}^{t_1}{i}_s\mathrm{dt}---\left(1\right)$
其中，Vstart为超级电容器2的初始电压，ic为超级电容器的充电电流，is为光伏电池1的输出电流。
当超级电容器电压Vc大于等于VL时，此时，最佳电压控制器处于最佳电压控制状态I下。若Vc增加，光伏电池继续给超级电容器充电，其等效电路模型如图4中(b)所示，超级电容器电压变化如式(2)所示：
$V_c=V_{\mathrm{start}}+C{\int }_{t_1}^{t_2}{i}_c\mathrm{dt}=V_{\mathrm{start}}+C{\int }_{t_1}^{t_2}{i}_s\mathrm{dt}---\left(2\right)$
当超级电容器电压Vc达到光伏电池最大功率区的上限电压Vh时，能量存储开关导通，等效电路模型如图4中(c)所示。此时，最佳电压控制器处于最佳电压控制状态II下。光伏电池与超级电容器一起给能量存储器充电，实现能量存储。此时，超级电容器放电，其电压下降，Vc如(3)式所示：
$V_c=V_h+C{\int }_{t_2}^{t_3}{i}_c\mathrm{dt}=V_h+C{\int }_{t_2}^{t_3}(i_b-i_s)\mathrm{dt}---\left(3\right)$
(3)式中，ib为能量存储器的充电电流。随着超级电容器持续放电，光伏电池电压逐渐下降，当Vc＝VL时，能量存储开关断开，光伏电池又开始为超级电容器充电，重复最佳电压控制状态I和II，始终使光伏电池的输出电压控制在最大输出功率区内。如此，即达到提高小功率光伏电池的输出效率。
有益效果
本发明提出的提高小功率光伏电池输出效率的装置及方法，基于最佳电压控制法，通过在光伏电池与能量存储器之间配置超级电容器和最佳电压控制器，使光伏电池的输出电压处于最佳电压变化区，从而有效的提高了光伏电池的输出效率。相对于传统的方法，具有电路简单、自身功耗低，适合于在小功率微光伏系统中使用。

附图说明

图1为本发明的提高小功率光伏电池输出效率的装置框图；
图2为光伏电池在标准光强下的I-V，P-V特性示意图；
图3为采用最佳电压控制方法提高光伏电池输出效率的电路原理图；
图4-a控制器能量缓存、图4-b最佳电压控制I和图4-c最佳电压控制II时的等效电路图；
图5为最佳电压控制提高光伏电池输出效率的实验结果对比图，
其中，1-光伏电池、2-超级电容器、3-最佳电压控制器、4-能量存储开关、5-能量存储器、6-二极管。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做一进步详细说明。
如图1所示，本发明的提高小功率光伏电池输出效率的装置包括：
光伏电池1、超级电容器2、最佳电压控制器3、能量存储开关4、能量存储器5和二极管6。
其中，光伏电池1可等效为一个理想电流源Iph和二极管D的并联，Rs为其等效内阻。其输出电压经二极管6(D1)给超级电容器2充电。最佳电压控制器3由升压式DC-DC变换器，电阻R1、R2、R3，以及集成运算放大器组成。
光伏电池1的输出端与二极管D1的正极相接，D1的负极与超级电容器2的正极相接。DC-DC变换器的输入端与超级电容器2的正极相接，DC-DC变换器的输出端与集成运算放大器的电源端相接。电阻R1的一端与集成运算放大器的反向端相接，另一端与超级电容器2的正极相接。电阻R2的一端与DC-DC变换器的输出端相接，另一端与集成运算放大器的同向端相接。电阻R3的一端与集成运算放大器的输出端相接，另一端与集成运算放大器的同向端相接。集成运算放大器的输出端与能量存储开关5的控制端相接，能量存储开关5的输出端与能量存储器4的正极相接，能量存储开关5的输入端与超级电容器2的正极相接。光伏电池1的负极同时与超级电容器2、能量存储器5的负极相接。
实施例
假定某面积为150mm×67mm的光伏电池，处于平均太阳辐照度E＝93mW/cm2的条件下，如图5中c所示。在一个最佳电压控制周期中，光伏电池输出能量存储在2个120F串联超级电容器中。
如图5中a所示，当超级电容器的电压从4.3V升至5.3V时，光伏电池的输出功率W1如下：
$W_1=\frac{1}{2}C({V_2}^2-{V_1}^2)=30\times ({5.3}^2-{4.3}^2)$
$=288\left(J\right)$
光伏电池平均输出转换效率η0＝9.1％。
作为对比，若不采用最佳电压控制，即，不将电压控制在最佳电压范围中，如图5中b所示，而是将光伏电池的输出直接存储在一个70F的超级电容器中，此时，电压从0.46V至1.162V，光伏电池1的输出能量W2＝79.38(J)。经上式计算后，光伏电池的输出转换效率η0＝2.5％。
可见，采用最佳电压控制后，光伏电池的输出转换率提高了近3倍。