超级电容器太阳能电源装置的制作方法

专利名称：超级电容器太阳能电源装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种超级电容器太阳能充电装置，属于太阳能(光伏)发电 与超级电容技术领域。
背景技术：
太阳能是最普遍而能小型化的能源。以使用观点，太阳能有(l)安全可靠，
无噪音，无污染；(2)无C02等温室气体产生；(3)所需能量随处可得，无 需消耗燃料无机械转动部件；(4)维护简便，使用寿命长；建设周期短，规模 大小弹性；(5)可以无人看守，也无需架设输电线路；(6)偏远地区能源代价 低；(7)方便与建筑物相结合等优点。
然而太阳能是一种非理想性的再生能源，随着日照环境、角度与温度产 生的电力而有显著的不同。亦即表示太阳能是变动性能源，每个时间点能量 的生成可能不同，必须辅以最大功率追踪，才能获取太阳能电池所转换最大 的电能。
太阳能板的电压与电流并不呈线性，属于非理想性的再生能源。在不同 大气环境，会因日照与温度而有独特的工作曲线。如图1所示，强日照、中 曰照与弱日照有各不同电压电流曲线。再以太阳能板的功率电压图观察，如 图2所示，.每一条工作曲线都有一个最大功率点，也就是取得太阳能板最大 能量的地方。透过各种最大功率追踪技术，追踪随着环境而时间点各异的最 大功率电电压电流状态，并快速取得其能量注入系统。
最大功率追踪法是采用实时检测太阳板输出功率，通过功率算法预测当 下天象下的最大功率输出，从而改变当前的阻抗情况来满足最大功率的要求。
近年来许多专利提出多种的最大功率追踪法如日本专利之1995年「特开平 7-129264」的「太阳光发电系统」、1996年08-04445,08-04446 「太阳能电池最
大功率追踪控制法」与2001年特开2001-60119的「太阳电池的最大电力制御 方法」，美国专利1993年「5268832」、1999年「5869956」号，中国专利2004 年北京动力环电器的CN 1512286A 「太阳能电源装置及其最大功率点跟踪控 制方法」、2006年清华大学CN 1731651A 「独立光伏发电系统用的最大功率 点跟踪方法」及2006年中国科学院电工所CN 1797892A 「一种太阳能光伏发 电最大功率点跟踪及控制方法」，台湾专利1998年第00337886号「太阳电 池最大功率追踪器」等。
上述的公知技术虽可作为太阳能最大功率追踪控制，却存在以下的缺陷
与限制
(一) 所有公知技术的最大功率追踪都是检视出太阳能系统的电压及电 流，经乘积或再处理演算比较功率，确认最大功率调整方向。其检视与演算 程序复杂费时。往往太阳光照度或温度的快速变化而系统难完全实时应变， 造成最大功率点误判机率增加，影响太阳系统获取电能效率。
(二) 太阳光照度或温度可能在毫秒间变化，公知技术的最大功率追踪 的检视与演算程序易造成错误，降低系统调最大功率整的正确性。
(三) 公知技术中的检视与演算电路过于复杂，对于外在恶劣的操作环 境，其准确性往往不够。
由于上述缺失，必须寻求更简单、更实时与准确的太阳能最大功率追踪 控制技术。
一个良好的太阳能发电系统评估分成三大部份第一部份即上述所提「最 大功率追踪」，第二部份为「有效的充电方法」与第三是「智能型的放电机 制」。上述的专利技术对于后两者都无法兼顾，虽获取可观电能但在储存至 蓄电池及放电驱动负载过程中，损失庞大电能。本实用新型第二部份正是提 出一种智能协调型的太阳能系统装置，以「最大功率追踪」相同电路与原件 同时解决充电放电效率问题，创造合理、简单、实时与有效率的太阳能系统。
传统太阳能「扰动观察」最大功率追踪法，其结构如图3所示。结构简 单且量测参数较少，已普遍应用于太阳能最大功率系统中。基本架构是借着
周期性的增加或减少负载5的大小，以改变太阳能板1的端电压及追踪演算
2其输出功率。观察比较两者的差异，再决定下一个周期增加或减少负载5大 小。输出功率如果变大，则将负载5作相同趋势的调整变动；反之，输出功 率变小，则在下一个周期改变负载变动方向。如此反复的振荡扰动与观察比 较之，将可趋近太阳能电池的最大功率点。
纵观现有技术的太阳能充电方式存在以下缺陷
(一) 太阳能系统充电方式， 一般采取定电压或定电流充电。由于蓄电 池(尤其是铅酸电池)为化学储能，为化学反应转变。定电压或定电流充电会使 电能大量浪费且损坏蓄电池。如定电压充电在充电初期电流过大会损伤蓄电 池，而定电流充电则在充电末期充电电流多用于电解水产生气体。
(二) 高级太阳能系统充电采用多阶段放电与脉充式放电，则需增加组 件及控制机制，造成太阳能系统电路更为复杂。
而太阳能放电驱动负载，则有以下常见缺失
(一) 需定电流的负载，如太阳能LED路灯，常常因蓄电池的电压变化，
亮度逐渐变暗，无法获得同一亮度。
(二) 需定电流的负载，如太阳能LED路灯，因蓄电池电压使LED路灯 设计上经常不是在最亮状态。
(三) 需定电压的负载，如太阳能机械，常常因蓄电池的电压变化，太 阳能机械需稳压电路。
(四) 往往蓄电池尚有电力，常因电压太低，无法驱动负载。
发明内容
本实用新型的目的就是提供一种超级电容器太阳能充电装置，以解决现 有技术存在的检视与演算电路过于复杂，难以适应恶劣的操作环境，其准确 性往往不够，往往太阳光照度或温度的快速变化而系统难完全实时应变，造 成最大功率点误判机率增加，影响太阳系统获取电能效率，充电损害蓄电池， 以及放电电压不稳定的问题。
为达成上述目的，可通过以下方式实现 一太阳能板为太阳能单元数组
一瞬间功率型超级电容器为电能暂时储存器。以动态平衡方式在稳态 下，接受太阳能板输出电能与输出电能至DC/DC转换器，
一直流/直流(DC/DC)转换器可调整负载之电阻而使太阳能板的输出电 压发生改变。
一逻辑控制器(微处理器)产生脉宽调制脉冲去增加或减少直流/直流 (DC/DC)转换器的工作周期D值。
一负载为LED灯、各式灯或机械负载。 本实用新型的目的还可通过以下方式实现.-一太阳能板为太阳能单元数组；
一瞬间功率型超级电容器作为电能暂时储存器、储存器及第二储能器； 一直流/直流(DC/DC)升降压转换器调整负载电阻、调整充电脉冲； 一蓄电池第一储能器；
一超电容电压侦测器与第一电子开关电压侦测器与开关； 一逻辑控制电路控制太阳能板、蓄电池、直流/直流(DC/DC)升降压转 换器与负载；
一第二电子开关电子开关； 一电压电流保护电路电路保护； 一电流侦测器负载电流侦测； 一负载；
综合上述本实用新型其优点在于
1. 本实用新型最大功率追踪方法具有简单、实时与效率特色，使太阳能 系统能量取得远高于传统的最大功率追踪法。
2. 本实用新型最大功率追踪法，只需侦测电压值不需有电流及演算程 序，大幅提高太阳能系统追踪反应速度。
3. 本实用新型太阳能系统充电采用三阶段充电，不仅延长蓄电池的使用
寿命且充电能量损失减至最低。
4. 本实用新型太阳能系统放电为智能可调模式，使太阳能系统负载的可 用性大为提高，提升太阳能系统质量且避免蓄电池的过放影响其寿命。
5. 系统组件在每个操作阶段都可重复使用，电路简单且多功能。


图l系为不同日照强度下，太阳能板之电压电流图； 图2系为不同日照强度下，太阳能板之输出功率与电压图； 图3系为太阳能传统扰动观察最大功率追踪装置的结构示意图； 图4是本实用新型太阳能最大功率追踪装置基本构成框图； 图5是本实用新型装置的一个智能型实施例的构成框图。
具体实施方式
如图4所示，本实用新型的一个实施例包括
(1) 太阳能板6:为太阳能单元数组，依其所需的输出电压与电流串并联， 在各种阳光强度下，光电转换成电能。
(2) 瞬间功率型超级电容器7:系指低内阻、高电容量的电容器，可作为 电能暂时储存器。以动态平衡方式在稳态下，接受太阳能板输出电能与输出
电能至DC/DC转换器，瞬间功率型超级电容器可能是金属氧化物电极之超电
容、碳材超电容、高分子超电容、混成式超电容、铝电解电容或类似之高电 容量之电容器。
(3) 逻辑控制器(微处理器)9:产生脉宽调制脉冲去增加或减少直流/直流 (DC/DC)转换器的工作周期D值。
(4) 直流/直流(DC/DC)转换器8:是一种升压转换器，可调整负载之电阻 而使太阳能板的输出电压发生改变。DC/DC转换器亦可能是降压转换器、升 降压转换器或其它类似DC/DC转换器。
将超级电容器7置入太阳能板6及直流/直流转换器8之间，如图4，作
为能量(电能)的暂存容器，电能由太阳能板6生成，进入超级电容器7，而后 输出直流/直流转换器8，由逻辑控制器9进行工作周期调整，最后进入蓄电 池10。此进出电能在稳态下(steadystate)可视超级电容器无净电能为零，即无 电能蓄积于超级电容器，太阳能板所产生的能量都由流入直流/直流转换器， 呈现动态平衡状况。
太阳能系统能量(电能)W-P X t
P:功率，t:时间
...W = I X V X t
去除时间因素；
以1 second讨论， t = 1 sec
贝Uw-P-i x v
任一时刻，流入超电容的能量=流出超电容的能量，也就是太阳能板流 入超电容的能量应该是超电容流入直流/直流转换器的能量。
太阳能板产生的能量=流入超电容的能量=流出超电容的能量=流入直 流/直流转换器的能量
所以以往的太阳能最大功率追踪法需侦测太阳能板产生的功率，现亦可 侦测超电容的能量或功率。
而超电容的能量是与其电容量相关
W=1/2C X V2
W:超电容的能量，C:超电容的电容量，V为超电容的电压
超电容的电容量C值是定值，所以超电容的能量可由超电容的电压呈现， 只要有超电容的电压即可知超电容能量，也可知太阳能板产生的功率。所以
本法只侦测超电容的电压简单又有效率。其操作流程图如图5所示。
当工作周期D值改变，而超电容的电压增加，即太阳能板产生的能量多 于流入转换器的能量，此时工作周期D值朝原改变方向进行，反之，朝相反 改变方向进行。如此反复的振荡扰动与观察比较之，将可趋近太阳能电池的 最大功率点。
参见图5，本实用新型的智能型实施例包括
一连接在所述的太阳能电池板6与直流/直流转换器8之间的超电容电压
侦测器VC和第一电子开关SW1;
一连接在所述的直流/直流转换器8与负载10之间的第二电子开关SW2; 一连接在所述第二电子开关SW2与接地之间的蓄电池3; 一连接在所述的负载10的输入端与所述的逻辑控制器9之间的电压电流
保护电路5;
一连接在所述的负载10与所述的逻辑控制器9之间的电流侦测器4。
该装置的工作流程为
(1) 采用上述的「Peter能量扰动观察之太阳能最大功率追踪法」；
(2) 采用三段式充电法
逻辑控制电路9根据蓄电池3的电压状况(由电压电流保护电路5反馈 到逻辑控制电路9的一个输入端)，决定为蓄电池3的充电模式。经直流/直 流转换器8调整电流电压充电至蓄电池3。本系统在蓄电池3的电压低时以脉 冲式充电模式充电，充电至设定电压以上，太阳能板6在当下所生成之能量， 全数充电至蓄电池3，到达充电后期再以脉冲式充电模式充电充饱蓄电池3。 此三段式充电法具有效率、快速且低能量的损耗特色。
(3) 智能可调式放电模式
本太阳能系统放电是可调式，由逻辑控制电路9的决定放电模式，由流/ 直流转换器8控制定电压或定电流或其它方式的放电。直流/直流转换器8可 变换本太阳能电源装置的输出情况。本系统负载10可为LED灯数组、Lamp、 机械装置、监控设备、侦测仪器与讯号通讯器等。
负载10如为LED灯数组则需定电流控制亮度，太阳能系统的蓄电池多为 12V的铅酸电池，储能放电。满充时可达到16V，使用范围多为13.8 11V之 间。由蓄电池驱动LED，会因铅酸电池的电压变化造成LED驱动电流变动， 因此LED灯的亮度会逐渐变暗。智能型可调式的定电流控制，可保持LED路 灯的亮度一定。利用定电流控制使通过LED串行电流一致，不会使路灯变暗。
有些负载则需定电压，如机械装置、监控设备、侦测仪器等。定电压才能 使机械稳定运作。透过本装置可定电压放电控制更具效率，甚至可提高输出 到负载更高的固定电压。
本装置结构简单却能整合多项功能，以最少零件获得最佳的太阳能系统的 控制机制。
本实用新型的工作过程包括下列阶段-
(一) 最大功率追踪阶段，使用「Peter能量扰动观察之太阳能最大功率 追踪法」，该方法包括下列步骤
步骤1:侦测超电容7电压VC值
若VC值《设定值，不启动最大功率系统；
若VC值 > 设定值，则逻辑控制器9启动最大功率系统；
步骤2:设定DC/DC转换器8工作周期D1值，量测新的Vc值；
步骤3:由逻辑控制器9改变DC/DC转换器8的工作周期D2值，即改变了
负载电阻。 步骤4:再量测最新的VC值，
若最新Vc值 > 新Vc值，则调整DC/DC转换器工作周期D值，其变 化趋势方向朝原变化方向，即D值如增加(D2〉D1 )，则下一个D3则继续 增加(D3〉D2)， D3〉D2〉D1; D值如减少(D2〈D1 )，则下一个D3则继续减少 (D3〈D2)， D1〉D2〉D3。
若最新Vc值 < 新Vc值，则调整DC/DC转换器工作周期D值，其变
化趋势方向朝反变化方向；
若最新Vc值二新Vc值，则维持DC/DC转换器工作周期D值； 步骤5:重复步骤4，直至Vc值《设定值，关闭最大功率系统。
(二) 充电阶段，使用三阶段充电法。蓄电池3的电压低时以脉冲式充 电模式充电，充电至设定电压以上，太阳能板6在当下所生成之能量，全数 充电至蓄电池3,到达充电后期再以脉冲式充电模式充电充饱蓄电池3。
(三) 放电阶段，采用智能可调式模式，由逻辑控制器9的决定放电模
式，由流/直流转换器8控制定电压或定电流或其它方式的放电。直流/直流转
换器8通过电子开关2可变换蓄电池的输出情况。
超电容在很多电子电力应用上都扮演取代电池的角色，如RTC备用记忆 与太阳能LED灯。以往超电容能量密度远低电池，在储能应用受到限制。而 近几年超电容能量密度提升迅速，替代电池处处可见。太阳能系统的直流蓄 电都逐渐考虑置入超电容，尤其是在最大功率点追踪。美国专利2006/0312102 号更提出具效率太阳能系统最大功率充电至超电容电路，设计出一电路即可 作最大功率追踪与定功率充电超电容。
超电容概分成能量释放型与瞬间功率型两种，前者特性趋向电池，以储存 能量为主。由于是物理储能，其使用寿命与可靠度远比化学反应的电池来的 高。而后者则以瞬间可提供强大功率为主，特性类似电容器，具瞬间爆发的 功率特性。本实用新型是以瞬间功率型超电容串接于太阳能板与直流/直流 (DC/DC)转换器之间，利用其低内阻、快速反应特性，作为稳态状况下的能量 进出储能器。建构新式、实时及有效率的太阳能最大功率追踪方法。此外利 用这最大功率追踪方法设计出一种智能型的协调式太阳能装置系统。
权利要求1.一种超级电容器太阳能电源装置，其特征在于包括一太阳能板，为光能与电能转换组件，依需求串并联而成；一瞬间功率型超级电容器，是动态平衡的储能器，储存太阳能板输出能量并输出电能至直流/直流转换器；一直流/直流转换器，可调整太阳能板及超级电容器的输出电压及能量；在直流/直流转换器的输出端接有负载或蓄电池；一逻辑控制器，根据太阳能板及超级电容器的输出电压的变化，增加或减少直流/直流转换器的工作周期D值。
2. 根据权利要求1所述的超级电容器太阳能电源装置，其特征在于所述的瞬间功率型超级电容器为低内阻或高功率之大容l:电容器，该电容器为各种高能量密度与高功率密度之超级电容、金属氧化物电容、金电容及大电容量 之铝电解电容器。
3. 根据权利要求1所述的超级电容器太阳能电源装置，其特征在于还包括一连接在所述的太阳能电池板与直游直流转换器之间的超电容电压侦测 器和第一电子开关；一连接在所述的直淑直流转换器与负载之间的第二电子开关； 一连接在所述第二电子开关与接地之间的蓄电池；电路；一连接在所述的负载与所述的逻辑控制器之间的电流侦測器。
4. 根据权利要求1所述的超级电容器太阳能电源装置，其特征在于所述的 蓄电池包括镍镉、镍氢、锂离子、锂高分子、铅酸电池等可充电电池。
5. 根据权利要求1所述的超级电容器太阳能电源装置，其特征在于所述的 瞬间功率型超级电容器在储能时可作为第二储能器。
6. 根据权利要求l所述的超级电容器太阳能电源装置，其特征在于所述的瞬间功率型超级电容器在放电时，可并联蓄电池放电，以增强放电功率。
专利摘要本实用新型公开一种超级电容器太阳能电源装置，涉及太阳能发电技术领域。本方法以动态平衡追踪太阳能系统的最大功率。再根据此法加入智能型充放电机制，形成一种智能型的协调式太阳能装置。其内含至少一个太阳能板、超电容、直流/直流升降压转换器、脉宽调变驱动器、蓄电池、逻辑控制器与负载。将太阳能板产生的电能转换成电容器型态的电能进行最大功率演算，可大幅度简化演算程序。提升追踪演算的实时性与可靠度，增益太阳能系统效率。可广泛应用于太阳能LED灯、太阳能灯，尤其是太阳能路灯、街灯与太阳能交通号志灯、太阳能工程灯等。
文档编号H02J15/00GK201001050SQ20062016007
公开日2008年1月2日 申请日期2006年11月27日 优先权日2006年11月27日
发明者孙实钧, 孙民兴, 张荣锜 申请人:孙民兴