专利名称：太阳能电池匹配电路及其实现方法
技术领域：
本发明属于电子技术和太阳能应用领域，涉及一种太阳能电池匹配电路
及其实现方法。
背景技术：
随着全球能源的紧张，太阳能电池得到广泛的研究与发展。太阳能电池在 没有阳光时不能产生电能，为满足用电器的持续需求，必须将太阳能电池的 电能存储在储能器件中(如锂离子电池、铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池等 各种二次电池)。由于太阳能电池本身将光能转换为电能的效率不高(一般小
于20%)，加上目前太阳能电池还较为昂贵，因此将太阳能电池输出的电能高 效转换存储十分重要，是几乎所有太阳能电源系统中都必须考虑的问题。
最初的太阳能存储方式为将太阳能电池通过二极管后与二次电池并联， 使太阳能电池的电能直接存储于二次电池中。但当光强发生变化时，太阳能 电池输出的电压及阻抗都会发生显著变化；光线较弱时，太阳能电池输出的 电压较低，当电压低于电池的电压时就不能继续给二次电池充电，此时太阳 能电池的电能被白白浪费，因此这种直接将太阳能电池与二次电池并联的储 能方式效率较低。
ZL95106136.4提出了一种将太阳能电池输出的电能直接存储于双层电容 器中方案，它只能通过放电控制器将双层电容器中的电能间歇地向负载输出， 其放电时间短于太阳能电池向双层电容器的充电时间，由于双层电容器的容 量有限，无法满足太阳能电池电能的大容量存储；又由于放电过程中，双层电容器两端的电压是线性下降的，因此无法满足负载对恒定电压的需求。
CN1185584A提出了一种对随入射到太阳能电池的太阳光强度和周边温 度而变化的最大功率点进行追踪的检测电路，根据检测结果控制后续电路的 工作状态。但该电路在光强较小、太阳能电池输出功率较低时，无法使后续 电路转换存储，因此其效率仍然不高，且该电路较为复杂。
美国专利4873480中提出设立一个另外的独立电池，通过该电池产生基准 电压，将该基准电压与太阳能电池输出电压比较，根据比较结果来控制后续 电路的工作状态。但其存在问题由于太阳光强度是不断变化的，造成太阳 能电池的输出电压、阻抗不断变化，因此该电路不能在全部条件下转换电能， 并且还必须有另一个独立的电池，在长时间的工作中，该电池的性能变化会 影响电压基准的变化，而难以保证其电路一直工作于最高效率状态。
美国专利4916382中利用模拟数字转换电路对太阳能电池的输出电压和 输出电流进行转换得到相应的数字数据，再利用微处理器进行处理，并根据 处理结果控制转换电路工作于较高的转换效率状态，但该电路复杂，成本高， 并且仍然无法利用光强较低时太阳能电池输出的低功率能量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种太阳能电池匹配电路，该电路 可以在光强较弱时对太阳能电池输出的低功率电能进行高效的转换，并将其
存储在二次电池中。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是
一种太阳能电池匹配电路，其特征在于，太阳能电池和二极管D1串联
后一端接地，另一端接储能电容器的一端P点，储能电容器的另一端Q点接储能电池的正极，储能电池的负极接地； 一电子开关和一储能电感串接后一
端接P点，另-端接Q点，该电子开关包括一个控制端；比较器的一个输入 端接P点，另一个输入端接参考电压Vref，该比较器的输出端接电子开关的 控制端，二极管D2正端接地，负端接电子开关和储能电感的连接点。
作为改进，该太阳能电池匹配电路还包括一光强探头、 一温度探头和一 微处理器，光强探头连接微处理器的一个输入端，温度探头连接微处理器的 另一个输入端，微处理器的输出端控制所述的参考电压Vref。
所述的储能电容器为电解电容器、陶瓷电容器、超级电容器、双电层电 容器、电化学电容器或混合电容器。
作为改进，所述的储能电容器由多个电容器级联组成。
电子开关为MOS管、IGBT、可关断可控硅、继电器或固态继电器。
储能电池为锂离子电池、镍氢电池、镍镉电池、铅酸电池或免维护铅酸 电池。
作为改进，所述比较器的输出端和电子开关之间设置有驱动电路。 所述的二极管Dl和二极管D2为肖特基二极管。
该太阳能电池匹配电路还包括数模转换电路，该数模转换电路的输入端 接所述微处理器的输出端，该数模转换电路输出参考电压Vref。
微处理器可以是单片机(如51系列)、DSP处理器、ARM处理器、 FPGA\CPLD电子系统等。
一种太阳能电池匹配电路实现方法，其特征在于在太阳能电池正极和储能电池正极之间设有一电容器；有一电子开关与储能电感串联后并接在电 容器两端；从电路上讲，电容放在太阳能电池负极与储能电池负极之间也可 以。
根据太阳能电池实测的在最大功率输出时光强、温度与匹配电压的曲线 获得的当前光强和温度对应的匹配电压Vref;
当电容器的电压高于参考电压v,时，电子开关闭合，电容器通过电子
开关与储能电感构成的回路放电；
当电容器的电压低于参考电压VREF，电子开关断开，储能电感通过储能 电池、二极管放电，电能转存于储能电池中。
以上两个放电过程是周而复始的，而且根据当前温度和光强的不同，参
考电压V^F也是动态变化的。
实现本发明太阳能电池高效转换存储方案的技术原理为①先将太阳能 电池最大功率输出算法固化到单片机中；②通过光强探头、温度探头将光强 信号、温度信号采集到单片机中，单片机根据最佳算法计算出一个最佳匹配 值，并以电压(VREF)的形式输出到比较器；③电容器电压(Vc)也输出到
比较器，Vc在太阳能电池充电过程中上升；④当Vc大于Vref吋，比较器翻
转输出信号，驱动器放大后推动电子开关闭合；⑤电容器通过电子开关与储 能电感构成的回路放电； 当Vc小于V,时，比较器又翻转，电子开关断开； ⑦储能电感通过储能电池、二极管放电；这样电容器中的电能就转存到储能 电池中。通过控制电容器电压值(Vc)，跟踪太阳能电池的最佳输出功率点， 使其始终工作在最大功率输出状态，从而达到太阳能电池与储能电池之间阻 抗匹配、高效存储的目的。本发明的冇益效果有
本发明所涉及的匹配电路，由于引入了比较器，并且比较器的输入端的
参考电压Vref可以根据光强和温度调节，从而和太阳能电池的输出电压进行
匹配，再根据电子开关的导通和断开并配合储能电容和储能电感能实现灵活 的充放电，克服了现有技术中无法利用光强较低时太阳能电池输出的低功率 能量的缺点，从而最大限度地利用了太阳能电池的输出，实现能量转换和存
储效率的提高。
图1是本发明实施例的电路结构图。
图中标号说明太阳能电池(1) 、 二极管D1 (2)、储能电容器(3)、 电子开关(4)、储能电感(5)、储能电池(6)、光强探头(7)、温度探 头(8)、微处理器(9)、比较器(10)、驱动电路(11) 、 二极管D2 (12)
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。 其实施例只是符合本发明技术内容的1个实例，本发明包含却不限于下 述实施例所述的内容，即本实施例的内容不是对本发明的进一步限定。
关于本实施例所涉及到的元件的选择①根据负载的电压、功率需求选择 适当的二次电池(6)，如12V、 9Ah的免维护铅酸电池；②太阳能电池1选用12V30W单晶硅太阳能电池；③二极管D1 (2)选用MBR1545肖特基二极 管，以减小PN结上的压降，降低功率损耗；④电容器3采用3只2.7V20F的 双电层电容器串联，组成超级电容器组；⑤微处理器9选用单片机P89LPC935， 比较器10选用LM358，驱动电路11由9013三极管构成；⑥电子开关4用 CEP50P03型MOS管，储能电感5用100tiH， 二极管D2 (12)采用MBR1545肖 特基二极管；⑦将12V30W单晶硅太阳能电池最大功率输出算法固化到单片
电路工作过程①太阳能电池1的电能通过二极管2给超级电容器3、储能电 池6充电；②微处理器(单片机)9将光强探头7的太阳光强度信号、温度探 头(8)的环境温度信号采集到单片机内部，并按照事先固化在单片机内部的 最佳匹配算法进行计算(所谓的最佳匹配算法，解释如下由于不同类型的 太阳能电池甚至不同厂家同类型的太阳能电池产品，其最大功率输出时对应 的匹配电压有所不同，该电压与光强、环境温度有关。因此，实际应用本电 路时，需要针对不同类型太阳能电池在不同光强、不同温度下的测试所得的 一组最佳匹配电压，作出光强、温度与最佳电压曲线，将该曲线拟合的公式 输入到单片机，然后根据实际测得的光强、温度代入到公式求出最佳电压。 实际上，也相当于在单片机中有个光强、温度与最佳电压的对应表，不同光
强、温度就对应有不同的电压值)，得到一个最佳的电压匹配值V^H (数字
信号)并输出至微处理器(单片机)9的输出端，该电压匹配值VreF1 (数字 信号)再经数猴(D、A)转换电路输出模拟电压匹配值V腳到比较器10的输入 端；随着太阳能电池1对储能电容器3的充电的进行，储能电容器3的电压 (Vc)逐渐上升；该电压也送入到比较器10的输入端，当Vc大于Vref吋， 比较器10翻转，其输出端输出信号使驱动电路11工作，电子开关4接通，储能电容器(超级电容器)3通过电子开关4、储能电感5放电；储能电容器
(超级电容器)3的电压Vc下降，当Vc小于V,时，比较器10又翻转回初
始状态，驱动电路ll停止工作，电子开关4断开；由于电感的续流特性，其
回路中的电流不能瞬间消失，而以原电流方向继续，因此存储在储能电感(5) 中的电能，就通过储能电感)、储能电池6、 二极管D2 (12)构成的回路给 储能电池6充电。存储在储能电容器(超级电容器)3中的电能就这样通过电 子开关4、储能电感5不断地转移到储能电池6中。通过控制电容器两端的电 压值(Vc)，就可以跟踪太阳能电池1的最佳输出功率点，使其始终工作在 最大功率输出状态，从而达到高效匹配存储的目的。
实际测量计算表明，该电路太阳能电池输出电能的转换存储效率在90% 以上。
权利要求
1. 一种太阳能电池匹配电路，其特征在于，太阳能电池和二极管D1串联后一端接地，另一端接储能电容器的一端P点，储能电容器的另一端Q点接储能电池的正极，储能电池的负极接地；一电子开关和一储能电感串接后一端接P点，另一端接Q点，该电子开关包括一个控制端；比较器的一个输入端接P点，另一个输入端接参考电压Vref，该比较器的输出端接电子开关的控制端，二极管D2正端接地，负端接电子开关和储能电感的连接点。
2、 如权利要求l所述的一种太阳能电池匹配电路，其特征在于，还包 括一光强探头、 一温度探头和一微处理器，光强探头连接微处理器的一个输 入端，温度探头连接微处理器的另一个输入端，微处理器的输出端控制所述 的参考电压Vref。
3、 如权利要求1所述的一种太阳能电池匹配电路，其特征在于，所述 的储能电容器为电解电容器、陶瓷电容器、超级电容器、双电层电容器、电 化学电容器或混合电容器。
4、 如权利要求3所述的一种太阳能电池匹配电路，其特征在于，所述 的储能电容器由多个电容器级联组成。
5、 如权利要求l所述的一种太阳能电池匹配电路，其特征在于，电子 开关为MOS管、IGBT、可关断可控硅、继电器或固态继电器。
6、 如权利要求1所述的一种太阳能电池匹配电路，其特征在于，储能 电池为锂离子电池、镍氢电池、镍镉电池、铅酸电池或免维护铅酸电池。
7、 如权利要求1所述的一种太阳能电池匹配电路，其特征在于，所述 比较器的输出端和电子开关之间设置有驱动电路。
8、 如权利要求l所述的一种太阳能电池匹配电路，其特征在于，所述的二极管Dl和二极管D2为肖特基二极管。
9、 如权利要求1~8任一项所述的一种太阳能电池匹配电路，其特征在 于，还包括数模转换电路，该数模转换电路的输入端接所述微处理器的输出 端，该数模转换电路输出参考电压Vref。
10、 一种太阳能电池匹配电路实现方法，其特征在于在太阳能电池正 极和储能电池正极之间设有一电容器；或在太阳能电池负极和储能电池负极 之间设有一电容器；有一电子开关与储能电感串联后并接在电容器两端；根据太阳能电池实测的在最大功率输出时光强、温度与匹配电压的曲线 获得的当前光强和温度对应的匹配电压Vref;当电容器的电压高于参考电压VREF时，电子开关闭合，电容器通过电子 开关与储能电感构成的回路放电，电能被储存于储能电感中；当电容器的电压低于参考电压VREF，电子开关断开，储能电感通过储能 电池、二极管放电，将储能电感中的电能转存至储能电池。
全文摘要
本发明公开了一种太阳能电池匹配电路及其实现方法，其特征在于，太阳能电池和二极管D1串联后一端接地，另一端接储能电容器的一端P点，储能电容器的另一端Q点接储能电池的正极，储能电池的负极接地；一电子开关和一储能电感串接后一端接P点，另一端接Q点，该电子开关包括一个控制端；比较器的一个输入端接P点，另一个输入端接参考电压Vref，该比较器的输出端接电子开关的控制端，二极管D2正端接地，负端接电子开关和储能电感的连接点。该太阳能电池匹配电路的太阳能电池输出电能的转换存储效率高，其效率在90％以上。
文档编号H02J7/00GK101282044SQ20081003143
公开日2008年10月8日 申请日期2008年5月30日 优先权日2008年5月30日
发明者张仕财, 荐 李, 袁伟初 申请人:东莞市特龙金科能源科技有限公司