[发明专利]一种提高小功率光伏电池输出效率的装置及方法

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。