CN101248532B - 光伏功率输出利用装置 - Google Patents

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Abstract

简要来说，本发明提供一种对电容器组合件进行部分充电的光伏组合件功率输出利用装置。然后，DC/DC功率转换器在不同的电压范围中对所述电容器组合件进行部分放电，在所述范围中来自所述光伏组合件的功率输出针对不同的光强度达到峰值。

Description

光伏功率输出利用装置
技术领域
本发明涉及一种光伏功率输出利用装置。
背景技术
举例来说，在1975年11月18日颁发给G.Mellors等人的第3,921,049号美国专利中，描述一种用于对电池进行充电的光伏组合件。所述光伏组合件通过其与要充电电池之间的二极管简单地连接到所述电池。当所述光伏组合件未经受充足的光强度时所述二极管阻止反向电流流动，因为所述光伏组合件输出电压大于所述电池电压加上所述二极管的正向电压。
虽然G Mellors等人的装置是有用的，但所述光伏组合件经受的任何光强度不能够产生大于所述电池与所述二极管的组合电压的电压将不会启动所述光伏组合件以输出充电电流。因此，在所述光强度下的功率输出无法利用。当电池电压随着电池充电而增加时，此情形恶化。
需要一种更加有效地利用可用光的光伏组合件功率输出利用装置。特定来说，需要一种在宽广范围的光强度(所述光伏组合件所经受的)内输出的光伏组合件。
在于2002年8月9日颁发给M.Timm的第6,367,259号美国专利中，还提出通过电容器及控制电路积累来自光伏组合件的电能，且随后一旦在所述电容器中积累了足以运行电动机的能量，便直接将所述电容器放电到(举例来说)所述电动机。
虽然在Timm专利中所描述的装置是有用的，但其中对所述电容器进行放电的电压范围确定来自所述光伏组合件的功率输出，且所述电动机的操作电压范围确定所述范围。所述电压范围将不提供所述光伏组合件能够提供的最大功率输出。
需要一种光伏功率输出利用装置，其将在至少一个输出电压范围中从所述光伏组合件获得最大可能能量输出。
发明内容
简要来说，本发明提供一种对电容器组合件进行部分充电的光伏组合件功率输出利用装置。然后，DC/DC功率转换器在不同的电压范围中对所述电容器组合件进行部分放电，在所述范围中来自所述光伏组合件的功率输出针对不同的光强度达到峰值。
在一个实施例中，本发明为一种光伏功率输出利用装置，所述装置包含：
a)可部分地放电、可调节输入电压的电容器组合件，其并联连接到所述光伏组合件以积累来自所述光伏组合件的电能，及
b)电子控制电路，其用于在其中出现峰值功率输出的光伏组合件输出电压范围中通过所述光伏组合件对所述电容器组合件进行充电，且然后对所述电容器组合件进行部分放电。
在此实施例中，所述电压范围可能是多个电压范围中的一者，且所述控制电路可包括用于监视来自所述光伏组合件的电流及电压输出的构件及用于改变其中对所述电容器组合件进行充电部分放电的电压范围以从所述光伏组合件获得峰值功率的构件两者。
在本发明的额外实施例中，可提供一种电容器组合件输出DC/DC功率转换器。所述DC/DC功率转换器用于将所述电容器放电电压中的至少某一放电电压转换到需要的电平，在本发明的进一步实施例中，所述DC/DC功率转换器用于将电容器放电电流中的至少某一放电电流转换到需要的电平。
在本发明的另一实施例中，所述装置可用于对电能存储装置进行充电，在此实施例中，所述DC/DC功率转换器能够将电容器组合件输出放电电压增加到存储装置充电电压，且所述装置将包含到达所述能量存储装置的直接放电路径。特定来说，所述装置包含用于在需要增加所述电容器组合件放电电压时通过所述DC/DC功率转换器对所述能量存储装置进行充电的构件，及用于在所述电容器组合件放电电压不小于所述充电电压时通过直接充电路径对所述能量存储装置直接进行充电的构件。
通过参照以下图式将更加全面地了解本发明的这些及其它特征。
附图说明
图1是测试的结果的曲线图，其显示依据输出电压绘制的在光伏组合件所经受的不同光强度下来自所述组合件的功率输出；
图2是类似于图1的曲线图，但图2在取决于输出电压的光电组合件的最大输出功率的百分数方面显示来自所述光伏组合件的功率输出；
图3是根据本发明的一个实施例用于通过光伏组合件功率输出利用装置对电池进行充电的光伏组合件的电路图；
图4是显示在本发明的实施例中当出现对电容器进行充电时依据输出电压绘制的来自光伏组合件的功率输出的曲线图；
图5是显示在本发明的实施例中当出现对电容器进行放电时依据述输出电压绘制的来自光伏组合件的功率输出的曲线图；及
图6是其中利用DC/DC功率转换器的本发明的额外实施例的电路图。
具体实施方式
本发明涉及相对于光伏(PV)组合件接收的光强度优化所述光伏组合件的性能。在开发本发明中，申请者实施测试以测量典型光伏组合件的功率输出如何受光强度的影响。所述测试由申请者使用呈PV板形式的光伏组合件进行，所述PV板具有八个串联连接的单元。所述测试的结果显示在图1中，其中依据所述PV板输出电压(“电压(V)”)绘制所述PV板上不同光强度的PV板功率输出(“功率(mW)”)。
所述曲线图图解说明：当光强度保持大致不变时，功率(mW)增加同时输出电压(V)也增加直到功率(mW)达到峰值；从所述功率峰值处电压(V)将继续增加而功率(mW)减弱。利用此现象，申请者已创造出本发明，其中针对所述PV板上的恒定光强度从所述PV组合件获得改善的功率。特定来说，本发明确定一旦达到峰值功率，便随开始对电容器进行部分放电。一旦电压降到最终电压Vf电平，便终止所述放电操作。以实例的方式，所述最终电压Vf可以是电压峰值(Vp)的90％。
对所述测试结果的进一步分析指示，为最大程度地利用来自光伏组合件的输出功率，对于不同的光强度，电压峰值(Vp)及峰后、最终电压(Vf)均不同。当与较大光强度下获得的结果比较时，上述情形在PV板上的光强度较小且最大功率出现在较小量值电压下时特别明显。
图2是描绘在不同光强度的情况下以在电压(“V”)的光强度下可得到的最大功率的百分数功率(“％”)形式的输出功率(“mW”)的曲线图。
在其中要将所述功率用于对电池进行充电，且假定所述电池电压约为3伏的情形中，图2指示当光强度大于约20,000Lux时可将最大功率的约90-100％充电到所述电池中。然而，如果光强度小于约20,000Lux，那么充电到所述电池中的百分数功率小得多。举例来说，对于2,000Lux的光强度，充电到所述电池中的百分数功率仅约为40-50％。如果光强度甚至更小，那么所述PV板可产生的最大电压甚至可低于所述电池电压。在所述光强度下，所述PV板将不能对所述电池进行充电，且因此充电效率为零。然而，如在图2中进一步描绘，如果所述电池电压与2伏一样小，那么在低光强度情况下的充电效率将是完美的，但在较高光强度情况下的充电效率仅为60-80％。
从图2的分析可看出，举例来说，当将常规充电电路用于对电池进行充电时，所述充电电路仅能够输送PV板所产生电能的一部分。充电效率受到光强度级及电池电压电平两者的严重影响。因此，常规电路的充电效率不仅低，且当最大PV电压小于电池电压时停止输送任何电能。虽然已将对电池进行充电用作实例，因而存在对利用来自PV板的电能的所述限制，但在将所述电能用于其它用途(例如，举例来说，加热或制冷)的情况下还可使用常规电路供电。
以上分析致使申请者创造出本发明，其中提供光伏组合件功率利用装置，所述装置将得到能够在宽广范围的光强度上从光伏组合件发出的电能的更大百分数(与先前可能的百分数相比较)。
依据以上测试结果及分析，申请者提供了图3中所描绘的本发明的于实施例。图3图解说明光伏组合件功率输出利用装置30，装置30的输出被供应到电池35。装置30包含可部分地放电、可调节输入电压的电容器组合件32。其进一步包含电子控制电路33，电路33用于通过光伏组合件31对电容器组合件32进行充电。此布置准许在其中出现至少一个峰值功率输出的光伏组合件输出电压范围中对电容器组合件32进行部分放电。
使用图3中所描绘的本发明的实施例，针对光伏组合件31实施类似于参照图1及2所述的测试。依据所述测试，确定电容器组合件32的充电及放电电压范围，其中针对光伏组合件31暴露到的光强度范围获得峰值功率输出。将图1的数据用作实例，所述电压范围可约为2.6至3.2伏。
然后，建造(仅使用硬件装置)控制电路33且对其进行编程(使用硬件及软件的组合)以在所述电压范围中对电容器组合件32进行充电及放电，因此针对施加在光伏组合件上的特定的光强度范围从光伏组合件获得最大输出功率。
图4是显示当出现对电容器组合件32进行充电时依据输出电压绘制的来自光伏组合件31的功率输出的曲线图。如在图4中图解说明，当PV板对所述电容器组合件进行充电时，电压增加。假定开始时间点为T(1)。本发明确定在连续的样本T(1)及T(2)处，功率将增加。本发明继续取样且随后发现在时间点T(N+1)处，功率开始降落。根据本发明的一个实施例，当功率在时间点T(N+k)处降落到点T(N)处的功率的一百分数(例如，97％)时，那么本发明便开始对电容器组合件进行放电且电压开始降低。也就是说，电容器组合件32及光伏组合件31两者的电压降低，因为所述组件是并联连接的。
图5是显示当出现对电容器组合件32进行放电时依据输出电压绘制的来自光伏组合件31的功率输出的曲线图。当电容器组合件处于放电中时，电压降低。如在图5中图解说明，本发明从时间点S(1)开始取样。在从S(1)到S(N)的时间周期期间，输出功率将增加。在时间点S(N)之后，输出功率开始降低。当在时间点S(N+j)处输出功率降落到时间点S(N)处的功率的一阈值百分数(例如，97％)时，那么本发明停止对电容器组合件进行放电。然后，电压将再次开始增加并开始下一充电及放电循环。
从上述情形可看出，即使在本发明的所述基本实施例的情况下，来自光伏组合件31的输出电压维持在其中来自所述光伏组合件的功率输出对于所述光伏组合件上的特定光强度范围为最大的电压范围中。因此，提供光伏组合件功率输出利用装置30，与使用其它已知装置所可能利用的功率输出相比，装置30利用更多的来自所述光伏组合件的功率输出。
将看出，在上述实施例中，控制电路33在固定充电及放电电压下对电容器组合件32进行充电及放电。选择所述充电及放电电压以针对光伏组合件31上受限制的光强度范围获得最大功率输出。
然而，将从图1及图2看出，对于峰值功率输出，光伏组合件输出电压因光伏组合件上的不同光强度而移位。在本发明的更加复杂的实施例(现在将描述)中，将考虑所述电压移位。所述实施例在以下情况下尤其有用，举例来说，期望尤其是在光伏组合件上的低光强度下使来自光伏组合件的功率输出最多。
图6图解说明本发明的所述另一实施例，其提及其中充电及放电电压范围为多个电压范围中的一者的情形，所述多个电压范围的每一者针对光伏组合件31上的特定光强度。控制电路33包括用于监视来自所述光伏组合件的电流及电压输出的构件，及用于改变其中对电容器组合件32进行充电及部分放电的电压范围以从所述光伏组合件获得峰值功率的构件。
在此实施例中，电容器组合件32为超级电容器组合件，虽然本发明的替代实施例可利用可部分地放电且可调节输入电压的各种电装置。图6中所示的实施例用于对能量存储装置(例如，举例来说，电池)进行充电。在图6中，提供DC/DC功率转换器62，且显示所述装置用于对电池35进行充电。
在操作中，电容器组合件32及控制电路33如上所述操作以在取决于光伏组合件31上的光强度的不同电压范围中接收来自光伏组合件的峰值输出功率。当光伏组合件31上的光强度产生来自电容器组合件32的小于对电池35进行充电所需要的电压放电时，控制电路32使用DC/DC功率转换器62将所述放电电压转换为将对所述电压进行充电的电压。
当光伏组合件31上的光强度产生将对电池35进行充电的来自电容器组合件32的电压放电时，所述控制电路利用开关64以绕开DC/DC转换器62且因此直接对电池35进行充电。
在本发明的其它实施例中，DC/DC功率转换器62将来自电容器组合件32的放电转换为需要的电流电平。
在本发明的进一步实施例中，控制电路32可含有：
a)经编程的电子控制电路，
b)含有由指令集及算法组成的固件的电路，
c)场可编程门阵列，
d)微控制器，或
e)专用集成电路。
在本发明的仍进一步实施例中，DC/DC功率转换器62可含有：
a)开关模式DC/DC转换器，
b)单向接通/断开直接充电开关(因此弃用图6中所描绘的单独的单向开关64)，
c)增压DC/DC转换器，
d)减压DC/DC转换器，
e)降压升压DC/DC转换器，
f)恒定输出电压DC/DC转换器，或
g)恒定输出电流DC/DC转换器。
在本发明的特定实施例中，针对呈小(8cm x 5cm)PV板(其具有八个串联连接的单元)形式的光伏组合件设计及构建光伏组合件功率输出利用装置。所述装置包含：
a)300mF、4.5V超级电容器，其用于接收来自所述PV板的能量且通过对所述超级电容器进行充电及放电来调节所述PV板的输出电压。
b)DC/DC功率转换器，其位于所述超级电容器与所述电池之间以将所述超级电容器放电到所述电池。所述DC/DC转换器在恒定电流输出的情况下具有90-95％的功率转换效率，不管所述电池电压为高还是为低。所述可充电电池的电压范围为从0.8到4.5伏。与所述DC/DC转换器平行的是从所述超级电容器到所述电池的直接充电路径。当将所述超级电容器放电到所述电池的时间到来时，所述控制电路启动所述直接充电开关以将能量从所述超级电容器直接排放到所述电池。所述直接充电具有高达98-99％的充电效率。如果所述超级电容器的电压小于所述电池的电压，那么所述控制电路将启动所述DC/DC转换器以将所述超级电容器放电到所述电池。
c)所述控制电路含有微控制器及***设备。所述微控制器具有用于测量来自所述PV板的输出电压及电流的内置式10位模拟数字转换器(ADC)。在输入到所述微控制器的ADC之前，使表示所述PV板的输出电压的模拟信号衰减并将其缓冲。通过使用电流感应电阻器及放大器来获得表示来自所述PV板的输出电流的模拟信号。来自所述PV板的输出电流在所述感应电阻器上产生小的电压降。然后，所述小的电压降被放大到可用的电压电平且被馈送到所述ADC。所述模拟信号与来自所述PV板的电流成比例。所述ADC将所述两个模拟信号数字化且然后所述微控制器使用所述两个经数字化的值来计算来自所述PV板的输出功率。
d)本发明的此实施例使用两种计算来自所述PV板的输出功率的替代方法，每一种方法均实施于固件中。
●第一种方法基于功率为电压乘以电流的乘积的事实：
功率(W)＝电压(V)*电流(A)。
●另一种方法是通过测量短时间周期中的电压改变来计算从所述PV板到所述超级电容器的平均输出功率。所述方法基于存储在所述超级电容器中的能量(E)与所述超级电容器的终端电压(V)成比例的事实。所述能量公式为：
E＝1/2*C*V2，
其中C为所述超级电容器的电容。如果在从T1到T2的时间周期ΔT中，电压从V1变为V2，那么所述超级电容器的能量改变(ΔE)将为：
ΔE＝1/2*C*(V2+V1)*(V2-V1)
因此，在时间周期ΔT中从所述PV板到所述超级电容器的平均功率(P)为：
P＝ΔE/ΔT＝1/2*C*(V2+V1)*(V2-V1)/ΔT
基于此公式，可如下推导在时间周期ΔT期间来自所述PV板的平均电流：
I＝P/V＝C*ΔV/ΔT
可通过所述微控制器中的定时器精确地获得所述ΔT值。这两种方法在理论上是相同的。选择使用哪一种方法将取决于应用情形。
e)一种算法，其用于搜索来自所述PV板的峰值功率输出的出现。如图1中所示，所述PV板一直具有功率输出峰值或输出功率的顶点，不管所述PV板经受何种光强度。本发明确定所述峰值功率输出何时已出现。特定来说，在所述微控制器中运行的固件以时间间隔ΔT读取来自所述PV板的输出电压及电流，且计算输出功率P(i)。然后其将所述P(i)值与先前的输出功率值P(i-1)比较。如果P(i)大于P(i-1)，那么来自PV板的输出功率将增加且趋近所述顶点。在此时间处，当来自所述PV板的输出电压正增加时，所述固件将让所述PV板继续对所述超级电容器进行充电。在某一时间点处，电流输出功率P(c+1)将小于先前值P(c)。当所述固件确定所述输出功率已到达顶点且现在超过顶点时，所述固件将接通DC/DC功率转换器以对所述超级电容器进行放电直到所述固件发现所述输出功率及输出电压在同时降低为止，在本发明的替代实施例中，停止对所述电容器进行放电的决定基于所述电流输出功率降到阈值(确定为先前所确定的最大P(c)值的一百分数(例如，90％))以下。以此方式，用于所述PV板的最大输出功率的搜索算法接通/断开所述DC/DC功率转换器以周期性地暂停对所述超级电容器进行放电，从而使得所述PV板甚至可在光强度改变的情形下输出其最大功率。
f)一种固件，其在所述微控制器中运行以实施上述项e)中的功能：
i)测量来自所述PV板的输出电压及电流，并计算来自所述PV板的输出功率，
ii)搜索所述峰值输出功率点，及
iii)接通/断开所述DC/DC功率转换器以对所述超级电容器进行放电。
另外，所述固件实施本发明的进一步实施例，所述实施例涉及搜索所述峰值输出功率点(上接项ii)，其中如果光强度改变，那么改变时间常数ΔT。特定来说，为改善所述***的效率，调节ΔT以便在ΔT周期中不经常出现PV输出电压的太大改变。为此，将常数ΔVc存储在所述微控制器的存储器中。所述ΔVc为允许PV输出电压大于或小于出现在功率峰值时的电压(例如，P(c))的最大电压差。如果所述固件确定来自所述PV板的电流在改变，那么其将基于以下公式重新计算新的光强度的ΔT：
ΔT＝(C/I)*ΔVc
因此，较低光强度的时间间隔ΔT长于较高光强度的时间间隔ΔT。特定来说，且对于本发明的各种实例，所述ΔT可具有0.1毫秒到16秒的范围。
除上述功能之外，所述固件还实施以下功能：
iv)测量电池电压，及
v)以使所述微控制器以“突发”模式工作的方式控制所述微控制器。所述微控制器及所述固件在多数时间休眠且仅醒来3到5毫秒以进行例行检查及控制。所述醒来时间间隔取决于光强度级且针对较大光强度比针对低光强度出现地更频繁。在一个实施例中，如果所述醒来时间间隔大于(举例来说)一秒，那么所述微控制器的工作时间小于0.5％。所述微控制器的平均功率消耗小于5uW。为进一步减少功率消耗，当所述微控制器不需要***设备时便将其全部停止。由于极低的功率消耗，所述控制***不仅适用于较大的PV板，而且适用于非常小的PV板。
虽然以结构特征及/或方法动作的专用语言描述了本发明，但应了解，随附权利要求书中所界定的本发明未必受限于所述具体特征或动作。而是，将所述具体特征及动作作为实施所请求发明的实例性形式加以揭示。

Claims (26)

1.一种光伏组合件功率输出利用装置，其包含：
光伏组合件，其具有功率输出，所述功率输出具有出现在由所述光伏组合件接收的光强度所确定的峰值输出电压处的至少一个峰值功率输出值；
超级电容器组合件；
电子电路，其用于通过所述光伏组合件对所述超级电容器组合件进行充电；及
电子控制电路，其用于监视所述光伏组合件的输出电流和所述光伏组合件的输出电压以确定所述光伏组合件的所述功率输出，且然后对所述超级电容器组合件进行部分放电，当所述输出电压以一预定因子超过所述峰值输出电压时所述放电开始，且当所述输出电压以一预定因子小于所述峰值输出电压时所述放电结束。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述放电出现在其中出现所述至少一个峰值功率输出值的光伏组合件输出电压范围中。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述输出电压范围为多个电压范围中的一者且所述电子控制电路包含：
监视构件，其用于监视来自所述光伏组合件的随时间变化的电流及电压输出；及，
改变构件，其用于改变其中对所述超级电容器组合件进行充电及部分放电的电压范围，以由此从所述光伏组合件获得处于或接近其峰值的功率。
4.如权利要求3所述的装置，其中所述电子控制电路确定最大功率输出已出现且当所述功率输出随后降到所述最大功率输出的阈值百分数时起始所述超级电容器组合件的所述放电。
5.如权利要求4所述的装置，其中当所述功率输出随后降到所述最大功率输出的阈值百分数时，所述电子控制电路停止对所述超级电容器组合件的放电。
6.如权利要求1所述的装置，其进一步包含超级电容器组合件输出DC/DC转换器。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述DC/DC转换器用于将所述超级电容器组合件放电电压中的至少某一放电电压转换为需要的电压电平。
8.如权利要求6所述的装置，其中所述DC/DC转换器用于将所述超级电容器组合件放电电流中的至少某一放电电流转换为需要的电流电平，
9.如权利要求3所述的装置，其中所述控制电路含有经编程的电子控制电路。
10.如权利要求3所述的装置，其中所述电子电路含有由指令集及算法组成的固件。
11.如权利要求3所述的装置，其中所述电子电路含有场可编程门阵列。
12.如权利要求3所述的装置，其中所述电子电路含有微控制器。
13.如权利要求3所述的装置，其中所述电子电路含有专用集成电路。
14.如权利要求6所述的装置，其中所述DC/DC转换器为开关模式DC/DC转换器。
15.如权利要求6所述的装置，其中所述DC/DC转换器为单向接通/断开直接充电开关。
16.如权利要求6所述的装置，其中所述DC/DC转换器为增压(升压)DC/DC转换器。
17.如权利要求6所述的装置，其中所述DC/DC转换器为减压(降压)DC/DC转换器。
18.如权利要求6所述的装置，其中所述DC/DC转换器为降压升压DC/DC转换器。
19.如权利要求6所述的装置，其中所述装置用于对电能存储装置进行充电，所述DC/DC转换器用于将所述超级电容器组合件输出放电电压增加到存储装置充电电压，且所述装置进一步包含到达所述能量存储装置的直接放电路径，及用于以下操作的构件
i)当需要增加所述超级电容器组合件放电电压时，通过所述DC/DC转换器对所述能量存储装置进行充电，及
ii)当所述超级电容器组合件放电电压至少为所述充电电压时，通过所述直接放电路径对所述能量存储装置进行直接充电。
20.一种用于使用来自光伏组合件装置的功率输出的方法，所述光伏组合件装置具有超级电容器组合件，所述方法包含：
监视来自所述光伏组合件的随时间变化的电压输出以确定峰值何时已出现；
通过所述光伏组合件对所述超级电容器组合件进行充电且然后对所述超级电容器组合件进行部分放电，所述充电出现在光伏组合件输出电压范围中，其中所述至少一个峰值功率输出值出现在由所述光伏组合件接收的光强度所确定的峰值输出电压处；及
当所述输出电压以一预定因子超过所述峰值输出电压时所述放电开始，且当所述输出电压以一预定因子小于所述峰值输出电压时所述放电结束。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述放电出现在其中出现所述至少一个峰值功率输出值的光伏组合件输出电压范围中。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述输出电压范围为多个电压范围中的一者且所述方法进一步包含：
改变其中对所述超级电容器组合件进行充电及部分放电的电压范围，以由此从所述光伏组合件获得处于或接近其峰值的功率。
23.如权利要求22所述的方法，其进一步包含：
确定最大功率输出何时已出现，及
当所述功率输出随后降到所述最大功率输出的阈值百分数时起始所述超级电容器组合件的所述放电。
24.如权利要求23所述的方法，其进一步包含：
当所述功率输出随后降到所述最大功率输出的阈值百分数时停止对所述超级电容器组合件的所述放电。
25.如权利要求23所述的方法，其中所述确定步骤包含：
测量电压在时间周期ΔT中的改变。
26.如权利要求25所述的方法，其进一步包含：
响应于来自所述光伏组合件装置的输出电流的改变而改变ΔT。
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