CN105628771A - 一种基于太阳能电池供电的直流电化学应用*** - Google Patents

一种基于太阳能电池供电的直流电化学应用*** Download PDF

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Abstract

一种基于太阳能电池供电的直流电化学应用***,该***包括太阳能电池单元、控制单元、信号源单元、测量单元和校正单元;太阳能电池单元将太阳能转换成电能,提供整个***的能量来源;控制单元提供信号源单元的输出模式与测量单元测量模式的智能切换,实现电解工艺与电化学相关测量功能;信号源单元提供电解工艺所需要的恒电位和恒电流;测量单元可以实现待测样品的相关电学特性参数;校正单元提供信号源单元输出信号和测量单元测量信号的误差分析,通过内置参考源的信号与信号源单元和测量单元反馈信号的比较,实现输出信号与测量信号的精确度。直接利用太阳能来完成传统的电化学测量与电解工艺,节能环保,无污染且成本低、可便携式移动。

Description

一种基于太阳能电池供电的直流电化学应用***
技术领域
本发明属于太阳能发电应用领域,具体涉及到直流电化学应用的供电来源,特别指一种基于太阳能电池供电的直流电化学应用***,可以直接利用太阳能电池将太阳能转换成电能来完成所需的电学性能参数测量。
背景技术
随着世界经济全球化的高速发展以及城市现代化需求,对传统化石燃料的消耗逐渐增多,导致可用化石燃料的储量日益减少以及温室效应等环境污染问题。太阳能作为绿色清洁且储量丰富(约170KTW),故而可作为可再生能源的代表而成为近年来许多国家争相开发的对象。目前,最主要的利用太阳能的方式—太阳能电池。太阳能电池可以将光能直接转换成电能,随着研究者的技术突破,太阳能电池的效率有望突破25%及以上。其中转换效率较高的单晶硅组件以其制造成本低,售价便宜且使用安全系数高等被许多用户安装使用。
传统生产制造与实验研究所利用的电化学参数测量都是在借助于电化学工作站的基础上完成的,而这些设备的供电均来自于市电。其主要由市电供给电化学工作站的正常运行,长时间使用产生的高额电费,会额外的增加生产制造成本与科研成本。本发明所涉及的直流电化学应用***利用的是太阳能电池将太阳能转变成电能,供给电化学应用***正常工作的电能,故而可以有望替代传统的电化学工作站,有效降低电化学测量与电解工艺的生产成本。
此外,传统的电化学工作站需要市电提供能量来源,因此在电网覆盖率较低的山区、沙漠区、沿海海滩等地区无法使用传统的电化学工作站。但这些地方具有丰富的太阳能,故而可以利用本发明所述的基于太阳能电池的直流电化学应用***实现与电化学测量与电解相关的工艺或实验。
发明内容
本发明针对上述现有电化学工作站使用的部分局限性,提供了一种节能环保成本低廉且可便携式移动的新型电化学应用***,主要利用太阳能电池将太阳能转换成电能,再通过智能控制和模式自动识别实现传统的电化学测量与电解工艺。
为了解决上述生产成本与便携式移动问题,本发明采用的技术方案为:一种基于太阳能电池供电的直流电化学应用***,该***包括太阳能电池单元、控制单元、信号源单元、测量单元和校正单元;太阳能电池单元的输出端正负极分别与控制单元(2)的输入端正负极相连接;控制单元(2)的输出端正负极与信号源单元(3)的正负极相连接;信号源单元(3)的输出端有三个电极:工作电极、辅助电极和参比电极,这三个电极能够直接与电解液的对应电极相连接;测量单元(4)的输入端分别与待测样品的正负极相连接,或测量单元(4)的输入端电极分别与信号源单元(3)输出端的三个电极公用;测量单元(4)的输出端与控制单元(2)的输入端(测量模块端子)相连接;校正单元(5)的输入端分别与信号源(3)输出端和测量单元(4)输出端相连联,校正单元(5)输出端与控制单元(2)的输入端相连接;信号源(3)和测量单元(4)相对校正单元(5)来说是并联关系。
太阳能电池单元将太阳能转换成电能,提供整个***的能量来源;控制单元提供信号源单元的输出模式与测量单元测量模式的智能切换,实现电解工艺与电化学相关测量功能切换;信号源单元提供电解工艺所需要的恒电位和恒电流;测量单元实现待测样品的相关电学特性参数的测量;校正单元提供不同的内置参考源信号分别与信号源单元的输出信号和测量单元的测量信号进行误差校准,实现电解工艺相关输出信号与相关电学特性参数测量信号的精确输出。所述***可以直接利用太阳能来完成传统的电化学测量与电解工艺。
本发明的太阳能电池单元可以是光伏组件为单晶硅组件、多晶硅组件、非晶硅组件、薄膜硅组件、铜铟镓硒组件、砷化镓组件、碲化镉组件、有机光伏组件等太阳能光伏领域市售产品中的一种均可。
作为优选,本发明的控制单元与市场所售的太阳能控制器类似优选为12V。主要通过稳压器、Boost-Buck升降压电路与精密可调电阻等电学模块的集成和智能的控制方法相结合来实现电参数的智能控制,而且电化学测量模式与电解模式可以自动或手动切换。这里的智能控制方法可以通过PC机相应软件编写与烧录,具有可更换性。
本发明的控制单元与测量单元、输出单元和校正单元的通讯模式有串行通讯和并行通讯,优选为并行通讯。
本发明的信号源单元主要提供实际电解工艺需求时的三电极,连接方式有电极夹接触式、螺纹固定式以及探针拔插式等常用连接方式,优选为电极夹接触式。
本发明的各单元模块需有绝缘性良好且防腐蚀的外壳保护,内部各模块间需有良好的电气连接和电气隔离,信号抗干扰能力达A级,符合GB17626。
采用该***,以太阳能为唯一能量来源,可以直接利用太阳能来完成传统的电化学测量与电解工艺,具有节能环保,无污染易控制且可便携式移动等优点,还可以大大降低市电的消耗,满足没有通电地区的电化学测量与电解工艺的需求。此外,该***不仅可以实现电解工艺需求的电压和电流连续可调,也可以满足实际电化学测量的高精度需求,而且仅需购买设备的一次性花费,经济适用。
附图说明
图1为本发明电化学应用***结构原理图;
1太阳能电池单元、2控制单元、3信号源单元、4测量单元、5校正单元;
图2为本发明电化学应用***电路模块原理图;
图3为信号源单元—恒电位/恒电流输出模块原理图;
图4为电化学测量模块原理图。
图5为图4信号调理1—调频模块原理图。
图6为图4信号调理2—调压模块原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地说明,但本发明并不限于以下实施例。在不脱离本发明技术实现前提下,本领域相关工程技术人员对本发明技术方案做出的各种变形和改进,均应包含在本发明的权利要求书确定的保护范围内。
实施例1
一种基于太阳能电池供电的直流电化学应用***,该***包括太阳能电池单元1、控制单元2、信号源单元3、测量单元4和校正单元5,其***连接图如附图1所示。其中太阳能电池单元1采用市场所售50W单晶硅太阳能电池板,其参数为开路电压21.5V,短路电流3.23A,最大功率点电压17.5V和最大功率点电流2.86A,转换效率17.8%;控制单元2采用市场所售的太阳能控制器(可编程),通过计算机的RS232串口和编程软件可以控制信号源模块3和测量模块4的选择与切换,也可以实时调整信号源模块输出端的电流和电压大小,调节输出端的伏安特性曲线,详见附图2所示;信号源模块3可以按照实际工作要求提供所需的恒定电位或恒定电流,具体如附图3所示;测量模块4通过校正单元5内置的参考信号源与测量端反馈信号的比较,经采样电路的实现测量数据的采样,然后经过校正模块5的误差校正,显示在计算机屏幕界面上。该***既可以实现与电化学测量相关的电学参数测量,也可以实现传统的电解工艺,做到一机多用,且在不需要消耗市电的情况下,完成传统电化学工作站具有的相关功能。
所述直流电化学测量***包括主控电路模块、波形发生模块、数/模转换模块、恒电位模块、恒电流模块、模/数转换模块、滤波模块、测量模块和信号校正模块组成,如附图2所示。
所述信号源模块包括正弦波发生模块、乘法电路模块、放大电路模块、直流/直流变换模块、量程切换模块、显示电路模块、微处理器模块和采样电路模块,如附图3所示。
所述测量模块包括数/模信号源模块、调频模块、调压模块、采样电路模块、时钟电路模块、缓冲电路模块和数据采集模块组成,如附图4所示。
所述调频模块包括相位累加模块、波形存储模块、数/模转换模块、定频模块和滤波模块组成,如附图5所示。
所述调压模块包括整流模块、滤波模块、直流/直流变化模块和稳压模块组成,如附图6所示。
所述测量***的测量数据包括电位—时间曲线、电流—时间曲线、极化曲线和阻抗曲线等。
整个***所有模块的电能均来自太阳能电池转换的太阳能,且内部变换模块全部为直流/直流变换。
附图1给出了该发明所述一种基于太阳能电池供电的直流电化学应用***的结构原理图。其中太阳能电池单元(光伏单元1)的输出端正负极分别与控制单元2的输入端(光伏模块端子)正负极相连接;控制单元2的输出端正负极与信号源单元3的正负极相连接;信号源单元3的输出端有三个电极:工作电极、辅助电极和参比电极,这三个电极可以直接与电解液的对应电极相连接;测量单元4的输入端分别与待测样品的正负极相连接或与信号源单元3的三个电极共连,测量单元4的输出端与控制单元2的输入端(测量模块端子)相连接;校正单元5的输入端分别与信号源3输出端和测量单元4输出端并联,其输出端与控制单元5的输入端(误差模块端子)相连接。
附图2给出了该发明所述一种基于太阳能电池供电的直流电化学应用***的电路模块原理图。其中控制单元2通过对信号源单元3内置的波形发生模块发出控制指令来选择信号源单元3的工作模式—恒电位模式/恒电压模式,实现输出电极上的电信号输出;测量单元4的测量模块通过校正单元5内的滤波器和校正电路对测量的信号进行校正,再将校正后的模拟测量信号经由模/数转换模块转换数字信号,经过串行通讯传输到控制单元2,进一步将测量数据显示在计算机界面上。
附图3给出了该发明所述一种基于太阳能电池供电的直流电化学应用***的信号源—恒电位/恒电流输出模块原理图。当进行电解工艺时,所述直流电化学应用***的控制单元2发出控制指令,正弦波信号发生器产生信号与模拟输出波形信号经乘法电路叠加,叠加后的信号再经放大电路进行放大,放大后的信号进一步经过直流/直流变换模块变为电解所需要的电信号范围。经乘法电路叠加后的信号通过和微处理器的内置基准电路一次校准后可输出相应的电信号;进一步信号源单元3输出端的电信号通过采样电路进行信号采样,采样信号经由微处理器内的比较电路实现信号源单元3输出信号的二次校准再反馈给控制单元(2),进而输出高精度的电信号(内置基准电路和比较电路均属于微处理器);信号源单元3的输出信号可以通过量程切换选择输出对应量程范围内的电信号。
附图4给出了该发明所述一种基于太阳能电池供电的直流电化学应用***的测量模块原理图。所述直流电化学应用***的测量单元4的(电化学)测量模块将所测量的电信号反馈给测量单元4内的采样电路,再经过校正单元5的信号调理1调频电路和信号调理2调压电路同时实现频率和电压的调理,然后经过模/数转换串行传送到控制单元2中,进而显示在计算机界面上。其中测量单元4的采样电路通过测量单元4中的时钟电路和缓冲电路来确定采样周期和采样频率。
附图5给出了该发明所述一种基于太阳能电池供电的直流电化学应用***的信号调理1调频电路原理图。所述直流电化学应用***中校正单元5的信号调理1模块,可实现电化学测量模块测量信号的频率调节。电化学测量模块的数字输出信号频率和校正单元5内置的参考频率在相位累加器中进行累加,累加后的数字信号可存储在波形存储器中;存储的数字信号经过数/模转换模块转换为模拟信号,与参考频率源信号进行比较后再经过低通滤波器滤去纹波,可在计算机界面上显示出稳定频率的模拟信号,实现测量信号的稳定测量。
附图6给出了该发明所述一种基于太阳能电池供电的直流电化学应用***的信号调理2调压电路原理图。所述直流电化学应用***中校正单元5的信号调理2调压模块,可实现电化学测量模块测量信号的电压调节。电化学测量模块测量信号的电压幅值经过直流/直流变换模块,实现测量信号的电压幅值调节,再经过滤波电路滤去纹波,滤波后的信号进一步通过校正单元5内部的稳压电路实现测量信号的校准,然后方可在计算机界面上显示出稳定幅值的电压信号,实现测量信号的稳定测量。

Claims (9)

1.一种基于太阳能电池供电的直流电化学应用***,其特征在于,该***包括太阳能电池单元、控制单元、信号源单元、测量单元和校正单元;太阳能电池单元的输出端正负极分别与控制单元(2)的输入端正负极相连接;控制单元(2)的输出端正负极与信号源单元(3)的正负极相连接;信号源单元(3)的输出端有三个电极:工作电极、辅助电极和参比电极,这三个电极能够直接与电解液的对应电极相连接;测量单元(4)的输入端分别与待测样品的正负极相连接,或测量单元(4)的输入端电极分别与信号源单元(3)输出端的三个电极公用;测量单元(4)的输出端与控制单元(2)的输入端(测量模块端子)相连接;校正单元(5)的输入端分别与信号源(3)输出端和测量单元(4)输出端相连联,校正单元(5)输出端与控制单元(2)的输入端相连接;信号源(3)和测量单元(4)相对校正单元(5)来说是并联关系。
2.按照权利要求1的一种基于太阳能电池供电的直流电化学应用***,其特征在于,太阳能电池单元将太阳能转换成电能,提供整个***的能量来源;控制单元提供信号源单元的输出模式与测量单元测量模式的智能切换,实现电解工艺与电化学相关测量功能切换;信号源单元提供电解工艺所需要的恒电位和恒电流;测量单元实现待测样品的相关电学特性参数的测量;校正单元提供不同的内置参考源信号分别与信号源单元的输出信号和测量单元的测量信号进行误差校准,实现电解工艺相关输出信号与相关电学特性参数测量信号的精确输出。
3.按照权利要求1的一种基于太阳能电池供电的直流电化学应用***,其特征在于,太阳能电池单元是光伏组件为单晶硅组件、多晶硅组件、非晶硅组件、薄膜硅组件、铜铟镓硒组件、砷化镓组件、碲化镉组件、有机光伏组件中的一种。
4.按照权利要求1的一种基于太阳能电池供电的直流电化学应用***,其特征在于,控制单元主要通过稳压器、Boost-Buck升降压电路与精密可调电阻的电学模块的集成和智能的控制方法相结合来实现电参数的智能控制,而且电化学测量模式与电解模式能够自动或手动切换。
5.按照权利要求1的一种基于太阳能电池供电的直流电化学应用***,其特征在于,电路模块运行方法包括如下,控制单元(2)通过对信号源单元(3)内置的波形发生模块发出控制指令来选择信号源单元(3)的工作模式—恒电位模式/恒电压模式,实现输出电极上的电信号输出;测量单元(4)的测量模块通过校正单元(5)内的滤波器和校正电路对测量的信号进行校正,再将校正后的模拟测量信号经由模/数转换模块转换数字信号,经过串行通讯传输到控制单元(2),进一步将测量数据显示在计算机界面上。
6.按照权利要求1的一种基于太阳能电池供电的直流电化学应用***,其特征在于,信号源单元(4)的恒电位/恒电流输出方法:当进行电解工艺时,所述直流电化学应用***的控制单元(2)发出控制指令,正弦波信号发生器产生信号与模拟输出波形信号经乘法电路叠加,叠加后的信号再经放大电路进行放大,放大后的信号进一步经过直流/直流变换模块变为电解所需要的电信号范围;放大电路放大后的信号通过和微处理器的内置基准电路一次校准后可输出相应的电信号;进一步信号源单元(3)输出端的电信号通过采样电路进行信号采样,采样信号经由微处理器内的比较电路实现信号源单元(3)输出信号的二次校准再反馈给控制单元(2),进而输出高精度的电信号;信号源单元(3)的输出信号可以通过量程切换选择输出对应量程范围内的电信号。
7.按照权利要求1的一种基于太阳能电池供电的直流电化学应用***,其特征在于,直流电化学应用***的测量单元(4)的测量模块将所测量的电信号反馈给测量单元(4)内的采样电路,再经过校正单元(5)的信号调理1调频电路和信号调理2调压电路同时实现频率和电压的调理,然后经过模/数转换串行传送到控制单元(2)中,进而显示在计算机界面上;其中测量单元(4)的采样电路通过测量单元(4)中的时钟电路和缓冲电路来确定采样周期和采样频率。
8.按照权利要求7的一种基于太阳能电池供电的直流电化学应用***,其特征在于,校正单元(5)的信号调理1模块,实现测量模块测量信号的频率调节,测量模块的数字输出信号频率和校正单元(5)内置的参考频率在相位累加器中进行累加,累加后的数字信号存储在波形存储器中;存储的数字信号经过数/模转换模块转换为模拟信号,与参考频率源信号进行比较后再经过低通滤波器滤去纹波,在计算机界面上显示出稳定频率的模拟信号,实现测量信号的稳定测量。
9.按照权利要求7的一种基于太阳能电池供电的直流电化学应用***,其特征在于,校正单元(5)的信号调理2调压模块,实现测量模块测量信号的电压调节,测量模块测量信号的电压幅值经过直流/直流变换模块,实现测量信号的电压幅值调节,再经过滤波电路滤去纹波,滤波后的信号进一步通过校正单元(5)内部的稳压电路实现测量信号的校准,然后在计算机界面上显示出稳定幅值的电压信号,实现测量信号的稳定测量。
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