基于薄膜太陽能電池的長效一體化的電源系統(tǒng)及充電方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利屬于離網(wǎng)型光伏儲能技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于薄膜太陽能電池的長效一體化的電源系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，太陽能電池因其資源巨大、清潔無污、安裝方便的優(yōu)點(diǎn)正廣泛應(yīng)用于電站、監(jiān)控、路燈、草坪燈等方面。在實(shí)際應(yīng)用中，太陽能電池的一般儲能設(shè)備為鉛酸蓄電池、鋰電池、超級電容等。對于鉛酸蓄電池而言，體積龐大，不利于安裝，使用壽命短，冬季惡劣氣候下無法給負(fù)載正常供電。因此，鋰電池因其相同容量下，體積更小，重量更輕，然而因?yàn)殇囯姵叵到y(tǒng)復(fù)雜、造價(jià)高，其應(yīng)用也收到一定的局限性。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，以晶硅太陽能電池為供電設(shè)備，蓄電池為儲能設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)，使用壽命短，體積龐大，重量較重，且系統(tǒng)在弱光條件下充電能力不足，導(dǎo)致太陽能利用率不高。主要原因是單晶硅太陽能電池在低輻照下不產(chǎn)生電流或產(chǎn)生小電流，而無法給鉛酸蓄電池充電，使得系統(tǒng)效率降低至50%~60%，尤其是在霧霾天較多的地方。且鉛酸蓄電池的一般壽命為2~3年，使用壽命短，以鉛酸蓄電池為儲能電源的光伏離網(wǎng)系統(tǒng)甚至冬季惡劣氣候下無法正常啟動，且單晶硅電池組件重量較重，在高山等的場所不易運(yùn)輸，人工成本高，安全性低，維護(hù)成本高，在電網(wǎng)等重要領(lǐng)域甚至易造成重大生命安全隱患。
[0004]而中國申請?zhí)枮?01510323778.0的發(fā)明專利申請“利用超級電容延長蓄電池壽命的太陽能供電方法及裝置”，公開了一種“通過太陽能電池板同時(shí)給蓄電池和超級電容充電，蓄電池和超級電容通過電壓比較電路進(jìn)行電壓比較，電壓高者作為供電輸出，向用電設(shè)備供電?！崩昧顺夒娙?，延長了使用的壽命。而超級電容器，是一種新型儲能元件，具有功率密度高、充放電性能好、高低溫特性好、充放電效率高、循環(huán)充放電壽命長的優(yōu)良特性，可有效彌補(bǔ)蓄電池的不足。然而超級電容的放電電壓，電流是不穩(wěn)定的。超級電容電壓隨著放電的進(jìn)行逐步降低，超級電容放電的電流隨著負(fù)載的大小不同和電壓的降低變化。該方案在光照強(qiáng)度不夠穩(wěn)定的情況下，超級電容供電性能不夠穩(wěn)定，放電電壓、電流比較難控制，并且氣候惡劣的情況下，如在低溫下，鋰電池?zé)o法正常供電而負(fù)載無法正常啟動。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的發(fā)明目的是解決上述現(xiàn)有太陽能電池的局限性，提出一種輕便、高效、長壽命的基于薄膜太陽能電池的長效一體化的電源系統(tǒng)，以解決鉛酸電池或超級電容獨(dú)立供電所存在的使用壽命短或成本高、體積重量高、系統(tǒng)弱光條件下充電效率差，或氣候惡劣的條件下負(fù)載設(shè)備無法正常啟動的問題。本發(fā)明充分利用薄膜光伏組件的弱光發(fā)電性和超級電容的低壓充電性，具有高效弱光發(fā)電、整體系統(tǒng)效率高的優(yōu)點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明一種基于薄膜太陽能電池的長效一體化的電源系統(tǒng)，包括薄膜光伏組件、超級電容模組、充放電控制器、穩(wěn)壓模組和鋰電池組件組成的儲能設(shè)備，所述的薄膜光伏組件的輸出端連接所述的超級電容模組的輸入端，所述的超級電容模組的輸出端連接充放電控制器的輸入端，所述的充放電控制器的輸出端連接所述的穩(wěn)壓模組；所述的鋰電池組件與所述的充放電控制器相連；所述的薄膜光伏組件為柔性或剛性的薄膜太陽能電池；所述的薄膜光伏組件的額定電壓高于鋰電池組件的最大電壓。
[0007]基于薄膜太陽能電池的長效一體化的電源系統(tǒng)的充電方法:包括如下步驟:
51、薄膜光伏組件吸收太陽能能量并轉(zhuǎn)換為電流Ia，所述的超級電容模組吸收薄膜光伏組件產(chǎn)生的電流Ia并累積電荷=Ia*t，所述的超級電容模組電壓為Ul=，其中t為充電時(shí)長，C為電容量；
52、設(shè)鋰電池組件電壓為U2，當(dāng)超級電容模組的電壓U1高于鋰電池電壓U2時(shí)，觸發(fā)智能控制器以連續(xù)脈沖的方式給鋰電池組件充電，直到超級電容模組電壓U1接近于鋰電池組件電壓U2 ;當(dāng)超級電容模組的電壓U1小于或等于鋰電池組件電壓U2時(shí)，鋰電池組件不充電；
充放電控制器決定脈沖充電釋放時(shí)間及次數(shù)對電池充電。
[0008]采用以上結(jié)構(gòu)后，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):
本發(fā)明一種基于薄膜太陽能電池的長效一體化的電源系統(tǒng)，采用了薄膜太陽能電池，弱光性能更佳，利用光電效應(yīng)產(chǎn)生電能。柔性太陽能電池質(zhì)量輕便，減輕電源系統(tǒng)的重量，提高發(fā)電量，較低輻照下也能產(chǎn)生小電流、自潔性好、使用壽命長，質(zhì)輕柔軟，尤其可適用于對承重較為重視的場所。本發(fā)明還采用了超級電容模組，就算在很小的體積下也能達(dá)到法拉級的電容量，使得整體裝置更加輕便，體積更小，能夠使用在更多場合，減輕電源系統(tǒng)的質(zhì)量，在不易運(yùn)輸及搬運(yùn)的地方，極大地降低了人工成本，提高了安全性；且和電池相比，超級電容過充、過放都不對其壽命構(gòu)成負(fù)面影響，正是利用了這一特性，使超級電容模組可以不計(jì)次給鋰電池組件充電，使用壽命更長。另外，本發(fā)明利用超級電容模組作為能量緩存單位，吸收微小電流，提高儲能效率，即便在微弱光照的條件下也能夠存儲電荷；超級電容提供瞬間大電流放電，減輕鋰電池組件的放電壓力，保證惡劣氣候下負(fù)載的正常啟動，即使在氣候嚴(yán)寒的條件下，依然可以持續(xù)提供電流，使鋰電池能夠正常工作，且延長儲能設(shè)備的使用壽命；在光照下，所述的超級電容模組吸收薄膜光伏組件的產(chǎn)生的直流電，不論強(qiáng)弱，讓后段的充電系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)維持最長的工作時(shí)間及工作量，可提供瞬間大電流抽拉，且不傷害薄膜光伏組件的性能。所述的充放電控制器采用最先進(jìn)的脈沖充電方式給鋰電池組件充電，所述的鋰電池組件通過所述的充放電控制器，給負(fù)載提供能量。穩(wěn)壓模組，使得輸出電壓保持在負(fù)載的工作范圍，保證負(fù)載穩(wěn)定可靠工作。另外，該系統(tǒng)支持充放電同時(shí)進(jìn)行，系統(tǒng)電池BMS設(shè)計(jì)有針對太陽能充電系統(tǒng)，采用輸出輸入同口設(shè)計(jì)，芯片會自動無縫選擇。同時(shí)，該系統(tǒng)利用超級電容器模組一定的儲能能力，在負(fù)載啟動瞬間，提供瞬間的大電流，減輕鋰電池組件的壓力，解決在冬季下負(fù)載無法正常啟動的情況，最大限度延長鋰電池組件的使用壽命與負(fù)載正常工作的可靠性。
[0009]作為優(yōu)選，所述的薄膜太陽能電池由直接帶隙半導(dǎo)體構(gòu)成。直接帶隙半導(dǎo)體構(gòu)成的薄膜太陽能電池，內(nèi)阻均很小，即使在低輻照下，例如輻照為200~300w/m2，效率大于標(biāo)準(zhǔn)輻照下的80%，弱光性能更佳，與同等功率下的單晶硅太陽能電池相比，日照小時(shí)數(shù)更長。
[0010]作為優(yōu)選，所述的薄膜太陽能電池為柔性銅銦鎵砸薄膜太陽能電池、或剛性銅銦鎵砸薄膜太陽能電池、或碲化鎘太陽能電池電池、或非晶硅太陽能電池、或砷化鎵太陽能電池。
[0011]作為優(yōu)選，所述的薄膜太陽能電池為不銹鋼或塑料為襯底的柔性銅銦鎵砸太陽能電池。柔性銅銦鎵砸太陽能電池，即為柔性CIGS太陽能電池，相同功率下，柔性銅銦鎵砸太陽能電池的發(fā)電力量高于單晶硅組件。
[0012]作為優(yōu)選，所述的超級電容模組包括多個以串并聯(lián)的方式組合的超級電容單體，所述的超級電容模組內(nèi)置超級電容保護(hù)電路和穩(wěn)壓電路，用于保持所述的各超級電容單體電壓的平衡和一致。
[0013]作為優(yōu)選，所述的超級電容模組的額定電壓高于所述的薄膜光伏組件的額定電壓。無需擔(dān)心超級電容模組的過壓現(xiàn)象。
[0014]作為優(yōu)選，所述的超級電容模組的電壓的大小與所述的薄膜光伏組件和鋰電池組件的電壓呈正比，所述的超級電容模組的容量的大小與負(fù)