專利名稱：可調電容式太陽能電源的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電源，尤其是將太陽能轉化成電能并存儲于電容中，驅動要求恒流負載的電源。
背景技術：
能源是人類生存和發展的永恒主題。
太陽能電池(光伏電池)具有質量輕、壽命長、可靠性高、無污染、無噪聲、抗輻射、能承受各種環境的變化且具有很高的靈敏度，寬的光譜響應和良好的線性度。基于此，太陽能電池應用技術已被越來越多的人們所接受和認可，世界觀察研究所1998年報告指出到本世紀50年代，光伏發電將占全球總用電量的20％以上。據有關媒體介紹，科技發展的今天，人類綜合利用太陽能仍不足10％。以耗能大國德國為例，其每年的耗能量僅為年太陽能照射該國的八十分之一，制約人類充分利用太陽能的瓶頸之一是能量的存儲。
一般而言，將太陽能經光伏電池轉成電能存儲在蓄電池中是常見的轉換和存儲方法。但蓄電池壽命較短，充放電約為300-500次，正常必須在2-3年內更換。此外，鉛蓄電池需要作電解液的補充和比重測量之類的定期檢查工作。維護麻煩。蓄電池含鉛和鎘之類的重金屬，報廢會帶來二次污染。蓄電池工作溫度范圍較窄，一般為0℃-45℃(最好的零下15度)，這對于系統在寒冷氣候條件是無法工作的。
發明內容
本發明的目的在于克服上述技術中存在的不足之處，提供一種結構簡單、設計合理，節約電能，無污染的太陽能可調電容式升壓光伏電源。
為了達到上述目的，本發明采用的技術方案是光伏電池1的正端經電阻R1串接二極管D1與并聯的電容C1、C2、...Cx-1、Cx正極相接，光伏電池負極與電容C1、C2、...Cx-1、Cx的負端相接，電容C1、C2、...Cx-1、Cx正負兩端之間跨接穩壓二級管D2，二極管D1和電容C1、C2、...Cx-1、Cx兩端的接點上接有電感L，電感L另一端分別與芯片Ic1的輸入端和二級管D3的正端相接，芯片Ic1的輸出端與二極管D3的負端和電容C0正端相接，芯片Ic1負端和電容C0負端接地，芯片Ic1的輸出端和接地端接至由光敏三極管T1、功放三極管T2、T3、電阻R2、負載Ld和芯片Ic6組成的光控及驅動電路相連。
電容C1、C2、...Cx-1、Cx的正極與A/D芯片Ic2，的輸入端相連，與算數邏輯/功能發生器芯片Ic3，時鐘芯片Ic4串口EEPROM芯片Ic5，及數字變阻器Ic6，組成負載恒流電路。
本發明的優點是結構簡單、設計合理，節約電能，無污染，該裝置將太陽能經光伏電池轉化成電能存儲于法拉級電容中，實現了電能存儲。用最優性能價格比實現了電容中能量利用率的提高和負載的恒流。該裝置使用壽命長，溫度范圍寬，體積小，重量輕，易維護。
圖是本發明電路原理圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施例作進一步詳細描述。
由圖1可知，本發明是光伏電池1的正端經電阻R1串接二極管D1與并聯的電容C1、C2、...Cx-1、Cx正極相接，光伏電池1負極與電容C1、C2、...Cx-1、Cx的負端相接，電容C1、C2、...Cx-1、Cx正負兩端之間跨接穩壓二級管D2，二級管D1和電容C1、C2、...Cx-1、Cx兩端的接點上接有電感L，電感L另一端分別與芯片Ic1的輸入端和二極管D3的正端相接，芯片Ic1的輸出端與二極管D3的負端和電容C0正端相接，芯片Ic1負端和電容C0負端接地，芯片Ic1的輸出端和接地端接至由光敏三極管T1、功放三極管T2、T3、電阻R2、負載Ld和芯片Ic6組成的光控及負載驅動電路相連。
電容C1、C2、...Cx-1、Cx的正極與A/D芯片Ic2，的輸入端相連，與算數邏輯/功能發生器芯片Ic3，時鐘芯片Ic4串口EEPROM芯片Ic5，及數字變阻器Ic6，組成負載恒流電路。
參見圖，日光照射在光伏電池1上，激發電子——空穴對。在內建電場的作用下，空間電荷區兩邊有光生載流子積累而產生電壓，光伏電池正端接電阻R1，光伏電池負端接地，光伏電池經電阻R1二極管D1向電容C1、C2...Cx-1、Cx充電。電容C1、C2...Cx-1、Cx為并聯的法拉級雙層電容器，其并聯數X由負載決定。D2為過壓保護二級管。由電感L、芯片Ic1、肖特基二級管D3、電解電容C。組成升壓電路。當芯片Ic1、導通時，C1、C2...Cx-1、Cx向電感儲能，電感電流增加，感應電動勢為左正右負，負載由電容C。供電。當芯片Ic1截止時，電感電流減少，感應電動勢為左負右正，電感L中能量釋放與C1、C2...Cx-1、Cx輸入的電壓順極性一致經二級管D3向負載供電，并同時向電容C0充電。周期性工作，可把由C1、C2...Cx-1、Cx兩端的低壓直流變換成高壓直流。
由R2，T1組成的控制電路，其中R2為限流電阻，T1為光敏三極管。當光照射在T1時，T2不工作，發光二極管亦不工作。當無光照射在光敏三極時，T2管工作發光二極管亦工作。
目前，市場上商品化的法拉級雙層電容，工作電壓2.3V-2.7V，容量為50F-60F性能價格比最佳。而常用的紅色、黃色發光二級管工作電壓一般在1.8V-2.3V，藍、白、綠色發光二級管最小工作電壓均大于2V。
現以2.3V、60F的電容，驅動紅色發光二級管為例，比較采用電容直接驅動和利用電容升壓電路驅動發光二級管的能量利用率。
存儲在電容中的能量一般為W＝1/2CV2①式中W為存儲電容中能量，單位焦耳C為電容單位法拉
V為電壓單位伏特則2.3V，60F的電容中的最大存儲能量為W0＝1/2×60F×2.32V2＝158.7焦耳。
若1.8V為驅動紅色發光二極管的最小工作電壓，利用電容直接驅動紅色發光二級管工作的能量為W1＝1/2×60F×(2.32-1.8V)V2＝61.5焦耳。
采用升壓電路，當電容的輸出電壓為0.5V時，經升壓后的輸出的電壓大于驅動紅色發光二級管的閾值，則經升壓后可驅動紅色發光二級管的能量為W2＝1/2×60F×(2.32-0.52)V2＝151.2焦耳。
由于升壓電路的損耗，設升壓電路的效率比n＝82％。則實際經升壓后用于驅動紅色發光二極管的能量為W3＝n×W2＝0.82×151.2＝123.984焦耳比較W1與W3可知，采用升壓電路電容的能量利用率提高了一倍。
由于目前采用光伏電池，電容存儲電，最后來驅動半導體發光二級管的電路中，電容器的價格幾乎決定系統的價格。采用升壓電路后會節省一半電容，其意義是十分明顯的。
一般而言，藍、綠色發光二極管的工作電壓在2.8-3.6V之間。若采用電容驅動，則需將電容串聯使用，現仍以2.3V、60F電容為例，若兩串兩并則需4個電容，電壓為4.6V，容量為60F，則電容存儲的能量W0＝1/2×60×4.62＝634.8焦耳。
設3.4V為藍，綠色發光二級管的工作電壓，則利用電容直接驅動二級管的能量為W1＝1/2×60×(4.62-3.42)＝288焦耳。
采用升壓電路，當電容輸出電壓為0.5伏，經升壓后的輸出電壓仍高于3.4伏。(此時4個電容并聯)，則其能量為W2＝1/2×60×4×(2.32-0.52)＝604焦耳。
升壓電路的效率比＝0.82。
W2＝604×0.82＝495.28焦耳。
比較W1與W2知，其能量利用率提高了72％。
此外，光伏電池輸出的功率與天氣，接裝朝向，所在地的地球糾度有很大關系，強日光直射與雨天的陰影下，其輸出的功率可在100％-10％間波動。
現以串聯電容驅動二極管為例，此時電容兩端的電壓為4.6V，若光伏電池在日光直射的輸出電壓為6V(100％)大于4.6伏，可向電容充電，此時發光二極管可正常工作。
若在陰雨天時，光伏電池輸出的電壓最大達3V(50％)，則電容兩端的電壓小于3伏，發光二極光不能正常工作。
采用并聯電容升壓電路，由于電容兩端的電壓大于0.5伏，發光二極管仍可工作。因此，在陰天時，光伏電池輸出電壓為3V，甚至天氣更壞時，只要光伏電池輸出0.8V的電壓，仍能使發光二極管維持工作。
目前，市場銷售的單晶，多晶標準光伏電池，以直徑為5英寸的圓形，103毫米乘103毫米，125毫米乘125毫米的方形居多，其電壓均為0.5V，電流視其轉換效率的高低，約在300毫安-500毫安左右。若工作電壓大于0.5V，需將電池串聯，若電流大于300毫安-500毫安，需將電池并聯，若電流小于300毫安-500毫安，需將面積按比例切割。
現以驅動藍、綠色發光二極管為例，采用電容直接驅動，設光伏電池的輸出電壓為5V，40毫安，則需將光伏電池切割成電流為40毫安的10片，然后串聯，方能滿足要求。采用并聯電容升壓驅動藍、綠發光二極管，設光伏電池輸出電壓為2.5伏，電池為80毫安，電池為80毫安，此時需要切割5塊光伏電池即可。
由于標準光伏電池輸出功率與面積成正比，在標準光伏電池上，切割的次數愈多，損耗愈大。此外輸出的電壓愈高，其串聯的光伏電池的塊數愈多，串聯光伏電池需要焊接，亦需在兩塊電池留有焊接間隙。由此可見，采用并陽電容升壓電路，與串聯電容直接驅動發光二極管相較，其加工費可以降低，其單位面積輸出的功率有所提高。
采用升壓電路，當電容兩端的電壓小于0.5伏時，無法驅動發光二極管工作，此時若X≥2，即電容數等于或超過2個，此時通過手動或自動將并聯電容切換至串聯狀態，則電容兩端電壓≥1.0V，則通過升壓電路仍可驅動發光二極管工作。
由P＝1/2QV/t＝1/2VI(P功率，Q電量，V電壓，t時間，I電流)式中可以看出，隨時間的增加，電容中提供驅動負載功率呈線性減少。如果負載是阻性的，電流亦隨時間的增加呈線性減少。
工作中，A/D芯片Ic2檢測C1、C2、...Cx-1、Cx的電壓并且把其變換成數字信號經芯片Ic3計算后，由接口芯片Ic5驅動數字變阻器芯片Ic6。當C1、C2、...Cx-1、Cx的電壓高時，數字變阻器的阻值亦高。當C1、C2、...Cx-1、Cx的電壓低時，數字變阻器的阻值亦低。數字變阻器起到了可調限流的作用，保證了負載要求的恒流。
權利要求
1.一種用太陽能作能源的電源。其特征在于光伏電池1的正端經電阻R1串接二極管D1與并聯的電容C1、C2、...Cx-1、Cx正極相接，光伏電池負極與電容C1、C2、...Cx-1、Cx的負端相接，電容C1、C2、...Cx-1、Cx正負兩端之間跨接穩壓二級管D2，二極管D1和電容C1、C2、...Cx-1、Cx兩端的接點上接有電感L，電感L另一端分別與芯片Ic1的輸入端和二級管D3的正端相接，芯片Ic1的輸出端與二極管D3的負端和電容C0正端相接，芯片Ic1負端和電容C0負端接地，芯片Ic1的輸出端和接地端接至由光敏三極管T1、功放三極管T2、T3、電阻R2、負載Ld和芯片Ic6組成的光控及驅動電路相連，電容C1、C2、...Cx-1、Cx的正極與A/D芯片Ic2，的輸入端相連，與算數邏輯/功能發生器芯片Ic3，時鐘芯片Ic4串口EEPROM芯片Ic5，及數字變阻器Ic6，組成負載恒流電路。
2.根據權利要求1所述，其特征在于芯片Ic1的輸出端與三極管T3集電極之間可以驅動恒流阻性的負載。
全文摘要
一種用太陽能作能源的電源。光伏電池1的正端經電阻R
文檔編號H02J15/00GK1917330SQ200510010268
公開日2007年2月21日 申請日期2005年8月18日 優先權日2005年8月18日
發明者郝萬福 申請人:郝萬福