專利名稱：光伏電源控制器及光伏發電系統和獨立光伏式農業大棚的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及太陽能發電領域，尤其涉及一種光伏電源控制器和采用該控制器的太陽能光伏發電系統。本實用新型還涉及一種獨立太陽能光伏式農業大棚。
背景技術：
隨著經濟的發展，常規化石能源日漸枯竭，對可再生能源的開發和利用迫在眉睫。 傳統太陽能發電是利用太陽能的熱效應來加熱工作介質，產生高溫高壓的水蒸汽驅動汽輪機帶動發電機發電的。然而太陽能熱發電技術的能量利用效率低、系統龐大復雜且成本較高。隨著技術的進步，太陽能光伏發電成本越來越低，并已進入大規模的商業化應用階段， 太陽能光伏發電技術較太陽能熱發電技術的能量利用效率高、系統簡單。常規的光伏電源控制器含太陽能輸入端、蓄電池端、負載輸出端，其內部簡化電氣結構示意圖如
圖1，圖中L是蓄能電感、D是續流和防反充二極管、Ql和Q2是電子開關(功率場效應管)、C是蓄能電容器、Rl和R2是分壓電阻。Ql受智能芯片的控制信號Pl的作用可反復通/斷，并可實現蓄電池的充電和過充電保護功能，以及最大功率點(MPPT)功能； Q2受智能芯片的控制信號P2的作用可通/斷，實現蓄電池的放電和過放電保護功能。這使得在負載白天不用電或用電量很少的情況下，太陽能白天發的電能通過控制器太陽能輸入端、經控制器DC-DC變換電路輸出，絕大部分充進蓄電池存儲，再在夜間供給負載，這樣在蓄電池的充放電過程中產生大量的電能庫侖損失(由蓄電池的充放電化學反應特性產生)；并且當蓄電池充滿電實行過充電保護時，使并聯在電路中的場效應管Ql連通將太陽能短接(或者使被串聯在電路中的Ql斷開)，使得太陽能發的電不能被利用，造成電能浪費。同時在負載白天用電過程中因光線變化導致太陽能發電量不穩定的情況下，會經常出現蓄電池電能的時充時放現象，這不但增加電能的庫侖損失，降低光伏發電利用效率，還會導致蓄電池使用壽命縮短。隨著技術進步和市場需求，節能直流電器產品越來越普及，低壓直流獨立光伏式發電系統也越來越多。設計時為保證系統自給天數和可靠性時，一般將太陽電池的功率和蓄電池的容量都設計的較大，但太陽能發的電能大部分被充進蓄電池儲存、再在用電時供給負載，僅有小部分可直接供給負載使用，這過程有大量的電能庫侖損失，尤其在負載白天不用電(如照明系統)或很少用電的低壓直流光伏發電系統中，電能的庫侖損失量更大，如圖2所示，圖中虛心箭頭表示白天時太陽能發電及系統用電情況，圖中實心箭頭表示夜間系統用電情況。常規的太陽能農業大棚只是利用太陽光的光照條件和熱效應，利用溫室原理，在不利氣候條件下制造一個有助于作物生長的室內環境，甚至在特定情況下需要用到電輔助加熱升溫、通風換氣及降溫、澆灌噴淋、濕度調節、營養液循環、植物生長燈照明等，所以需要消耗較多的電能，并且農業大棚一般建在地域空曠的地方，引電不方便
實用新型內容
[0006]本實用新型的目的在于提供一種能減少電能庫侖損失，提高電能利用效率的光伏電源控制器；本實用新型的另一個目的在于提供一種能減少電能庫侖損失，提高電能利用效率，減少系統蓄電池的配置容量和設備投入，提高蓄電池使用壽命的光伏發電系統；本實用新型的第三個目的在于提供一種能獨立供電，提高電能利用效率，減少蓄電池和逆變器的配置容量，降低設備成本的獨立光伏式農業大棚。為了達到第一個目的，本實用新型提供一種光伏電源控制器，包括光伏電源控制電路，所述光伏電源控制電路設有太陽能輸入端、太陽能直流輸出端、蓄電池負載輸出端和蓄電池端，所述光伏電源控制電路包括由電感Li、場效應管Q3、續流二極管Dl和蓄能電容器Cl電性連接組成的DC-DC變換電路，以及由充電回路和放電回路組成的蓄電池充放電電路，所述充電回路由場效應管Q4、防逆流二極管D2、電阻R3和電阻R4電性連接組成，所述放電回路由場效應管Q5和防逆流二級管D3電性連接組成。本實用新型的一種優選方案，所述光伏電源控制電路為共負極電路或者共正極電路。本實用新型光伏電源控制器，既可實現最大功率點跟蹤功能、蓄電池過充電和過放電保護功能，又可令太陽光線明亮時使用太陽能直流輸出端的負載用電量僅來自太陽能電能的DC-DC變換輸出，同時在夜間或光線昏暗時蓄電池又可為太陽能直流輸出端供電； 這樣使得在白天負載用電量大的光伏發電系統中，對蓄電池充放電過程中的電能庫侖損失量大大減少，提供了系統電能利用效率，也可減少系統蓄電池的配置容量和設備投入，同時可減少蓄電池白天的時充時放電現象，延長了蓄電池的使用壽命。為了達到第二個目的，本實用新型還提供一種光伏發電系統，包括太陽能電池組件、直流負載、交流負載、蓄電池，還包括分別與太陽能電池組件、直流負載、交流負載、蓄電池電性連接的光伏電源控制器，所述光伏電源控制器的太陽能輸入端與太陽能電池組件電性連接，所述光伏電源控制器的太陽能直流輸出端與直流負載電性連接，所述光伏電源控制器的蓄電池負載輸出端依次與逆變器、交流負載電性連接，所述光伏電源控制器的蓄電池端與蓄電池電性連接。本實用新型光伏發電系統，既可為直流負載提供直流電源，又可為交流負載提供交流電源，增強了用電的靈活性；同時，當太陽光線明亮時使用直流輸出端的負載用電量僅來自太陽能電能的DC-DC變換輸出，在夜間或光線昏暗時蓄電池又可為直流輸出端供電； 這使得在白天負載用電量大的光伏發電系統中，蓄電池充放電過程中的電能庫侖損失量大量減少，提高了系統電能利用效率，也可減少系統蓄電池的配置容量和設備投入；也可盡量避免負載在白天用電時因太陽能發電量不穩定而導致的蓄電池時充時放現象。為了達到第三個目的，本實用新型還提供一種獨立光伏式農業大棚，包括農業大棚和光伏發電系統，所述農業大棚設有通風換氣窗、側面采光玻璃窗和外圍護結構，所述光伏發電系統向通風換氣及降溫、澆灌噴淋、濕度調節、營養液循環、LED植物生長燈、加熱升溫等用電設備提供穩定的電源。所述太陽能電池組件為可透光結構，并作為農業大棚的采光頂。所述農業大棚的采光頂是斜坡式結構。所述農業大棚的四周圍墻是熱阻較大的外圍護結構。[0018]所述光伏發電系統與農業大棚是一體化安裝結構。所述獨立光伏式農業大棚還包括用電優化系統，所述用電優化系統將負載分為白天電負載和夜間電負載，所述白天電負載包括通風換氣及降溫、澆灌噴淋、濕度調節、營養液循環、LED植物生長燈助長照明系統；所述夜間電負載包括加熱升溫、LED植物生長燈助長照明系統。本實用新型獨立光伏式農業大棚，充分結合了交/直流光伏發電系統和農業大棚兩者供電和用電的互補性；節約了交/直流光伏系統太陽電池組件的安裝場地，節省了農業大棚的采光頂材料，可透光的太陽電池組件既能吸收光能發電，又能透過光線為作物的生長提供合適的光照條件，同時可阻擋過多的對作物和人體有害的紫外線進入農業大棚內部；交/直流光伏發電系統與農業大棚一體化設計和安裝提高了兩者的使用性能；此外，農業大棚的用電量主要其中在白天，使得交/直流光伏發電系統一邊發電、一邊對外供電，蓄電池只要儲存少量電能供農業大棚夜間使用，即使得大部分電能沒有經過蓄電池的庫侖損失而直接供給負載，系統供電和用電效率得到提高，同時也減少了交/直流光伏發電系統的蓄電池和逆變器的配置容量，降低成本。
以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式
作進一步說明
圖1是常規光伏電源控制器的電路原理圖圖2是常規低壓直流光伏發電系統的示意圖圖3是本實用新型光伏電源控制器共負極的電路原理圖圖4是本實用新型光伏電源控制器共正極的電路原理圖圖5是本實用新型光伏發電系統太陽能供電示意圖圖6是本實用新型光伏發電系統蓄電池供電示意圖圖7是本實用新型獨立光伏式農業大棚的結構示意圖圖8是本實用新型獨立光伏式農業大棚的電氣框圖圖中標示說明10-光伏電源控制電路；Il-DC-DC變換電路；12-蓄電池充放電電路；13-太陽能輸入端；14-太陽能直流輸出端；15-蓄電池端；16-蓄電池負載輸出端； 20-農業大棚；21-通風換氣窗；22-門；23-圍墻；24-玻璃窗；25-采光頂；
具體實施方式
如圖3所示為本實用新型光伏電源控制器共負極的電路原理圖，具體包括太陽能輸入端13、太陽能直流輸出端14、蓄電池端15、蓄電池負載輸出端16、電感Li、場效應管 Q3、續流二極管D1、蓄能電容器Cl、場效應管Q4、防逆流二極管D2、防逆流二極管D3、電阻 R3、電阻R4、場效應管Q5。電波信號P4、P5是受電路的主控智能芯片控制的數字邏輯控制信號，電波信號P3是受主控智能芯片控制的脈寬調制(PWM)信號。由電感Li、場效應管Q3、續流二極管Dl、蓄能電容器Cl構成DC-DC變換電路11負責將太陽能輸入的電能變換為一合適的電能輸出給后級電路。
具體實施方式
如下1、當場效應管Q3受信號P3控制而導通時，太陽能電能經電感Ll和場效應管Q3構成回路(后級電路被場效應管Q3短路)、為電感Ll充電，電感Ll的a端為正、b端為負；2、當場效應管Q3受信號P3控制而突然截止時，由電磁感應定律知電感Ll會產生一個阻礙其自身磁通量減少的反向感生電動勢，使得電感Ll的a端為負、b端為正，恰好得到一個由電感Ll的感生電動勢與太陽能電源串聯的電壓，通過續流二極管Dl給蓄能電容器Cl充電；3、由于續流二極管Dl的單向導通性，使得蓄能電容器Cl上的電能不會倒回至DC-DC回路、并儲存在蓄能電容器Cl上；4、快速重復步驟1和2，由智能芯片并依照b點的電壓調整PWM信號P3的占空比，即可在蓄能電容器Cl上得到一個穩定的輸出電壓。同時，由電感Li、場效應管Q3、續流二極管D1、蓄能電容器Cl構成的DC-DC變換電路11可實現太陽能最大功率點跟蹤(MPPT)功能。由全電路歐姆定律知當外部電路的有效輸入電阻等于該電路電源的內阻時，該外部電路從電源獲得的功率最大，也即電源的輸出功率最大。通過調整PWM信號P3的占空比，令場效應管Q3調整單位時間流入DC-DC電路的電能，使得DC-DC變換電路的輸入電阻與太陽能輸入端的太陽能電池組件的內阻相等， 使太陽能電池組件輸出功率最大。實際操作時，可采用恒定電壓控制法、觀測擾動法、導納增量法、基于梯度變步長的導納增量法等方式來實現MPPT功能。由上可知，太陽能直流輸出端(即電容器Cl兩端)可維持一個輸出電壓穩定、輸出功率最大的直流電源。此外，由場效應管Q4、防逆流二極管D2、電阻R3、電阻R4、場效應管Q5構成蓄電池充放電電路12，充電回路由場效應管Q4、防逆流二極管D2、電阻R3和電阻R4電性連接組成，放電回路由場效應管Q5和防逆流二級管D3電性連接組成。d點的電流(即電容器兩端的電能)可由導通的場效應管Q4、二極管D2流至e點，同時流至e點的電流既可流入蓄電池、對蓄電池充電，也可由導通的場效應管Q5對外放電；防逆流二級管D2的作用是使得蓄電池不會通過蓄電池的充電回路放電，防逆流二級管D3的作用是使得c點的電能不會通過蓄電池的放電回路給蓄電池充電。由電阻R3和電阻R4串聯構成的分壓電路可對d點的電壓采樣得電壓Vf，智能芯片通過判斷Vf值和基準電壓大小的關系，輸出相應的信號P4和P5控制場效應管Q4和Q5 導通或截止，實現蓄電池的過充過放保護。具體實施如下1、當蓄電池電壓過高時，信號P4 控制場效應管Q4斷開進行蓄電池的過充電保護；2、當蓄電池的電壓過低時，信號P5控制場效應管Q5斷開進行蓄電池的過放電保護；3、當蓄電池電壓被充電到一定值(過放恢復電壓)時，信號P5控制Q5導通使蓄電池可對外供電。如圖3所示，該光伏電源控制器共負極電路可使得太陽能電池組件在太陽光強度高時產生的電能，一部分從太陽能直流輸出端輸出，另一部分電能經過場效應管Q4、防逆流二極管D2給蓄電池充電，或再經場效應管Q5輸出給蓄電池負載輸出端。由于本充電電路設計特性使充電電壓等于蓄電池過充保護電壓時，即d點的電壓大于e點的電壓，c點電壓大于e點的電壓，所以在太陽光線明亮時，太陽能直流輸出端的電能僅是來自該光伏電源控制電路的DC-DC變換電路輸出。圖5是本實用新型光伏發電系統太陽能供電示意圖，圖中虛心箭頭表示電能的流向情況。如圖3所示，在太陽光強度不高或黑夜時，太陽能電池組件產電量少或不產電，滿足不了負載用電需求量，此時相當于外部負載電阻小，電源內部電阻大，由全電路歐姆定律知，DC-DC變換電路11的d點輸出電壓下降并低于e點電壓(即c點電壓低于蓄電池電壓)，所以蓄電池可通過場效應管Q5、防逆流二極管D3經c點向太陽能直流輸出端供電。同時， DC-DC變換電路11的續流二極管Dl可防止蓄電池電流逆流，且d點電壓低于e點電壓，故不能給蓄電池充電。同時，蓄電池還可通過場效應管Q5經蓄電池負載輸出端對外(即逆變器)供電。圖6是本實用新型光伏發電系統蓄電池供電示意圖，圖中虛心箭頭表示電能的流向情況。如圖4所述示，本實用新型光伏電源控制器共負極電路與上述共正極電路的結構相似，僅是部分電子元器件連接方向變化，本實用新型光伏電源控制器共負極電路的分析類同上述，在此不在贅述。如圖7所示，農業大棚20采用斜坡式結構，太陽能電池組件安裝于農業大棚20頂部，太陽能電池組件采用可透光結構、并作為農業大棚20的采光頂25 ；太陽能光伏發電系統與農業大棚20 —體化設計、安裝，農業大棚20設有通風換氣窗21、用于側面采光的玻璃窗24、門22和圍墻23，圍墻23采用熱阻較大的外圍護結構，側面采光玻璃窗M可被電驅動打開或關閉；農業大棚20設有電輔助通風換氣及降溫、澆灌噴淋、濕度調節、營養液循環、 LED植物生長燈、加熱升溫等用電設備。白天時太陽能電池組件受太陽光輻射發電，通過光伏控制器供給用電負載或給蓄電池充電；太陽能電池組件既可吸收紫外線和強光、保護農業大棚20內部作物，還可透過太陽光滿足農業大棚20內部作物生長需要的光照。白天農業大棚氣溫高時，通過電驅動通風換氣窗或玻璃窗將農業大棚內部高溫空氣排出，并利用流動的空氣散熱降溫；還可通過澆灌噴淋，以水降溫(水蒸發時吸熱)。由于作物的光合作用，農業大棚20內的CO2含量逐漸降低，并影響作物的光合作用效率和作物的生長速率，故需要及時通風換氣，保證農業大棚20內的空氣質量。白天時盡量完成農業大棚20內作物的澆灌噴淋、濕度調節、營養液循環、通風換氣的作業。同時白天也進行LED植物生長燈進行作物助長照明，LED植物生長燈主要發出作物生長需要的紅藍光，加強作物的光和作用來達到作物助長的目的；LED植物生長燈采用低壓直流驅動，光效高、壽命長，非常省電，可M小時工作，并可依外界光線自動調整亮度。夜間氣溫降低時，可通過農業大棚20內電輔助加熱升溫設備升高室內氣溫，達到作物生長的合適溫度，同時夜間也采用LED植物生長燈給農業大棚20內作物輔助光照，加速作物的生長。如圖8所示為獨立光伏式農業大棚的電氣框圖，交/直流光伏發電系統通過直流母線、交流母線提供直流電源和交流電源給農業大棚，農業大棚內有電輔助通風換氣及降溫、澆灌噴淋、濕度調節、營養液循環、LED植物生長燈、加熱升溫用電設備。直流電源是引自光伏電源控制器的太陽能直流輸出端(當用電電壓和太陽能系統電壓不匹配時，直流電源可引自連接在光伏電源控制器的太陽能直流輸出端的DC-DC變換電路輸出端)；交流電源是引自光伏發電系統的逆變器輸出端。由于現行市場及技術，交流用電設備種類多、技術成熟，直流用電設備種類少、技術有待發展，但直流用電比交流用電效率高，故農業大棚的電輔助通風換氣及降溫、澆灌噴淋、濕度調節、營養液循環、LED植物生長燈、加熱升溫用電設備可依具體特性，選擇不同的工作電源。如LED植物生長燈因LED燈珠是低壓直流工作的，故可選擇直流電源。又如通風換氣及降溫設備采用直流變頻驅動的電動機、加熱升溫設備采用低壓安全的直流電源等。同時采用了用電優化系統設計，有效地優化農業大棚各用電設備的工作時間段， 如電輔助通風換氣及降溫、澆灌噴淋、濕度調節、營養液循環、LED植物生長燈盡量在白天工作，電輔助加熱升溫、LED植物生長燈在夜間工作，使得農業大棚的用電量大部分集中在白天，并盡量采用直流電源工作，從而減少了電能的庫侖損失和逆變損失，也可減少交直流光伏發電系統的蓄電池和逆變器的配置容量，減少設備投入費用，還減少了蓄電池白天的時充時放電現象、延長了蓄電池的使用壽命，最終大幅度的節約了系統成本。采用本實用新型光伏電源控制器的交/直流光伏發電系統和應用該系統的農業大棚，可有效減少電能庫侖損失、提高用電效率，降低系統的蓄電池和逆變器的配置容量、 減少設備投入費用。交直流光伏發電系統與農業大棚一體化設計及安裝，節省了太陽能安裝場地和農業大棚的采光頂材料，太陽能電池組件即可發電、濾除紫外線，又可透光、促進作物生長。結合交直流光伏發電系統和農業大棚的電輔助通風換氣及降溫、澆灌噴淋、濕度調節、營養液循環、LED植物生長燈、加熱升溫等用設備，可在不利氣候條件下為農業大棚內的作物提供一個良好的生長環境，加速作物的生長速度，并可使作物反季節生產，提高作物生產效益。以上是對本實用新型的較佳實施進行了具體說明，但本實用新型創造并不限于所述實施例，熟悉本領域的技術人員在不違背本實用新型精神的前提下還可做作出種種的等同變形或替換，這些等同的變形或替換均包含在本申請權利要求所限定的范圍內。
權利要求1.一種光伏電源控制器，包括光伏電源控制電路(10)，所述光伏電源控制電路(10)設有太陽能輸入端(13)、太陽能直流輸出端(14)、蓄電池負載輸出端(16)和蓄電池端(15)， 其特征在于所述光伏電源控制電路(10)包括由電感Li、場效應管Q3、續流二極管Dl和蓄能電容器Cl電性連接組成的DC-DC變換電路(11)，以及由充電回路和放電回路組成的蓄電池充放電電路(1 ，所述充電回路由場效應管Q4、防逆流二極管D2、電阻R3和電阻R4電性連接組成，所述放電回路由場效應管Q5和防逆流二級管D3電性連接組成。
2.根據權利要求1所述的光伏電源控制器，其特征在于所述光伏電源控制電路(10) 為共負極電路。
3.根據權利要求1所述的光伏電源控制器，其特征在于所述光伏電源控制電路(10) 為共正極電路。
4.一種光伏發電系統，包括太陽能電池組件、直流負載、交流負載、蓄電池，其特征在于還包括分別與太陽能電池組件、直流負載、交流負載、蓄電池電性連接的如權利要求1 所述的光伏電源控制器，所述光伏電源控制器的太陽能輸入端與太陽能電池組件電性連接，所述光伏電源控制器的太陽能直流輸出端與直流負載電性連接，所述光伏電源控制器的蓄電池負載輸出端依次與逆變器、交流負載電性連接，所述光伏電源控制器的蓄電池端與蓄電池電性連接。
5.一種獨立光伏式農業大棚，包括農業大棚00)和光伏發電系統，所述農業大棚00) 設有通風換氣窗01)、門(22)、圍墻和側面采光玻璃窗(M)，其特征在于所述光伏發電系統采用如權利要求4所述的光伏發電系統，所述光伏發電系統向通風換氣及降溫、 澆灌噴淋、濕度調節、營養液循環、LED植物生長燈、加熱升溫等用電設備提供穩定的電源。
6.根據權利要求5所述的獨立光伏式農業大棚，其特征在于所述光伏發電系統的太陽能電池組件為可透光結構，并作為農業大棚00)的采光頂05)。
7.根據權利要求6所述的獨立光伏式農業大棚，其特征在于所述農業大棚OO)的采光頂05)是斜坡式結構。
8.根據權利要求5所述的獨立光伏式農業大棚，其特征在于所述農業大棚OO)的圍墻03)是熱阻較大的外圍護結構。
9.根據權利要求5所述的獨立光伏式農業大棚，其特征在于所述光伏發電系統與農業大棚OO)是一體化安裝結構。
10.根據權利要求5至9項任一所述的獨立光伏式農業大棚，其特征在于還包括用電優化系統，所述用電優化系統將負載分為白天電負載和夜間電負載，所述白天電負載包括通風換氣及降溫、澆灌噴淋、濕度調節、營養液循環、LED植物生長燈助長照明系統；所述夜間電負載包括加熱升溫、LED植物生長燈助長照明系統。
專利摘要本實用新型公開了一種光伏電源控制器，包括光伏電源控制電路，其設有太陽能輸入端、太陽能直流輸出端、蓄電池負載輸出端和蓄電池端，光伏電源控制電路包括DC-DC變換電路和蓄電池充放電電路；本實用新型具有蓄電池過充電和過放電保護功能，能減少電能庫侖損失，提高電能利用效率。本實用新型還公開了一種采用上述光伏電源控制器的光伏發電系統；本實用新型能減少電能庫侖損失，提高電能利用效率，減少系統蓄電池的配置容量和設備投入，提高蓄電池使用壽命。本實用新型還公開了一種采用上述光伏發電系統的獨立光伏式農業大棚；本實用新型能獨立供電，提高電能利用效率，減少蓄電池和逆變器的配置容量，降低設備成本。
文檔編號A01G9/14GK202334371SQ2011204279
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月2日 優先權日2011年11月2日
發明者趙亮, 郭清華, 陳學力 申請人:深圳市中航三鑫光伏工程有限公司