專利名稱：太陽能電池系統(tǒng)、電子裝置以及結構的制作方法
技術領域：
本公開涉及一種太陽能電池(solar cell)系統(tǒng)、一種電子裝置以及一種結構，例如，一種適合于與染料敏化太陽能電池(dye-sensitized solarcell) 一起使用的太陽能電池系統(tǒng)，以及具有該太陽能電池系統(tǒng)的一種電子裝置和一種結構。
背景技術：
作為用于將太陽光轉換成電能的光電轉換元件的太陽能電池使用太陽光作為能源。因此，太陽能電池對全球環(huán)境具有非常小的影響，并且期望得到進一步的普及。在過去，使用單晶硅或多晶硅的基于晶體硅的太陽能電池或基于非晶硅的太陽能電池已經被主要地用作太陽能電池。另一方面，在1991年由Gratzel等人提出的染料敏化太陽能電池已經引起注意，因為染料敏化太陽能電池可以提供高的光電轉換效率，并且在過去制造基于非硅的太陽能電池時，可以在不需要大型裝置的情況下以低成本來制造(例如，見1991年自然雜志(Nature)第 353 期第 737-740 頁)。染料敏化太陽能電池通常具有包括由光敏化染料被粘合到其上的氧化鈦(TiO2)等制成的多孔電極和在這些電極之間填充的電解液的電解層的結構。常常使用通過將包括諸如碘(I2)、碘離子(Γ)等的氧化還原核素的電解質溶解在溶劑中而得到的電解液。太陽能電池具有電流-電壓輸出特性(1-V輸出特性)，使得可被提取的電流的值由連接到太陽能電池的負荷的電壓的值來確定。太陽能電池的發(fā)電輸出P通過太陽能電池的發(fā)電電壓V和發(fā)電電流I的乘積來表示。因此，當太陽能電池處于開路狀態(tài)時，例如，發(fā)電電流I不流動，也就是說，I = O,使得發(fā)電輸出P為P = O。另一方面，當太陽能電池處于短路狀態(tài)時，發(fā)電電流I的值變得非常大，而發(fā)電電壓V為V = 0，再次使得發(fā)電輸出P為P=O。也就是說，對于太陽能電池的有效發(fā)電，連接到太陽能電池的負荷在開路狀態(tài)下不應該為零負荷，在短路狀態(tài)下也不應該為超負荷，并且該負荷為適當的負荷是很重要的。圖21是示出了在恒定光源之下的太陽能電池的1-V輸出特性和電力-電壓輸出特性(P-V輸出特性)的示例的圖。如圖21中所示，橫坐標軸指示在太陽能電池中發(fā)生的發(fā)電電壓V，而縱坐標軸指示太陽能電池的發(fā)電電流I和發(fā)電輸出P。當關注涉及P-V輸出特性時，將來自太陽能電池的輸出電力最大化的操作點為P-V輸出特性的頂點，并且通常被稱為最大電力點(MPP)。也就是說，可以說的是，當太陽能電池總是以MPP正在發(fā)電時實現了最高的發(fā)電效率。然而，太陽能電池的P-V輸出特性取決于太陽輻射的強度、溫度、負荷條件等而大大地變化，并且MPP對應地大大地變化。因此,最大電力點跟蹤(MPPT)控制對于使太陽能電池總是以高效率發(fā)電是必須的。具體地，MPPT控制找到作為將發(fā)電輸出P最大化的發(fā)電電壓V和發(fā)電電流I的組合的MPP，繼 續(xù)將適當的負荷施加到太陽能電池以便總是維持該狀態(tài)，并且因此使太陽能電池總是以最大效率操作。換句話說，MPPT控制是在沒有浪費的情況下將太陽能轉換成電能，并且實際上是對于驅動太陽能電池不可缺少的控制中的一個。
被用作為MPPT控制電路的電子電路被大體上分類成以下兩種系統(tǒng)。一種是將發(fā)電電壓設置為控制變量并且執(zhí)行反饋控制使得發(fā)電電壓的值為設定值的電路。另一種是將發(fā)電電流設置為控制變量并且執(zhí)行反饋使得發(fā)電電流的值為設定值的電路。在電化學領域中，這些控制方法分別被稱為電位調節(jié)控制(恒電位控制)和電流調節(jié)控制(恒電流控制)。當實際地設計MPPT控制電路時，不可抵抗地使用前者的電位調節(jié)控制。根據發(fā)電電壓和發(fā)電電流與照度的依賴性來解釋此原因。通常期望太陽能電池在以從辦公室內的約
0.5ff/m2的照度到在盛夏中的直接太陽光下的約1000W/m2的照度的幾個數量級擴展的一照度范圍內穩(wěn)定地操作。因為太陽能電池的特性，在MPP處的發(fā)電電流Imax大體上與照度成比例。另一方面，在MPP處的發(fā)電電壓Vmax大體上與照度的對數成比例。也就是說，發(fā)電電流隨著照度的改變而急劇地改變幾個數量級，而發(fā)電電壓被用對數壓縮并且因此在減小的范圍內變化。因此，發(fā)電電壓易于作為控制變量來處理，并且當控制發(fā)電電壓時，控制電路變得更簡單。在MPPT控制的方法之中，在過去已經知道被稱為爬山(hillclimbing)法的控制方法。爬山法通過增加或者減小發(fā)電電壓V或發(fā)電電流I的設定值以某一時間間隔改變發(fā)電電壓V或發(fā)電電流I的設定值，檢查發(fā)電輸出P是否已經被提高或者降低該改變，并且根據該檢查的結果來確定下一次是否提高或者降低發(fā)電電壓?；谂郎椒ǖ腗PPT控制方法常常被用于對太陽能電池的發(fā)電控制，并且迄今為止已經對該技術作出了大量的報告(例如，日本專利特開平7-234733號、日本專利特開平8-76865號、日本專利特開2002-48704號以及日本專利特開2004-280220號)。

發(fā)明內容
在通過爬山法對于太陽能電池的發(fā)電控制執(zhí)行MPPT控制以便以高精度來檢測MPP的情況下，其足以通過縮小發(fā)電電壓V或發(fā)電電流I的設定值的改變的范圍來提高分辨率。然而，當發(fā)電電壓V和發(fā)電電流I中的任一個的設定值在太窄的范圍內改變時，其需要花費時間來捕獲MPP。然后，在捕獲MPP所花費的時間期間，沒有以最大效率執(zhí)行發(fā)電。在該周期期間的太陽能因此未能被吸收并且被浪費了。此外，基于爬山法的MPPT控制涉及從發(fā)電電壓V或發(fā)電電流I的設定值的改變到發(fā)電電壓的設定值的下一次改變的等待時間。等待時間變得越短，可以越快地捕獲MPP。例如，在具有快的電響應速度的太陽能電池的情況下，當等待時間為諸如幾毫秒到幾十毫秒的短時間時，無問題出現并且可以快速地捕獲MPP。然而，在具有慢的電響應速度的太陽能電池的情況下，以幾秒為單位的等待時間是必須的。然后，其需要花費時間來捕獲MPP，并且還在這種情況下，如上所述，太陽能同樣地未能被吸收。因此，基于爬山法的MPPT控制是一種好方法，因為以高精度找到了最大化太陽能電池的發(fā)電效率的條件。然而，當通過基于爬山法的MPPT控制對具有慢的電響應速度的太陽能電池執(zhí)行發(fā)電控制時，其需要花費時間來捕獲MPP。這是因為每次發(fā)電電壓V或發(fā)電電流I的設定值被改變時，發(fā)生以幾秒為單位的等待時間。因此，不能在以適當的速度遵循由于照度條件等的改變而導致的太陽能電池的輸出特性的改變的同時執(zhí)行控制。當通過提高分辨率以高精度找到MPP時，特別地，增加輸出測量的數目，并且因此也增加了上述的等待時間，使得此問題變得更嚴重。另一方面，不取決于電響應速度的控制方法包括例如電壓跟蹤方法。電壓跟蹤方法將通過將作為當太陽能電池被設置于開路狀態(tài)時的電壓的開路電壓V。。乘以某一常量(其典型值為0.7至0.8)而得到的值設置為太陽能電池的發(fā)電電壓，并且執(zhí)行電位調節(jié)控制。當應用此方法時，太陽能電池的操作點繼續(xù)保持在MPP的附近，并且可以以實際能力的約80%或更高來執(zhí)行穩(wěn)定的發(fā)電。因此，具體而言，電壓跟蹤方法是一種獨立于太陽能電池的電響應速度的控制方法，并且因此可以說是比具有慢的電響應速度的太陽能電池中的爬山法更有效。然而，此方法首先自身不捕獲MPP，并且因此不能夠使太陽能電池總是以最大效率發(fā)電。因此，期望使用低電力消耗并且以低成本來提供一種新型太陽能電池系統(tǒng)，其可以執(zhí)行比過去更快的控制以遵循太陽能電池的輸出特性的改變，并且可以使太陽能電池總是以最大效率發(fā)電而不管太陽能電池的電響應速度。還期望提供一種高性能電子設置，其中如上所描述的極好的太陽能電池系統(tǒng)被用于太陽能電池。進一步期望提供一種結構，其中如上所描述的極好的太陽能電池系統(tǒng)被用于太陽能電池。根據本公開的實施例，提供了一種太陽能電池系統(tǒng)，包括:太陽能電池；連接至該太陽能電池的負荷控制器，該負荷控制器能夠控制施加到該太陽能電池的負荷；輸出測量單元，用于測量該太陽能電池的發(fā)電輸出；以及輸出預測單元，用于在由輸出測量單元測量的輸出的瞬態(tài)響應的基礎上預測待由該輸出達到的值，其中，該太陽能電池系統(tǒng)具有控制負荷控制器以便最大化待達到的值的功能。根據本公開的另一實施例，提供了一種電子裝置，包括:太陽能電池系統(tǒng)，其中該太陽能電池系統(tǒng)包括太陽能電池；連接至該太陽能電池的負荷控制器，該負荷控制器能夠控制施加到該太陽能電池的負荷；輸出測量單元，用于測量該太陽能電池的發(fā)電輸出；以及輸出預測單元，用于在由輸出測量單元測量的輸出的瞬態(tài)響應的基礎上預測待由該輸出達到的值；以及該太陽能電池系統(tǒng)具有控制負荷控制器以便最大化待達到的值的功能。根據本公開的另一實施例，提供了一種結構，包括:太陽能電池系統(tǒng)，其中該太陽能電池系統(tǒng)包括太陽能電池；連接至該太陽能電池的負荷控制器，該負荷控制器能夠控制施加到該太陽能電池的負荷；輸出測量單元，用于測量該太陽能電池的發(fā)電輸出；以及輸出預測單元，用于在由輸出測量單元測量的輸出的瞬態(tài)響應的基礎上預測待由該輸出達到的值；以及該太陽能電池系統(tǒng)具有控制負荷控制器以便最大化待達到的值的功能。在本公開中，η分搜索法將某一范圍劃分成η個部分，并且通過縮小劃分的寬度來檢測期望的點。作為具體處理方法，例如，從負荷控制器的最小負荷條件到最大負荷條件的負荷范圍被劃分成η個部分，并且在輸出預測單元中的η個負荷條件中的每一個之下執(zhí)行輸出預測。接下來，執(zhí)行從得到的η個預測輸出值中輸出提供最大輸出值的負荷條件的處理。接下來，包括該輸出負荷條件的負荷范圍被劃分成η個部分，并且在η個負荷條件中的每一個之下執(zhí)行輸出預測。接下來，執(zhí)行從得到的η個預測輸出值中輸出提供最大輸出值的負荷條件的處理。重復此處理，同時逐漸地縮小包括該輸出負荷條件的負荷范圍的寬度，由此檢測到ΜΡΡ。然而，η分搜索法的處理方法不限于這些方法。此外，η分搜索法可以要求η為三或更大的自然數。具體地，η分搜索法包括例如η = 3的三分搜索法和η = 4的四分搜索法，特別地，在三分搜索法中，黃金比例被適當地用于劃分。然而，η分搜索法不限于這些方法，并且η可以為五或更大的自然數。太陽能電池基本上可以為任何元件，只要該元件將光能轉換成電能。具體地，太陽能電池包括基于硅的太陽能電池、染料敏化太陽能電池、有機薄膜太陽能電池等。然而，太陽能電池不限于這些太陽能電池。太陽能電池和太陽能電池系統(tǒng)可以被用于需要電力的幾乎所有事物，并且可以具有任何大小。然而，例如，太陽能電池和太陽能電池系統(tǒng)可以被用于電子裝置、結構、移動對象、建筑機械、工業(yè)機械、農業(yè)機械、機械工具、發(fā)電系統(tǒng)、電力單元等。根據用途等來確定太陽能電池和太陽能電池系統(tǒng)的電力、大小、形狀等。電子裝置基本上可以是任何裝置，并且包括便攜型裝置和固定型裝置兩者。具體地，電子裝置是便攜電話、移動裝置、機器人、個人計算機、天線、車載裝置、時鐘、各種家用
電器等。結構通常是諸如建筑物的大型結構，具體地為商業(yè)建筑、公寓等。然而，結構不限于這些結構。結構基本上可以是任何結構，只要該結構用外墻來構造。具體地，例如，結構包括獨立式房屋、公寓式房屋、局所建筑、學校建筑、政府辦公建筑、散步場所、露天大型體育場、棒球場、醫(yī)院、教堂、工廠、倉庫、小屋、車庫、橋梁、固定的運動場設施等。具體優(yōu)選的是，結構用至少一個窗部分(例如玻璃窗)或自然采光部分來構造。此外，結構可以具有可動的部分。具體地，例如，結構包括可動的橋梁、天文臺、摩天輪、拋物面天線、具有可動部分的標牌等。然而，結構不限于上文引用的示例。在光電轉換元件和/或與設置于結構中的多個光電轉換元件電連接的光電轉換元件模塊之中，優(yōu)選地形成光電轉換元件和/或與布置在窗部分、自然采光部分等中的多個光電轉換元件電連接的光電轉換元件模塊，以便夾在兩個透明板之間并且根據需要來固定。通常形成光電轉換元件和/或光電轉換元件模塊以便被包括在兩個玻璃板之間并且根據需要來固定。移動對象基本上可以為任何移動對象。具體地，移動對象包括汽車、卡車、公交車、兩輪交通工具、三輪車、電梯、雪橇、購物手推車、鐵路交通工具、纜車、索道運輸工具、單軌礦車、線性電機車、輪船、氣墊船、飛機、直升飛機、滑翔機、氣球、飛船、火箭、人造衛(wèi)星、太空飛船、空間站等。建筑機械基本上可以為任何建筑機械。具體地，建筑機械包括鐵鏟、推土機、車裝起重機、壓路機、挖掘機等。農業(yè)機械基本上可以為任何農業(yè)機械。具體地，農業(yè)機械包括耕種機、拖拉機、聯(lián)合收割機、稻谷播種機械等。然而，移動對象不限于上文引用的那些。本技術可以提供一種具有發(fā)電控制系統(tǒng)的太陽能電池系統(tǒng)，該發(fā)電控制系統(tǒng)消耗比過去的發(fā)電控制系統(tǒng)更小量的電力，并且可以以比過去的發(fā)電控制系統(tǒng)更低的成本形成，該發(fā)電控制系統(tǒng)以比過去更高的速度操作，并且能夠使太陽能電池總是以最大效率發(fā)電而不管太陽能電池的電響應速度?？梢酝ㄟ^使用這個極好的太陽能電池系統(tǒng)來實現高性能電子裝置等。


圖1是示出了根據第一實施例的太陽能電池系統(tǒng)的方框圖；圖2是用于在恒定電壓發(fā)電狀態(tài)下設置太陽能電池的發(fā)電電壓控制的流程的流程圖；圖3是用于得到待由發(fā)電輸出達到的值的近似值的控制的示例的流程圖；圖4是示出了在太陽能電池的條件之下的實際測量輸出值Pn的計算結果的示意圖；圖5是示出了在太陽能電池的條件之下的預測輸出值Pestimat_的計算結果的示意圖；圖6是通過四分搜索法搜索MPP并且設置發(fā)電電壓的值的處理的流程圖；圖7A、7B、7C、7D以及7E是示出了得到其設定值在對太陽能電池的發(fā)電控制中提供最大發(fā)電效率的發(fā)電電壓的設定值的處理的示意圖；圖8是示出了根據第二實施例的太陽能電池系統(tǒng)的方框圖；圖9是通過使用黃金比例的三分搜索法搜索MPP并且設置發(fā)電電壓的值的處理的流程圖；圖10A、10B、10C、10DU0E以及IOF是示出了設置其值在對太陽能電池的發(fā)電控制中提供最大發(fā)電效率的發(fā)電電壓的值的處理的示意圖；圖11是示出了根據第三實施例的太陽能電池系統(tǒng)的方框圖；圖12是示出了染料敏化太陽能電池的電響應特性的示意圖；圖13是用于得到待由發(fā)電電流達到的值的近似值的控制的示例的流程圖；圖14是用于得到待由發(fā)電電流達到的值的近似值的控制的示例的流程圖；圖15是示出了搜索染料敏化太陽能電池中的最大電力點的處理的示意圖；圖16是通過放大圖15中的第一測量和第二測量的部分而得到的放大視圖；圖17是示出了其輸出特性通過第三實施例中的算法得到的染料敏化太陽能電池的1-V輸出特性和P-V輸出特性的示意圖；圖18是示出了根據第四實施例的太陽能電池系統(tǒng)的方框圖；圖19是通過組合爬山法和η分搜索法搜索MPP并且設置發(fā)電電壓的值的處理的流程圖；圖20是示出了根據第五實施例的太陽能電池系統(tǒng)的方框圖；圖21是示出了在恒定光源下的太陽能電池的1-V輸出特性和電力-電壓輸出特性(P-V輸出特性)的示例的示意圖；以及圖22Α和22Β是取代附圖的照片，該照片示出了太陽能電池的電響應特性的測量結果。
具體實施例方式近來，太陽能電池通常已經被作為驅動電源包括在諸如便攜電話、計算器、手表等的便攜裝置中，并且大量的太陽能電池已經被商業(yè)化了。例如，在太陽能電池之中，染料敏化太陽能電池作為待包括在便攜裝置等中的驅動電源而特別地成為不斷增加的需求，因為染料敏化太陽能電池可以使用室內照明來發(fā)電并且可以以低成本來生產。在便攜裝置中包括的太陽能電池的發(fā)電輸出特性隨著便攜裝置使用而快速地改變。此原因是，太陽能電池的能源是太陽光，并且當被用戶使用時，隨著便攜裝置的位置或姿態(tài)改變，例如，太陽能電池的入射光表面的位置、角度等改變，照度條件因此快速地改變。此外，當太陽能電池被安裝在結構等中時，太陽能電池的發(fā)電輸出特性不總是恒定的，因為太陽光的量、太陽光的入射角度根據時間、季節(jié)、天氣等改變。因此當使在便攜裝置等中包括的太陽能電池有效地發(fā)電時，通過MPPT控制快速地捕獲根據發(fā)電輸出的變化而變化的MPP是特別重要的。圖22A和22B是示出了太陽能電池的電響應特性的測量結果的照片。圖22A示出了有關基于硅的太陽能電池的測量結果。圖22B示出了染料敏化太陽能電池的階躍響應的
測量結果。圖22A和22B示出了染料敏化太陽能電池的電響應速度遠比基于硅的太陽能電池的電響應速度慢，即基于硅的太陽能電池的電響應速度的1/160。此原因是電荷載流子是在形成染料敏化太陽能電池的電解層的電解液中溶解的碘離子(Γ)和碘三離子(I3O。染料敏化太陽能電池包括多孔電極、對電極以及布置在多孔電極與對電極之間的電解層。染料敏化太陽能電池作為具有作為正電極的對電極并且具有作為負電極的、多孔電極被設置到的透明電極等的電池而操作。碘離子和碘三離子被包括在電解層等中的電解液中。在染料敏化太陽能電池的充電期間，碘離子和碘三離子劇烈地移動。另外，離子被周圍的溶劑分子包裹以使離子自身穩(wěn)定，因此形成大的簇。這是被稱為溶劑化作用的現象。當由這樣的溶劑化作用形成的大的簇通過液體推進時，在液體中出現大慣性。如從整體來看，這引起太陽能電池的電特性的大的瞬態(tài)響應。因此，染料敏化太陽能電池具有大的電瞬態(tài)響應特性，并且因此具有非常慢的電響應速度。如上所述，當在過去通過基于爬山法的MPPT控制來執(zhí)行發(fā)電控制時，這個慢的電響應速度表示長的等待時間，并且大大地減小了發(fā)電效率。另一方面，還存在通過其控制速度不依賴元件的電響應速度的電壓跟蹤方法等對染料敏化太陽能電池執(zhí)行發(fā)電控制的方法。然而，如上所述，該方法未實現以最大效率來發(fā)電，并且具有固定的操作點，使得MPP變化未被遵循。

因此，即使在具有慢的電響應速度的染料敏化太陽能電池的情況下，總是捕獲MPP變化的MPPT控制可能是必要的，以便總是以最大效率執(zhí)行發(fā)電控制。然而，當通過MPPT控制執(zhí)行染料敏化太陽能電池的發(fā)電控制時，除非解決了如上所述的、由于慢的電響應速度而導致的發(fā)電效率減小的問題，否則不能夠實現以最大效率的發(fā)電。另外，在許多情況下，從由太陽能電池生成的電力中提供了被用于控制太陽能電池的發(fā)電的電路所消耗的電力。因此，當電路消耗大量的電力時，減小了如從整體來看生成的電力的量。也就是說，必須提供即使當通過消耗少量的電力并且具有低處理電力的控制微型計算機執(zhí)行控制時被令人滿意地實現的控制方法和控制器。本公開已經認真地執(zhí)行了研究以便解決上述問題。首先，作出嘗試通過使爬山法中的發(fā)電電壓V的設定值大大地相對地改變并且減少搜索的數目來減少元件的電響應速度的影響。然后，速度由于減少數目的搜索而增加，但是然后仍然不能夠以高精度捕獲MPP。在爬山方法中，當提高MPP檢測精度時，犧牲了檢測速度，而當提高MPP檢測速度時，又犧牲了檢測精度。因此，必須使用另一種控制方法或者將另一種控制方法與爬山法相結合。因此，本公開已經進一步進行了研究，并且將用于MPPT控制的新的η分搜索法用作為用于以比爬山法中更少數量的搜索來精確地捕獲MPP的方法。本公開還涉及染料敏化太陽能電池的電瞬態(tài)響應特性，并且已發(fā)現通過測量其瞬態(tài)響應由發(fā)電電壓的設定值的改變引起的發(fā)電輸出的瞬態(tài)響應，來預測穩(wěn)態(tài)值(也就是說，待達到的值)而不用等待待達到的穩(wěn)定狀態(tài)。該發(fā)現導致本技術的發(fā)明。將在下文中描述用于執(zhí)行本技術的實施方式(該實施方式將在下文中被稱為“實施例”)。將按以下順序進行描述。1.第一實施例(染料敏化太陽能電池系統(tǒng)和染料敏化太陽能電池系統(tǒng)的操作)2.第二實施例(太陽能電池系統(tǒng)和太陽能電池系統(tǒng)的操作)3.第三實施例(太陽能電池系統(tǒng)和太陽能電池系統(tǒng)的操作)4.第四實施例(太陽能電池系統(tǒng)和太陽能電池系統(tǒng)的操作)5.第五實施例(太陽能電池系統(tǒng))〈1.第一實施例>[太陽能電池系統(tǒng)]圖1是示出了根據第一實施例的太陽能電池系統(tǒng)的方框圖。如圖1中所示，根據第一實施例的太陽能電池系統(tǒng)10經由負荷控制器2從太陽能電池I向外側的電力系統(tǒng)、二次電池、電容器等提供電力。負荷控制器2是諸如升壓電路、降壓電路等的可調節(jié)負荷裝置。負荷控制器2由控制器3來控制?？刂破?包括輸出測量單元4、輸出預測單元5、MPPT控制單元6以及發(fā)電電壓穩(wěn)定單元7。輸出測量單元4包括發(fā)電電壓測量部8和發(fā)電電流測量部9?？刂破?的操作包括:在輸出測量單元4中測量太陽能電池I的輸出值；隨后在MPPT控制單元6中根據所測量的輸出值來確定用于太陽能電池的發(fā)電電壓的設定值；以及在發(fā)電電壓穩(wěn)定單元7中執(zhí)行反饋控制使得太陽能電池的發(fā)電電壓符合該設定值。作為由控制器3執(zhí)行的上述操作的結果，太陽能電池被設置在恒定電壓發(fā)電狀態(tài)下。輸出測量單元4包括發(fā)電電壓測量部8和發(fā)電電流測量部9。通過使在發(fā)電電壓測量部8中測量的發(fā)電電壓與在發(fā)電電流測量部9中測量的發(fā)電電流一起相乘來計算發(fā)電輸出。例如，發(fā)電電壓測量部8具體地由與太陽能電池并聯(lián)連接的電阻型分壓器和AD(模擬-數字)轉換器的組合或放大電路和AD轉換器的組合來形成。然而，發(fā)電電壓測量部8不限于這些配置。例如，發(fā)電電流測量部9具體地由與太陽能電池的低側或高側串聯(lián)連接的幾十πιΩ至幾Ω的分流電阻、放大電路以及AD轉換器的組合形成。在特別大的電流的情況下，發(fā)電電流測量部9可以由使用變壓器的電流探針或使用磁光效應的電流探針、放大電路以及AD轉換器的組合來形成。然而，發(fā)電電流測量部9不限于這些配置。控制器3可以是控制微型計算機等。在這種情況下，輸出測量單元4是輸出測量單元，輸出預測單元5是輸出預測單元，MPPT控制單元6是MPPT控制單元，發(fā)電電壓穩(wěn)定單元7是發(fā)電電壓穩(wěn)定單元，發(fā)電電壓測量部8是發(fā)電電壓測量部，以及發(fā)電電流測量部9是發(fā)電電流測量部。此外，負荷控制器2可以是控制電路、微型計算機等。在這種情況下，負荷控制器2是負荷控制器。[太陽能電池系統(tǒng)的操作]圖2是用于在恒定電壓發(fā)電狀態(tài)下設置太陽能電池的發(fā)電電壓控制的流程的流程如圖2中所示，此發(fā)電電壓控制算法以某一間隔來測量發(fā)電電壓，并且校正所測量的電壓與發(fā)電電壓的設定值之間的誤差，使得總是以恒定電壓來執(zhí)行發(fā)電。將參照圖2對此發(fā)電電壓控制算法進行詳細的描述。首先，發(fā)電電壓測量部8測量發(fā)電電壓(步驟SI)。接下來，在步驟S2中，當在步驟SI中測量的發(fā)電電壓的值小于其值被提前設置的發(fā)電電壓的設定值時，減小由負荷控制器2所設置的負荷(步驟S3)。另一方面，當在步驟SI中測量的發(fā)電電壓的值大于發(fā)電電壓的設定值時，增加由負荷控制器2所設置的負荷(步驟S4)。作為此控制的結果，執(zhí)行了反饋控制，使得太陽能電池的發(fā)電電壓和發(fā)電電壓的設定值彼此一致，并且該太陽能電池被控制為處于恒定電壓發(fā)電狀態(tài)。然后結束處理(步驟S5)。恒定電壓發(fā)電狀態(tài)通過根據控制器3的定時器功能周期性地執(zhí)行發(fā)電電壓控制算法來實現。順便提及，當由于太陽能電池的大的電瞬態(tài)響應而導致電響應速度慢，并且由發(fā)電電壓控制算法引起波動(hunting)現象時，計算發(fā)電電壓的設定值與實際測量值之間的差，以及通過PID控制來控制發(fā)電電壓。在本電路中，設置發(fā)電電壓的值和調節(jié)負荷本質上彼此相當。施加負荷使得發(fā)電電壓大體上為OV意指非常重的負荷被施加到太陽能電池。使發(fā)電電壓大體上等于開路電壓意指大體上無負荷被施加到太陽能電池。出于太陽能電池的輸出特性的變化等原因，需要酌情改變發(fā)電電壓的設定值。當發(fā)電電壓的設定值被改變時，如上所述，取決于太陽能電池的電瞬態(tài)響應特性，其需要花費時間用于輸出值達到待達到的值，并且等待時間的增加造成發(fā)電效率的減小。因此，當在對太陽 能電池的發(fā)電控制中改變發(fā)電電壓的設定值時，通過輸出預測單元5來預測輸出值，所得到的預測輸出值被認為是太陽能電池的發(fā)電輸出值，并且在MPPT控制單元6中執(zhí)行發(fā)電控制。輸出預測單元5測量其瞬態(tài)響應由發(fā)電電壓的設定值的改變所引起的發(fā)電輸出的瞬態(tài)響應，并且預測待達到的值而不用等待發(fā)電輸出達到穩(wěn)定狀態(tài)。通常，輸出預測單元5被設置為每次發(fā)電電壓的設定值被更新時調用。然而，輸出預測單元5不限于此方法。輸出預測單元5還可以被設置為以某一間隔來調用。例如，在發(fā)電電壓的設定值的改變之后的發(fā)電輸出的瞬態(tài)響應常?？梢酝ㄟ^如等式(I)中的指數函數的等式來表示。
(—n\Pn =-oexp — +Pfinal
、b J(I)在等式⑴中，Pn為由持續(xù)第η個循環(huán)時間的測量實際上測量的輸出值，而Pfinal為待由該輸出達到的值。此外，a和b每個都為任意常量。常量a隨著發(fā)電電壓的設定值被大大地改變而增加。常量b與電響應速度的緩慢度正相關。在染料敏化太陽能電池的輸出特性中，特別是在太陽能電池之中的常量b遠大于基于硅的太陽能電池中的常量b。此外，染料敏化太陽能電池的輸出特性中的常量b根據長期降級而趨于變得更大。當待由發(fā)電輸出達到的值為預測輸出值時，例如，所預測的輸出值可以通過在輸出測量單元4中執(zhí)行測量三次、將一組循環(huán)次數η和實際測量的輸出值代入到等式(I)中、以及求解包括指數的聯(lián)立方程來得到。然而，所預測的輸出值可以通過近似待由該輸出達至IJ的值Pfinal來更容易地得到。具體地，待由該輸出達到的值Pfinal可以通過使用僅由輸出測量單元4所測量的至少四個實際測量值和至少三個常量的四則運算的組合來執(zhí)行處理而近似。圖3是用于得到待由發(fā)電輸出達到的值的近似值的控制的示例的流程圖。如圖3中所示，此算法在前一循環(huán)和后一循環(huán)中在預測輸出值之間的差的絕對值的基礎上確定待由發(fā)電輸出達到的值。將參照圖3詳細地描述用于得到待由發(fā)電輸出達到的值的近似值的算法。首先，通過將零代入到循環(huán)次數的值η中來執(zhí)行初始化(步驟S6)。接下來，測量太陽能電池的實際測量的輸出值Pn，并且將其存儲在等式(2)中的Pn中(步驟S7)。在步驟S8中，當循環(huán)次數η小于三時，處理等待t毫秒(步驟S13)，增加循環(huán)次數η (步驟S14)，以及隨后返回到步驟S7的處理。當循環(huán)次數η為三或更大時，處理進行到步驟S9。在步驟S9中，通過測量得到的四個實際測量的輸出值PnTP1^Plri以及Pn被代入至IJ等式⑵中。在等式⑵中，ApA2以及A3為提前確定的任意常量，使得當Pestimaton中的η趨于無限大(η —⑴)時Pestimate,n的有限值大體上符合Pfinal。在步驟S9中，得到所預測的輸出值P
estimate,η °Pestimate, n = Pn-3+Al (Pn-2_Pn-3) +A2 (Pn-「Pn-2) +A3 (Pn_Pn-l)⑵接下來，在步驟SlO中，當循環(huán)次數η小于四時，處理等待t毫秒(步驟S13)，增加循環(huán)次數η (步驟S14)，以及隨后返回到步驟S7的處理。當循環(huán)次數η為四或更大時，處理進行到步驟S11，其中所得到的兩個連續(xù)的預測輸出值Pestimat_以及Pestimatolri被代入到等式⑶中以計算兩個預測輸出值之間的差的絕對值Pestimatodiff。^estimate, diff I Pestimate，n Pestimate，η—I I(3)接下來，在步驟S12中，確定在步驟Sll中得到其絕對值的預測輸出值之間的差的絕對值是否小于提前設置的規(guī)定值。當所預測的輸出值之間的差的絕對值等于或大于所規(guī)定的值時，處理等待t毫秒(步驟S13)，增加循環(huán)次數η (步驟S14)，以及隨后返回步驟S7的處理。另一方面，當所預測的輸出值之間的差的絕對值小于所規(guī)定的值時，在此時間點處的所預測的輸出值Pest1-為最終的預測輸出值，也就是說，待由發(fā)電輸出達到的值的近似值。然后，結束算法(步驟S15)。根據需要所得到的預測輸出值Pestimat_的值被返回給調用的外部裝置等。用于計算所預測的輸出值Pestimat_的等式不限于等式(2)。例如，更精確的預測輸出值可以通過將由測量得到的m(m為四或更大的自然數)個實際測量的輸出值Pn_m、Pn_m+1、
Pn_m+2.....Pm、Pn代入到等式⑷中并且比較兩個連續(xù)的預測輸出值之間的差的絕對值來
得到。在等式⑷中，VA2.....Am為任意常量。等式(4)中的項的數目為m+1。Pestimate, n = Pn-H+A1 (Pn-m+1-Pn-m) +A2 (Pn-m+2-Pn-m+1) +...+Am (Pn-Pn-;!) (4)如上所述，用于得到待達到的值的近似值的算法不包括任何指數函數等，并且僅使用簡單的四則運算。因此，算法消除了對于復雜處理的需要， 并且在具有輸出預測單元5的控制器3被期望為消耗少量的電力且具有低處理電力的控制微型計算機的情況下是特別有效的。此外，可以根據所預測的輸出值之間的差的絕對值的改變來得到電響應速度。等式(I)中的常量b源自所得到的電響應速度。例如，可以在常量b的基礎上確定染料敏化太陽能電池的降級的程度?！词纠?-1 >圖4是示出了在具有特性使得常量a的值在4至20的范圍內并且常量b的值在8至12的范圍內的太陽能電池的條件之下、通過實際測量的輸出值Pn的等式(I)的計算結果的示意圖。圖中的縱坐標軸為實際測量的輸出值Pn[Mw]，而圖中的橫坐標軸為循環(huán)次數η [次數]。圖5是示出了在具有上述特性的太陽能電池的條件下通過所預測的輸出值 ,η的等式⑵的計算結果的示意圖。圖中的縱坐標軸為所預測的輸出值Pestimate,
n[Mw]，而圖中的橫坐標軸為循環(huán)次數η[次數]。等式(2)中的常量被設置為A1 = 530、A2=-1298 以及 A3 = 801。如圖4中所示，當循環(huán)次數η超過約15時，實際測量的輸出值Pn變得穩(wěn)定，并且待由該輸出達到的值Pfinal(^Pestimatooo)為約20mW。如圖5中所示，至于所預測的輸出值Pestimate, n，當循環(huán)次數為η = 7時，待由該輸出達到的值Pfinal可以被預測有ImW內的誤差，而當循環(huán)次數為η = 15時，預測有0.5mff內的誤差。接下來，將詳細地描述確定其設定值在控制器3中提供最大發(fā)電效率的發(fā)電電壓的設定值的方法。在MPPT控制單元6中通過使用四分搜索法算法搜索MPP來確定其設定值提供最大發(fā)電效率的發(fā)電電壓的設定值。四分搜索法是一種η分搜索法。η分搜索法是通過首先大大地改變條件并且隨后逐漸地減小條件的改變的量，而不是執(zhí)行測量同時如爬山法中漸漸改變發(fā)電條件來找到提供最大發(fā)電效率的發(fā)電電壓的算法。例如，當太陽能電池上的照度條件大大地改變時或者當生成的電力的量被大大地改變時，調用MPPT控制單元6。然而，MPPT控制單元6不限于這些情況。例如，可以以某一時間間隔或者根據太陽能電池的姿態(tài)的改變的量來調用MPPT控制單元6。圖6是通過四分搜索法搜索MPP并且設置發(fā)電電壓的值的處理的流程圖。四分搜索法是一種η分搜索法。在四分搜索法中，無負荷狀態(tài)與最大負荷狀態(tài)之間的負荷范圍被以1:1:1:1的比例劃分成四個部分。如圖6中所示，此算法通過四分搜索法來搜索MPP并且確定發(fā)電電壓的設定值。將參照圖6詳細地描述用于通過四分搜索法搜索MPP并且確定發(fā)電電壓的設定值的算法。首先，臨時地停止通過負荷控制器2的發(fā)電電壓的控制，并且施加到太陽能電池的負荷被設置為零(步驟S16)。接下來，處理等待t毫秒至t秒以將太陽能電池的輸出電壓帶入到穩(wěn)定狀態(tài)(步驟 S17)。接下來，測量太陽能電池的開路電壓V。。(步驟S18)。接下來，通過將所測量 的開路電壓V。。乘以1/2所得到的值被設置為用于循環(huán)次數m = O的初始電壓VQ(步驟S19),如下:
權利要求
1.一種太陽能電池系統(tǒng)，包括: 太陽能電池； 負荷控制器，其被配置成連接至所述太陽能電池，所述負荷控制器能夠控制施加到所述太陽能電池的負荷； 輸出測量單元，其被配置成測量所述太陽能電池的發(fā)電輸出；以及輸出預測單元，其配置成在由所述輸出測量單元測量的所述輸出的瞬態(tài)響應的基礎上預測待由所述輸出達到的值， 其中，所述太陽能電池系統(tǒng)具有控制所述負荷控制器以便最大化待達到的所述值的功倉泛。
2.根據權利要求1所述的太陽能電池系統(tǒng)，還包括: 發(fā)電控制系統(tǒng)， 其中，所述發(fā)電控制系統(tǒng)執(zhí)行以下處理:將從所述負荷控制器的最小負荷條件到最大負荷條件的負荷范圍劃分成η個部分(η >3);在所述輸出預測單元中在η個負荷條件中的每一個之下執(zhí)行輸出預測；以及輸出所得到的η個預測輸出值中提供最大輸出值的所述負荷條件， 所述發(fā)電控制系統(tǒng)執(zhí)行以下處理:進一步將包括所述輸出負荷條件的負荷范圍劃分成η個部分；在11個負荷條件中的每一個之下執(zhí)行輸出預測；以及輸出所得到的η個預測輸出值中提供最大輸出值的所述負荷條件，以及 所述發(fā)電控制系統(tǒng)通過逐漸地縮小包括所述輸出負荷條件的所述負荷范圍的寬度同時重復所述處理來 檢測并輸出最大化所述輸出值的負荷條件。
3.根據權利要求2所述的太陽能電池系統(tǒng)， 其中，所述負荷條件通過以下比例將所述負荷范圍劃分成三個部分來得到:2
4.根據權利要求3所述的太陽能電池系統(tǒng)， 其中，所述輸出預測單元使用由所述輸出測量單元測量的至少四個實際測量的值和至少三個常量并僅通過四則運算的組合進行處理，由此輸出得到的預測輸出值。
5.根據權利要求4所述的太陽能電池系統(tǒng)， 其中，所述輸出預測單元輸出通過以下等式從以固定的時間間隔由所述輸出測量單元測量的m(m為四或更大的自然數)個輸出值Pn_m、Pn_m+1、Pn_m+2.....Pm、Pn和m個任意常量A1' A2、A3、A4.....Am、Am得到的預測輸出值P—。 Pestimate, η = Pn-3+Al (pn-2_Pn-3) +A2 H2) +A3 (Pn_Pn-l)
6.根據權利要求5所述的太陽能電池系統(tǒng)， 其中，所述輸出預測單元執(zhí)行所述預測輸出值Pestimato,n的所述輸出至少兩次，并且重復所述輸出直到兩個輸出連續(xù)的預測輸出值Pestimate;,n之間的差的絕對值IPestimate,n ^estimate,η-1變成預定值或更少為止。
7.根據權利要求6所述的太陽能電池系統(tǒng)， 其中，在電流值為零的負荷條件和/或電壓值為零的負荷條件之下不執(zhí)行所述負荷控制器的所述負荷條件的測量。
8.根據權利要求7所述的太陽能電池系統(tǒng)， 其中，所述負荷控制器是升壓電路或降壓電路，并且被反饋控制使得所述太陽能電池的發(fā)電電壓是恒定的，以及 所述輸出測量單元是布置在所述負荷控制器之后的級中的電流檢測裝置，并且將由所述電流檢測裝置檢測到的電流值設置為輸出值。
9.根據權利要求8所述的太陽能電池系統(tǒng)， 其中，所述太陽能電池是染料敏化太陽能電池。
10.根據權利要求2所述的太陽能電池系統(tǒng)， 其中，所述輸出預測單元將電壓施加到所述太陽能電池， 所述輸出預測單元平滑在自所述電壓的施加起過去某一時間之后的、由發(fā)電電流測量部連續(xù)地測量的η個電流值，以及 所述輸出預測單元通過將所述η個已平滑的電流擬合到以下逆函數來得到預測電流值:
11.根據權利要求10所述的太陽能電池系統(tǒng)， 其中，所述預測電流值通過將所述η個已平滑的電流擬合到以下的指數函數來得到: I(t) = Aexp (Bt) +C 并且通過將所述預測電流值乘以所述電壓的所述值而得到的值被作為所述預測輸出值輸出。
12.根據權利要求1所述的太陽能電池系統(tǒng)，還包括: 發(fā)電控制系統(tǒng)， 其中，所述發(fā)電控制系統(tǒng)通過所述負荷控制器以某一時間間隔來改變發(fā)電電壓的設定值，并且通過所述輸出測量單元測量輸出值是否由于所述改變而提高或者降低了所述多次， 當所述輸出值的改變的值已經連續(xù)規(guī)定次數或更多次數為正或負時，所述發(fā)電控制系統(tǒng)執(zhí)行以下處理:將從所述負荷控制器的最小負荷條件到最大負荷條件的負荷范圍劃分成η個部分(n ^ 3);在所述輸出預測單元中在η個負荷條件中的每一個之下執(zhí)行輸出預測；以及輸出所得到的η個預測輸出值中提供最大輸出值的所述負荷條件， 所述發(fā)電控制系統(tǒng)執(zhí)行以下處理:進一步將包括所述輸出負荷條件的負荷范圍劃分成η個部分；在11個負荷條件中的每一個之下執(zhí)行輸出預測；以及輸出所得到的η個預測輸出值中提供最大輸出值的所述負荷條件，以及 所述發(fā)電控制系統(tǒng)通過逐漸地縮小包括所述輸出負荷條件的所述負荷范圍的寬度同時重復所述處理來檢測并輸出最大化所述輸出值的負荷條件。
13.根據權利要求12所述的太陽能電池系統(tǒng)， 其中，所述負荷條件通過以下比例將所述負荷范圍劃分成三個部分來得到:
14.根據權利要求13所述的太陽能電池系統(tǒng)， 其中，所述輸出預測單元使用由所述輸出測量單元測量的至少四個實際測量的值和至少三個常量并僅通過四則運算的組合進行處理，由此輸出所得到的預測輸出值。
15.根據權利要求14所述的太陽能電池系統(tǒng)， 其中，所述輸出預測單元輸出通過以下等式從以固定的時間間隔由所述輸出測量單元測量的m(m為四或更大的自然數)個輸出值Pn_m、Pn_m+1、Pn_m+2.....Pm、Pn和m個任意常量4、A2.....Affl得到的預測輸出值P—。 Pestimate，n Pn—m+Al (Pn—m+1 Pn—m)+八2 (Pn—m+2 Pn—m+i)+...+Am (Pn Pn—i)
16.根據權利要求15所述的太陽能電池系統(tǒng)， 其中，所述輸出預測單元執(zhí)行所述預測輸出值Pestimato,n的所述輸出至少兩次，并且重復所述輸出直到兩個輸出連續(xù)的預測輸出值Pestimate;,n之間的差的絕對值IPestimate,n ^estimate,η-1變成預定值或更少為止。
17.根據權利要求13所述的太陽能電池系統(tǒng)， 其中，所述輸出預測單元將電壓施加到所述太陽能電池， 所述輸出預測單元平滑在自所述電壓的施加起過去某一時間之后的、由發(fā)電電流測量部連續(xù)地測量的η個電流值，以及 所述輸出預測單元通過將所述η個已平滑的電流值擬合到以下逆函數來得到預測電流值: lit) =+ C w B + t 并且將通過將所述預測電流值乘以所述電壓的值而得到的值作為預測輸出值來輸出。
18.一種電子裝置，包括: 太陽能電池系統(tǒng)， 其中，所述太陽能電池系統(tǒng)包括 太陽能電池； 負荷控制器，其被配置成連接至所述太陽能電池，所述負荷控制器能夠控制施加到所述太陽能電池的負荷， 輸出測量單元，其被配置成測量所述太陽能電池的發(fā)電輸出，以及輸出預測單元，其配置成在由所述輸出測量單元測量的所述輸出的瞬態(tài)響應的基礎上預測待由所述輸出達到的值，以及 所述太陽能電池系統(tǒng)具有控制所述負荷控制器以便最大化待達到的所述值的功能。
19.一種結構,包括: 太陽能電池系統(tǒng)， 其中，所述太陽能電池系統(tǒng)包括 太陽能電池； 負荷控制器，其被配置成連接至所述太陽能電池，所述負荷控制器能夠控制施加到所述太陽能電池的負荷， 輸出測量單元，其被配置成測量所述太陽能電池的發(fā)電輸出，以及 輸出預測單元，其配置成在由所述輸出測量單元測量的所述輸出的瞬態(tài)響應的基礎上預測待由所述輸出達到的值，以及 所述太陽能電池系統(tǒng)具有控制所述負荷控制器以便最大化待達到的所述值的功能。
20.根據權利要求19所述的結構， 其中，太陽能電 池被夾在兩個透明板之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了太陽能電池系統(tǒng)、電子裝置以及結構。在本發(fā)明中公開的太陽能電池系統(tǒng)包括太陽能電池；連接至該太陽能電池的負荷控制器，該負荷控制器能夠控制施加到該太陽能電池的負荷；輸出測量單元，用于測量該太陽能電池的發(fā)電輸出；以及輸出預測單元，用于在由輸出測量單元測量的輸出的瞬態(tài)響應的基礎上預測待由該輸出達到的值，其中，該太陽能電池系統(tǒng)具有控制負荷控制器以便最大化待達到的值的功能。
文檔編號H02N6/00GK103117679SQ20121042858
公開日2013年5月22日 申請日期2012年10月25日 優(yōu)先權日2011年11月1日
發(fā)明者志村重輔 申請人:索尼公司