[實用新型]適應極端光照條件的智能光伏電源系統(tǒng)

有效

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• 申請日: 2019-11-20
• 公開（公告）號: CN210839049U
• 公開（公告）日: 2020-06-23
• 發(fā)明（設計）人: 麥文;秦爽
• 申請（專利權）人: 四川師范大學
• 主分類號: H02J7/35
• 分類號: H02J7/35;H02J7/00;G05F1/67
• 代理公司: 成都禾創(chuàng)知家知識產(chǎn)權代理有限公司 51284
• 代理人: 許宜生

本實用新型公開了一種適應極端光照條件的智能光伏電源系統(tǒng)，包括具有溫度檢測功能的光伏電池模塊、供電輸出與通信接口模塊、蓄電池模塊、低功耗控制器模塊、ModBus通信模塊、變電流蓄電池充電模塊、變電壓超級電容充電模塊、低功耗開關電源模塊、電流電壓檢測與開關模塊。本系統(tǒng)整合了蓄電池充電管理功能、應對長時間陰雨氣候條件下的待機保護功能、極弱光照環(huán)境下的電能收集功能，以及通信功能。較好地解決了當前物聯(lián)網(wǎng)應用中的供電問題。尤其是戶外應用，在無專門供電線路條件下，可以解決大數(shù)量、小功率、低成本電源部署。本系統(tǒng)具有免維護、安裝方便、長時間高可靠工作的特點，最大程度節(jié)約后期維護成本。

技術領域

本實用新型涉及智能供電裝置領域，特別是能在極弱光環(huán)境收集電能，適應長時間陰雨天氣等極端光照條件工作的智能光伏電源系統(tǒng)。

背景技術

當前，物聯(lián)網(wǎng)應用規(guī)模急速增長，物聯(lián)網(wǎng)市場需求巨大。物聯(lián)網(wǎng)設備通常具有低功耗、低成本、可組網(wǎng)等特點。在很多物聯(lián)網(wǎng)應用場景中，戶外物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)有重要的應用價值，是物聯(lián)網(wǎng)應用中重要的一部分。但是，通常很多戶外物聯(lián)網(wǎng)設備由于不具備環(huán)境條件，使用有線電源供電非常困難。例如山坡上、湖泊里、農(nóng)田中、偏遠的公路上等。這些環(huán)境中，雖然可能選擇風能、水能等發(fā)電系統(tǒng)來供電，但是受限于地域環(huán)境通常不具有廣泛應用的條件。太陽能作為清潔能源是最理想的解決方案。太陽能電源通常不受地域影響，只要有陽光能照射的地方就能使用。物聯(lián)網(wǎng)設備通常是低功耗的，所需要的太陽能電源通常在幾瓦就足夠了，因此使用太陽能供電非常具有市場價值。

但是太陽能供電具有不確定性，地域環(huán)境不同太陽光照強度不同，即便是同一地域天氣變化也會影響巨大，同一地點一天之內(nèi)也有白天和黑夜變化對太陽能供電影響也極大。當前光伏發(fā)電效率最高在20％左右，效率還很低，非常有必要充分利用。光伏電池不論是單晶硅材料還是多晶硅材料，其輸出的最大功率受光照強度和溫度影響都較大，因此充分利用太陽能還需要特殊的控制系統(tǒng)才行。對應物聯(lián)網(wǎng)設備來說，光伏電源的主要困境是：如何做到超低功耗和小型化？如何做到低成本可規(guī)模化應用？如何應對極端天氣條件，例如長時間陰雨天氣？不解決這些問題，光伏電源實際應用就沒有意義。本實用新型提出了一種新的實現(xiàn)方案，針對物聯(lián)網(wǎng)電源具有小功率、低成本、小型化、高效率、能超長待機的特點，使用革新的電路與軟件算法解決了這一系列問題，當然這個方案其實也適合更大功率的光伏電源實現(xiàn)。

關于光伏電源系統(tǒng)國內(nèi)外研究者已做了大量研究，這些研究中有的針對光伏電池的特性探討最佳數(shù)學模型、有的針對光伏電池最大輸出功率探討功率追蹤技術、有的針對最佳轉換效率探討光伏電池適配的開關電源變換方式等。當前這些研究成果已非常多。但這些研究有一個缺陷，就是沒有針對具體應用場景探討整體解決方案。他們追求某個問題的最佳解決，忽視系統(tǒng)實現(xiàn)的關聯(lián)性，個別最優(yōu)不是整體最優(yōu)。例如，討論光伏電源中的DC-DC變換器，研究者通常只是關注變換器數(shù)學模型和算法實現(xiàn)，獲得一定的成果就完成了研究。這些研究成果，實際上不適合在物聯(lián)網(wǎng)中使用。因為研究者只是追求方法實現(xiàn)忽視了所使用的器材成本、體積、功耗等問題。有的研究者使用模擬電路方法探討了光伏電池的最大功率點MPPT實現(xiàn)問題，這種方法雖然成本低，也非常有效，但研究者忽視了模擬器件離散性太大，個別成功不代表批量生產(chǎn)都能成功，忽視了物聯(lián)網(wǎng)設備是大規(guī)模應用的事實。另一些研究者主要針對MPPT算法，研究了多種算法，甚至引入不少智能算法，這些算法雖然很好，但忽視了這些算法要求較高的實時性，要求高性能處理平臺才能實現(xiàn)，帶來的問題同樣是增加成本、功耗以及系統(tǒng)體積，也不太適合物聯(lián)網(wǎng)中使用。此外，物聯(lián)網(wǎng)電源不只是提供電能就行了，它還是長時間無人看管的設備，需要自我監(jiān)測、自我維護、適時通信等。例如在連續(xù)長時間陰雨天氣情況下，光伏電池實際已無法提供足夠電能保證系統(tǒng)正常工作，此時儲能電池組如何才能做到超低功耗待機？系統(tǒng)如何進入自我保護，等待時機再次恢復？如何發(fā)出最后的告警信息？如何充分利用陰雨弱光照條件發(fā)電？等等，這一些列問題必需綜合解決才能真正使物聯(lián)網(wǎng)電源設備具有實際意義。