嵌入式太陽能直流供電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種嵌入式太陽能直流供電系統(tǒng)，有太陽能電池方陣、蓄電池、直流負(fù)載，其特征在于，太陽能電池方陣和直流負(fù)載之間串連著一個(gè)嵌入式控制器。所述嵌入式控制器，主要由PV輸入部分、BUCK電路、CPU控制單元、采樣裝置、防反沖二極管和直流電量計(jì)量系統(tǒng)組成。本發(fā)明利用太陽的綠色資源，針對(duì)有市電供應(yīng)的基站地區(qū)，提供一種嵌入式基站光伏供電系統(tǒng)，以大幅降低基站常規(guī)化能源及二次能源的消耗量，并提高了基站供電的安全性。
【專利說明】嵌入式太陽能直流供電系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種太陽能裝置，具體地說是一種太陽能直流供電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著社會(huì)的進(jìn)步和生活水平的提高，人們對(duì)電的依賴愈來愈大，盡管電的生產(chǎn)能 力在不斷增加，但始終處于供不應(yīng)求的狀況。以競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的全球電信行業(yè)為例，其電費(fèi) 占運(yùn)營(yíng)成本的比例很高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在電網(wǎng)較好的區(qū)域，電費(fèi)占整個(gè)電信運(yùn)營(yíng)成本的比例約為 50% ;而在電網(wǎng)較差地區(qū)，如非洲、亞洲等地區(qū)，需使用柴油發(fā)電機(jī)組作為后備或主要電源， 加上燃料費(fèi)用和發(fā)電機(jī)組的維護(hù)費(fèi)用，其用電成本是普通電網(wǎng)供電成本的3倍左右。全球 通信網(wǎng)絡(luò)由數(shù)百萬個(gè)通信站點(diǎn)組成，在城市發(fā)達(dá)地區(qū)，現(xiàn)有的站點(diǎn)采用傳統(tǒng)能源及電源供 給系統(tǒng)，存在能源轉(zhuǎn)換效率低、能耗大的問題；在農(nóng)村等不發(fā)達(dá)地區(qū)，普遍采用傳統(tǒng)柴油發(fā) 電技術(shù)，同樣存在轉(zhuǎn)換電能效率偏低、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行帶來的故障頻發(fā)等問題，影響了通信業(yè)務(wù) 的穩(wěn)定性，增加了上站維護(hù)頻度，運(yùn)維成本高昂。
[0003] 日前，我國(guó)工業(yè)和信息化部發(fā)布了《通信業(yè)"十二五"發(fā)展規(guī)劃》，指出"要把綠色發(fā) 展理念貫徹落實(shí)在節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)等方面，…合理采用風(fēng)光等可再生能源…"。
[0004] 傳統(tǒng)的太陽能光伏直流供電系統(tǒng)，目前主要用于偏遠(yuǎn)無電地區(qū)的通訊基站、機(jī)房 等供電，是通過太陽能電池組件的光電效應(yīng)，將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能并貯存的設(shè)備。傳統(tǒng) 太陽能供電系統(tǒng)（如圖1所示），主要由太陽能電池組件構(gòu)成的太陽能電池方陣、太陽能控 制器、蓄電池組、直流負(fù)載等組成，太陽能控制器分別與太陽能電池方陣、蓄電池組、直流負(fù) 載電連接。工作時(shí)，在有光照的情況下，將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，太陽能電池方陣功率比負(fù)載 大時(shí)，通過太陽能控制器給負(fù)載供電，同時(shí)給蓄電池組充電；而在無光照時(shí)，太陽能電池方 陣功率比負(fù)載功率小時(shí)，太陽能控制器通過蓄電池組給負(fù)載供電。太陽能控制器通過對(duì)系 統(tǒng)輸入輸出功率的調(diào)節(jié)與分配，實(shí)現(xiàn)太陽能光伏系統(tǒng)的各種控制功能。
[0005] 傳統(tǒng)太陽能基站供電系統(tǒng)的應(yīng)用成本較高，其主要原因是：
[0006] -、必須配備儲(chǔ)能蓄電池，保證夜間的供電以及2-3天陰雨情況的供電。蓄電池的 成本比較高，其每日充放電條件下的使用壽命，僅為兩到三年。
[0007] 二、為了保證陰雨天的供電，光伏組件的配置必須能滿足在一天時(shí)間內(nèi)充滿蓄電 池的能力，因此組件的裝機(jī)容量一般為基站負(fù)載功率的8-10倍。
[0008] 三、組件配置較高，由于天氣原因，在連續(xù)晴天條件下，蓄電池已經(jīng)充滿，而組件的 可發(fā)電功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)載的耗電功率，導(dǎo)致組件的大部分發(fā)電能力被浪費(fèi)了，加大了電能 產(chǎn)出的成本。
[0009] 由于光伏系統(tǒng)的應(yīng)用成本很高，結(jié)止目前光伏系統(tǒng)在通訊基站系統(tǒng)上的應(yīng)用仍局 限在有剛性需求的無電地區(qū)。如何在全國(guó)乃至全球通訊基站上應(yīng)用經(jīng)濟(jì)可行的太陽能供電 系統(tǒng)，是一項(xiàng)有重大意義的研究課題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010] 我國(guó)有近190萬個(gè)通訊基站，其中絕大多數(shù)有市電供應(yīng)。本發(fā)明的目的在于，利用 太陽的綠色資源，針對(duì)有市電供應(yīng)的基站地區(qū)，提供一種嵌入式基站光伏供電系統(tǒng)，以大幅 降低基站常規(guī)化能源及二次能源的消耗量，并提高基站供電的安全性。
[0011] 本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0012] 本發(fā)明基于下述思路：由于基站已經(jīng)有市電作為供電保障，因此可考慮讓光伏系 統(tǒng)不作為保障性供電系統(tǒng)，僅作為節(jié)能減排的手段--該系統(tǒng)可在原有的供電系統(tǒng)上增加 光伏組件和控制器，而不需要額外使用儲(chǔ)能系統(tǒng)。
[0013] 本發(fā)明之太陽能直流供電系統(tǒng)是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0014] 該系統(tǒng)有太陽能電池方陣、蓄電池、直流負(fù)載，其特征在于：太陽能電池方陣和直 流負(fù)載之間串連著一個(gè)嵌入式控制器。
[0015] 所述嵌入式控制器，主要由PV輸入部分、BUCK電路、CPU控制單元、采樣裝置、防反 沖二極管、直流電量計(jì)量系統(tǒng)組成。系統(tǒng)對(duì)PV輸入的電壓和電流進(jìn)行采樣，經(jīng)過CPU控制單 元進(jìn)行反饋控制，即時(shí)調(diào)節(jié)主功率BUCK電路的輸入端電壓，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤功能。同 時(shí)，系統(tǒng)通過采樣系統(tǒng)采集輸出電流，反饋至CPU控制器單元，通過CPU控制單元調(diào)節(jié)主功 率BUCK電路的輸出電壓，保證輸出電壓略高于與其并聯(lián)的原基站直流供電系統(tǒng)的電壓，優(yōu) 先使用光伏供電系統(tǒng)的電量。防反沖二極管安裝于控制器的輸出端，與電流采樣系統(tǒng)進(jìn)行 連接一其主要作用是防止光伏系統(tǒng)在無光照條件下，原有通信開關(guān)電源系統(tǒng)對(duì)光伏供電 系統(tǒng)進(jìn)行反充電。
[0016] 工件時(shí)，太陽能電池方陣產(chǎn)生的直流電（約70V左右）進(jìn)入嵌入式控制器，嵌入式 控制器先通過自身的最大功率點(diǎn)追蹤功能使太陽能發(fā)電工作在最大功率狀態(tài)，對(duì)設(shè)備直流 負(fù)載進(jìn)行供電，供電電壓為自動(dòng)追蹤原有供電系統(tǒng)的電壓（約53. 5V)。由于配置光伏組件 的容量小于直流負(fù)載功率，全部太陽能發(fā)電將被用于直流負(fù)載，而其余不足的部分將由市 電帶動(dòng)的原供電系統(tǒng)補(bǔ)足。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了利用太陽能對(duì)直流負(fù)載進(jìn)行供電的功能，減少市 電的使用，即減少了化石能源制成的二氧化碳等溫室氣體及氮氧化物等有毒有害氣體的排 放。
[0017] 系統(tǒng)的配置根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，通常光伏組件的裝機(jī)容量與系統(tǒng)直流負(fù)載的比 例在1 : 1左右。這樣降低了單站的組件配置，且組件的發(fā)電功率小于系統(tǒng)的直流負(fù)載功 率，可保證系統(tǒng)始終在最大功率輸出條件下運(yùn)行，系統(tǒng)的發(fā)電量可以最大化。由于光伏系統(tǒng) 不對(duì)蓄電池進(jìn)行沖電，傳統(tǒng)通訊采用光伏控制器的蓄電池充放電功能的設(shè)施得以省去，最 大程度的降低成本。
[0018] 該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0019] □設(shè)備僅增加光伏組件和控制器部分，不含蓄電池，安裝簡(jiǎn)便。
[0020] □系統(tǒng)為嵌入式，對(duì)原有系統(tǒng)沒有任何影響。
[0021] □設(shè)備與市電之間為配合式，而非切換式，控制器的MPPT功能保證光伏最大輸 出，不足部分市電補(bǔ)充。
[0022] □合理確定光伏組件容量，保證組件的發(fā)電能力小于設(shè)備的功耗，確保組件最大 發(fā)電量。
[0023] □市電停電時(shí)，若在白天，光伏組件可以發(fā)電，一方面減少原有蓄電池放電深度， 延長(zhǎng)蓄電池壽命，另一方面可以延長(zhǎng)供電系統(tǒng)的停電續(xù)航時(shí)間。
[0024] □系統(tǒng)采用直流供電，與原先交流供電相比，一方面避免了交流轉(zhuǎn)直流的功率損 失，另一方面避免了市電的各種附加費(fèi)用。系統(tǒng)改進(jìn)后總用電量將明顯減少。
[0025] □系統(tǒng)的節(jié)能減排量即是系統(tǒng)的發(fā)電量，便于移動(dòng)計(jì)算和確定節(jié)能減排指標(biāo)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026] 圖1.傳統(tǒng)太陽能供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖
[0027] 圖2.本發(fā)明之嵌入式控制器在傳統(tǒng)太陽能供電系統(tǒng)中的位置
[0028] 圖3.本發(fā)明之光伏組件和控制器的電路原理示意圖
[0029] 圖4.本實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖敘述一個(gè)實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0031] 圖2顯示了本發(fā)明之嵌入式控制器在傳統(tǒng)太陽能供電系統(tǒng)中的位置
[0032] 在傳統(tǒng)的太陽能供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，即主要有太陽能電池方陣、蓄電池、直流負(fù)載 組成的太陽能供電系統(tǒng)，本發(fā)明在太陽能電池方陣和直流負(fù)載之間串連有一個(gè)嵌入式控制 器。
[0033] 圖3顯示本發(fā)明之光伏組件和控制器的電路結(jié)構(gòu)原理
[0034] 本實(shí)施例之嵌入式控制器，主要由PV輸入部分、BUCK電路、CPU控制單元、采樣裝 置、防反沖二極管、直流電量計(jì)量系統(tǒng)組成。系統(tǒng)對(duì)PV輸入的電壓和電流進(jìn)行采樣，經(jīng)過 CPU控制單元進(jìn)行反饋控制，即時(shí)調(diào)節(jié)主功率BUCK電路的輸入端電壓，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)追 蹤功能。同時(shí)，系統(tǒng)通過采樣系統(tǒng)采集輸出電流，反饋至CPU控制器單元，通過CPU控制單 元調(diào)節(jié)主功率BUCK電路的輸出電壓，保證輸出電壓略高于與其并聯(lián)的原基站直流供電系 統(tǒng)的電壓，優(yōu)先使用光伏供電系統(tǒng)的電量。防反沖二極管安裝于控制器的輸出端，與電流采 樣系統(tǒng)進(jìn)行連接。
[0035] 直流電表系統(tǒng)接于防反沖系統(tǒng)與直流負(fù)載之間，計(jì)量輸出的總電量、即時(shí)功率、電 壓、電流參數(shù)。
[0036] 數(shù)碼顯示屏與CPU控制單元連接，可顯示系統(tǒng)的輸入及輸出的電壓、電流、功率等 相關(guān)參數(shù)。輔助電源系統(tǒng)可以直接從光伏組件取電，作為控制器系統(tǒng)本身的電源。
[0037] 圖4顯示了本實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)
[0038] 某直流負(fù)載功率為2000W的通訊基站，原有供電系統(tǒng)為220V交流市電通過開關(guān)電 源變換為53. 5V的直流電供設(shè)備使用。為實(shí)現(xiàn)利用清潔能源節(jié)能減排的目的，采用嵌入式 太陽能供電系統(tǒng)進(jìn)行部分供電。嵌入式太陽能系統(tǒng)采用2000Wp的太陽能組件和1000W嵌入 式控制器兩臺(tái)，電表一臺(tái)。光伏組件采用規(guī)格為250Wp/塊。共計(jì)使用8塊，其中每?jī)蓧K作 為一組，串聯(lián)，接入嵌入式控制器的一個(gè)單元（如圖4中左側(cè)嵌入式控制器的單元1)。按照 此原則，8塊太陽能組件分為四組，分別接入兩臺(tái)嵌入式控制器總計(jì)四個(gè)單元的輸入端。嵌 入式控制器各單元的輸出并聯(lián)后經(jīng)過直流電表后與基站原有通訊系統(tǒng)并聯(lián)。如此，則完成 了系統(tǒng)的安裝。當(dāng)有光照時(shí)，光伏組件將光能轉(zhuǎn)化為電能，組件輸出約70V的直流電到控制 器?？刂破魇褂米畲蠊β孰娮粉櫣δ?，調(diào)節(jié)輸入電壓，使組件處于最大功率輸出狀態(tài)。同時(shí) 控制器通過BUCK電路，輸出略高于原有開關(guān)電源系統(tǒng)電壓的直流電（約54V)供給負(fù)載使 用。由于電壓略高于開關(guān)電源的電壓，可保證負(fù)載優(yōu)先使用光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電，而不足的部 分，則由開關(guān)電源系統(tǒng)提供。當(dāng)沒有光照資源時(shí)，光伏系統(tǒng)不工作，負(fù)載的用電全部由開關(guān) 電源系統(tǒng)提供?？刂破鲀?nèi)的防反沖二極管，保證開關(guān)電源的電不會(huì)反沖到光伏系統(tǒng)中。該 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了利用太陽能對(duì)直流負(fù)載進(jìn)行供電的功能，減少市電的使用，即減少了化石能源 制成的二氧化碳等溫室氣體及氮氧化物等有毒有害氣體的排放。
【權(quán)利要求】
1. 嵌入式太陽能直流供電系統(tǒng)，有太陽能電池方陣、蓄電池、直流負(fù)載，其特征在于，太 陽能電池方陣和直流負(fù)載之間串連著一個(gè)嵌入式控制器； 所述嵌入式控制器，主要有PV輸入部分、BUCK電路、CPU控制單元、采樣裝置、防反沖 二極管和直流電量計(jì)量系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)PV輸入的電壓和電流進(jìn)行采樣，經(jīng)過CPU控制單元進(jìn) 行反饋控制，即時(shí)調(diào)節(jié)主功率BUCK電路的輸入端電壓，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤功能；同時(shí)，系 統(tǒng)通過采樣系統(tǒng)采集輸出電流，反饋至CPU控制器單元，通過CPU控制單元調(diào)節(jié)主功率BUCK 電路的輸出電壓，保證輸出電壓略高于與其并聯(lián)的原基站直流供電系統(tǒng)的電壓，優(yōu)先使用 光伏供電系統(tǒng)的電量；防反沖二極管安裝于控制器的輸出端，與電流采樣系統(tǒng)進(jìn)行連接； 直流電表系統(tǒng)接于防反沖系統(tǒng)與直流負(fù)載之間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述嵌入式太陽能直流供電系統(tǒng)，其特征在于：直流電表系統(tǒng)接于 防反沖系統(tǒng)與直流負(fù)載之間，計(jì)量輸出的總電量、即時(shí)功率、電壓、電流參數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述嵌入式太陽能直流供電系統(tǒng)，其特征在于：數(shù)碼顯示屏與CPU 控制單兀連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述嵌入式太陽能直流供電系統(tǒng)，其特征在于：輔助電源系統(tǒng)從光 伏組件取電，作為控制器系統(tǒng)本身的電源。
【文檔編號(hào)】H02S40/30GK104242810SQ201310232125
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2013年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月13日
【發(fā)明者】劉輝 申請(qǐng)人:中興能源（唐山）節(jié)能有限公司