一种太阳能电源装置及控制方法与流程

本发明涉及分布式光伏发电领域，尤其是涉及一种太阳能电源装置及控制方法。

背景技术：

无线传感及远程监测技术是保障社会生产的重要手段之一。因地理及现实条件的限制，一大部分无线传感及远程监测节点无法获取市电。利用太阳能发电技术为其供电是一种较为理想的措施。然而，受发电效率及储能电池使用寿命的限制，造成太阳能电源很难实现长期监测。如何提高太阳能电源发电效率，延长系统的使用寿命，已经成为太阳能电源的优先考虑的问题。

专利CN2636433Y提供了一种太阳能电源控制器装置，通过检测模块检测太阳能电池组和蓄电池组的状态，利用中央处理单元在太阳能电池组能源足够时直接控制太阳能电池组为负载充电，在太阳能电池组能源不足时使用蓄电池组为负载充电，同时在负载空余时利用太阳能电池组为蓄电池组充电，这种太阳能电源控制器可以极大的提高充电效率。然而，该发明仅采用蓄电池组为储能单元，一方面当太阳能电池板能量过大时，容易引起蓄电池组出现虚饱现象造成能量的浪费；另一方面蓄电池组一直处于充电及放电状态，增加了电池的充放电次数，减小了装置的使用寿命。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述问题提供一种发电效率高、使用寿命长、通用性好以及使用价值高的太阳能电源装置及控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种太阳能电源装置，通过转化太阳能为电能来为负载供电，所述太阳能电源装置包括：

太阳能电池板，用于接收太阳能并将其转化为电能；

超级电容模块，与太阳能电池板连接，用于储存太阳能电池板转化的电能；

电池存储模块，与超级电容模块连接，用于储存超级电容模块的电能；

总控模块，分别与超级电容模块和电池存储模块连接，用于控制超级电容模块和电池存储模块在充电和放电之间切换；

直流变换单元，分别与总控模块和负载连接，用于切换直流输出的状态。

所述超级电容模块包括：

超级电容组，分别与电池存储模块和总控模块连接，用于为负载和电池存储模块供电；

太阳能充电控制及保护单元，分别与太阳能电池板和超级电容组连接，用于为超级电容组供电并控制超级电容组的充电状态。

所述超级电容组的充电状态包括最大功率充电、恒压充电和停止充电。

所述电池存储模块包括：

电池组，与总控模块连接，用于为负载供电；

电池组充电控制及保护单元，分别与超级电容模块和总控模块连接，用于为电池组供电并控制电池组的充电状态。

所述电池组的充电状态包括充电和停止充电。

所述总控模块包括：

控制中心，分别与超级电容模块、电池存储模块和直流变换单元连接，用于控制超级电容模块和电池存储模块在充电和放电之间切换；

开关组件，分别与控制中心、超级电容模块、电池存储模块和直流变换单元连接，用于根据控制中心的命令控制电路的通断。

所述开关组件包括第一开关、第二开关和第三开关，所述第一开关分别与超级电容模块、控制中心和直流变换单元连接，所述第二开关分别与超级电容模块、电池存储模块和控制中心连接，所述第三开关分别与电池存储模块、控制中心和直流变换单元连接。

一种太阳能电源装置的控制方法，所述控制方法包括下列步骤：

1)总控模块采集超级电容组的电压U_dc，判断其是否大于开启阈值电压U_ref1，若是则超级电容组为负载供电，若否则进入步骤2)；

2)判断超级电容组电压U_dc是否大于开启电压U_ref2，若是则超级电容组控制电池组充电控制及保护单元为电池组充电，若否则进入步骤3)；

3)判断超级电容组电压U_dc是否小于最低阈值电压U_ref3，若是则太阳能充电控制及保护单元为超级电容组充电并进入步骤4)，若否则返回步骤1)；

4)判断电池组电压U_bat是否高于给定电池组电压值U_{bat_ref}，若是则电池组为负载供电，若否则电池组停止为负载供电。

所述电池组充电控制及保护单元为电池组充电包括下列步骤：

21)电池组充电控制及保护单元采集超级电容组电压U_dc，判断其是否大于开启电压U_ref2，若否则返回重新判断，若是则进入步骤22)；

22)电池组充电控制及保护单元向电池组充电；

23)电池组充电控制及保护单元采集电池组电压U_bat，判断其是否大于保护电压U_{bat_T}，若是则停止向电池组充电，若否则返回步骤21)。

所述太阳能充电控制及保护单元为超级电容组充电包括下列步骤：

31)太阳能充电控制及保护单元采集超级电容组电压U_dc；

32)计算给定超级电容组电压U_{dc_ref}与超级电容组电压U_dc的差值U_{dc_ref}-U_dc；

33)判断步骤32)计算得到的差值是否大于第一阈值电压U_dc1，若是则太阳能充电控制及保护单元以最大功率向超级电容组充电，若否则进入步骤34)；

34)判断步骤32)计算得到的差值是否大于第二阈值电压U_dc2，若是则太阳能充电控制及保护单元以恒压控制模式向超级电容组充电，若否则进入步骤35)；

35)判断步骤32)计算得到的差值是否大于第三阈值电压U_dc3，若是则太阳能充电控制及保护单元停止向超级电容组充电，若否则返回步骤31)。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)超级电容组在能源充足时可以直接为负载供电，同时为电池组充电，在能源不足时可以通过太阳能电池板进行充电，电池组可以在自身电力充足时为负载供电，最大限度的利用了太阳能发电，提高了太阳能电源的发电效率。

(2)超级电容组充放电次数多而且寿命长，可以减少电池组的充放电次数，提高了整个装置的使用寿命。

(3)设有太阳能充电控制及保护单元，可以有效地防止超级电容组发生过充，保障了超级电容组的使用寿命。

(4)设有电池组充电控制及保护单元，可以控制电池组的充电和停止充电，防止电池组发生过充，保护了电池组的使用寿命。

(5)设有直流变换单元，可以实现多种直流输出，使得整个装置具有很好的通用性和使用价值。

(6)通过太阳能电源装置的控制方法，可以实现在太阳能充足时超级电容组对负载供电，在太阳能较为充足时超级电容组为电池组充电，在太阳能不充足时为超级电容组充电，同时利用电池组为负载充电，可以适应任何天气情况，以最大的效率对太阳能进行使用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明提供的一种太阳能充电控制及保护单元的控制流程图；

图3为本发明提供的一种电池组充电控制及保护单元的控制流程图；

图4为本发明提供的一种太阳能电源能量调度及管理的控制流程图；

其中，1为太阳能电池板，2为太阳能充电控制及保护单元，3为超级电容组，4为电池组充电控制及保护单元，5为电池组，6为控制中心，7为直流变换单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明提供了一种太阳能电源装置，通过转化太阳能为电能来为负载供电，该太阳能电源装置包括：太阳能电池板1，用于接收太阳能并将其转化为电能；超级电容模块，与太阳能电池板1连接，用于储存太阳能电池板1转化的电能；电池存储模块，与超级电容模块连接，用于储存超级电容模块的电能；总控模块，分别与超级电容模块和电池存储模块连接，用于控制超级电容模块和电池存储模块在充电和放电之间切换；直流变换单元7，分别与总控模块和负载连接，用于切换直流输出的状态。

其中，超级电容模块包括：超级电容组3，分别与电池存储模块和总控模块连接，用于为负载和电池存储模块供电；太阳能充电控制及保护单元2，分别与太阳能电池板1和超级电容组3连接，用于为超级电容组3供电并控制超级电容组3的充电状态。

电池存储模块包括：电池组5，与总控模块连接，用于为负载供电；电池组充电控制及保护单元4，分别与超级电容模块和总控模块连接，用于为电池组5供电并控制电池组5的充电状态。

总控模块包括：控制中心6，分别与超级电容模块、电池存储模块和直流变换单元7连接，用于控制超级电容模块和电池存储模块在充电和放电之间切换；开关组件，分别与控制中心6、超级电容模块、电池存储模块和直流变换单元7连接，用于根据控制中心6的命令控制电路的通断。开关组件包括第一开关、第二开关和第三开关，第一开关分别与超级电容模块、控制中心6和直流变换单元7连接，第二开关分别与超级电容模块、电池存储模块和控制中心6连接，第三开关分别与电池存储模块、控制中心6和直流变换单元7连接。

具体的连接方式为：太阳能充电控制及保护单元2的输入端接太阳能电池板1，输出端接超级电容组3。电池组5充电控制及保护单元4的输入端通过第二开关K2接入超级电容组3，输出端为电池组5。超级电容组3通过第一开关K1与直流变换单元7相连，电池组5通过第三开关K3与直流变换单元7相连。

上述太阳能电源装置的工作流程如图4所示，具体步骤为：

s1)总控模块采集超级电容组3电压U_dc，判断其是否大于开启阈值电压U_ref1，若是则闭合第一开关K1，超级电容组3为负载供电，若否则进入步骤2)；

s2)判断超级电容组3电压U_dc是否大于开启电压U_ref2，若是则闭合第二开关K2，超级电容组3控制电池组充电控制及保护单元4为电池组5充电，若否则进入步骤3)；

s3)判断超级电容组3电压U_dc是否小于最低阈值电压U_ref3，若是则断开第一开关K1和第二开关K2并进入步骤4)，若否则返回步骤1)；

s4)判断电池组5电压U_bat是否高于给定电池组5电压值U_{bat_ref}，若是则闭合第三开关K3，电池组5为负载供电，若否则表明太阳能电源装置容量不足，断开第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3。

本发明提出的太阳能电源装置中，太阳能充电控制及保护单元2的工作流程则如图2所示，具体步骤为：

s21)太阳能充电控制及保护单元2采集超级电容组3电压U_dc；

s22)计算给定超级电容组3电压U_{dc_ref}与超级电容组3电压U_dc的差值U_{dc_ref}-U_dc；

s23)判断步骤22)计算得到的差值是否大于第一阈值电压U_dc1，若是则太阳能充电控制及保护单元2以最大功率向超级电容组3充电，若否则进入步骤24)；

s24)判断步骤22)计算得到的差值是否大于第二阈值电压U_dc2，若是则太阳能充电控制及保护单元2以恒压控制模式向超级电容组3充电，若否则进入步骤25)；

s25)判断步骤22)计算得到的差值是否大于第三阈值电压U_dc3，若是则太阳能充电控制及保护单元2停止向超级电容组3充电，若否则返回步骤21)。

电池组充电控制及保护单元4的工作流程则如图3所示，具体步骤为：

s31)电池组充电控制及保护单元4采集超级电容组3电压U_dc，判断其是否大于开启电压U_ref2，若否则返回重新判断，若是则进入步骤32)；

s32)第二开关K2闭合，电池组充电控制及保护单元4向电池组5充电；

s33)电池组充电控制及保护单元4采集电池组5电压U_bat，判断其是否大于保护电压U_{bat_T}，若是则断开第二开关K2，停止向电池组5充电，若否则返回步骤31)。

上述步骤中的阈值电压均是根据超级电容组和电池组的实际情况确定，通过阈值电压的设定可以最大限度地利用太阳能的能量，同时也可以保护超级电容组和电池组，避免过充造成其寿命的损害。