太阳能家庭系统的制作方法

本发明涉及为消费者提供照明和电力的太阳能家用能源系统。具体地，所述系统被设计用于没有国家电网供电或间歇接入国家电网供电的地区中的消费者。

背景技术：

据估计，超过16亿人无法获得电力，在这种情况下，照明不足对生活质量有很大的影响。对于大多数发展中国家而言，仅有的光源是燃烧木材、粪便、蜡烛或煤油，这是有害且不可持续的。为了克服这个问题，许多离网农村地区现在可以使用太阳能家庭系统(shs)。典型的shs由光伏(pv)面板、电池、充电控制器和若干负载(设备)组成。电池存储由面板收集的能量，充电控制器防止电池过度充电，并且负载(通常是一个或多个灯、移动电话充电能力和诸如小型收音机、电视机、平板电脑、笔记本电脑或类似产品的其他消费者电子设备的一些组合)从系统中获取电力。这些系统例如在以下文献中进行了描述：simbalink：towardsasustainableandfeasiblesolarruralelectrificationsystem；nahanaschelling等人；proceedingsoftheinternationalconferenceoncommunicationtechnologiesanddevelopment(ictd)；london,uk,december2010。

许多shs安装是按现收现付(payg)或逐步购买方式提供的，因为消费者无法直接购买设备，而是为该单元支付名义金额，然后以小的增量来支付他们对该单元的使用，通常是他们同等购买煤油的成本的一半。可以使用用于进行收款的各种机制，例如通过us2013212005中所描述的移动电话。

本发明要解决的问题

shs的主要问题之一是可用功率并不总是足以提供对系统中的所有设备的充分利用。这可能是因为随着时间的推移，电池电量不足，payg信用额度可能即将用尽，或者因为有些日子多云，太阳能面板无法将电池充满电以为夜间做准备。在这些情况下，通常shs将运行直至电池放完电，然后关闭。然而，从终端用户的角度来看，并非所有的设备的地位都是相同的。例如，获得少量的光可能比额外的几分钟的电话充电更重要。因此，非常期望具有某种形式的电力管理来预测典型的照明和电力需求并且分配能量资源，使得设备可以在其所需的使用时间段内操作。然而，为了优化电池充电的方式和消耗能量的方式，期望基于对历史充电和使用模式的估计来调整充电和放电策略。

技术实现要素：

发明人开发了一种使用shs的组件来随时间的推移监控消费者使用模式并将其与一种或多种特征模式相匹配的系统，所述特征模式可以以模板形式或其他方式来表示。shs从其可用的各种输出的参数(例如面板电压、面板电流、电池充电电流、电池电压和放电电流)来推断信息。该信息用于估计一天中的时间、天气条件、一年中的时间和历史可用阳光水平，以动态估计该系统可用的充电电流的模式和可能量。然后使用该信息来修改电池的充电方式。例如，在可以预期阳光延长的条件下，减小充电速率，以使电池寿命最大化。然而，在预期阳光将仅在短时间内可用(这通常会导致电池接收不足电荷)的情况下，增加充电速率以使存储的能量最大化。

类似地，对输出的历史电流消耗进行监控，该系统使用该信息来估计可能的使用情况-区分主要光源(通常在晚上和早晨开启较长时间)、卧室光(通常在晚上和早晨开启较短时间)和外部光(通常在整个晚上开启)。该信息与使用量一起用于为系统提供性能目标，即理想的典型用途。

该系统使用对可用充电能量的估计和所述理想典型用途来做出关于系统操作的决定。在可用电量低于理想操作所需的电量的情况下，该系统使用其对典型需求简档的知识来选择向哪些地方分配电力。例如，如果每天通常使用6小时照明，则该系统将选择调整光强度以保持此持续时间，而不是在较短时间内提供全功率照明。类似地，该系统将对电力的路由进行选择，例如附件设备或电话充电相对于照明电力。

以类似的方式，如果该系统是根据能量使用收费的现收现付shs，则当可用能量额度小于在给定时间段内对所有输出供电所需的量时，该系统可以调整系统的电力输出，以便相比于诸如电视等的更自由裁量的服务，优先处理诸如照明之类的基本服务。将理解，以上在现收现付shs的上下文中对“收费”的引用是指金钱收费。对“可用能量额度”的引用是指与shs相关联的用户的金钱余额。

根据本发明的一个方面，提供了一种太阳能家庭系统，包括光伏(pv)面板阵列、可再充电电池组、系统控制器和一个或多个连接设备，其特征在于：(a)具有用于监控所述pv面板阵列的输出的跟踪装置和每个连接设备的使用模式，以建立在一天或多天的时间内的操作简档，以及(b)根据所述系统在一时间段内的使用来定期地适配所述操作简档。

所述系统控制器可以使用所述操作简档从表示用于所述系统的典型气候条件和设备使用模式的多个内置模板中选择匹配。

所述系统控制器可以被配置为根据所述操作简档将电力分配给所述一个或多个连接设备。

所述系统控制器可以使用用于将所述pv面板的操作简档与一组典型气候条件之一相匹配的算法。

所述系统控制器可以使用用于将典型气候条件与自适应电池充电策略和预期的电池充电结果相匹配的算法。

所述系统控制器可以使用用于将每个设备的使用模式与一组典型使用简档模板之一相匹配的算法。

所述系统控制器可以适配所述自适应电池充电策略以实现期望的电池充电。

所述系统控制器可以使用用于基于相应设备的使用模式为每个设备创建理想的消费者需求目标的算法。

所述系统控制器可以基于可用电力和关于使用简档和消费者需求目标的信息来调整向每个设备的输出。

所述系统控制器可以与远程设备进行通信，以聚合来自一个区域内运行的一个或多个单元的数据。

连接设备中的一个或多个可以是光源。在该实施例中，所述系统控制器可以通过脉冲宽度调制来调整输出以增加或减少光输出。

连接设备中的一个或多个可以是移动电话或其他类似计算设备。

连接设备中的一个或多个可以是电视机或收音机或其他类似通信设备。

所述系统控制器可以调整所述设备中的一个或多个能够运行的时间段和持续时间。

可以根据所述系统的日常使用来定期地适配所述操作简档。

所述系统控制器可以调整针对一个或多个设备的电力以优先处理日间电池充电。

当预期的电池电量小于夜间运行所需的电量时，所述系统控制器可以调整针对一个或多个设备的电力。

所述系统控制器可以从表示典型气候条件和设备使用模式的多个模板中选择操作简档。

所述系统控制器可以使用用于将所述光伏阵列的操作简档与一组典型气候条件之一相匹配的算法。

所述系统控制器可以使用用于将典型气候条件与自适应电池充电策略和预期的电池充电结果相匹配的算法。

所述系统控制器可以使用用于将每个设备的使用模式与一组典型使用简档模板之一相匹配的算法。

所述系统控制器可以使用用于基于所测量的设备的使用模式为所述太阳能家庭系统上的每个设备创建目标消费者使用简档的算法。

所述系统控制器可以基于预期的电池电量和关于所述目标消费者使用简档的信息来向每个设备分配电力。

根据本公开的另一方面，提供了一种太阳能家庭系统，包括光伏面板阵列、可再充电电池组、一个或多个连接设备以及系统控制器，所述系统控制器被配置为：监控所述光伏面板阵列的至少一个输出、所述可再充电电池组的至少一个输出以及每个连接设备的需求电流；使用所述光伏面板阵列的所述至少一个输出和每个连接设备的所述需求电流来建立在一时间段内的操作简档；从所述可再充电电池组的所述至少一个输出来推断信息；以及基于所述操作简档、所推断的信息和所估计的一天中的时间来向所述一个或多个连接设备分配电力。

所述系统控制器可以监控所述光伏面板阵列的电压和/或所述光伏面板阵列的电流。

所述系统控制器可以从所述光伏面板阵列的所述至少一个输出来估计所述一天中的时间。

所述太阳能家庭系统还可以包括光敏器件，并且所述系统控制器从所述光敏器件的至少一个输出来估计所述一天中的时间。

所述系统控制器可以使用对所述一天中的时间的估计和每个连接设备的需求电流来确定每个连接设备在所述时间段内的使用模式。

所述系统控制器可以使用所述光伏面板阵列的所述至少一个输出和每个连接设备的使用模式来建立所述操作简档。

所述系统控制器可以监控(i)所述可再充电电池组的充电电流和所述可再充电电池组的放电电流；和/或(ii)所述可再充电电池组的电压。

所述系统控制器可以从所述可再充电电池组的所述至少一个输出推断电池电量水平。

所述系统控制器可以使用所监控的所述光伏面板阵列的所述至少一个输出来估计一年中的时间和天气条件中的一项或多项。

所述系统控制器可以指示与所述可再充电电池组相关联的充电控制器修改所述可再充电电池组的充电方式。

所述系统控制器可以调整针对一个或多个设备的电力以优先处理日间电池充电。

当预期的电池电量小于夜间运行所需的电量时，所述系统控制器可以调整针对一个或多个设备的电力。

所述系统控制器可以从表示典型气候条件和设备使用模式的多个模板中选择操作简档。

所述系统控制器可以使用用于将所述光伏阵列的操作简档与一组典型气候条件之一相匹配的算法。

所述系统控制器可以使用用于将典型气候条件与自适应电池充电策略和预期的电池充电结果相匹配的算法。

所述系统控制器可以使用用于将每个设备的使用模式与一组典型使用简档模板之一相匹配的算法。

所述系统控制器可以使用用于基于所测量的设备的使用模式为所述太阳能家庭系统上的每个设备创建目标消费者使用简档的算法。

所述系统控制器可以基于预期的电池电量和关于所述目标消费者使用简档的信息来向每个设备分配电力。

所述系统控制器可以与远程设备进行通信，以聚合来自一个区域内运行的一个或多个单元的数据。

连接设备中的一个或多个可以包括至少一个光源。在该实施例中，所述系统控制器可以通过脉冲宽度调制来控制所述至少一个光源以增加或减少光输出。

所述系统控制器可以调整连接设备中的一个或多个能够运行的时间段和持续时间。

连接设备中的一个或多个可以包括以下项之一或任何组合：至少一个移动电话；至少一个电视机；至少一个收音机；以及至少一个风扇。

当可用能量额度小于在给定时间段内对所述一个或多个连接设备的全部供电所需的量时，所述系统控制器可以优先处理针对必需设备的电力。

在本发明的另一方面，提供了一种太阳能家庭系统，包括光伏面板阵列、可再充电电池组、系统控制器和一个或多个连接设备，其特征在于：(a)具有用于监控所述pv面板的电流的跟踪装置和每个连接设备的使用模式，以建立在一天或多天的时间内的操作简档，(b)使用所述操作简档从表示用于所述系统的典型气候条件和设备使用模式的多个内置模板中选择匹配，以及(c)根据所述系统的日常使用定期地适配所述操作简档。

在本发明的另一方面，提供了一种太阳能家庭系统，包括光伏面板阵列、与充电控制器相关联的可再充电电池组以及一个或多个连接设备，其特征在于，具有电力管理控制器，用于：(a)从所述光伏面板、电池以及每个连接设备的需求电流来监控和推断信息，以建立在一天或多天的时间内的目标操作简档；以及(b)根据所述目标操作简档向所述太阳能家庭系统的输出分配电力。

本发明的有益效果

对太阳能供电的灯来说，使用能量管理来调节光输出是众所周知的，从而对于诸如街道照明或照明标志之类的典型应用，室外照明可以保持整个夜晚。us2012091901中描述了这种方法的示例。本发明描述了进一步的改进，其中对pv面板的太阳能充电以及shs上的一个或多个灯和其他设备的使用模式进行监控以提供智能且自适应的操作，该操作优化太阳能充电，然后调整系统上每个设备的输出，以匹配预测的使用模式，并避免在每次使用期间功能的过早损失。发明人开发了一套机制，包括但不限于唯一地表征每次使用的模板，使得可以预测任意灯的接通时间和强度以满足它们正被使用的目的。类似地，可以预测移动电话被充电或收音机或其他设备进行操作的典型时段，并相应地进行系统调整。

附图说明

图1是太阳能家庭系统的示意图。

图2是太阳能家庭系统的系统控制器的示意图。

具体实施方式

本发明使用自适应技术来优化太阳能家庭系统的充电和放电。在图1中示出了shs的典型配置。shs可以使用已知技术来构建，例如，太阳能面板(1)可以由任何已知的光伏技术(例如，单晶硅/多晶硅、iii-v、非晶硅、薄膜(cdte、cigs、染料敏化、有机物、纳米颗粒))来构建。同样，太阳能面板可以是将来开发的太阳能面板。可充电电池单元(2)可以选自任何现有的或未来的电池类型，例如密封铅酸、镍金属氢化物等，并且优选地是磷酸铁锂种类。该系统通常提供从几瓦至几百瓦的直流功率，但优选地在2.5w至200w或更优选地在2.5w至50w的范围内。系统控制器(3)可以使用电路设计领域的技术人员已知的组件来构建。它通常使用微控制器并且可以以任何数量的配置来构建以实现如下所述的期望功能。

为了优化充电，该系统通常通过定期地使太阳能面板短路以测量短路电流，来测量光强度。通过将电流与内部定时器相关，在若干天的时间内，该系统能够以一定的确定性确定夜间和白天的持续时间。基于此，它能够进行实时估计以及季节估计。在一天之内，一些太阳能模式是具有特征性的，例如阳光明媚、阴天、间歇性阳光。在一年的某些时间，这些模式是具有特征性的，例如早晨晴朗、下午雷暴。通过将灯光模式与存储的模板进行比较，该系统估计可能的天气模式。该比较提供了对当天可用的预期光的估计。将预期光与充电所需的光进行比较，并且对电池的充电速率进行调整，以在最小化输入电池的瞬时电流的同时优化对电池充电的概率，从而使电池寿命最大化。

上述计算可以在设备上本地执行，或者被传送回远程服务器或计算设备，在所述远程服务器或计算设备处执行上述计算并且可以比较来自一个区域中的多个设备的数据，以进一步改进对气候条件的估计以传输回设备或改良模板。

放电电路的操作是类似的。该系统在若干天的时间内测量电池的电流放电和每个附接设备的电流消耗曲线。基于此，出现了使用模式。该系统将对输出进行表征，以估计哪个是例如房间灯(在夜间和早晨长时间使用)、卧室灯(在夜间和早晨短时间使用)和外部灯(整夜都开启)。

类似地，该系统以每天为基础测量消费者通常使用的总负载电流。该信息用于创建目标负载。

通过测量太阳能面板电流，可以以一定的准确性估计黄昏。这很可能对应于电池的最大充电点。该系统将可用电荷与目标电荷进行比较，并且如果可用电荷小于目标电荷，则将使用例如脉冲宽度调制来降低灯的光强度，使得满足光持续时间目标，尽管亮度较低。

该系统基于记录的性能进行调整。如果尽管对光输出进行了调节但仍不满足目标充电，则目标充电将逐渐增加，以便在未来的日子里，光输出百分比进一步降低。类似地，如果电池具有在太阳开始对电池再充电时剩余的残留电荷，则减少目标充电。以这种方式，该系统自适应地调整以试图满足通过消费者的使用所设定的照明持续时间目标，而不管充电期间的阳光量如何。该过程可以在一天的时间内运行，或者在若干天的时间内聚合。如果消费者需要不受限制的电力时间，则还可以提供超越自适应行为的选项。

如前所述，上述计算可以在设备上本地执行，或者被传送回远程位置，在所述远程位置处执行上述计算并且可以比较来自一个区域中的多个设备的数据，以进一步改进对目标电流和光调节策略的估计。

虽然上面已经描述了该系统通过测量太阳能面板的面板电流来测量光强度。在其他实施例中，该系统通过测量太阳能面板的电流(例如，短路电流或当负载设备连接到该系统时测量的工作电流)和/或太阳能面板的电压(例如，开路电压或当负载设备连接到该系统时测量的工作电压)来测量光强度。特别地，系统控制器可以通过使其与电池和设备电隔离来定期地测量太阳能面板的开路电压来测量光强度。通过将电流或电压测量与内部定时器相关，在若干天的时间内，系统控制器能够以一定的确定性确定夜间和白天的持续时间以及当天的正午。基于此，它还能够估计黎明和黄昏的时间、当天的本地时间以及季节。

系统控制器使用根据每个连接设备的需求电流收集的信息及其对白天或夜间的时间的知识，来确定对于每个设备可能的每日使用简档(在此称为使用模式或使用简档)。例如，设备的使用简档可以包括在24小时内(或其他时间段)收集的一组数据，其中包括在该时间段期间按间隔(例如，每5分钟)由设备获取的电流。在包括一个或多个灯的shs的负载的上下文中，系统控制器至少能够识别灯的需求电流、在白天期间使用灯的典型时间量以及在夜里使用灯的典型持续时间。

系统控制器使用(i)可再充电电池的充电电流和可再充电电池的放电电流(本文也称为总负载电流)；和/或(ii)可再充电电池的电压，用于估计可用电池电量的水平。

在实施例中，系统控制器使用测量的光强度和每个设备的使用简档来建立在一时间段(例如，一天或多天的时间)内的操作简档。该操作简档包括在该时间段内测量的光强度的数据(提供可用阳光水平的指示)和每个连接设备在该时间段内的需求电流的数据集(提供用户如何使用shs的指示)。将理解，系统控制器根据shs的日常使用来适配操作简档。也就是说，操作简档将根据太阳能面板的电流/电压的变化和每个连接设备的需求电流而改变。

在实施例中，系统控制器使用操作简档、估计的一天中的时间和估计的电池电量水平来做出关于shs操作的决定。特别地，系统控制器使用操作简档、估计的一天中的时间和估计的电池电量水平来向连接设备分配电力。

图2示出了系统控制器3的示意图。如图2所示，系统控制器3包括用于监控来自pv面板阵列的输出的跟踪装置4和每个连接设备的使用模式10，以建立在一时间段(例如，一天或多天)内的操作简档6。系统控制器还包括上面提到的一种或多种算法7。

由系统控制器执行的各个功能中的一些或全部可以由单独的单元执行，其中一些单元或全部单元可以通过诸如互联网或蜂窝电话网络之类的通信联网系统远程连接到shs。例如，虽然图2示出了包括本文提及的模板8在内的系统控制器3，但是将理解，这些模板可以存储在耦接到系统控制器3的存储器中。存储器可以对系统控制器是本地的(例如，安装在同一pcb上或者与系统控制器封装在相同的单元中)，或者远离系统控制器(例如，云存储)。

shs还可以包括防止电池过充电的充电控制器。充电控制器使用从监控光伏面板阵列(例如，开路)电压或光伏面板阵列(例如，短路)电流或电池充电电流(即，电池的充电电流和放电电流)或电池电压或所有这些量的某种组合所收集的信息来修改电池的充电方式。例如，许多电池化学性质要求电池以恒定电流充电直到电池电压上升到预定电压，之后电池应以通常与该预定电压相同的恒定电压充电，或者在具有高阳光水平的条件下，可以降低电池充电速率，以使电池寿命最大化。除了上述效果之外，系统控制器能够指示充电控制器停止对电池充电或增加电池的充电速率或降低电池的充电速率。尽管充电控制器可以与系统控制器分离，但是本领域技术人员将理解，充电控制器的功能可以替代地由系统控制器执行。

如上所述，系统控制器可以使用从监控光伏面板阵列电压(例如，开路电压)或光伏面板阵列电流(例如，短路电流)或这两个量的某种组合所收集的信息来区分白天和夜间，也可以将其用于估计天气条件、一年中的时间和历史可用阳光水平，以动态估计在期望的时间段(例如，一天或一周)内对shs可用的充电电流的模式和可能的量。然后可以使用该信息来修改电池的充电方式。例如，在可以预期阳光延长的条件下，减小充电速率，以使电池寿命最大化。然而，在预期阳光将仅在短时间内可用(这通常会导致电池接收不足电荷)的情况(例如在雨季)下，增加充电速率以使存储的能量最大化。

将理解，shs可以包括图中未示出的其他元件，例如用户接口和/或逆变器。

虽然shs的示例负载(在本文中被称为连接设备)指代上文的例如一个或多个灯、一个或多个移动电话(或其他类似的计算设备，例如笔记本电脑、平板电脑等)、一个或多个收音机和一个或多个电视机，但是将理解，实施例可扩展到其他负载设备，例如一个或多个风扇、一个或多个理发器、一个或多个剃刀、一个或多个缝纫机或本文未明确提及的其他设备。从上文将理解，发明人开发了一套机制，包括但不限于独特地表征每个使用模式的算法和模板，使得可以调节任意灯的接通时间和强度以满足它们正被使用的目的。类似地，可以预测移动电话被充电或收音机或其他设备进行操作的典型时段，并相应地调整shs操作。类似地，发明人开发了如下机制，包括但不限于用于识别不同的每日天气模式、日照时间的季节性模式和气候模式的算法和模板，使得可以预测在这天当中可用于为shs供电的潜在阳光水平以进一步优化电池充电简档。

系统控制器优选基于光伏阵列的历史信息，而不是光伏阵列的瞬时信息，来预测一天中的时间，以克服由于短期云层造成的夜间错误预测。另外，优选地，昼夜时间预测是基于测量而不是嵌入的实时时钟，以降低系统成本，并且避免由于时钟设置不正确而导致的错误动作。

从上面将理解的是，系统控制器可以对电力到提供诸如照明之类的基本服务的设备(例如，必需设备)的分配进行优先化。系统控制器可以基于预配置的优先级信息、用户配置的优先级信息来确定一个或多个设备是必需设备，或者通过用户对shs的使用来动态地进行此确定(例如，确定特定设备在一个或多个时间间隔内每天都被使用)。

虽然上面已经描述了使用光伏面板阵列的电压和/或电流来估计诸如一天中的时间、天气条件、一年中的时间和历史可用阳光水平等信息的实施例。备选地或另外地，该系统可以包括另外的光敏器件，并且系统控制器可以使用来自另外的光敏器件的输出来估计该信息。另外的光敏器件可以是光伏(pv)面板阵列、光依赖电阻器、光电二极管、光电晶体管、电荷耦合器件等。可以使用的另外的光敏器件的其他实示例对于本领域技术人员是显而易见的。

所给出的示例和描述是对本发明的精神和范围的说明，而不是限制性的。