一种独立式微功率太阳能电源及其实现方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线终端、设备供电与利用太阳能的电源工程领域，涉及一种独立式微功率太阳能电源及其实现方法，主要面向应用于户外或野外的、由电池供电的微小功率定点设备和无线传感器节点等装置的供电与电能补给需求。
【背景技术】
[0002]计算机、传感器和无线通信等信息技术的快速发展，使得无线传感器及其网络的应用潜力越来越大，需求越来越多；但另一方面，对无线设备功能与性能的增强要求也使得其对电能供给能力的要求也越来越高。受供电电池容量密度和制造成本、体积尺寸的限制，电池的续航能力有限，因此需要补给电能。对于工作在户外、野外的设备装置而言，太阳能是一种清洁、便利、低成本的绿色能源，非常适于用作无线设备的电源或电能补给。然而，太阳能的供应受到时、空因素限制，容易因气候影响而使的其供能的稳定性差。因此，对于低成本、小尺寸的用电装置设备，以太阳能为电源或者作为辅助电源时，为尽量克服太阳能电源的缺陷，保证供电的可靠性、稳定性，必须要求从太阳能的采集、存储、电源自身节能等方面在满足有关成本、尺寸及其他物理条件的情况下，特别注重电池板的固定位姿、太阳能采集电路中的功率调理、存储分配、储能器件供电管理等方面，以实现电源系统的高效率或高能效。
[0003]现有太阳能发电技术在微小功率级别的电源构建方面的应用问题考虑和方法技术研究都有欠缺。对于面向无线传感器以及独立式指示照明(如独立的道路交通信号指示灯、野外的环境数据采集器)等受成本、体积尺寸限制的微小功率用电设备，其太阳能电池板的输出功率、储能器件的容量都受到很大限制，而对其工作性能的要求使得其电源功率要求虽然相对较小，但对其续航能力高。在这种成本、资源以及体积或尺寸严格受限的条件下，提高电源的工作效率是非常关键的。
[0004]对于独立工作且功率微小的太阳能电源而言，其存在着不同于那些大功率、联网型的光伏发电系统的问题。微小功率，使其自身的电能消耗问题相对突出，因此必须在满足电源规格的前提下做到尽可能降低自身功耗、提升电源系统的节能效率；独立工作方式，使其必须在系统储能能力有限的条件下考虑，如何适应太阳能输入时无、时有以及时强、时弱等情况，以实现对光伏能量的高效率采集与存储。因此，必须针对无线传感器等功率微小、工作负载不稳定的这类电池供电设备或装置的低功耗和电源要求与特点，基于现有的微计算机和电子器件等基础技术，研究给出有效的技术解决方案。
[0005]因此，有必要设计能效高的独立式微功率太阳能电源及其实现方法。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是提供一种独立式微功率太阳能电源及其实现方法，该独立式微功率太阳能电源及其实现方法易于实施，具有集成度高、自动化程度高、系统自身功耗低等特点。
[0007]发明的技术解决方案如下:
[0008]—种独立式微功率太阳能电源，包括微控制器、太阳能电池、超级电容、锂电池、充电管理器、调整稳压器以及5个电子开关；
[0009]5个电子开关分别为第1、2、3、4和5开关；5个电子开关均受控于微控制器；
[0010]第I开关为单路开关，太阳能电池的正极经第I开关接采样电阻Rs的第一端，太阳能电池负极接地；采样电阻Rs的第二端接第2开关的公共输入端，第2开关具有3个开关通道，第2开关的第一开关通道经超级电容接地；第二开关通道接充电管理器的输入端，第三开关通道接调整稳压器的输入端；
[0011]充电管理器的输出端接锂电池正极，锂电池正极通过2个串接二极管D1、D2(在实例电路中需两管串接降压0.9V)接太阳能电源的输出端Vout ;
[0012]第3开关的公共端接第2开关的第一通道，第3开关具有2个有效的开关通道，第3开关的第一通道接调整稳压器的输入端；第3开关的第二通道(即图3中的第3开关的3引脚)接太阳能电源的输出端Vout ;太阳能电源的输出端Vout即为调整稳压器的输出端；
[0013]第4开关的公共输入端接充电管理器的输出端(也即锂电池正极端)，第4开关具有2个有效的开关通道，第4开关的第一通道(即图3的第4开关的2引脚)接调整稳压器的输入端；第4开关的第二通道(即图3中的第4开关的3引脚)接太阳能电源的输出端 Vout ；
[0014]第5开关具有4个开关通道，第5开关的公共端为输出端，依次经串联的电阻Rl和电阻R2接地，电阻Rl和R2组成分压电路；电阻Rl和R2的连接点接微控制器内的A/D转换器输入端。【分压电路的作用是将输入的电压按电阻比值(R1/(R1+R2))衰减，使其不超过微控制器内的Α/D转换器的允许输入范围】
[0015]第5开关具有4个开关通道，第5开关的第一通道接采样电阻Rs的第一端；第5开关的第二开关通道接Rs的第二端；第5开关的第三通道接第2开关的第一通道；第5开关的第四通道接锂电池正极端，也即充电管理器的输出端。
[0016]【调整稳压器不但具有稳压输出的功能，还具有调压功能，所谓的调压即基于输入电压进行升压或降压】
[0017]微控制器选用MSP430F1222，电子开关采用集成器件ADG821 ;充电管理器为集成器件CN3063 ;调整稳压器选用TPS63031、锂电池选用3.7V的可充电锂电池、超级电容由两个2.7V、310F电容器串接而成；太阳能电池选用5.5V、4W太阳能电池板。
[0018]所述的太阳能电源还包括太阳能电池组件；所述的太阳能电池组件包括支座
(7)、托架(I)、托架转轴(3)、螺母(4)、托框⑵和太阳能电池板(9);托架为L形支架，包括水平的底板和竖直的2根立柱；
[0019]托架转轴呈竖直方向安装以连接托架的底板与支座，螺母旋紧在托架转轴的上端；松动螺母时能使得托架能相对于支座旋转；
[0020]托框呈一倾斜角度设置在托架上；太阳能电池板放置于托框中并固定。
[0021]安装有太阳能电池板的托框上端通过轴销(8)与托架的2根立柱的上端铰接；
[0022]太阳能电池组件还包括用于调整太阳能板倾斜角度的倾角调整机构；
[0023]倾角调整机构包括六角头T形螺杆(11)、光孔支撑块(13)和内螺孔支撑块(12);光孔支撑块和内螺孔支撑块均固定的托架的底板上；六角头T形螺杆呈水平方向穿过光孔支撑块和内螺孔支撑块，且六角头T形螺杆作前后运动时，其前端顶住托框背面以使得太阳能电池板绕轴销抬升或降低，从而改变倾角。
[0024]六角头T形螺杆上还设有限位止挡螺母(14)，限位止挡螺母位于光孔支撑块和内螺孔支撑块之间，止挡螺母上有销钉【可调整和固定其在螺杆上的位置】。
[0025]托架上还设有托架立柱加强斜边(15)，托架立柱加强斜边的一端固定在托架的立柱顶端，托架的立柱加强斜边的另一端固定在托架底板的外端，两根立柱的顶端之间设有一条横梁(17)将两立柱固联。
[0026]微控制器按以下方式通过切换电子开关对太阳能输入和存储路径进行控制(微控制器以最利于对太阳能电池产生的电能的转移为目标进行以下控制):
[0027]I)接通第I开关和第2开关的第二通道，当太阳能电池输出电压满足充电管理器工作要求时，将通过充电管理器给锂电池充电；
[0028]当太阳能电池输出电压满足充电管理器工作要求而锂电池充满(达到允许最大电压值)时，将第2开关切换到第一通道，给超级电容充电；
[0029]当太阳能电池输出电压满足充电管理器工作要求而超级电容和锂电池都满度时，或者太阳能输入已不满足对锂电池和超级电容的充电要求(低于当前需要的电压)但符合调整稳压器的输入要求时，第2开关切换到第三通道，使太阳能电池输出接入调整稳压器输入端；
[0030]2)若太阳能输入不满足前三项的工作条件，则第2开关切换到第二通道，等待符合条件时使充电管理自动工作。
[0031]将太阳能板输出电能进行输出切换的规则与顺序是:
[0032](I)当超级电容的输出电压位于电源的额定输出电压范围时，将第3开关切换到第二通道，由超级电容直接为负载供电直至其电压低于工作电压目标范围(目标工作电压±1%)，此时调整稳压器休眠；
[0033](2)当超级电容的电压处于调整稳压器输入电压工作范围时，以超级电容的输出作为调整稳压器的输入，即将第3开关切换到第一通道【此时，第4开关接其第一通道(悬空)，也即断开第4开关】；
[0034](3)当超级电容的电压低于调整稳压器的输入范围时，断开第3开关，将第4开关切换到第一或第二通道(即图3中的引脚2和3)，改由锂电池供电；
[0035](4)当锂电池电压处于电源系统的工作电压的目标范围时，第4开关第二通道接通，即不使用调整稳压器，将锂电池电压直接输出；
[0036](5)当超级电容和锂电池都储满电量且太阳能电池输出符合调整稳压器的输入电压范围时，将第2开关切换到第三通道，使太阳能电池的输出作为调整稳压器的输入而断开其他输入；
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