一种估计过量能量的方法与流程

本发明涉及由太阳能电池板和由电池供电的电气装备的领域，并且本发明还涉及估计和回收在这种电气装备中产生的过量电能的领域。

背景技术：

在日照持续时间相当长的某些国家，电话运营商利用包括电气电信装备(例如中继天线)的设备，该电气电信装备由一个或多个太阳能电池板以及一个或多个电池一起供电。在马达加斯加，存在超过两百个这种类型的设备。

这种设备中的电气电信装备常规地由在48伏(V)的电压下的直流(DC)供电。电池允许设备运行相当长的时间(通常不少于五天)。

参考图1，当电池是铅酸型电池并且当电池与I.Uo.U类型的充电器相关联时，对每个电池充电的“批量”阶段在给定日的早晨或在给定日的早晨结束时结束。在批量阶段期间，电池的充电电流Ic处于最大值，并且由太阳能电池板产生的所有电能通过电气电信装备并且通过对电池充电来消耗。在批量阶段之后，开始所谓的“吸收”阶段，其之后进而是所谓的“浮动”阶段。在吸收阶段和浮动阶段期间，电池的充电电流Ic减小，并且由太阳能电池板产生的一些电能未被使用。

可能看上去特别有利的是估计在这种设备的电气电信装备中可用的过量能量的量。通过估计过量能量，可能在区域或国家的规模上绘制太阳能资源的地图。因此，当设备呈现出过量能量的巨大潜力时，可能实现该过量能量的有效回收和局部分配。此外，当设备呈现出过量能量的很小的潜力时，可能重新检查设备的设计尺寸，以便增加其过量能量潜力，从而提供用于局部回收和分配的解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的是以有效、简单以及便宜的方式估计在由太阳能电池板和由电池供电的电气装备中可用的过量能量。

为了实现该目的，本发明提供了一种估计在由太阳能电池板和由电池供电的电气装备中的可用的过量能量的方法，对于给定的一日，该方法包括以下步骤：

·定义随时间变化的理论功率曲线和由太阳能电池板提供的功率的实际功率曲线；

·确定该日是否是阳光充足的一日；

·从理论功率曲线和从实际功率曲线来定义效率曲线；以及

·当效率曲线达到预定的最大值并且给定日是阳光充足的一日时，从与效率曲线达到预定的最大值的给定日的第二时刻接近的该给定日的第一时刻开始，通过从理论功率曲线中减去实际功率曲线来估计可用的过量能量；或者

·当效率曲线没有达到预定的最大值或者给定日不是阳光充足的一日时，从该日的该第一时刻开始，通过调整理论功率曲线以获得经调整的理论功率曲线，然后从经调整的理论功率曲线中减去实际功率曲线来估计可用的过量能量。

当给定日是阳光充足的一日时，效率曲线达到预定的最大值的时刻对应于对电池充电的批量阶段结束时的时刻。因此，可用的过量能量对应于理论能量与由太阳能电池板提供的实际能量之间的差。当给定日不是阳光充足的一日，或者当效率曲线没有达到预定的最大值时，理论功率不能由太阳能电池板完全产生，因此理论功率在估计可用的过量能量时被重新调整。

因此，可用的过量能量被以简单且有效的方式估计，而不使用除了在由太阳能电池板和由电池供电的电气装备中被常规使用的电流和电压传感器之外的任何传感器。

在阅读了下面的对特定的非限制性本发明的实施例之后，本发明的其他特征以及优点将变得显而易见。

附图说明

参见附图，在附图中：

·图1示出了使用本发明的方法的绝缘体的电池充电曲线；

·图2是示出本发明的方法的步骤的框图；

·图3是校正测量数据的时间值之前和之后的测量数据的列表；

·图4是呈现缺失时间段的测量数据的列表；

·图5是呈现缺失测量数据的测量数据的列表；

·图6是标绘表示图5的测量数据的曲线的图表；

·图7是标绘从日出到曲线的最大值单调递增的理论功率曲线和实际功率曲线的图表；

·图8是标绘从日出到曲线的最大值非单调递增的理论功率曲线和实际功率曲线的图表；

·图9是包含太阳能电池板的技术特征的表格；

·图10是标绘阳光充足的一日的理论功率曲线和实际功率曲线的图表；

·图11是标绘无阳光日的理论功率曲线和实际功率曲线的图表；

·图12和13是标绘阳光充足的一日的效率曲线的图表；

·图14包括三个图表，其标绘了用达到预定的最大值的效率曲线来符号化在阳光充足的一日期间所估计的过量能量的曲线；

·图15是标绘无阳光日的效率曲线的图表；

·图16和17包括标绘符号化经调整的理论能量的计算的曲线的三个图表；

·图18包括标绘符号化在无阳光日期间估计过量能量的曲线的两个图表；以及

·图19包括两个图表，其标绘了使用没有达到预定的最大值的效率曲线来符号化在阳光充足的一日期间的过量能量的估计的曲线。

具体实施方式

在该示例中，本发明在包括电气电信装备，具体而言中继天线，的设备中执行。除中继天线之外，该设备还包括多个电池、电池充电器、多个太阳能电池板、传感器、处理器装置以及通信装置。

电池是铅酸型电池。电池充电器是I.Uo.U类型的充电器。电池和太阳能电池板被用来向整个设备提供电力。

传感器包括用于具体而言测量环境温度的温度传感器，用于测量跨太阳能电池板的端子的电压、跨电池的端子的电压以及跨中继天线的端子的电压的电压表，以及用于具体而言测量由太阳能电池板所递送的电流、由电池充电器所汲取的电流以及由中继天线消耗的和由设备整体所消耗的电流的电流表。

处理器装置获取由传感器提供的各种测量数据项。测量数据包括温度数据、电压数据、电流数据以及与电池的充电状态(SOC)相关的数据。

通信装置使得中继天线能够将测量数据发送到外部数据集中器。

外部数据集中器接收来自当前描述的设备以及来自包括诸如中继天线的电气电信装备的多个其他类似设备的测量数据。

本发明的用于估计中继天线中(以及多个其他设备的电气电信装备中)可用的过量能量的方法在外部数据集中器中执行。

对于任何给定日，本发明的方法在于最初随时间变化为理论功率并为由太阳能电池板提供的实际功率定义相应的曲线，并且随后在实际功率曲线和理论功率曲线的基础上定义效率曲线。

参考图2，本发明的方法包括获取从中继天线发送出的测量数据的步骤(步骤E1)，以及获取与设备的太阳能电池板相关联的一定数量的技术特征和参数的步骤(步骤E2)。

从中继天线发送出的测量数据被用来估计由太阳能电池板提供的实际功率并且定义实际功率曲线(步骤E3)。

与设备的太阳能电池板相关联的技术特征和参数被用来估计可能由太阳能电池板提供的理论功率并且定义理论功率曲线(步骤E4)。

实施方式的描述从如何估计实际功率以及如何定义实际功率曲线开始。

实际功率根据包含在测量数据中的电压数据和电流数据来估计。

为了定义实际功率曲线，测量数据首先受到一定数量的校正以便使该测量数据可用。

在该示例中，测量数据以通常等于十五分钟的时间步长(即，测量数据由处理器装置以连续的十五分钟间隔获取和储存)来生成。然而，测量数据有时被以小的时间偏移来测量。测量数据被校正使得连续的数据测量之间的时间步长总是等于恒定持续时间的间隔，在该示例中恰好等于十五分钟(步骤E5)。

因此，参考图3，表示测量数据的日期和时间的初始时间值被校正以便获得经校正的时间值。该校正在于以值15代替分钟值14和16，以值00代替分钟值01和59，以值30代替分钟值29和31，并且以值45代替分钟值44和46。非零的第二个值由值00代替。

对于给定的一日，当时间段在对应于日出的时刻与对应于日落的时刻之间缺失时，该给定日的测量数据集被消除(步骤E6)。术语“缺失时间段”是指在其期间没有时间值并且没有测量数据可用达一时间间隔的完整时期。因此，在图4中，时间值“16/06/2015，11:15”与“16/06/2015，12:45”之间的时间间隔对应于在2015年6月16日从上午11:15到下午12:45(不包括边界)的缺失时间段。因此，该给定日没有被考虑用于估计在中继天线中可用的过量能量。

对于给定的一日，当测量数据在对应于日出的时刻与对应于日落的时刻之间缺失时，该给定日的所有测量数据被消除(步骤E7)。因此，在图5和图6中，时间值“16/06/2015，12:00”与“16/06/2015，13:15”(不包括边界)之间的时间段的当前数据是缺失的。当估计在中继天线中可用的过量能量时，该给定日不被纳入考虑。

之后，确定该给定日是否是阳光充足的一日(步骤E8)。阳光充足的日子是在期间最佳条件适用于太阳能电池板以产生最大可能量的能量的日子。

为了被视为是阳光充足的一日，该给定日必须满足两个标准。

第一标准涉及在给定日期间测得的实际功率中的变化。当实际功率曲线是从对应于日出的时刻M1到实际功率曲线达到其最大值的时刻M2单调递增的曲线时，用于考虑给定日是阳光充足的一日的第一标准得到满足。图7中的实际功率曲线C1的确是单调递增的曲线：第一标准因此得到满足。相反，图8中的实际功率曲线C2不是从时刻M1到时刻M2单调递增的曲线(实际功率曲线在点P处减小)：第一标准不被满足。

第二标准涉及在给定日期间电池的充电状态。当测量数据包括小于或等于预定的阈值充电状态的电池的至少一个充电状态值时，用于考虑给定日是阳光充足的一日的第二标准得到满足。在该示例中，预定的阈值充电状态等于95％。因此，处理被应用于其中至少一个电池在日出时确实被放电的日子，从而在电池充电的曲线中且因此在实际功率的曲线中观察到强劲增长。如果日子呈现充电状态的误差存储值，则日子被消除。

因此，确定给定日是否的确是阳光充足的一日，并且实际功率曲线被定义(步骤E9)。

下面的描述涉及估计理论功率以及定义理论功率曲线。

多个太阳能电池板的理论功率基于每个太阳能电池板的理论总辐照度来计算。

每个太阳能电池板的理论总辐照度最初使用以下等式来估计(步骤E10)：

其中：

I_panel是太阳能电池板的总辐照度；

I_incident是太阳能电池板的入射辐照度；

α是太阳的仰角；

θ是方位角；

β是面板的倾斜角；以及

对于面向北方的在南半球的太阳能电池板，或者对于通常面向正南的在北半球的太阳能电池板，

以上所使用的仰角和方位角从太阳的位置数据获得，所述太阳的位置数据随对应于设备所在位置的纬度、经度和高度而变化，并且同样随日期而变化。在该示例中，太阳位置数据来自经由PyEphem类型的软件(在Python中)获得的库。

然后，由太阳能电池板提供的理论功率基于太阳能电池板的理论总辐照度来计算(步骤E11)。

太阳能电池板的理论功率取决于本文称为P_maxatNOCT的参数(该参数可在图9中的太阳能电池板特征表中看到)，该参数是在所谓的正常工作电池温度(NOCT)条件下由太阳能电池板提供的最大功率的估计，该正常工作电池温度条件对应于以下条件：

辐照度＝800瓦每平方米(W/m²)；

环境温度＝20℃；

空气质量系数＝1.5；以及

风速＝1米每秒(m/s)。

太阳能电池板的理论功率使用以下公式计算：

与太阳能电池板的电池的温度相关联的功率损耗在计算中被纳入考虑。当电池的温度高于标称温度时，太阳能电池板的效率与温度系数TempCoeff(如图9的表中所示的参数)成比例地减小。

首先，通过以下公式计算太阳能电池板的电池的温度，该温度与环境温度、与辐照度以及与NOCT条件(在图9表中可见的参数)下的T_NOCT温度值相关：

与电池温度相关联的功率损耗计算如下：

太阳能电池板的总理论功率对应于由辐照度减去与电池温度相关联的功率损耗所得到的理论功率。对于具有总数N个的太阳能电池板的设备，获得以下理论功率：

P_{tot theory}＝N*(P_panel-P_{temp losses})

然后计算日出的理论时间(步骤E12)。

这用于确定日出的理论时间，并且理论功率曲线被定义(步骤E13)。

之后，实际和理论功率曲线被进行比较(步骤E14)。

在其中日出的实际时间晚于日出的理论时间超过一小时的阳光充足的日子被消除(步骤E15)。

然后，效率曲线根据理论功率曲线和实际功率曲线来定义(步骤E16)。效率R使用以下公式计算：

R＝Pr/Pt

其中Pr是实际功率，Pt是对应于先前计算的功率P_{tot theory}的理论功率。

从图10可以看出，在阳光充足的一日期间，实际功率曲线C3符合理论功率曲线C4。相反，从图11可以看出，在无阳光日期间，实际功率曲线C5不符合理论功率曲线C6。

因此可以理解，在阳光充足的日子期间，实际功率曲线以与表示电池充电电流的图1的曲线变化的方式非常相似的方式变化。因此，在阳光充足的一日期间，批量阶段的结束对应于实际功率曲线符合理论功率曲线的时刻。

具体而言，对于阳光充足的日子，给定日的效率曲线(诸如图12所示的效率曲线)用于评估实际功率曲线符合理论功率曲线的时刻。当达到该时刻时，该时刻对应于效率曲线的最大值。

应当观察到，计算效率的方法很容易自动执行，尤其是当非常大量的测量数据可用时(例如对于诸如马达加斯加的国家而言，每年有数亿个测量数据点可用，在其中安装了本文所提到的种类的大约两百个设备)。

然后，上述数据集被用来估计给定日期间的可用过量能量(步骤E17)。

可用的过量能量对应于由太阳能电池板提供的电能，该过量能量不用于对电池充电或者为中继天线和设备的其余部分供电。

为了估计给定日期间的可用过量能量，给定日的第一和第二时刻h1和h2被首先确定(步骤E18)。第一时刻h1接近第二时刻h2。第二时刻h2对应于效率曲线达到其最大值的时刻。在该示例中的第一时刻h1对应于效率曲线达到该效率曲线的最大值的特定的预定百分比的时刻。在该示例中，该特定的预定百分比等于90％。

当位于第一时刻h1与第二时刻h2之间的时刻的由太阳能电池板提供的实际功率值缺失时，给定日的可用过量能量不被估计(步骤E19)。

当由太阳能电池板提供的并且对应于位于从第一时刻h1到第二时刻h2的范围之外的时段的多个实际功率值缺失时，并且当该时段的持续时间少于预定的持续时间时，线性外插被执行以便获得实际功率曲线(步骤E20)。在该示例中，预定的持续时间等于两小时。

对于给定日，如果在第一时刻h1和在第二时刻h2由太阳能电池板提供的实际功率值中只有一个可用，则为该第一时刻h1和为该第二时刻h2所考虑的实际功率值是在给定日期之前的阳光充足的一日中的第一时刻h1和第二时刻h2的实际功率值。

参考图13和14，当该日是阳光充足的一日并且效率曲线C7达到预定的最大值时，可用的过量能量通过从第一时刻h1开始从理论功率曲线C8减去实际功率曲线C9，并然后通过计算第一时刻h1与该日结束之间的所得曲线的积分来估计(步骤E21)。在该示例中，预定的最大值等于1(100％)：第二时刻h2因此对应于实际功率等于理论功率的时刻，并且因此对应于实际功率曲线C9符合理论功率曲线C8的时刻。

参考图15至图17，当给定日不是阳光充足的一日或者当效率曲线C10没有达到预定的最大值时，基于最佳日照的理论功率曲线C11被调整成随该日的日照而变化。

理论功率曲线C11乘以值ρ，其对应于在第一时刻h1与第二时刻h2之间计算出的由太阳能电池板提供的实际能量除以在第一时刻h1与第二时刻h2之间计算出的由太阳能电池板提供的理论能量的比率。这产生了经调整的理论功率曲线C12。

参考图18和19，可用的过量能量首先通过调整理论功率曲线C13以便获得经调整的理论功率曲线C14，然后通过从该日的第一时刻h1开始从调整的理论功率曲线C14中减去实际功率曲线C15来估计。可用的过量能量通过计算在第一时刻h1与该日结束之间所获得的曲线的积分来估计(步骤E22)。

图18对应于不是阳光充足的一日的给定日。图19对应于阳光充足的一日，在期间效率曲线达到接近于预定的最大值的值，即使是小于预定的最大值的值。

当然，本发明不限于所描述的实现，而是覆盖落在由所附权利要求限定的本发明的范围内的任何变型。

虽然所阐述的是所述电气电信设备是中继天线，但是本发明自然地适用于其他电气电信设备，并且甚至适用于由至少一个电池和至少一个太阳能电池板供电的任何类型的电气装备。