专利名称：太阳能应用系统的间歇式工作系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能应用控制系统，尤其涉及一种太阳能低成本应用的间歇式工作系统及其控制方法。
背景技术：
随着工业生产和生活对能源消耗的日益增多，能源危机正不可逆转地向世人们走来，这使得人们对太阳能这种取之不竭的可再生能源应用提高重视，并投入了巨大的科研投入。各种各样的太阳能应用系统便应运而生。例如利用太阳能储能实现的草坪喷雾装置； 水族箱增氧泵、水泵；水产养殖用增氧泵；各类太阳能换气排热装置等等。在太阳能等可再生能源越来越被重视的当前，其应用水平尤其是在应用控制上仍旧沿用传统的方法，不但没有发挥太阳能及一些相关新技术的应用性能优势，还大幅降低了可再生能源尤其是太阳能的实际使用效能，使得成本大幅的提高，因而制约了太阳能的推广速度。传统的控制方法由于其设计均基于传统形式的能源，其能源的使用特点是用则消耗，不用则不消耗，而太阳能及其它可再生能源的能源转换在合适的条件下始终持续进行， 与是否使用并无关联。而在传统的控制方式下，就必须将这些新能源的能源系统改变为与传统能源具有相同特征的系统。在这种系统下，储能器件成为了系统的核心，而目前的技术条件下储能器件的能效、成本和寿命都不是很理想，特别储能器件的电磁污染严重，使用寿命较短，需要经常维护、更换，且应用系统的控制方式受能量储存单元的影响较大，许多功能设计需要兼顾实时的能量供给能力，为太阳能应用系统的推广实施带来了不小的困难。在传统的应用控制方法中，储能器件需要满足的基本条件是储能器件储能能力需要满足在任何时候能够启动应用部件的要求，当储能能力下降时，将影响应用功能。具体来看将太阳能所转换的电能存储到储能器件中，通过储能器件输出电能，提供给应用系统使用。而应用系统与能源无关，采用传统的控制方式进行控制(如图1所示)。在这样的系统中，电能与储能器件具有极大的相关性。为了保证应用系统的使用，储能器件必须足够的大，要有比较高的冗余度。而一些具备高循环寿命，小容量大电流的新型储能器件由于价格昂贵，如果大量采用会大大提高系统的成本，因此，在传统应用控制方法中目前无法大规模采用。
发明内容
鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种太阳能应用系统的间歇式工作及其新的控制方法，能够大幅度提高系统的能效、改善应用性能、大幅降低储电部件配置，降低成本。该技术方案使用范围大，对于太阳能的应用具有推动作用。本发明的上述第一个目的间歇式工作系统，通过以下技术方案得以实现其包含能源系统以及与能源系统输出相连的应用系统，其中能源系统具有PV器件，储能器件以及连接其间的充放电控制器，所述应用系统中的应用部件通过开关线路与能源系统相连取能，其特征在于所述间歇式工作系统在储能器件上设有一电能测量单元，实时测量储能器件的电能余量，且电能测量单元输出连接设有一单片机控制器，所述单片机控制器的控制输出端与充放电控制器的输入端和开关线路相连，提供充放电控制器的切换指令和开关线路的通断控制。作为以上技术方案的补充所述储能器件至少为铁锂电池，超级电容或电解电容中的一种；所述开关线路为含电子开关的连接线。本发明的上述第二个目的间歇式工作控制方法，基于权利要求1所述间歇式工作系统实现，其特征在于所述间歇式工作系统的能源系统吸收转化太阳能并通过充放电控制器存储于储能器件之中，电能测量单元实时测量储能器件的电能余量并输入至单片机控制器，单片机控制器根据所测得的电能余量与自身预设的、作为切换控制输出的标准定值或标准区间进行运算，并根据运算结果输出使得充放电控制器充电、电子开关断开的第一控制指令或使得充放电控制器放电、电子开关闭合的第二控制指令。进一步地，所述单片机控制器中预设的为标准定值，所测得的电能余量低于标准定值时，储能器件充电，应用部件停止运作；且所测得的电能余量高于标准定值时，储能器件放电，应用部件运作，直至电能余量再次低于标准定值。或者，所述单片机控制器中预设的为标准区间，所测得的电能余量低于标准区间的下限时，储能器件充电，应用部件停止工作，且所测得的电能余量高于标准区间的上限时，储能器件放电，应用部件启动并运行，直至电能余量消耗到低于标准区间下限。本发明应用系统的间歇式工作系统及其控制方法，较之于传统的应用控制方法， 其突出效果为它彻底改变了太阳能应用系统的结构和控制方式，将应用控制的核心条件由人工判断、定时控制等传统方法改为由控制器根据储能器件中的电能容量智能响应。通过该间歇式控制方法可以应用高性能的超级电容，大幅降低了太阳能应用系统对储能部件的需求，延长了系统维护的周期，降低了应用及服务成本，进一步提高了太阳能应用系统的可靠性和稳定性。以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式
作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。
图1是传统太阳能应用的系统架构图2是本发明提出的太阳能应用新控制方法的原理架构图； 图3是图2所示太阳能应用系统储能器件的能量曲线； 图4是本发明一种实施例的系统架构图； 图5是本发明另一种实施例的系统架构图。
具体实施例方式本发明针对太阳能应用系统传统控制方式的不足，创新提出了一种新型的应用控制方式。该控制方式基于间歇式工作系统而实现。从原理上来分析，突破传统控制方法的制约，本发明将能源系统及应用系统整合为由一个电能测量单元和单片机控制器所控制的整体系统。具体来看如图2所示该间歇式工作系统在储能器件上设有一电能测量单元，实时测量储能器件的电能余量，且电能测量单元输出连接设有一单片机控制器，该单片机控制器的控制输出端与充放电控制器的输入端和开关线路相连，提供充放电控制器的切换指令和开关线路的通断控制。如图2所示， 太阳能组件PV转换的电能存储到储能器件中，控制器通过检测储能器件存储的电能变化直接控制应用部件的工作。当储能器件存储的电能达到单片机控制器预设的一标准定值或标准区间，控制器输出使得充放电控制器放电、电子开关闭合的第二控制指令，控制应用部件工作，随着应用部件的工作，储能器件存储的电能被消耗，当达到设定的标准定值以下或标准区间之外时，控制器根据运算结果输出使得充放电控制器充电、电子开关断开的第一控制指令，控制应用部件停止工作，储能器件继续充电。反复重复这一过程，以达到应用目标。如图3所示，是该太阳能应用系统储能器件的能量曲线。本发明彻底改变了太阳能源系统或其它可再生能源的应用控制方式，将应用控制的核心条件由人工判断、定时控制等传统方法改为由储能器件中的电能容量决定的新控制条件。并且正因为这样的改变，应用系统中储能器件的配置需求计算方式彻底改变。通常一些相关应用系统的储能器件配置通常需要达到太阳能每日发电量的三到五倍。由于考虑到性价比，通常使用铅酸蓄电池，而其循环寿命，平均只有500次左右，大大提高了使用成本。 同时由于铅酸电池体积较大，应用系统的结构优化受到限制。而在本发明储能器件的配置要求改变为储能器件储能能力至少满足应用部件短时间持续工作需求。因而，采用本发明后储能器件的配置要求将降为传统方法的百分之一甚至更低。 在这个配置条件下，系统可以采用价格贵但性能更好的新型电池，例如铁锂电池、超级电容或高容量电解电容等等，系统的成本和性能将得到显著的提高，特别是通过使用高性能电池，能够大幅延长电池的维护周期，从而降低使用费用。特别值得一提的是，储能器件作为能量的暂存部件，通过短时间存储太阳能转换的电能，当达到一定的储量时，便启动应用部件工作，在更短的时间内将所存储的能量释放，完成应用功能。在对工作时间、条件等没有强制限定的应用需求中，本发明的控制方法能够大幅度降低采用太阳能及其它可再生能源供电的总体成本，大幅度提高能效，降低使用成本。实施例一应用于太阳能增氧控制系统
增氧装置的功能是提高各种水环境中水的含氧量，通常采用水面搅拌或直接使用气泵往水中注入空气的方式来实现。无论是否采用太阳能，目前的产品增氧装置都是独立的，通过电力线路或太阳能电站给其提供电能。当水中的含氧量下降时，需要人工启动其工作，而太阳能电站由于其存在蓄电池维护、体积较大、结构不合理等问题都设于岸边，对于广阔的水域来说，需要布设大量的电力线缆，工作管理复杂，另一方面其性价比也无法得到控制。如图4所示，使用本发明控制方法的增氧装置，能够实现对水体的连续供氧。在晴天，光照充足的情况下，气泵工作频率较高，而阴雨天及清晨、傍晚等光照较弱的情况下，气泵的工作频率较低，但只要太阳能组件能够转换得到电能，总是能够通过一段时间的积累启动气泵工作，而不再需要人工控制。在本实例中，单片机控制器中预设的为标准区间，所测得的电能余量低于标准区间的下限时，储能器件充电，作为应用部件的电机驱动停止工作，且所测得的电能余量高于标准区间的上限时，储能器件放电，电机驱动启动并运行，直至电能余量消耗到低于标准区间下限。由于需要驱动大功率的部件——气泵，采用了具有比功率较大的超级电容作为储能部件，由于其具有高循环寿命，长期工作不需要更换。同时在结构上，由于储能器件配置大幅降低，体积大为减少，能够实现太阳能组件、控制系统、泵、储能器件的一体化。通过本发明的特殊控制方法，能够实现完全无人职守的无人运行，大量布设应用于大面积水域非常方便。实施例二应用于土壤检测装置
农业生产和林业等种植业，如果能够对土壤环境进行监测，对减轻作业量、提高产量具有重要影响。但是由于传统的方案很难解决电源问题，或者成本较高，不适合低效益的农业生产，而本发明方案应用于土壤检测具有成本低，长期工作可靠性高的特点。在农业生产中，无法在农田长期固定布设电力线路，而使用传统的太阳能应用供电技术，存在成本高，很难小型化布设、推广等问题，而如果使用可更换的电池，又存在维护困难，无法长期工作等问题。如图5所示，在本实例中采用了一个小功率太阳能组件，储能器件使用一个大容量的电解电容(也可以是容量较小的超级电容)。单片机控制器中预设的为标准定值，所测得的电能余量低于标准定值时，储能器件充电，应用部件停止运作；且所测得的电能余量高于标准定值时，储能器件放电，应用部件运作，直至电能余量再次低于标准定值。由于土壤监测的连续性要求不高，因此通过一个小功率的太阳能电池，经过长时间(以小时计)充电， 等待充满储能部件后，控制器即开始为传感器及采样电路供电，采集并转换数据，完成后通过通讯模块发送到上位机，从而完成一次监测数据的采样过程。本实例可以低成本实现土壤监测，能够在种植业大范围应用，根据不同的使用环境特点配置不同的功率，满足不同距离和模式的通讯所需要的电能，能够应用于各种种植业应用。除上述两个实施例外，本发明新型的应用可能根治方法还可实施于其它多种应用环境下，例如草坪喷雾装置；水族箱增氧泵、水泵；水产养殖用增氧泵；农业；各类太阳能换气排热装置等等。
权利要求
1.太阳能应用系统的间歇式工作系统，包含能源系统以及与能源系统输出相连的应用系统，其中能源系统具有PV器件，储能器件以及连接其间的充放电控制器，所述应用系统中的应用部件通过开关线路与能源系统相连取能，其特征在于所述间歇式工作系统在储能器件上设有一电能测量单元，实时测量储能器件的电能余量，且电能测量单元输出连接设有一单片机控制器，所述单片机控制器的控制输出端与充放电控制器的输入端和开关线路相连，提供充放电控制器的切换指令和开关线路的通断控制。
2.根据权利要求1所述的太阳能应用系统的间歇式工作系统，其特征在于所述储能器件至少为铁锂电池，超级电容或电解电容。
3.根据权利要求1所述的太阳能应用系统的间歇式工作系统，其特征在于所述开关线路为含电子开关的连接线。
4.太阳能应用系统的间歇式工作控制方法，基于权利要求1所述间歇式工作系统实现，其特征在于所述间歇式工作系统的能源系统吸收转化太阳能并通过充放电控制器存储于储能器件之中，电能测量单元实时测量储能器件的电能余量并输入至单片机控制器， 单片机控制器根据所测得的电能余量与自身预设的、作为切换控制输出的标准定值或标准区间进行运算，并根据运算结果输出使得充放电控制器充电、电子开关断开的第一控制指令或使得充放电控制器放电、电子开关闭合的第二控制指令。
5.根据权利要求4所述的太阳能应用系统的间歇式工作控制方法，其特征在于所述单片机控制器中预设的为标准定值，所测得的电能余量低于标准定值时，储能器件充电，应用部件停止运作；且所测得的电能余量高于标准定值时，储能器件放电，应用部件运作，直至电能余量再次低于标准定值。
6.根据权利要求4所述的太阳能应用系统的间歇式工作控制方法，其特征在于所述单片机控制器中预设的为标准区间，所测得的电能余量低于标准区间的下限时，储能器件充电，应用部件停止工作，且所测得的电能余量高于标准区间的上限时，储能器件放电，应用部件启动并运行，直至电能余量消耗到低于标准区间下限。
全文摘要
本发明揭示了一种太阳能应用系统的间歇式工作系统及其控制方法，该间歇式工作系统的能源系统吸收转化太阳能并通过充放电控制器存储于储能器件之中，电能测量单元实时测量储能器件的电能余量并输入至单片机控制器，单片机控制器根据所测得的电能余量与自身预设的、作为切换控制输出的标准定值或标准区间进行运算，并根据运算结果输出实现充放电控制器充、放电或电子开关断开、闭合的控制指令。本发明将应用控制的核心条件由人工判断、定时控制等传统方法改为由单片机控制器根据储能器件中的电能容量智能响应，大幅降低了太阳能应用系统对储能部件的需求，延长了系统维护的周期，进一步提高了太阳能应用系统的可靠性和稳定性。
文档编号H02N6/00GK102307026SQ20111025010
公开日2012年1月4日 申请日期2011年8月29日 优先权日2011年8月29日
发明者瞿磊 申请人:苏州盖娅智能科技有限公司