极地多源零碳自保持电源装置及其控制方法与流程

本发明涉及储能设备领域，具体而言，涉及一种极地多源零碳自保持电源装置及其控制方法。

背景技术：

1、目前，常见的气象站监测装置有机械式气象站、超声波气象站、便携式移动气象站、手持气象站等。自动气象站机械式设计是一种自动观测、处理、传输气象要素的气象仪器，由传感器、采集器和外部设备组成。通过对地面气象观测，其主要功能是实时监测风、温度、湿度、气压等气象要素的数据变化。

2、极地低温环境下，户外监测设备所需电源对于零碳消耗模式下的自保持性要求极高。针对极野外极端环境下，气象站台监测装置的电能源保障需求，传统的气象站台监测装置供电方式单一，无法应对低温环境下供电时的运行稳定性。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明提出了一种极地多源零碳自保持电源装置及其控制方法，旨在解决如何提高极端环境中户外监测设备的电能供电时的稳定性的问题。

2、一个方面，本发明提出了一种极地多源零碳自保持电源装置，包括：

3、壳体，其内部设置有监测单元，监测单元用于监测环境信息；

4、风力发电单元，设置在所述壳体外部，用于进行风力发电；

5、太阳能发电单元，设置在所述壳体的顶面上，用于进行太阳能发电；

6、温差发电单元，分别位于所述壳体的内部和外部，用于根据所述壳体的内部和外部的温度差进行温差发电；

7、储能单元，设置在所述壳体内部，分别与所述温差发电单元、风力发电单元和太阳能发电单元电连接，所述储能单元用于储存电能，所述温差发电单元、风力发电单元、太阳能发电单元和储能单元分别与监测单元电连接，以为所述监测单元提供电能；

8、控制单元，设置在所述壳体内部，分别与所述温差发电单元、风力发电单元、太阳能发电单元、储能单元和监测单元电连接，所述控制单元用于分别控制所述温差发电单元、风力发电单元、太阳能发电单元和储能单元为所述监测单元供应电能；

9、通信单元，设置在所述壳体内部，与所述控制单元电连接，用于与服务器进行通信；其中，

10、所述控制单元还用于获取所述监测单元的实时用电量△w0、获取所述温差发电单元的实时温差发电量△wa、获取所述风力发电单元的实时风力发电量△wb以及获取所述太阳能发电单元的实时太阳能发电量△wc；

11、所述控制单元还用于根据△w0、△wa、△wb和△wc确定所述监测单元的供电方式：

12、当△wa＞△w0时，则使所述温差发电单元为所述监测单元进行供电；

13、当△wb＞△w0时，则使所述风力发电单元为所述监测单元进行供电；

14、当△wc＞△w0时，则使所述太阳能发电单元为所述监测单元进行供电；其中，

15、当△wa、△wb和△wc均大于△w0，或者其中两个大于△w0时，则确定所述温差发电单元、风力发电单元和太阳能发电单元的供电优先级，根据确定的所述温差发电单元、风力发电单元和太阳能发电单元的供电优先级的排序结果，选定优先级最高的为所述监测单元进行供电；

16、当△wa、△wb和△wc均小于等于△w0时：

17、若△wa+△wb＞△w0，则使所述温差发电单元和风力发电单元并行为所述监测单元进行供电；

18、若△wa+△wc＞△w0，则使所述温差发电单元和太阳能发电单元并行为所述监测单元进行供电；

19、若△wb+△wc＞△w0，则使所述风力发电单元和太阳能发电单元并行为所述监测单元进行供电；

20、若△wa+△wb+△wc＞△w0，则使所述温差发电单元、风力发电单元和太阳能发电单元并行为所述监测单元进行供电；

21、当△wa+△wb+△wc≤△w0时，则使所述储能单元为所述监测单元进行供电。

22、进一步地，所述控制单元还用于在确定所述温差发电单元、风力发电单元和太阳能发电单元的供电优先级时，根据所述温差发电单元、风力发电单元和太阳能发电单元的实时发电量进行优先级的确定，包括：

23、预先设定第一预设优先级a1、第二预设优先级a2、第三预设优先级a3和第四预设优先级a4，a1＞a2＞a3＞a4；预先设定第一预设发电量w1、第二预设发电量w2、第三预设发电量w3和第四预设发电量w4，w1＞w2＞w3＞w4＞△w0；

24、根据△wa、△wb和△wc与各预设发电量之间的关系分别确定所述温差发电单元、风力发电单元和太阳能发电单元的供电优先级：

25、当△wa≥w1或△wb≥w1或△wc≥w1时，则选定所述第一预设优先级a1作为所述温差发电单元、风力发电单元或太阳能发电单元的供电优先级；

26、当w1＞△wa≥w2或w1＞△wb≥w2或w1＞△wc≥w2时，则选定所述第二预设优先级a2作为所述温差发电单元、风力发电单元或太阳能发电单元的供电优先级；

27、当w2＞△wa≥w3或w2＞△wb≥w3或w2＞△wc≥w3时，则选定所述第三预设优先级a3作为所述温差发电单元、风力发电单元或太阳能发电单元的供电优先级；

28、当w3＞△wa≥w4或w3＞△wb≥w4或w3＞△wc≥w4时，则选定所述第四预设优先级a4作为所述温差发电单元、风力发电单元或太阳能发电单元的供电优先级；

29、在选定第i预设优先级ai作为所述温差发电单元、风力发电单元和太阳能发电单元的供电优先级后，i＝1，2，3，4，将优先级由高到低进行排序后获取优先级列表b[△wn-ai：△wn-ai：△wn-ai]，n＝a，b，c，其中，△wn为△wa、△wb或△wc，根据所述优先级列表b确定所述温差发电单元、风力发电单元或太阳能发电单元对所述监测单元进行供电，选定所述优先级列表b中排序位于第一位的单元为所述监测单元进行供电。

30、进一步地，所述控制单元还用于在确定所述优先级列表b[△wn-ai：△wn-ai：△wn-ai]后，包括：

31、预先设定第一预设权重系数q1、第二预设权重系数q2、第三预设权重系数q3和第四预设权重系数q4，且2＞q1＞q2＞q3＞q4＞1；

32、根据所述实时温差发电量△wa、实时风力发电量△wb和实时太阳能发电量△wc分别与各预设发电量之间的关系设定所述温差发电单元、风力发电单元和太阳能发电单元对所述监测单元进行供电时的权重系数：

33、当△wn≥w1时，则设定第一预设权重系数q1作为所述温差发电单元、风力发电单元或太阳能发电单元对所述监测单元进行供电时的权重系数；

34、当w1＞△wn≥w2时，则设定第二预设权重系数q2作为所述温差发电单元、风力发电单元或太阳能发电单元对所述监测单元进行供电时的权重系数；

35、当w2＞△wn≥w3时，则设定第三预设权重系数q3作为所述温差发电单元、风力发电单元或太阳能发电单元对所述监测单元进行供电时的权重系数；

36、当w3＞△wn≥w4时，则设定第四预设权重系数q4作为所述温差发电单元、风力发电单元或太阳能发电单元对所述监测单元进行供电时的权重系数；

37、在选定第i预设权重系数qi作为所述温差发电单元、风力发电单元和太阳能发电单元对所述监测单元进行供电时的权重系数后，i＝1，2，3，4，将获得的权重系数由大到小进行排序后，将所述优先级列表b调整优先级列表c[△wn-qi：△wn-qi：△wn-qi]，根据所述优先级列表c的排序结果，确定所述温差发电单元、风力发电单元和太阳能发电单元其中之一对所述监测单元进行供电。

38、进一步地，所述控制单元还用于在将所述优先级列表b调整为所述优先级列表c[△wn-qi：△wn-qi：△wn-qi]后，包括：

39、预先设定第一预设风速f1、第二预设风速f2、第三预设风速f3和第四预设风速f4，且f1＜f2＜f3＜f4；预先设定第一预设调节系数a1、第二预设调节系数a2、第三预设调节系数a3和第四预设调节系数a4，且0.8＜a1＜a2＜a3＜a4＜1；

40、获取当前环境的实时风速△f，根据实时风速△f与各预设风速之间的关系对所述风力发电单元进行供电时的权重系数qi进行调节：

41、当△f＜f1时，不对所述风力发电单元行供电时的权重系数qi进行调节；

42、当f1≤△f＜f2时，则选定所述第一预设风速调节系数a1对所述风力发电单元行供电时的权重系数qi进行调节，调节后的权重系数为qi*a1；

43、当f2≤△f＜f3时，则选定所述第二预设风速调节系数a2对所述风力发电单元行供电时的权重系数qi进行调节，调节后的权重系数为qi*a2；

44、当f3≤△f＜f4时，则选定所述第三预设风速调节系数a3对所述风力发电单元行供电时的权重系数qi进行调节，调节后的权重系数为qi*a3；

45、当f4≤△f时，则选定所述第四预设风速调节系数a4对所述风力发电单元行供电时的权重系数qi进行调节，调节后的权重系数为qi*a4。

46、进一步地，所述控制单元还用于预先设定第一预设太阳辐照度z1、第二预设太阳辐照度z2、第三预设太阳辐照度z3和第四预设太阳辐照度z4，且z1＜z2＜z3＜z4；

47、所述控制单元还用于获取当前环境的实时太阳辐照度△z，根据△z与各预设太阳辐照度之间的关系对所述太阳能发电单元进行供电时的权重系数qi进行调节：

48、当△z＜z1时，不对所述太阳能发电单元行供电时的权重系数qi进行调节；

49、当z1≤△z＜z2时，则选定所述第一预设风速调节系数a1对所述太阳能发电单元行供电时的权重系数qi进行调节，调节后的权重系数为qi*a1；

50、当z2≤△z＜z3时，则选定所述第二预设风速调节系数a2对所述太阳能发电单元行供电时的权重系数qi进行调节，调节后的权重系数为qi*a2；

51、当z3≤△z＜z4时，则选定所述第三预设风速调节系数a3对所述太阳能发电单元行供电时的权重系数qi进行调节，调节后的权重系数为qi*a3；

52、当z4≤△z时，则选定所述第四预设风速调节系数a4对所述太阳能发电单元行供电时的权重系数qi进行调节，调节后的权重系数为qi*a4。

53、进一步地，所述控制单元还用于预先设定第一预设温度差t1、第二预设温度差t2、第三预设温度差t3和第四预设温度差t4，且t1＜t2＜t3＜t4；

54、所述控制单元还用于获取当前环境的壳体内部的实时内部温度△ta1和壳体外部的实时外部温度△ta2，根据△ta1和△ta2之间的温度差与各预设温度差之间的关系对所述温差发电单元进行供电时的权重系数qi进行调节：

55、当△ta1-△ta2＜t1时，不对所述温差发电单元行供电时的权重系数qi进行调节；

56、当t1≤△ta1-△ta2＜t2时，则选定所述第一预设风速调节系数a1对所述温差发电单元行供电时的权重系数qi进行调节，调节后的权重系数为qi*a1；

57、当t2≤△ta1-△ta2＜t3时，则选定所述第二预设风速调节系数a2对所述温差发电单元行供电时的权重系数qi进行调节，调节后的权重系数为qi*a2；

58、当t3≤△ta1-△ta2＜t4时，则选定所述第三预设风速调节系数a3对所述温差发电单元行供电时的权重系数qi进行调节，调节后的权重系数为qi*a3；

59、当△ta1-△ta2≤△t时，则选定所述第四预设风速调节系数a4对所述温差发电单元行供电时的权重系数qi进行调节，调节后的权重系数为qi*a4；

60、在选定第i预设风速调节系数ai分别对所述温差发电单元、风力发电单元和太阳能发电单元的权重系数进行调节后，获取调节后的优先级列表c[△wn-qi*ai：△wn-qi*ai：△wn-qi*ai]，根据调节后的所述优先级列表c的排序结果，选取位于第一位的单元对所述监测单元进行供电。

61、进一步地，所述控制单元还用于在选定所述温差发电单元、风力发电单元或太阳能发电单元为所述监测单元进行供电时，每间隔预设时长获取一次所述温差发电单元、风力发电单元或太阳能发电单元的第二实时发电量△w2，根据所述第二实时发电量△w2与△wn之间的差值确定是否切换为所述监测单元供电的单元：

62、当△w2-△wn≥0时，则不切换为所述监测单元供电的单元；

63、当△w2-△wn＜0时，则将为所述监测单元进行供电的单元切换为所述优先级列表c中排序为第二位的单元。

64、进一步地，所述控制单元还用于在每间隔预设时长获取一次所述温差发电单元、风力发电单元或太阳能发电单元的第二实时发电量△w2时，包括：

65、预先设定第一预设发电量差值y1、第二预设发电量差值y2、第三预设发电量差值y3和第四预设发电量差值y4，且y1＜y2＜y3＜y4；预先设定第一预设时长s1、第二预设时长s2、第三预设时长s3和第四预设时长s4，且s1＜s2＜s3＜s4；

66、所述控制单元还用于获取所述温差发电单元、风力发电单元或太阳能发电单元的历史平均发电量w0，根据w0和△wn之间的差值与各预设发电量差值之间的关系、确定获取△wn和△w2时的间隔时长：

67、当y1＜△wn-w0≤y2时，则选定所述第一预设时长s1作为获取△wn和△w2时的间隔时长；

68、当y2＜△wn-w0≤y3时，则选定所述第二预设时长s2作为获取△wn和△w2时的间隔时长；

69、当y3＜△wn-w0≤y4时，则选定所述第三预设时长s3作为获取△wn和△w2时的间隔时长；

70、当y4＜△wn-w0时，则选定所述第四预设时长s4作为获取△wn和△w2时的间隔时长。

71、另一方面，本发明还提供了一种极地多源零碳自保持电源装置的控制方法，该方法采用上述极地多源零碳自保持电源装置，该方法包括：

72、获取监测单元的实时用电量△w0、获取温差发电单元的实时温差发电量△wa、获取风力发电单元的实时风力发电量△wb以及获取太阳能发电单元的实时太阳能发电量△wc；

73、根据△w0、△wa、△wb和△wc确定所述监测单元的供电方式：

74、当△wa＞△w0时，则使所述温差发电单元为所述监测单元进行供电；

75、当△wb＞△w0时，则使所述风力发电单元为所述监测单元进行供电；

76、当△wc＞△w0时，则使所述太阳能发电单元为所述监测单元进行供电；其中，

77、当△wa、△wb和△wc均大于△w0，或者其中两个大于△w0时，则确定所述温差发电单元、风力发电单元和太阳能发电单元的供电优先级，根据确定的所述温差发电单元、风力发电单元和太阳能发电单元的供电优先级的排序结果，选定优先级最高的为所述监测单元进行供电；

78、当△wa、△wb和△wc均小于等于△w0时：

79、若△wa+△wb＞△w0，则使所述温差发电单元和风力发电单元并行为所述监测单元进行供电；

80、若△wa+△wc＞△w0，则使所述温差发电单元和太阳能发电单元并行为所述监测单元进行供电；

81、若△wb+△wc＞△w0，则使所述风力发电单元和太阳能发电单元并行为所述监测单元进行供电；

82、若△wa+△wb+△wc＞△w0，则使所述温差发电单元、风力发电单元和太阳能发电单元并行为所述监测单元进行供电；

83、当△wa+△wb+△wc≤△w0时，则使所述储能单元为所述监测单元进行供电。

84、进一步地，在确定所述温差发电单元、风力发电单元和太阳能发电单元的供电优先级时，根据所述温差发电单元、风力发电单元和太阳能发电单元的实时发电量进行优先级的确定，包括：

85、预先设定第一预设优先级a1、第二预设优先级a2、第三预设优先级a3和第四预设优先级a4，a1＞a2＞a3＞a4；预先设定第一预设发电量w1、第二预设发电量w2、第三预设发电量w3和第四预设发电量w4，w1＞w2＞w3＞w4＞△w0；

86、根据△wa、△wb和△wc与各预设发电量之间的关系分别确定所述温差发电单元、风力发电单元和太阳能发电单元的供电优先级：

87、当△wa≥w1或△wb≥w1或△wc≥w1时，则选定所述第一预设优先级a1作为所述温差发电单元、风力发电单元或太阳能发电单元的供电优先级；

88、当w1＞△wa≥w2或w1＞△wb≥w2或w1＞△wc≥w2时，则选定所述第二预设优先级a2作为所述温差发电单元、风力发电单元或太阳能发电单元的供电优先级；

89、当w2＞△wa≥w3或w2＞△wb≥w3或w2＞△wc≥w3时，则选定所述第三预设优先级a3作为所述温差发电单元、风力发电单元或太阳能发电单元的供电优先级；

90、当w3＞△wa≥w4或w3＞△wb≥w4或w3＞△wc≥w4时，则选定所述第四预设优先级a4作为所述温差发电单元、风力发电单元或太阳能发电单元的供电优先级；

91、在选定第i预设优先级ai作为所述温差发电单元、风力发电单元和太阳能发电单元的供电优先级后，i＝1，2，3，4，将优先级由高到低进行排序后获取优先级列表b[△wn-ai：△wn-ai：△wn-ai]，n＝a，b，c，其中，△wn为△wa、△wb或△wc，根据所述优先级列表b确定所述温差发电单元、风力发电单元或太阳能发电单元对所述监测单元进行供电，选定所述优先级列表b中排序位于第一位的单元为所述监测单元进行供电。

92、与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明通过风力发电单元进行风力发电，太阳能发电单元进行太阳能发电，温差发电单元用于根据壳体的内部和外部的温度差进行温差发电，储能单元分别与所述温差发电单元、风力发电单元和太阳能发电单元电连接，所述储能单元用于储存电能，所述温差发电单元、风力发电单元、太阳能发电单元和储能单元分别与监测单元电连接，以为所述监测单元提供电能，控制单元分别与所述温差发电单元、风力发电单元、太阳能发电单元、储能单元和监测单元电连接，所述控制单元分别控制所述温差发电单元、风力发电单元、太阳能发电单元和储能单元为所述监测单元供应电能；通过控制单元获取所述监测单元的实时用电量△w0、获取所述温差发电单元的实时温差发电量△wa、获取所述风力发电单元的实时风力发电量△wb以及获取所述太阳能发电单元的实时太阳能发电量△wc，根据△w0、△wa、△wb和△wc确定所述监测单元的供电方式。本发明通过利用多种零碳能源进行电能供应，不仅有效的保护了环境，能够极大地提高了能源的利用率，同时还提高了供电效率，以及整体装置的电能供应的稳定性。

93、进一步地，本发明能够在极端环境中实现野外站台电源系统的零碳条件下的自保持，本发明充分利用环境能源，即温差、风力和太阳能，并通过各种能源的高效能量转化、存储和多路输出，实现电源系统的自保障和对负载的长期稳定供电。

94、进一步地，本发明能够在极地零下的环境下，充分利用环境与电源装置内部温度差值利用温差发电避免了系统运行中热量的浪费，将温差发电补充系统的能源，实现极地多源零碳自保持电源的应用。