[发明专利]适应极端光照条件的智能光伏电源系统

说明书

本发明公开了一种适应极端光照条件的智能光伏电源系统，包括具有温度检测功能的光伏电池模块、供电输出与通信接口模块、蓄电池模块、低功耗控制器模块、ModBus通信模块、变电流蓄电池充电模块、变电压超级电容充电模块、低功耗开关电源模块、电流电压检测与开关模块。本系统整合了蓄电池充电管理功能、应对长时间阴雨气候条件下的待机保护功能、极弱光照环境下的电能收集功能，以及通信功能。较好地解决了当前物联网应用中的供电问题。尤其是户外应用，在无专门供电线路条件下，可以解决大数量、小功率、低成本电源部署。本系统具有免维护、安装方便、长时间高可靠工作的特点，最大程度节约后期维护成本。

技术领域

本发明涉及智能供电装置领域，特别是能在极弱光环境收集电能，适应长时间阴雨天气等极端光照条件工作的智能光伏电源系统。

背景技术

当前，物联网应用规模急速增长，物联网市场需求巨大。物联网设备通常具有低功耗、低成本、可组网等特点。在很多物联网应用场景中，户外物联网系统有重要的应用价值，是物联网应用中重要的一部分。但是，通常很多户外物联网设备由于不具备环境条件，使用有线电源供电非常困难。例如山坡上、湖泊里、农田中、偏远的公路上等。这些环境中，虽然可能选择风能、水能等发电系统来供电，但是受限于地域环境通常不具有广泛应用的条件。太阳能作为清洁能源是最理想的解决方案。太阳能电源通常不受地域影响，只要有阳光能照射的地方就能使用。物联网设备通常是低功耗的，所需要的太阳能电源通常在几瓦就足够了，因此使用太阳能供电非常具有市场价值。

但是太阳能供电具有不确定性，地域环境不同太阳光照强度不同，即便是同一地域天气变化也会影响巨大，同一地点一天之内也有白天和黑夜变化对太阳能供电影响也极大。当前光伏发电效率最高在20％左右，效率还很低，非常有必要充分利用。光伏电池不论是单晶硅材料还是多晶硅材料，其输出的最大功率受光照强度和温度影响都较大，因此充分利用太阳能还需要特殊的控制系统才行。对应物联网设备来说，光伏电源的主要困境是：如何做到超低功耗和小型化？如何做到低成本可规模化应用？如何应对极端天气条件，例如长时间阴雨天气？不解决这些问题，光伏电源实际应用就没有意义。本发明提出了一种新的实现方案，针对物联网电源具有小功率、低成本、小型化、高效率、能超长待机的特点，使用革新的电路与软件算法解决了这一系列问题，当然这个方案其实也适合更大功率的光伏电源实现。

关于光伏电源系统国内外研究者已做了大量研究，这些研究中有的针对光伏电池的特性探讨最佳数学模型、有的针对光伏电池最大输出功率探讨功率追踪技术、有的针对最佳转换效率探讨光伏电池适配的开关电源变换方式等。当前这些研究成果已非常多。但这些研究有一个缺陷，就是没有针对具体应用场景探讨整体解决方案。他们追求某个问题的最佳解决，忽视系统实现的关联性，个别最优不是整体最优。例如，讨论光伏电源中的DC-DC变换器，研究者通常只是关注变换器数学模型和算法实现，获得一定的成果就完成了研究。这些研究成果，实际上不适合在物联网中使用。因为研究者只是追求方法实现忽视了所使用的器材成本、体积、功耗等问题。有的研究者使用模拟电路方法探讨了光伏电池的最大功率点MPPT实现问题，这种方法虽然成本低，也非常有效，但研究者忽视了模拟器件离散性太大，个别成功不代表批量生产都能成功，忽视了物联网设备是大规模应用的事实。另一些研究者主要针对MPPT算法，研究了多种算法，甚至引入不少智能算法，这些算法虽然很好，但忽视了这些算法要求较高的实时性，要求高性能处理平台才能实现，带来的问题同样是增加成本、功耗以及系统体积，也不太适合物联网中使用。此外，物联网电源不只是提供电能就行了，它还是长时间无人看管的设备，需要自我监测、自我维护、适时通信等。例如在连续长时间阴雨天气情况下，光伏电池实际已无法提供足够电能保证系统正常工作，此时储能电池组如何才能做到超低功耗待机？系统如何进入自我保护，等待时机再次恢复？如何发出最后的告警信息？如何充分利用阴雨弱光照条件发电？等等，这一些列问题必需综合解决才能真正使物联网电源设备具有实际意义。