嵌入式太陽能直流供電系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種嵌入式太陽能直流供電系統，有太陽能電池方陣、蓄電池、直流負載，其特征在于，太陽能電池方陣和直流負載之間串連著一個嵌入式控制器。所述嵌入式控制器，主要由PV輸入部分、BUCK電路、CPU控制單元、采樣裝置、防反沖二極管和直流電量計量系統組成。本發明利用太陽的綠色資源，針對有市電供應的基站地區，提供一種嵌入式基站光伏供電系統，以大幅降低基站常規化能源及二次能源的消耗量，并提高了基站供電的安全性。
【專利說明】嵌入式太陽能直流供電系統

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種太陽能裝置，具體地說是一種太陽能直流供電系統。

【背景技術】
[0002] 隨著社會的進步和生活水平的提高，人們對電的依賴愈來愈大，盡管電的生產能 力在不斷增加，但始終處于供不應求的狀況。以競爭日益激烈的全球電信行業為例，其電費 占運營成本的比例很高，據統計，在電網較好的區域，電費占整個電信運營成本的比例約為 50% ;而在電網較差地區，如非洲、亞洲等地區，需使用柴油發電機組作為后備或主要電源， 加上燃料費用和發電機組的維護費用，其用電成本是普通電網供電成本的3倍左右。全球 通信網絡由數百萬個通信站點組成，在城市發達地區，現有的站點采用傳統能源及電源供 給系統，存在能源轉換效率低、能耗大的問題；在農村等不發達地區，普遍采用傳統柴油發 電技術，同樣存在轉換電能效率偏低、長時間運行帶來的故障頻發等問題，影響了通信業務 的穩定性，增加了上站維護頻度，運維成本高昂。
[0003] 日前，我國工業和信息化部發布了《通信業"十二五"發展規劃》，指出"要把綠色發 展理念貫徹落實在節能減排、環境保護等方面，…合理采用風光等可再生能源…"。
[0004] 傳統的太陽能光伏直流供電系統，目前主要用于偏遠無電地區的通訊基站、機房 等供電，是通過太陽能電池組件的光電效應，將太陽能轉化為直流電能并貯存的設備。傳統 太陽能供電系統（如圖1所示），主要由太陽能電池組件構成的太陽能電池方陣、太陽能控 制器、蓄電池組、直流負載等組成，太陽能控制器分別與太陽能電池方陣、蓄電池組、直流負 載電連接。工作時，在有光照的情況下，將太陽能轉換為電能，太陽能電池方陣功率比負載 大時，通過太陽能控制器給負載供電，同時給蓄電池組充電；而在無光照時，太陽能電池方 陣功率比負載功率小時，太陽能控制器通過蓄電池組給負載供電。太陽能控制器通過對系 統輸入輸出功率的調節與分配，實現太陽能光伏系統的各種控制功能。
[0005] 傳統太陽能基站供電系統的應用成本較高，其主要原因是：
[0006] -、必須配備儲能蓄電池，保證夜間的供電以及2-3天陰雨情況的供電。蓄電池的 成本比較高，其每日充放電條件下的使用壽命，僅為兩到三年。
[0007] 二、為了保證陰雨天的供電，光伏組件的配置必須能滿足在一天時間內充滿蓄電 池的能力，因此組件的裝機容量一般為基站負載功率的8-10倍。
[0008] 三、組件配置較高，由于天氣原因，在連續晴天條件下，蓄電池已經充滿，而組件的 可發電功率遠遠大于負載的耗電功率，導致組件的大部分發電能力被浪費了，加大了電能 產出的成本。
[0009] 由于光伏系統的應用成本很高，結止目前光伏系統在通訊基站系統上的應用仍局 限在有剛性需求的無電地區。如何在全國乃至全球通訊基站上應用經濟可行的太陽能供電 系統，是一項有重大意義的研究課題。


【發明內容】

[0010] 我國有近190萬個通訊基站，其中絕大多數有市電供應。本發明的目的在于，利用 太陽的綠色資源，針對有市電供應的基站地區，提供一種嵌入式基站光伏供電系統，以大幅 降低基站常規化能源及二次能源的消耗量，并提高基站供電的安全性。
[0011] 本發明是這樣實現的：
[0012] 本發明基于下述思路：由于基站已經有市電作為供電保障，因此可考慮讓光伏系 統不作為保障性供電系統，僅作為節能減排的手段--該系統可在原有的供電系統上增加 光伏組件和控制器，而不需要額外使用儲能系統。
[0013] 本發明之太陽能直流供電系統是這樣實現的：
[0014] 該系統有太陽能電池方陣、蓄電池、直流負載，其特征在于：太陽能電池方陣和直 流負載之間串連著一個嵌入式控制器。
[0015] 所述嵌入式控制器，主要由PV輸入部分、BUCK電路、CPU控制單元、采樣裝置、防反 沖二極管、直流電量計量系統組成。系統對PV輸入的電壓和電流進行采樣，經過CPU控制單 元進行反饋控制，即時調節主功率BUCK電路的輸入端電壓，實現最大功率點追蹤功能。同 時，系統通過采樣系統采集輸出電流，反饋至CPU控制器單元，通過CPU控制單元調節主功 率BUCK電路的輸出電壓，保證輸出電壓略高于與其并聯的原基站直流供電系統的電壓，優 先使用光伏供電系統的電量。防反沖二極管安裝于控制器的輸出端，與電流采樣系統進行 連接一其主要作用是防止光伏系統在無光照條件下，原有通信開關電源系統對光伏供電 系統進行反充電。
[0016] 工件時，太陽能電池方陣產生的直流電（約70V左右）進入嵌入式控制器，嵌入式 控制器先通過自身的最大功率點追蹤功能使太陽能發電工作在最大功率狀態，對設備直流 負載進行供電，供電電壓為自動追蹤原有供電系統的電壓（約53. 5V)。由于配置光伏組件 的容量小于直流負載功率，全部太陽能發電將被用于直流負載，而其余不足的部分將由市 電帶動的原供電系統補足。該系統實現了利用太陽能對直流負載進行供電的功能，減少市 電的使用，即減少了化石能源制成的二氧化碳等溫室氣體及氮氧化物等有毒有害氣體的排 放。
[0017] 系統的配置根據當地的氣候條件，通常光伏組件的裝機容量與系統直流負載的比 例在1 : 1左右。這樣降低了單站的組件配置，且組件的發電功率小于系統的直流負載功 率，可保證系統始終在最大功率輸出條件下運行，系統的發電量可以最大化。由于光伏系統 不對蓄電池進行沖電，傳統通訊采用光伏控制器的蓄電池充放電功能的設施得以省去，最 大程度的降低成本。
[0018] 該系統具有以下優點：
[0019] □設備僅增加光伏組件和控制器部分，不含蓄電池，安裝簡便。
[0020] □系統為嵌入式，對原有系統沒有任何影響。
[0021] □設備與市電之間為配合式，而非切換式，控制器的MPPT功能保證光伏最大輸 出，不足部分市電補充。
[0022] □合理確定光伏組件容量，保證組件的發電能力小于設備的功耗，確保組件最大 發電量。
[0023] □市電停電時，若在白天，光伏組件可以發電，一方面減少原有蓄電池放電深度， 延長蓄電池壽命，另一方面可以延長供電系統的停電續航時間。
[0024] □系統采用直流供電，與原先交流供電相比，一方面避免了交流轉直流的功率損 失，另一方面避免了市電的各種附加費用。系統改進后總用電量將明顯減少。
[0025] □系統的節能減排量即是系統的發電量，便于移動計算和確定節能減排指標。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1.傳統太陽能供電系統的結構示意圖
[0027] 圖2.本發明之嵌入式控制器在傳統太陽能供電系統中的位置
[0028] 圖3.本發明之光伏組件和控制器的電路原理示意圖
[0029] 圖4.本實施例的電路結構示意圖

【具體實施方式】
[0030] 下面結合附圖敘述一個實施例，對本發明做進一步說明。
[0031] 圖2顯示了本發明之嵌入式控制器在傳統太陽能供電系統中的位置
[0032] 在傳統的太陽能供電系統的基礎上，即主要有太陽能電池方陣、蓄電池、直流負載 組成的太陽能供電系統，本發明在太陽能電池方陣和直流負載之間串連有一個嵌入式控制 器。
[0033] 圖3顯示本發明之光伏組件和控制器的電路結構原理
[0034] 本實施例之嵌入式控制器，主要由PV輸入部分、BUCK電路、CPU控制單元、采樣裝 置、防反沖二極管、直流電量計量系統組成。系統對PV輸入的電壓和電流進行采樣，經過 CPU控制單元進行反饋控制，即時調節主功率BUCK電路的輸入端電壓，實現最大功率點追 蹤功能。同時，系統通過采樣系統采集輸出電流，反饋至CPU控制器單元，通過CPU控制單 元調節主功率BUCK電路的輸出電壓，保證輸出電壓略高于與其并聯的原基站直流供電系 統的電壓，優先使用光伏供電系統的電量。防反沖二極管安裝于控制器的輸出端，與電流采 樣系統進行連接。
[0035] 直流電表系統接于防反沖系統與直流負載之間，計量輸出的總電量、即時功率、電 壓、電流參數。
[0036] 數碼顯示屏與CPU控制單元連接，可顯示系統的輸入及輸出的電壓、電流、功率等 相關參數。輔助電源系統可以直接從光伏組件取電，作為控制器系統本身的電源。
[0037] 圖4顯示了本實施例的電路結構
[0038] 某直流負載功率為2000W的通訊基站，原有供電系統為220V交流市電通過開關電 源變換為53. 5V的直流電供設備使用。為實現利用清潔能源節能減排的目的，采用嵌入式 太陽能供電系統進行部分供電。嵌入式太陽能系統采用2000Wp的太陽能組件和1000W嵌入 式控制器兩臺，電表一臺。光伏組件采用規格為250Wp/塊。共計使用8塊，其中每兩塊作 為一組，串聯，接入嵌入式控制器的一個單元（如圖4中左側嵌入式控制器的單元1)。按照 此原則，8塊太陽能組件分為四組，分別接入兩臺嵌入式控制器總計四個單元的輸入端。嵌 入式控制器各單元的輸出并聯后經過直流電表后與基站原有通訊系統并聯。如此，則完成 了系統的安裝。當有光照時，光伏組件將光能轉化為電能，組件輸出約70V的直流電到控制 器。控制器使用最大功率電追蹤功能，調節輸入電壓，使組件處于最大功率輸出狀態。同時 控制器通過BUCK電路，輸出略高于原有開關電源系統電壓的直流電（約54V)供給負載使 用。由于電壓略高于開關電源的電壓，可保證負載優先使用光伏系統產生的電，而不足的部 分，則由開關電源系統提供。當沒有光照資源時，光伏系統不工作，負載的用電全部由開關 電源系統提供。控制器內的防反沖二極管，保證開關電源的電不會反沖到光伏系統中。該 系統實現了利用太陽能對直流負載進行供電的功能，減少市電的使用，即減少了化石能源 制成的二氧化碳等溫室氣體及氮氧化物等有毒有害氣體的排放。
【權利要求】
1. 嵌入式太陽能直流供電系統，有太陽能電池方陣、蓄電池、直流負載，其特征在于，太 陽能電池方陣和直流負載之間串連著一個嵌入式控制器； 所述嵌入式控制器，主要有PV輸入部分、BUCK電路、CPU控制單元、采樣裝置、防反沖 二極管和直流電量計量系統，系統對PV輸入的電壓和電流進行采樣，經過CPU控制單元進 行反饋控制，即時調節主功率BUCK電路的輸入端電壓，實現最大功率點追蹤功能；同時，系 統通過采樣系統采集輸出電流，反饋至CPU控制器單元，通過CPU控制單元調節主功率BUCK 電路的輸出電壓，保證輸出電壓略高于與其并聯的原基站直流供電系統的電壓，優先使用 光伏供電系統的電量；防反沖二極管安裝于控制器的輸出端，與電流采樣系統進行連接； 直流電表系統接于防反沖系統與直流負載之間。
2. 根據權利要求1所述嵌入式太陽能直流供電系統，其特征在于：直流電表系統接于 防反沖系統與直流負載之間，計量輸出的總電量、即時功率、電壓、電流參數。
3. 根據權利要求1所述嵌入式太陽能直流供電系統，其特征在于：數碼顯示屏與CPU 控制單兀連接。
4. 根據權利要求1所述嵌入式太陽能直流供電系統，其特征在于：輔助電源系統從光 伏組件取電，作為控制器系統本身的電源。
【文檔編號】H02S40/30GK104242810SQ201310232125
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月13日 優先權日:2013年6月13日
【發明者】劉輝 申請人:中興能源（唐山）節能有限公司