嵌入式太阳能直流供电系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种嵌入式太阳能直流供电系统，有太阳能电池方阵、蓄电池、直流负载，其特征在于，太阳能电池方阵和直流负载之间串连着一个嵌入式控制器。所述嵌入式控制器，主要由PV输入部分、BUCK电路、CPU控制单元、采样装置、防反冲二极管和直流电量计量系统组成。本发明利用太阳的绿色资源，针对有市电供应的基站地区，提供一种嵌入式基站光伏供电系统，以大幅降低基站常规化能源及二次能源的消耗量，并提高了基站供电的安全性。
【专利说明】嵌入式太阳能直流供电系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种太阳能装置，具体地说是一种太阳能直流供电系统。
【背景技术】
[0002] 随着社会的进步和生活水平的提高，人们对电的依赖愈来愈大，尽管电的生产能 力在不断增加，但始终处于供不应求的状况。以竞争日益激烈的全球电信行业为例，其电费 占运营成本的比例很高，据统计，在电网较好的区域，电费占整个电信运营成本的比例约为 50% ;而在电网较差地区，如非洲、亚洲等地区，需使用柴油发电机组作为后备或主要电源， 加上燃料费用和发电机组的维护费用，其用电成本是普通电网供电成本的3倍左右。全球 通信网络由数百万个通信站点组成，在城市发达地区，现有的站点采用传统能源及电源供 给系统，存在能源转换效率低、能耗大的问题；在农村等不发达地区，普遍采用传统柴油发 电技术，同样存在转换电能效率偏低、长时间运行带来的故障频发等问题，影响了通信业务 的稳定性，增加了上站维护频度，运维成本高昂。
[0003] 日前，我国工业和信息化部发布了《通信业"十二五"发展规划》，指出"要把绿色发 展理念贯彻落实在节能减排、环境保护等方面，…合理采用风光等可再生能源…"。
[0004] 传统的太阳能光伏直流供电系统，目前主要用于偏远无电地区的通讯基站、机房 等供电，是通过太阳能电池组件的光电效应，将太阳能转化为直流电能并贮存的设备。传统 太阳能供电系统（如图1所示），主要由太阳能电池组件构成的太阳能电池方阵、太阳能控 制器、蓄电池组、直流负载等组成，太阳能控制器分别与太阳能电池方阵、蓄电池组、直流负 载电连接。工作时，在有光照的情况下，将太阳能转换为电能，太阳能电池方阵功率比负载 大时，通过太阳能控制器给负载供电，同时给蓄电池组充电；而在无光照时，太阳能电池方 阵功率比负载功率小时，太阳能控制器通过蓄电池组给负载供电。太阳能控制器通过对系 统输入输出功率的调节与分配，实现太阳能光伏系统的各种控制功能。
[0005] 传统太阳能基站供电系统的应用成本较高，其主要原因是：
[0006] -、必须配备储能蓄电池，保证夜间的供电以及2-3天阴雨情况的供电。蓄电池的 成本比较高，其每日充放电条件下的使用寿命，仅为两到三年。
[0007] 二、为了保证阴雨天的供电，光伏组件的配置必须能满足在一天时间内充满蓄电 池的能力，因此组件的装机容量一般为基站负载功率的8-10倍。
[0008] 三、组件配置较高，由于天气原因，在连续晴天条件下，蓄电池已经充满，而组件的 可发电功率远远大于负载的耗电功率，导致组件的大部分发电能力被浪费了，加大了电能 产出的成本。
[0009] 由于光伏系统的应用成本很高，结止目前光伏系统在通讯基站系统上的应用仍局 限在有刚性需求的无电地区。如何在全国乃至全球通讯基站上应用经济可行的太阳能供电 系统，是一项有重大意义的研究课题。
【发明内容】
[0010] 我国有近190万个通讯基站，其中绝大多数有市电供应。本发明的目的在于，利用 太阳的绿色资源，针对有市电供应的基站地区，提供一种嵌入式基站光伏供电系统，以大幅 降低基站常规化能源及二次能源的消耗量，并提高基站供电的安全性。
[0011] 本发明是这样实现的：
[0012] 本发明基于下述思路：由于基站已经有市电作为供电保障，因此可考虑让光伏系 统不作为保障性供电系统，仅作为节能减排的手段--该系统可在原有的供电系统上增加 光伏组件和控制器，而不需要额外使用储能系统。
[0013] 本发明之太阳能直流供电系统是这样实现的：
[0014] 该系统有太阳能电池方阵、蓄电池、直流负载，其特征在于：太阳能电池方阵和直 流负载之间串连着一个嵌入式控制器。
[0015] 所述嵌入式控制器，主要由PV输入部分、BUCK电路、CPU控制单元、采样装置、防反 冲二极管、直流电量计量系统组成。系统对PV输入的电压和电流进行采样，经过CPU控制单 元进行反馈控制，即时调节主功率BUCK电路的输入端电压，实现最大功率点追踪功能。同 时，系统通过采样系统采集输出电流，反馈至CPU控制器单元，通过CPU控制单元调节主功 率BUCK电路的输出电压，保证输出电压略高于与其并联的原基站直流供电系统的电压，优 先使用光伏供电系统的电量。防反冲二极管安装于控制器的输出端，与电流采样系统进行 连接一其主要作用是防止光伏系统在无光照条件下，原有通信开关电源系统对光伏供电 系统进行反充电。
[0016] 工件时，太阳能电池方阵产生的直流电（约70V左右）进入嵌入式控制器，嵌入式 控制器先通过自身的最大功率点追踪功能使太阳能发电工作在最大功率状态，对设备直流 负载进行供电，供电电压为自动追踪原有供电系统的电压（约53. 5V)。由于配置光伏组件 的容量小于直流负载功率，全部太阳能发电将被用于直流负载，而其余不足的部分将由市 电带动的原供电系统补足。该系统实现了利用太阳能对直流负载进行供电的功能，减少市 电的使用，即减少了化石能源制成的二氧化碳等温室气体及氮氧化物等有毒有害气体的排 放。
[0017] 系统的配置根据当地的气候条件，通常光伏组件的装机容量与系统直流负载的比 例在1 : 1左右。这样降低了单站的组件配置，且组件的发电功率小于系统的直流负载功 率，可保证系统始终在最大功率输出条件下运行，系统的发电量可以最大化。由于光伏系统 不对蓄电池进行冲电，传统通讯采用光伏控制器的蓄电池充放电功能的设施得以省去，最 大程度的降低成本。
[0018] 该系统具有以下优点：
[0019] □设备仅增加光伏组件和控制器部分，不含蓄电池，安装简便。
[0020] □系统为嵌入式，对原有系统没有任何影响。
[0021] □设备与市电之间为配合式，而非切换式，控制器的MPPT功能保证光伏最大输 出，不足部分市电补充。
[0022] □合理确定光伏组件容量，保证组件的发电能力小于设备的功耗，确保组件最大 发电量。
[0023] □市电停电时，若在白天，光伏组件可以发电，一方面减少原有蓄电池放电深度， 延长蓄电池寿命，另一方面可以延长供电系统的停电续航时间。
[0024] □系统采用直流供电，与原先交流供电相比，一方面避免了交流转直流的功率损 失，另一方面避免了市电的各种附加费用。系统改进后总用电量将明显减少。
[0025] □系统的节能减排量即是系统的发电量，便于移动计算和确定节能减排指标。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图1.传统太阳能供电系统的结构示意图
[0027] 图2.本发明之嵌入式控制器在传统太阳能供电系统中的位置
[0028] 图3.本发明之光伏组件和控制器的电路原理示意图
[0029] 图4.本实施例的电路结构示意图
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图叙述一个实施例，对本发明做进一步说明。
[0031] 图2显示了本发明之嵌入式控制器在传统太阳能供电系统中的位置
[0032] 在传统的太阳能供电系统的基础上，即主要有太阳能电池方阵、蓄电池、直流负载 组成的太阳能供电系统，本发明在太阳能电池方阵和直流负载之间串连有一个嵌入式控制 器。
[0033] 图3显示本发明之光伏组件和控制器的电路结构原理
[0034] 本实施例之嵌入式控制器，主要由PV输入部分、BUCK电路、CPU控制单元、采样装 置、防反冲二极管、直流电量计量系统组成。系统对PV输入的电压和电流进行采样，经过 CPU控制单元进行反馈控制，即时调节主功率BUCK电路的输入端电压，实现最大功率点追 踪功能。同时，系统通过采样系统采集输出电流，反馈至CPU控制器单元，通过CPU控制单 元调节主功率BUCK电路的输出电压，保证输出电压略高于与其并联的原基站直流供电系 统的电压，优先使用光伏供电系统的电量。防反冲二极管安装于控制器的输出端，与电流采 样系统进行连接。
[0035] 直流电表系统接于防反冲系统与直流负载之间，计量输出的总电量、即时功率、电 压、电流参数。
[0036] 数码显示屏与CPU控制单元连接，可显示系统的输入及输出的电压、电流、功率等 相关参数。辅助电源系统可以直接从光伏组件取电，作为控制器系统本身的电源。
[0037] 图4显示了本实施例的电路结构
[0038] 某直流负载功率为2000W的通讯基站，原有供电系统为220V交流市电通过开关电 源变换为53. 5V的直流电供设备使用。为实现利用清洁能源节能减排的目的，采用嵌入式 太阳能供电系统进行部分供电。嵌入式太阳能系统采用2000Wp的太阳能组件和1000W嵌入 式控制器两台，电表一台。光伏组件采用规格为250Wp/块。共计使用8块，其中每两块作 为一组，串联，接入嵌入式控制器的一个单元（如图4中左侧嵌入式控制器的单元1)。按照 此原则，8块太阳能组件分为四组，分别接入两台嵌入式控制器总计四个单元的输入端。嵌 入式控制器各单元的输出并联后经过直流电表后与基站原有通讯系统并联。如此，则完成 了系统的安装。当有光照时，光伏组件将光能转化为电能，组件输出约70V的直流电到控制 器。控制器使用最大功率电追踪功能，调节输入电压，使组件处于最大功率输出状态。同时 控制器通过BUCK电路，输出略高于原有开关电源系统电压的直流电（约54V)供给负载使 用。由于电压略高于开关电源的电压，可保证负载优先使用光伏系统产生的电，而不足的部 分，则由开关电源系统提供。当没有光照资源时，光伏系统不工作，负载的用电全部由开关 电源系统提供。控制器内的防反冲二极管，保证开关电源的电不会反冲到光伏系统中。该 系统实现了利用太阳能对直流负载进行供电的功能，减少市电的使用，即减少了化石能源 制成的二氧化碳等温室气体及氮氧化物等有毒有害气体的排放。
【权利要求】
1. 嵌入式太阳能直流供电系统，有太阳能电池方阵、蓄电池、直流负载，其特征在于，太 阳能电池方阵和直流负载之间串连着一个嵌入式控制器； 所述嵌入式控制器，主要有PV输入部分、BUCK电路、CPU控制单元、采样装置、防反冲 二极管和直流电量计量系统，系统对PV输入的电压和电流进行采样，经过CPU控制单元进 行反馈控制，即时调节主功率BUCK电路的输入端电压，实现最大功率点追踪功能；同时，系 统通过采样系统采集输出电流，反馈至CPU控制器单元，通过CPU控制单元调节主功率BUCK 电路的输出电压，保证输出电压略高于与其并联的原基站直流供电系统的电压，优先使用 光伏供电系统的电量；防反冲二极管安装于控制器的输出端，与电流采样系统进行连接； 直流电表系统接于防反冲系统与直流负载之间。
2. 根据权利要求1所述嵌入式太阳能直流供电系统，其特征在于：直流电表系统接于 防反冲系统与直流负载之间，计量输出的总电量、即时功率、电压、电流参数。
3. 根据权利要求1所述嵌入式太阳能直流供电系统，其特征在于：数码显示屏与CPU 控制单兀连接。
4. 根据权利要求1所述嵌入式太阳能直流供电系统，其特征在于：辅助电源系统从光 伏组件取电，作为控制器系统本身的电源。
【文档编号】H02S40/30GK104242810SQ201310232125
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月13日 优先权日:2013年6月13日
【发明者】刘辉 申请人:中兴能源（唐山）节能有限公司