CN101877498A - 太阳能、风能和锂电池综合电源管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能、风能和锂电池综合电源管理系统，包括微控制器以及带有供电开关的锂电池供电模块、太阳能供电模块和风能供电模块；各个供电模块通过电压比较电路与微控制器相连，并由微控制器控制各个供电模块的供电开关；在太阳能供电模块和风能供电模块中，太阳能和风能采集都使用了最大功率跟踪技术。太阳能、风能都是清洁能源，在环境保护的呼声越来越高的今天，合理开发利用清洁能源已经越来越受到人们的关注。本发明能极大的提高太阳能和风能的利用率，当太阳能和风能不稳定的时候使用锂电池供电，提高系统的供电稳定性和持续性，为野外设备和海洋设备特别是无人监控设备及海上集约化养殖设备提供了一个绿色低碳供电来源。

Description

太阳能、风能和锂电池综合电源管理系统

技术领域

本发明涉及一种电源系统，特别是低碳能源的一种综合利用——太阳能、风能和锂电池电源管理系统。

背景技术

能源是经济社会可持续发展和国家竞争力的重要物质基础。太阳能利用过程清洁，能够有效减少温室气体的排放，是最具发展潜力的可再生能源；风能资源则具有可再生、永不枯竭、无污染等特点，综合社会效益高。但因为太阳能和风能不稳定，区域差异大，所以合理开发利用显得尤为重要。

海洋设备，特别是一些远洋养殖设备由于离岸较远，设备电力供给存在很大的困难，这也成为制约海洋设备向自动化方向发展的“瓶颈”。将岸电通过海底电缆供电，成本花费巨大，且不适宜移动设备。采用柴油机或汽油机提供动力是一种在短期内行之有效的方法。但随着设备的增多，功率的增大，供电设备的体积及重量增大。为此寻求一种适合于海洋设备的动力来源，已成为需要解决的问题。

鉴于此，本发明提出一种方案在太阳能和风能采集方面都使用最大功率跟踪技术，能够充分利用太阳能、风能；当太阳能和风能不稳定的时候使用锂电池供电，能极大的提高系统的供电稳定性和持续性，为野外设备和海上海洋设备特别是无人监控设备及海上集约化养殖设备提供了一种良好的绿色低碳能源供给。

发明内容

本发明主要解决的技术问题在于提供一种太阳能、风能和锂电池综合电源管理系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种太阳能、风能和锂电池综合电源管理系统，包括微控制器以及带有供电开关的锂电池供电模块、太阳能供电模块和风能供电模块；

所述锂电池供电模块为所述微控制器供电；且所述锂电池供电模块通过第一电压比较电路与所述微控制器相连，向所述微控制器发送锂电池充电允许信号或系统休眠信号；

所述太阳能供电模块通过第二电压比较电路与所述微控制器相连，向所述微控制器发送太阳能电能输出信号或太阳能电能输出欠压信号；

所述风能供电模块通过第三电压比较电路与所述微控制器相连，向所述微控制器发送风能电能输出信号或风能电能输出欠压信号；

所述锂电池供电模块、太阳能供电模块和风能供电模块的供电开关分别用于控制各个供电模块输出的通断；所述微控制器分别与所述锂电池供电模块、太阳能供电模块和风能供电模块的供电开关相连，控制各个供电开关的通断；

所述锂电池供电模块设有充电控制口，所述太阳能供电模块和风能供电模块的供电开关分别与所述锂电池供电模块的充电控制口相连，所述微控制器与所述充电控制口相连，用以控制所述锂电池供电模块充电输入的通断。

作为本发明的优选方案之一，所述锂电池供电模块通过升压电路为所述微控制器供电。

作为本发明的优选方案之一，所述锂电池供电模块还包括：m节串联的锂电池，且第n节锂电池与第n+1节锂电池的连接处设有第n级充电开关，用于向前n节锂电池充电，并在第m节锂电池末端设有第m级充电开关；第四电压比较电路，所述第四电压比较电路与其充电控制口以及各级充电开关相连，用以比较由充电控制口输入的充电电压与各级阈值电压的大小，当充电电压大于第n级阈值电压小于第n+1级阈值电压时，接通第n级充电开关，向前n节锂电池充电，当充电电压大于第m级阈值电压时，接通第m级充电开关，向所有锂电池充电，其中n为大于等于1小于m的任何整数，即m＞n≥1，m，n均为整数。

作为本发明的优选方案之一，所述太阳能供电模块包括太阳能板，所述太阳能板正面的中间及东南西北四个方位上分别设有光敏电阻，且位于东南西北四个方位的光敏电阻旁设有遮光板；所述太阳能板背面安装有两个电机，分别控制所述太阳能板向东西或南北方向的转动；所述各光敏电阻与一压差采集模块相连，所述压差采集模块用于分别采集位于东南西北四个方位的光敏电阻与位于中间的光敏电阻之间的压差；所述压差采集模块与一压差比较模块相连，用以将采集到的压差与一阈值电压比较，输出比较结果；所述压差比较模块与一电机驱动模块相连，用以将比较结果发送给所述电机驱动模块；所述电机驱动模块与所述电机相连，用以根据比较结果控制所述电机的运作，使所述太阳能板向东西或南北方向的转动。

所述风能供电模块包括发电机和与之相连的支撑杆，所述发电机与支撑杆之间自由转动；所述发电机带有叶片，其背面设有一尾翼，所述尾翼与所述发电机的叶片所在平面垂直。

本发明的有益效果在于：本发明提出的方案在太阳能和风能采集方面都使用了最大功率跟踪技术，能够充分利用太阳能、风能；当太阳能和风能不稳定的时候使用锂电池供电，能极大的提高系统的供电稳定性和持续性。因为太阳能风能都是极其不稳定的，随着环境的变化充电电压会在很大的范围内波动，本发明的设计能根据充电电压的大小改变充电锂电池的个数，对锂电池分级充电，能极大提高太阳能风能的利用率。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明的系统运作示意图；

图3是锂电池分级充电示意图；

图4是本发明的太阳能供电模块的太阳能板正面结构示意图；

图5是本发明的太阳能供电模块的跟踪电路示意图；

图6是本发明的太阳能供电模块的最大功率跟踪方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细说明本发明的具体实施例：

请参见图1，本发明的太阳能、风能和锂电池综合电源管理系统，包括微控制器1以及带有供电开关20、30、40的锂电池供电模块2、太阳能供电模块3和风能供电模块4；所述锂电池供电模块2通过升压电路21为所述微控制器1供电；且所述锂电池供电模块2通过第一电压比较电路22与所述微控制器1相连，向所述微控制器1发送锂电池充电允许信号或系统休眠信号；所述太阳能供电模块3通过第二电压比较电路31与所述微控制器1相连，向所述微控制器1发送太阳能电能输出信号或太阳能电能输出欠压信号；所述风能供电模块4通过第三电压比较电路41与所述微控制器1相连，向所述微控制器1发送风能电能输出信号或风能电能输出欠压信号；所述锂电池供电模块2、太阳能供电模块3和风能供电模块4的供电开关20、30、40用于控制各个供电输出的通断；所述微控制器1分别与各个供电开关20、30、40相连，控制各个供电开关的通断；所述锂电池供电模块2设有充电控制口23，所述太阳能供电模块3和风能供电模块4的供电开关30、40分别与所述锂电池供电模块2的充电控制口23相连，所述微控制器1与所述充电控制口23相连，控制所述锂电池供电模块2充电输入的通断。

以下以89s51为微控制器、一节3.7V锂电池为例说明本系统的详细结构：

本实施例采用3.7v锂电池通过升压电路升压至5v为系统本身供电，可以提高系统的稳定性。对锂电池设定两个阀值电压，一个是高电压阀值；一个是低电压阀值。第一比较电路检测到锂电池电压高于高电压阀值时，锂电池充电允许信号关闭，此时不管太阳能、风能是否有电压都不会对锂电池充电，这样可以有效防止锂电池过充电。第一比较电路检测到锂电池电压低于低电压阀值时，向51微控制器发出系统休眠信号，51微控制器接收到信号后关闭锂电池对负载的供电电路，同时使微控制器休眠。这样可以有效防止锂电池深度放电。当锂电池电压位于高电压阀值与低电压阀值之间时，微控制器可以通过控制锂电池的供电开关来控制是否对负载供电。

在太阳能供电模块、风能供电模块的接收端分别设置第二、三电压比较电路，当电压大于一定阀值时，比较电路就会向51微控制器发出电能输出信号。微控制器接收到信号后会打开太阳能供电模块、风能供电模块的供电开关，接通它们对负载的供电电路，同时会检测锂电池充电允许信号。通过控制锂电池供电模块的充电控制口，如果锂电池充电允许信号关闭则不对锂电池充电，如果锂电池充电允许信号打开，则在对负载供电的同时对锂电池充电。如果太阳能、风能电压都低于阀值电压，比较电路就会向51微控制器发出电能输出欠压信号，此时微控制器就会检测锂电池休眠信号，如果没有休眠信号就会打开锂电池对负载的供电电路。

本发明实现了太阳能、风能和锂电池的综合利用管理，可以为野外小型设备提供一个持续的电源供给，其运作方案如图2所示，该方案在利用太阳能、风能同时有效的保护了锂电池，提高了系统的使用寿命，使用电压比较电路对各个节点的电压进行采集，而不是使用A\D采集电压再通过微控制器进行处理，可以极大的降低系统成本。

作为本发明的一种优选方案，采用多节锂电池串联充电结构，改变充电锂电池的个数，对锂电池分级充电，如图3所示。

锂电池供电模块还包括：m节串联的锂电池，且第n节锂电池与第n+1节锂电池的连接处设有第n级充电开关，用于向前n节锂电池充电，并在第m节锂电池末端设有第m级充电开关；第四电压比较电路24，所述第四电压比较电路24与其充电控制口23以及各级充电开关相连，用以比较由充电控制口23输入的充电电压与各级阈值电压的大小，当充电电压大于第n级阈值电压小于第n+1级阈值电压时，接通第n级充电开关，向前n节锂电池充电，当充电电压大于第m级阈值电压时，接通第m级充电开关，向所有锂电池充电，其中n为大于等于1小于m的任何整数，即m＞n≥1，m，n均为整数。

一个锂离子电池单体的工作电压为3.7V(平均值)，实际应用中通常采用多个锂电池串联，根据充电电压(风能或太阳能)的平均值大小决定给锂电池充电的个数。当充电电压平均值在3.7v-4.2v之间时，系统只给第1节锂电池充电，当充电电压平均值在4.2v-7.4v之间时给两节锂电池充电；例如，第1级阈值电压为3.7v，第2级阈值电压为4.2v，第3级阈值电压为7.4v，当某段时间内第四电压比较器24判断充电电压大于3.7v小于4.2v时，接通第1级充电开关，向第一节锂电池充电；当某段时间内第四电压比较器24判断充电电压大于4.2v小于7.4v时，接通第2级充电开关，向前2节锂电池充电，如此类推。

此时，第一节锂电池通过升压电路给整个系统供电，在充电电路里优先充电。即当电压在3.7v以上时便对它充电，这样设计可以大大提高系统的可靠性。

此结构的设计能最大限度的利用太阳能风能。因为太阳能风能都是极其不稳定的，随着环境的变化充电电压会在很大的范围内波动，如果只单一的以某一个电压值作为阀值决定对锂电池充电电路的开启与关闭，势必会浪费很多的电能。本发明的设计能根据充电电压的大小改变充电锂电池的个数，对锂电池分级充电，能极大提高太阳能风能的利用率。

另外，本发明在太阳能和风能采集方面都使用了最大功率跟踪技术，能够充分利用太阳能、风能。太阳能最大功率跟踪采用的是自动检测、跟踪技术，能使太阳能板始终正向面对太阳；风能最大功率跟踪是利用机械结构巧妙设计使得风能发电机叶片始终面对风向。

1.太阳能最大功率跟踪

本发明的太阳能供电模块采用太阳能板将太阳能转换为电能输出，这是本领域技术人员公知的技术在此不再赘述。为了最大功率跟踪太阳能，如图4所示，本发明在太阳能板正面的中间及东南西北四个方位上分别设有光敏电阻，且位于东南西北四个方位的各光敏电阻旁设有遮光板，各个光敏电阻可产生比较电压。在太阳能板背面安装有两个电机，分别控制太阳能板向东西或南北方向的转动。该跟踪电路结构如图5所示，各光敏电阻与一压差采集模块相连，压差采集模块用于分别采集位于东南西北四个方位的光敏电阻与位于中间的光敏电阻之间的压差；所述压差采集模块与一压差比较模块相连，用以将采集到的压差与一阈值电压比较，输出比较结果；所述压差比较模块与一电机驱动模块相连，用以将比较结果发送给所述电机驱动模块；所述电机驱动模块与所述电机相连，用以根据比较结果控制电机的运作，使所述太阳能板向东西或南北方向的转动。所述压差比较模块即电压比较电路，压差采集模块还包括一差动放大电路，放大压差。

该最大功率跟踪方法如图6所示。当太阳垂直在太阳能板正上方时，五个光敏电阻输出的电压值一样，跟踪电路不调整太阳能板的方向；当太阳偏向一边时，比如偏向了东面，中间位置的光敏电阻暴露在阳光中，但是东面的光敏电阻却被遮光物挡住了光线，这样中间的光敏电阻压降和东面的光敏电阻压降就会不同，产生压差。通过对该电压进行放大(可利用差动放大电路)，最后和一个阀值电压进行比较，大于阀值电压则驱动东西面调整电机，使太阳能板朝东面转动。因电机可以正反转，故当太阳能板偏向西面时依然可以通过控制东西面调整电机调整太阳能板的方向，小于阀值电压则不做操作。

值得提出的是这里并没有使用A\D转换器采集光敏电阻的电压，用简单的放大和比较电路便可以实现太阳能电池板的跟踪功能，故而极大的节约了成本。

2.风能最大功率跟踪

本发明的风能供电模块包括发电机和与之相连的支撑杆，支撑杆固定在地面，发电机与支撑杆之间可以自由转动；发电机带有叶片，在发电机的背面设有一尾翼，该尾翼与发电机的叶片所在平面垂直。

进行简单的受力分析便可知道，只有当尾翼的方向和风向一致时，发电机与支撑杆之间才不会转动，而此时发电机的叶片垂直于风向，风能利用率最高。此设计非常巧妙，减去了复杂的控制系统，大大降低了设计成本。

太阳能、风能都是清洁能源，在环境保护的呼声越来越高的今天，合理开发利用清洁能源已经越来越受到人们的关注。本发明提出的方案能极大的提高太阳能和风能的利用率，为野外设备特别是无人监控设备提供了一个良好的供电来源。

本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改变。

Claims (5)

1.一种太阳能、风能和锂电池综合电源管理系统，其特征在于，包括：微控制器(1)以及带有供电开关的锂电池供电模块(2)、太阳能供电模块(3)和风能供电模块(4)；

所述锂电池供电模块(2)为所述微控制器(1)供电；且所述锂电池供电模块(2)通过第一电压比较电路(22)与所述微控制器(1)相连，向所述微控制器(1)发送锂电池充电允许信号或系统休眠信号；

所述太阳能供电模块(3)通过第二电压比较电路(31)与所述微控制器(1)相连，向所述微控制器(1)发送太阳能电能输出信号或太阳能电能输出欠压信号；

所述风能供电模块(4)通过第三电压比较电路(41)与所述微控制器(1)相连，向所述微控制器(1)发送风能电能输出信号或风能电能输出欠压信号；

所述锂电池供电模块(2)、太阳能供电模块(3)和风能供电模块(4)的供电开关(20、30、40)分别用于控制各个供电模块(2、3、4)输出的通断；所述微控制器(1)分别与所述锂电池供电模块(2)、太阳能供电模块(3)和风能供电模块(4)的供电开关(20、30、40)相连，控制各个供电开关(20、30、40)的通断；

所述锂电池供电模块(2)设有充电控制口(23)，所述太阳能供电模块(3)和风能供电模块(4)的供电开关(30、40)分别与所述锂电池供电模块(2)的充电控制口(23)相连，所述微控制器(1)与所述充电控制口(23)相连，用以控制所述锂电池供电模块(2)充电输入的通断。

2.根据权利要求1所述一种太阳能、风能和锂电池综合电源管理系统，其特征在于：所述锂电池供电模块(2)通过升压电路(21)为所述微控制器(1)供电。

3.根据权利要求1所述一种太阳能、风能和锂电池综合电源管理系统，其特征在于：所述锂电池供电模块(2)还包括：

m节串联的锂电池，且第n节锂电池与第n+1节锂电池的连接处设有第n级充电开关，用于向前n节锂电池充电，并在第m节锂电池末端设有第m级充电开关；

第四电压比较电路(24)，所述第四电压比较电路(24)与其充电控制口(23)以及各级充电开关相连，用以比较由充电控制口(23)输入的充电电压与各级阈值电压的大小，当充电电压大于第n级阈值电压小于第n+1级阈值电压时，接通第n级充电开关，向前n节锂电池充电，当充电电压大于第m级阈值电压时，接通第m级充电开关，向所有锂电池充电，其中m＞n≥1，m，n均为整数。

4.根据权利要求1所述一种太阳能、风能和锂电池综合电源管理系统，其特征在于：

所述太阳能供电模块(3)包括太阳能板，所述太阳能板正面的中间及东南西北四个方位上分别设有光敏电阻，且位于东南西北四个方位的光敏电阻旁设有遮光板；

所述太阳能板背面安装有两个电机，分别控制所述太阳能板向东西或南北方向的转动；

所述各光敏电阻与一压差采集模块相连，所述压差采集模块用于分别采集位于东南西北四个方位的光敏电阻与位于中间的光敏电阻之间的压差；

所述压差采集模块与一压差比较模块相连，用以将采集到的压差与一阈值电压比较，输出比较结果；

所述压差比较模块与一电机驱动模块相连，用以将比较结果发送给所述电机驱动模块；

所述电机驱动模块与所述电机相连，用以根据比较结果控制所述电机的运作，使所述太阳能板向东西或南北方向转动。

5.根据权利要求1所述一种太阳能、风能和锂电池综合电源管理系统，其特征在于：

所述风能供电模块(4)包括发电机和与之相连的支撑杆，所述发电机与支撑杆之间自由转动；所述发电机带有叶片，其背面设有一尾翼，所述尾翼与所述发电机的叶片所在平面垂直。

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