CN105027680A - 用于动态地控制一件电气设备的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于动态地控制由能量存储元件和可再生能源提供电力的一件电气设备的供电的方法，所述设备的电力供应的功率根据可调节的参考时间曲线是时间可变的，其特征在于，所述方法包括如下步骤：在至少一个外部因素和至少一个内部因素的基础上的调节以及限制，根据该限制，所述经调节的曲线的相关操作循环上的积分低于在相关操作循环期间能够从所述能量存储元件分配的能量的量，所述外部因素是由局部传感器获取的物理参数。本发明还涉及一种实施该方法的照明系统、该电气系统的阵列以及一种用于检测这种照明系统的一个或多个故障的方法。

Description

用于动态地控制一件电气设备的方法
技术领域
本发明涉及通过可再生能源和能量存储元件的电气设备的电力供应领域。
本发明特别涉及诸如太阳能LED照明系统这样的设备，该太阳能LED照明系统包括：LED照明模块、光伏面板、电源电池以及用于管理能量的电子电路。
然而，本发明并不限于照明，并且还适用于由可再生能源提供电力并包含存储装置的其它设备。
背景技术
在现有技术中用于优化这种设备的操作的解决方案是已知的。
例如，法国专利FR2922628公开了一种灯具，该灯具包括：固定在地里的杆；固定到杆的自由端并包括照明装置的灯；和适合于向照明装置供应电力的电源块。电源块包括：储电电池、光伏单元组件、风轮机、以及蓄电电路，该蓄电电路被设置用于由光伏电池组件和风轮机提供的电力向蓄电池充电。
美国专利US5151865公开了一种用于通过测量能量存储的终端电压(UKL)来确定电池的能量含量值(EIW)的方法，同时考虑至少一个参考值(BW)，其由在特定时间单位(dt)和在特定工作电压范围(BSB)中的能量存储中流动的总电流(IE)形成。因而，该参考值(BW)代表功能值。称为功能值(FW)的所测终端电压(UKL)与在能量含量范围(EIB)中的特定能量含量值(EIW)相对应。
美国专利US6081104公开了一种用于将电力输送到电池和负载的系统。当电源不能将足量能量和电力提供给负载时，电池可以由电源充电并用于将能量或电力供应给负载。系统减少直流电流注入到负载，并且因此延长负载的工作寿命，特别地，如果负载是照明系统。本系统的目的是防止照明负载或电池过早老化。
美国专利US6191568描述了一种负载电压调制方案和电力控制以及供应系统，其用于将电力供应给负载，在特定时间段内，通常以每天为基础，期望减少电力。本发明具有针对街灯系统的具体应用，其中，在夜晚数小时的时间段(当交通量最小且许多人入睡时)，可以在降低的电力下操作照明系统的照明。
国际专利申请WO2011/095922描述了一种用于在预定时间段期间，考虑将能量存储等级保持在预定最小等级以上，在照明需要和电池容量的基础上，控制光输出分布的方法，该方法包括考虑经由互联网连接定期地获取的天气预报数据。
现有技术的缺陷
现有技术中提出的解决方案的主要缺点是保证需要能量存储元件以及可再生能源的尺寸过大的操作的连续性，原因在于，系统消耗并不适合于所述能量存储元件的可用能量。
否则，如果存储元件不是过大的，则在特定操作循环期间遇到的特殊条件导致由电气设备提供的服务的不适时中断。
此外，实施定期获取天气预报数据的解决方案需要连接到未来数据服务器，并且相对于照明系统的位置，访问相关的预测模型。
这种预报数据通常是宏观的，甚至是外推的，并且覆盖比照明系统的注入区域更大的区域。
现有技术的解决方案(诸如WO2011/095922中所公开的那个)实际上提供了对服务的目标连续性(“不断电”)的响应，但是需要访问数据基础结构，诸如由服务器获取的天气数据库，阻止在射频应用服务落后的区域中实施。此外，这些解决方案需要耗能无线电通信装置，这违反了使用用于产生并存储能量的“节约的”装置来优化消耗并最大化服务连续性的目标。
本发明所提供的解决方案
为了补救现有技术的缺点，本发明，在其最广泛的含义里，涉及一种用于动态地控制由能量存储元件和可再生能源提供电力的一件电气设备的供电的方法，其中，所述一件设备的电源在可调节的参考时间曲线中是时间可变的，其特征在于，它包括如下步骤：根据至少一个外部因素和至少一个内部因素的调节，以及与消耗能量相对应的所述调节曲线的所考虑的操作循环上的积分低于在所考虑的操作循环期间可以从所述能量存储元件分配的能量的量的限制，其中，所述外部因素是由局部传感器获取的物理参数。
物理参数特别地是：
-温度；
-湿气；
-输出功率；
-灰尘或污染物结垢。
局部传感器包括：
-光电二极管类型的光电传感器；
-太阳能电池板；
-温度传感器，特别地温度传感器或热电偶；
-基于微束或石英天平的化学传感器。
这种传感器提供模拟电信号，其然后通过计算机进行本地数字化处理，用于确定用于控制光源的模型。
“操作循环”是指时间周期，在该时间周期期间，该设备被激活并通过主要由存储元件供电而提供服务。“操作循环”发生在两个周期之间，其间该电气设备通常(但不是必然地)去激活。“操作循环”通常(但不是必然地)不包括存储元件主要由可再生能源进行再充电的时间段。
如本专利中使用的“传感器”是指直接测量局部物理参数的部件，即，系统的紧邻中的一个，而未借助来自远程源的信息传输。特别地，接收天气信息的接收机、与TCP/IP、WiFi、WIMAX、蓝牙或因特网类型的交换方式相关联的无线通信系统或处理器在本专利意义上并不被认为是传感器。
根据第一另选实施方式，调节功能考虑所述能量存储元件的状态。
根据第二另选实施方式，调节功能考虑与由所述可再生能源接收到的能量的实际数量有关的至少一个因素。
调节功能优选地考虑在自主性的循环的数量的基础上确定的参数。
本发明还涉及一种电气系统，其包括：能量存储元件、可再生能源以及用于管理能量并控制一件电气设备的电力供应的电路，其特征在于，在至少一个外部因素和至少一个内部因素的基础上，所述控制电路根据可调节的参考时间曲线，控制所述一件设备的电源，以及所述调节曲线的所考虑的操作循环上的积分低于在所考虑的操作循环期间能够从所述能量存储元件分配的能量的量的限制。
根据一个实施方式，所述一件电气设备是LED照明电源模块，所述能量存储元件是电池，且所述可再生能源包括光伏电池。
根据第一另选实施方式，外部因素由能量-管理电子板确定，该能量-管理电子板包括：所述电池的温度传感器和电量表。
根据第二另选实施方式，外部因素由太阳辐照度确定，该太阳辐照度取决于所述系统的操作地点和位置的地理位置。
根据第三另选实施方式，外部因素由从先前的循环累积的能量确定。
本发明还提供了符合上述系统的电气系统的阵列，其包括：能量存储源的阵列和可再生能源的阵列、通信系统以及用于管理能量并控制电气设备的阵列的电源的电路。
这种控制电路在至少一个外部因素和至少一个内部因素的基础上，根据可调节的参考时间曲线，来控制所述一件设备的电源，以及所述调节曲线的所考虑的操作循环上的积分低于在所考虑的操作循环期间，能够从所述能量存储元件分配的能量的量的限制。
根据另选实施方式，通信系统由射频链路限定，以交换与各系统的局部状态有关的信息，检测在一个或多个照明点中的任何可能的缺陷，并使照明程序同步。
本发明还涉及一种用于检测在以下的两个尺度上的一个或更多个故障的方法：
·根据本发明的电气系统
·根据本发明的电气设备的阵列。
根据另选实施方式，故障由一个或更多个失效指示器进行识别，所述一个或更多个失效指示器源自对于与所述电气系统的操作期间估计的电气、光学和/或热参数的变化的分析相对应的一系列问题的响应。
失效指示器优选地由二进制数字系统(0:否或1:是)进行限定。
根据另一另选实施方式，该方法涉及与每件电气设备的使用寿命相对应的时间尺度上的电气系统的阵列中的电气设备的状态的比较。
根据另选实施方式，导致所述电气系统停止的主要故障由提示当地居民通知该故障所涉及的公用设施的所述一件电气设备的(闪跃型)频率控制来传送。
示例性的非限制性实施方式的描述
通过参照附图来阅读涉及非限制性实施方式的如下说明，将更好地理解本发明，其中：
-图1示出自持式LED照明系统的示例性应用的框图；
-图2示出参考电源曲线；
-图3示出系统的阵列的示意图。
图1示出照明设施的框图。它包括：配备有光伏面板2和电池3以及LED模块4的灯具1。
所有这些部件由管理电池装载器/卸载器(“电池管理系统”)类型5(其控制LED模块4的电源(驱动器))的能量的卡进行控制。
这种卡5包含用于接收与外部因素有关的信息和用于发送系统服务和状态信息的通信模块6。
卡5接收来自诸如温度传感器、电量表和存在传感器7这样的传感器的信息。为了使得能够计算电源曲线，由这种传感器所提供的历史数据被定期地保存到一个或多个表中，并且保持历史用于操作审计。
这种卡控制系统的操作，以优化电源曲线。根据本发明的目的，这种优化旨在适应应用于LED模块的电源，以使得操作能够符合整个操作循环所预期的服务，无论早于所考虑的操作循环的电池充电状况如何。
采用如下研究方法来确定电池尺寸：
在如下基础上，确定电池的额定容量：
-操作循环的最长持续时间；
-在最长操作循环期间，由该件设备消耗的最大能量(100％)；
-电池输出。这种输出针对铅电池约0.7、NiMH电池0.8以及锂电池0.9；
-系统输出；
-然后调节该参考值，以便考虑所预期的自主性。这种自主性将被确定为该件设备必须自主地操作的操作循环的数量。
因而确定了电池的C额定的额定容量，其将足以确保全功率的连续操作。
在现有技术中，本领域技术人员将增加电池的实际容量，同时考虑安全裕度，以确保甚至在最不利的情况下的操作。
本发明在于不这样做和选择电池，电池的容量适合于有利情形，即，略小于C额定的额定容量，并在于根据如下解释的计算出的曲线，来调节应用于该件电气设备的功率。
第一步在于确定与参考循环期间应用于该件设备的功率的时间演化相对应的参考曲线。这种曲线考虑在操作循环期间的服务要求的变化。
图2根据与夜晚时间相对应的操作循环，示出与公共灯的照明功率的变化相对应的这种参考曲线的示例。
在该循环期间，曲线具有与潜在交通证明最大照明时的时期相对应的T黄昏时间间隔期间，适合于应用的安全的需求的第一功率等级P110。
然后，当可以减少功率以生产最小待机照明或者甚至零功率时，在T午夜时间间隔期间的第二电源等级P211。
然后，在与在操作条件(交通、城市照明、...)证明高照明功率时的破晓相对应的T黎明时间间隔期间，再次将功率设置为功率等级P3 12。
给出这种曲线作为简单示例，应理解为例如它可以采用具有连续变化的不同构造。
在与循环的持续时间相对应的时间间隔中，与由曲线界定的表面相对应的积分13，在理论的额定条件下，限定了由该件设备所消耗的E额定的能量。将电池的容量确定为略大于这种E额定的能量，但不超过这种E额定的能量的150％，并且优选地不超过这种E额定的能量的110％。
然后由外部因素调节该曲线。第一外部因素是日程表，其根据变化的白天/夜晚循环来确定循环的持续时间。
该因素可以源自集成在电路5中的时钟，其按照日程表来调节曲线。它还可以源于基于在一个或多个先前循环期间所获取的数据的增量变化(例如当太阳辐照度超过阈值时)，其可以在可再生能源内的一个或多个参数中查看。
另一外部因素是预测辐照度，其可以来自经由通信装置6与系统进行通信的远程源。为此，天气服务器在新周期之前提供太阳辐照度的预测曲线。
还可以由预测装置(趋势分析)本地地计算这种外部因素，该预测装置考虑与在一个或多个逝去的循环期间所观察到的辐照度有关的信息，以便使用统计处理来确定下一循环的曲线。
当由周围条件进行如此施加时，考虑这种因素，以减少在参考曲线中预测的最大功率。
内部因素是例如多个部件中的一个部件(更具体地，LED模块或光伏模块输出)的性能损失。考虑这种因素，以适应由参考曲线所预测的照明功率。
修改受到可用能量的限制。通过参考曲线所预测的最大功率的应用将由电池的有效容量进行调节，并且可能地，将重新计算参考曲线以考虑低于E额定的能量的容量和操作者的配置，操作者将能够选择设置应用于LED模块的功率的绝对最小值，或在参考曲线的各种构造之间进行决定。
根据电池的有效容量，通过考虑如下内部参数来执行曲线的重新计算，诸如：
-在循环开始时，并且可能在循环期间，能量、充电状态和/或电池的健康；
-在一个或多个循环期间，保护与失效管理战略，导致在循环末期保存阈值存储容量，以避免降低电池(过深放电)；
-LED模块和光伏电池和电气系统输出的老化；
该重新计算在于修改在之前步骤期间所确定的构造的曲线，以便重新计算的曲线的积分不超过可以在循环开始时从电池实际上分配的能量。
如果该新计算未导致解决方案，则系统将确定最小曲线并将触发内部(警告灯)或外部(监视服务器的警报的传输)的警报和/或将借助于LED模块的闪烁来报告所讨论的灯具的情况。
趋势分析
另选实施方式在于通过学习阶段来改进设置。
为此，在与一个或多个操作循环相对应的周期期间，由一个或多个局部传感器所获取的数据被存储，以构造所涉及的数据的变化的局部模型。
这种局部模型用于调节这种预测数据的参考曲线。
第一示例性模型由存在传感器构造，在操作循环期间被保存，以便确定通过的直方图。在交通密集周期期间，功率等级和/或照明时间将相对于参考曲线增加。相反地，在无通过或少通过的周期期间，功率等级和/或照明时间将相对于额定曲线减少，以增加随后可用能量储备。
第二示例性模型考虑太阳辐照度，该太阳辐射度从由光伏电池产生的电压测量，表示与几天或甚至几周相对应的太阳周期。
然后通过对由光伏电池所产生的电流(表示存储在电池中的能量)的分析，将完成这种模型，以便建立与几天或甚至几周相对应的周期的第二预测模型。
然后，这两个模型的比较将用于调节照明服务的额定参考曲线。
其它预测模型与一个系统元件(更具体地，电池)的老化程度相对应。为此，定期地执行电池的充放电循环，以存储其响应曲线。然后关于温度，该模型被校正并应用于额定参考曲线的权重。
可以开发其它模型例如作为测湿法、污染等的功能。
光学传感器LED
用于调节参考曲线的太阳辐照度的检测，或检测白天/夜晚循环的另选实施方式在于在光学传感器模式下使用LED。为此，电路使用脉冲法，来向LED模块提供反向电压，从而不影响照明服务。在LED模块终端处的反向电压的测量提供了与太阳辐照度的水平有关的信息，该信息使得能够校准变化模型。在电子控制电路中保存的参考表使得能够校正反向电压测量，以便补偿由于温度的误差并提高太阳辐照度的估计的准确度。
还可以将这种信息与光伏模块所估计的太阳辐照度进行比较。从光伏模块所估计的辐射度和从LED模块所估计的辐射度之间的差异提供了与光伏模块的老化有关的信息。特别地，这种差异在高辐照度(接近每平方米1,000瓦)的白天期间进行测量，由LED模块所提供参考，LED模块较少地受操作环境及其限制效果(灰尘、砂粒累积、污染…)的制约。
这种信息将用于加权额定参考曲线，以便考虑光伏模块的老化。
当高辐照度日接着雨天(如由湿度传感器所检测的)时，该措施特别地相关。这种情形使得能够考虑清理光伏模块。
能量计量
根据另选解决方案，定期地估计可以根据额定曲线进行分配的能量的量，并且在适当情况下，由一个或更多个局部预测模型进行加权。当可以分配的能量的量不足以在操作循环期间提供服务的连续性时，电子电路提供预防指示器，该预防指示器使得能够警告操作者，并且将系统转换到不再执行“不断电”功能的受限模式。然后，可以分配的能量的一部分专用于供应节能警示信号。
应用于系统阵列
实施本发明的系统可以相互连接，以确定优化策略，该优化策略不仅考虑系统的局部处境，而且还考虑多个系统的总体处境。
图3示出根据本发明的示例性系统阵列。
场地包括根据本发明的一个或更多个系统31、32、33以及主从拓扑34。
所述系统31到34通过射频链路彼此通信，以交换与各系统的局部状态有关的信息，并使照明程序同步。

Claims (17)

1.一种用于动态地控制由能量存储元件和可再生能源供电的一件电气设备的供电的方法，其中，所述一件设备的电源在可调节的参考时间曲线中是时间可变的，其特征在于，所述方法包括如下步骤：根据至少一个外部因素和至少一个内部因素的调节，以及所述经调节的曲线的所考虑的操作循环上的积分低于在所考虑的操作循环期间能够从所述能量存储元件分配的能量的量的限制，其中，所述外部因素是由局部传感器获取的物理参数。
2.根据主权利要求所述的用于动态地控制一件电气设备的供电的方法，其特征在于，所述调节功能考虑所述能量存储元件的状态。
3.根据主权利要求所述的用于动态地控制一件电气设备的供电的方法，其中，所述调节功能考虑受所述可再生能源的效率影响的至少一个因素。
4.根据主权利要求所述的用于动态地控制一件电气设备的供电的方法，其特征在于，所述调节功能考虑在自主性的循环的数量的基础上确定的参数。
5.根据主权利要求所述的用于动态地控制一件电气设备的供电的方法，其特征在于，所述调节功能考虑受所述一件电气设备的效率影响的至少一个因素。
6.一种电气系统，所述电气系统包括：能量存储元件和可再生能源以及用于管理能量并控制所述一件电气设备的电力供应的电路，其特征在于，在至少一个外部因素和至少一个内部因素的基础上，所述控制电路根据可调节的参考时间曲线来控制所述一件设备的所述电源，以及所述经调节的曲线的所考虑的操作循环上的积分低于在所考虑的操作循环期间能够从所述能量存储元件分配的能量的量的限制。
7.根据前述权利要求所述的电气系统，其特征在于，所述一件电气设备是LED照明模块，所述能量存储元件是电池，所述可再生能源由光伏电池构成。
8.根据前述权利要求所述的电气系统，其特征在于，所述内部因素由用于管理能量并控制所述一件电气设备的电力供应的电子卡确定，所述电子卡具有所述电池的温度传感器和电量表。
9.根据权利要求7所述的电气系统，其特征在于，所述外部因素由所述系统的操作地点和位置的地理位置确定。
10.根据权利要求7所述的电气系统，其特征在于，所述外部因素由从至少一个先前的循环存储的能量的量确定。
11.一种根据权利要求6到10中至少一项所述的电气系统的阵列，所述电气系统的阵列包括：能量存储源的阵列和可再生能源的阵列、通信系统以及用于管理能量并控制电气设备的阵列的电力供应的电路，其特征在于，在至少一个外部因素和至少一个内部因素的基础上，所述控制电路根据可调节的参考时间曲线来控制所述一件设备的所述电源，以及所述经调节的曲线的所考虑的操作循环上的积分低于在所考虑的操作循环期间能够从所述能量存储元件分配的能量的量的限制。
12.根据权利要求11所述的电气系统的阵列，其特征在于，所述通信系统由射频链路限定，以交换与各系统的局部状态有关的信息，检测在一个或多个照明点中的可能故障，并使照明程序同步。
13.一种用于检测在以下的两个尺度上的一个或更多个故障的方法：
·根据权利要求7所述的电气系统
·根据权利要求11所述的电气设备的阵列。
14.根据权利要求13所述的用于检测一个或更多个故障的方法，其特征在于，所述故障由至少一个失效指示器进行识别，所述至少一个失效指示器源自对于与所述电气系统的操作期间估计的电气、光学和/或热参数的变化的分析相对应的一系列问题的响应。
15.根据权利要求13所述的用于检测一个或更多个故障的方法，其特征在于，所述失效指示器由二进制数字系统(0:否或1:是)进行限定。
16.根据权利要求13所述的用于检测一个或更多个故障的方法，其特征在于，所述方法涉及与每件电气设备的使用寿命相对应的时间尺度上的所述电气系统的阵列中的所述电气设备的状态的比较。
17.根据权利要求13所述的用于检测一个或更多个故障的方法，其特征在于，导致所述系统停止的主要故障由提示当地居民通知该故障所涉及的公用设施的所述一件电气设备的(闪跃型)频率控制来传送。
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