CN111095788A

CN111095788A - 可部署的太阳能发电机模块和系统

Info

Publication number: CN111095788A
Application number: CN201880052314.2A
Authority: CN
Inventors: 蒂莫西·詹姆斯·拉森
Original assignee: Smart Block Co Ltd
Current assignee: Smart Block Co Ltd
Priority date: 2017-08-14
Filing date: 2018-08-14
Publication date: 2020-05-01
Also published as: AU2018308961A1; AU2018308961B2; US20200252022A1; WO2019033161A1

Abstract

一种手动部署的太阳能发电机模块(200)，该模块包括：至少一个光伏太阳能电池板(201)，其形成具有周边的太阳能电池阵列；太阳能电池板接口单元(302)，用于从至少一个太阳能电池板接收DC电源；至少一个储能电池(336)，其耦接接口单元；电池管理子系统(303,305)，其耦接储能电池；DC‑AC逆变器(324)，具有耦接储能电池的输入；至少一个受保护的AC插座(327)，其经由AC总线由DC‑AC逆变器(324)的输出供电；其中，太阳能电池板阵列、接口单元、储能电池、电池管理子系统、逆变器以及AC插座集成在单一封装(208)中；该单一封装包括结实框架(284)和与该框架相关的外壳体(290)，并基本环绕太阳能电池阵列的周边，壳体(290)具有侧面，侧面具有接合结构(292)，接合结构可释放地连接到相邻太阳能发电机模块的壳体的相对侧面。

Description

可部署的太阳能发电机模块和系统

技术领域

本发明涉及在可再生能源领域中的应用，尤其涉及从例如太阳辐射的自然现象产生电能并存储之，特别地，使用光伏电池以直接转换成电能。

背景技术

当前的光伏太阳能系统存在许多关键性的技术问题，尤其对于希望在偏远地区使用或由个人用作备用电源的情况，问题包括如下：

复杂性：现有的光伏系统相对复杂，需要技术人员安装多个单独的组件，才能为住宅、商区和/或轻工业供电。这种复杂程度和安装要求阻碍了太阳能光伏技术的便利使用，尤其是不符合条件的最终用户的使用。而以汽油引擎为驱动的发电机通常可以很方便地从当地五金店购得，这些发电机可向住宅供电（例如通过通用型插座输出240伏交流电）。与已知的太阳能光伏设备相反，汽油发电机及相关的电源管理系统设置在可输出居民用电的单一产品中，并且只要遵守操作说明，一般人就可以安全使用该产品。

可扩展性：尽管现有的家用或商用太阳能光伏系统在设计上本就具有可扩展性，但它们在安装后通常固定于建筑物或类似结构（例如运输集装箱或拖车）。最终用户不能简单地增加额外的发电容量，当然也不能够不重新考虑系统的所有技术方面，包括：安装、布线、逆变器选型（sizing）和电池选型、电池管理（如果有此设置）、以及保护子系统。在替代方案中，小型太阳能光伏系统通常只能为手持设备供电，例如移动电话或平板电脑，这些手持设备仅损耗5v DC且通常使用四个（4）1.5v的可充电干电池。

可部署性：太阳能光伏系统也相对脆弱，需要小心运输以避免损坏，并且还需要花费一些时间来安装和设置它们。相反，以汽油引擎为驱动的发电机通常可以由个人启动并运行，以例如在几分钟内提供备用电源。汽油发电机的缺点是需要小心处理挥发性液体燃料并安全存储之。

便携性：尽管现有技术移动式太阳能发电厂通常以集装箱和/或由半挂车或轮船运载，但是其特点是，其产生的能量以及存储容量比单个家庭或小型商业机构所需的大得多，并且对于固定的太阳能装置，由于体积非常大，存在相同的安装问题，同时运输成本非常高、以及随之而来的内在问题——不适合手动部署。如在PCT国际专利申请WO 2017/083687 A1中公开的，这种大规模太阳能发电厂的典型方式是在集装箱化的外壳中设置模块化的光伏灯和供电柜，该些模块具有用于照明运动场的伸缩式立柱。

对现有技术的方法、装置或文献的任何引用均不应被视为其形成的任何证据或认可、或构成本发明技术领域的公知常识的一部分，无论是在澳大利亚还是任何其他国家。

发明内容

在本发明的第一实施例中，提供了一种可部署的太阳能发电机模块，其包括：

- 至少一个光伏太阳能电池板，其形成具有周边的太阳能电池阵列；

- 太阳能电池板接口单元，用于从至少一个太阳能电池板接收直流电源；

- 至少一个储能电池，其耦接接口单元；

- 电池管理子系统，其耦接储能电池；

- DC-AC逆变器，具有耦接储能电池的输入；

- 至少一个受保护的AC插座，其经由AC总线由DC-AC逆变器的输出供电；

其中，太阳能电池板阵列、接口单元、储能电池、电池管理子系统、逆变器以及AC插座集成在单一封装中；

- 该单一封装包括结实框架和与该框架相关的外壳体，并基本环绕太阳能电池阵列的周边，壳体具有侧面，侧面具有接合结构，接合结构可释放地连接到相邻太阳能发电机模块的壳体的相对侧面。

优选地，结实框架提供集成组件的抗震结构，外壳体配置为能够竖直堆叠以用于运输和/或存储。

根据以下所述的太阳能发电机模块，其中，壳体容纳用于将太阳能发电机模块支撑在期望位置或手动操作的安装结构。

安装结构可以包括可枢转地安装至结实框架的可调节腿，每个可调节腿包括用于固定到支撑表面的足部。适当地，安装结构包括设置在外壳体的前面和/或后面上的把手。如果需要，安装结构可包括设置在外壳体的端面或侧面上的轮构件或滚子。

优选地，接合结构包括外壳体的相对侧面上的多个突起和/或多个互补的凹口。突起包括一对管状构件，凹口包括适于容纳相邻太阳能发电机模块的管状构件的插座。可替代地，突起和凹口呈齿状壳体部件形式交替地设置，其中外壳体的第一侧面上的齿状部件与外壳体的第二侧面上的齿状部件互补。

外壳体的表面包括用于将相邻的模块电性连接在一起的电连接器。相邻的发电机模块的电性连接包括为已连接的模块提供公共AC总线。

电连接器包括分别设置在外壳体的第一侧面和第二侧面上的电插头和电插座。电连接器设置在外壳体的第一侧面和第二侧面上，与连接器相关的电线容纳在一外套管中。适当地，电连接器的组件和坚固的弹性外套管在相邻的模块之间提供电性连接，并有助于将模块彼此连接。

优选地，接口单元、储能电池、电池管理子系统和逆变器的工作由容纳在集成组件内的主控制单元（MCU）进行协调。适当地，MCU通过公共数据总线与相邻的模块通信，电连接器还包括用于连接相邻模块的公共数据总线的连接器。

太阳能发电机模块还还包括整流器，用于在MCU的控制下有选择地由AC总线为储能电池充电。

MCU可适当地设置成检测相邻的太阳能发电机模块的电性连接，并使该相邻模块中太阳能光伏阵列和储能电池的使用与AC总线上存在的任何AC电压同步。MCU还可以在外壳体的第一侧面和第二侧面中的每一个侧面上均设有与AC总线连接器和/或数据总线连接器相关的感测线。

在本发明的另一方面，提供了一种太阳能发电机系统，其包括根据本发明在前述发明内容中描述的已连接的多个太阳能发电机模块。

在本发明的又一方面中，提供了一种用于管理根据前述内容描述的可部署的太阳能发电机模块中电能的使用和存储的方法，该方法包括以下步骤：

- 检测至少一个储能电池的充电状态；

- 由逆变器和/或外部DC电源的任何多余可用电源为电池充电。

太阳能发电机管理方法还可包括利用整流器由AC总线上的AC电压通过AC总线为电池充电，和/或利用整流器由外部AC电源为电池充电。适当地，MCU在AC总线上检测是否存在任何外部AC电源，例如来自相邻的太阳能发电机模块的AC电源。

在本发明的另一方面，提供了一种太阳能发电机系统，其包括根据本发明在前述内容中描述的方法工作的已连接的多个太阳能发电机模块。

在本发明的另一方面，提供了一种手动部署的流体能量发电机模块，该模块包括：

- 至少有一个由流体驱动并与发电机相连以产生电能的螺旋桨或叶轮；

- 发电机接口单元，用于从发电机接收电能；

- 至少一个储能电池，其耦接至接口单元；

- 电池管理子系统，其耦接至储能电池；

- DC-AC逆变器，其输入耦接储能电池；

其中推进器或叶轮驱动、接口单元、储能电池、电池管理子系统，逆变器和交流电源插座集成在单一封装中；

- 该单一封装包括结实框架和与该框架相关的外壳体，并基本环绕螺旋桨或叶轮驱动器的周边，壳体具有侧面，侧面具有接合结构，接合结构可释放地连接到相邻流体能量发电机模块的壳体的相对侧面。

在前述流体能量储能模块的一种形式中，至少一个螺旋桨或叶轮可包括风力涡轮机。在前述流体能量储能模块的一种形式中，至少一个螺旋桨或叶轮包括风力涡轮机。

附图说明

从下面的具体实施方式中可以看出本发明的优选特征、实施方式和变型。具体实施方式为本领域技术人员提供了足够的信息来实现本发明。绝不能以任何方式认为具体实施方式的详细说明限制了本发明的范围。

具体实施方式部分将参考如下的多个优选实施例的附图：

图1是第一实施例的单个太阳能发电机模块100的顶部透视图，其具有安装在背板上的电池；

图2是第一实施例的次要变型的单个太阳能发电机模块100’的顶部透视图，其中电池安装在顶部；

图3是多个第一实施例的太阳能发电机模块堆叠后呈存储结构状的顶部透视图；

图4是图1的太阳能发电机模块的前端剖视图；

图5是图1的太阳能发电机模块的后端剖视图；

图6是图1的太阳能发电机模块的仰视图或后视图，示出了与太阳能PV电池相关的电池以及其他组件；

图7是图1的太阳能发电机模块在已部署的构造中被支撑构件举起的后视图；

图8是图7的已部署的太阳能发电机模块的左侧透视图；

图9是图7的已部署的太阳能发电机模块的右侧透视图；

图10是本发明第一实施例的太阳能发电机系统中一连串的图7的太阳能发电机模块100.1、100.2、100.3彼此耦接后的前透视图；

图11是图9的太阳能发电机模块的“B”部分的局部放大视图，其中示出了模块左侧面上的电插座和联接的插头；

图12是图8的太阳能发电机模块的“A”部分的局部放大视图，其中示出了模块右侧面上的电插头和联接的插座；

图13是如图6和图7所示的太阳能发电机模块的主要电路组件的框图；

图14是本发明第二实施例的单个太阳能发电机模块200的俯视正投影视图；

图15是图14的太阳能发电机模块的后端视图，其中在后端的提手上增加了另外一对轮子；

图16是图14的太阳能发电机模块的俯视图；

图17是图14的太阳能发电机模块的前端视图；

图18是图14的太阳能发电机模块的右侧视图；

图19是图14的太阳能发电机模块的左侧视图；

图20是图14的太阳能发电机模块的仰视图或后视图，示出了背面安装的部件；

图21是堆叠的多个第二实施例的太阳能发电机模块的顶部正投影视图；

图22是图14的太阳能发电机模块的分解透视图；

图23是图14的太阳能发电机模块的壳体或外壳的顶部正投影视图，其中太阳能发电机模块中已移除了太阳能电池板；

图23C是图23的壳体的局部分解图，示出了支撑轮的配件；

图24是另一太阳能发电机系统的前透视图，该另一太阳能发电机系统采用了互连多个图14的第二实施例的太阳能发电机模块互连；

图25是图24的太阳能发电机系统的前面剖视图，示出了若干个模块耦接的位置；

图25A是图25的发电机系统的局部放大主剖视图，示出了处于第一位置的第一模块耦接连接；

图25B是图25的发电机系统的局部放大主剖视图，示出了处于第二位置的第二模块耦接连接；

图25C是图25的发电机系统的局部放大主剖视图，示出了处于第三位置的第三模块耦接连接；

图26是图29至图33组合成第二实施例的太阳能发电机模块的组件的示意性复合电路图的要览图；

图27是第二实施例的太阳能发电机的主要电路组件（如图22所示）的上层设计的框图；

图28是图27的电池组和相关断路器组件的详细电路图；

图29是图27的最大功率点跟踪器（MPPT）和电池充电控制器组件的详细电路图；

图30是图27的整流器和相关的连接继电器组件的详细电路图；

图31是与图27的主控制单元（MCU）的一部分互连的详细电路图；

图32是与图27的MCU的另一部分和DC/AV逆变器互连的详细电路图；

图33是与图27的AC总线相关的AC传感器和AC总线控制继电器的详细电路图；

图34是本发明的第三实施例的太阳能发电机模块400的前透视图；

图35是图34的太阳能发电机模块400的局部放大图，详细示出了拆卸轮构件；

图36是图37所示系统的两个相邻的太阳能发电机模块的局部放大图，详细示出了模块互连结构；

图37是利用两个图34所示类型的连接模块的太阳能发电系统的顶部透视图。

注意：本文所包括的太阳能发电机模块的一些图像具有“SOLAR BLOX”字样，这是对本发明的太阳能发电机模块的建议性商业商标，且已经向一些商标局提交了商标注册。

具体实施方式

如图1和图4-图6所示，本发明第一实施例的太阳能发电机模块100包括太阳能光伏电池阵列110，其在本实施例中呈输出功率为200W的单个太阳能光伏板的形式，但是应当理解，该电池阵列可以使用若干个较小的光伏板。太阳能光伏阵列110设置在单一封装180中，并安装到结实的框架184（见图6），以使太阳能光伏板免受运输途中的撞击。封装180包括在本实施例中环绕太阳能光伏板110的外壳体190，该壳体包括侧面192和端面194。图4示出了前端面194f，而图5示出了后端面194r。各端面具有水平设置的提手196。在本实施例中，壳体190的后端面194r具有DC插座170，其提供5v USB和/或12v电源。如果需要，壳体190的端面上也可以设置电池充电端口。

壳体190的侧面192设有接合结构，在本实施例中，其包括从左侧面192p延伸的突起或插销186以及形成于右侧面192s中相配合的凹口或承槽188（也参见图3）。接合结构用于将相邻的模块机械地耦接在一起（参见图10）；图6和图8-图10将对这些结构作进一步描述。

在本实施例的壳体190的左侧面192p上还设置有电连接器，其在此呈连接到可伸缩电线160的AC插座162的形式，也参见图11。右侧面192s上设置有互补的电连接器，其在此呈电插头164的形式，参见图12。本实施例的插头和相关电缆有助于将太阳能发电机模块100内部的AC总线（162，参见图13）点连接到相邻的太阳能发电机模块（例如100.2，参见图10）。或者，根据所传送的电压和/或电流，可以采用其他配置的电连接器。

从图3至图5中可以理解，壳体190的设置便于运输或存储所需要的垂直堆叠的太阳能发电机模块100.1、100.2、100.3。在本实施例中，壳体190的顶部外围表面设置有定位孔191，定位孔191可在堆叠状态下与定位凸耳195接合，定位凸耳从壳体的背部外围表面向下延伸，也参见图6和图7。相配合的凸耳和孔使得堆叠的模块100的相对横向运动减至最低限度，并使模块间隔开以防止直接加载太阳能光伏阵列110。

转到图6，该图示出了太阳能发电机模块100的后视图，从中可以看到一些主要电气组件，它们整体安装在太阳能光伏阵列110下方并位于壳体190内。所示组件包括太阳能电池板接口单元120、蓄电池130、DC/AC逆变器140和主控制单元（MCU）140、以及包括AC总线162和DC/数据总线172的布线。壳体190通过框架184得以加固，框架184具有纵向板构件181和横跨壳体侧面的侧向构件，后者由向外突出的插销186延伸构成，并包括在扩大的相对侧向端处的承槽188。

实施例的蓄电池130利用锂/铁/磷酸盐（LiFePO4）电池技术，并且可以具有480Whr或960Whr的额定存储容量。根据所选电池容量的要求，该逆变器相称地为具有500w或1kW容量的微型逆变器。下面将结合图13中的组件框图详细讨论这些组件的功能。

在图7至图9中，示出了太阳能发电机模块100，其具有包括多个可调节支撑腿183的安装结构，该些支撑腿在纵向板构件181的靠近壳体190的端部可枢转地安装到框架184。枢轴185通过棘爪适当地以多个预选角度位置相对于壳体锁定在适当的位置。本实施例的支撑腿183的长度也是可调节的，包括多个伸缩部分，每个伸缩部分为管状结构。主板 183p设置在每个支撑腿的远端以防止在软表面上下沉，并且还包括孔眼，从而能通过螺栓或栓钉将模块100固定到地面。

可调节的支撑腿能让太阳能电池阵列110在太阳经过天空时很容易与太阳的位置成一定角度，以便在任何给定的季节或全球任一位置上尽可能更多地捕获太阳能。如图7至9所示，通过调节支撑腿183，模块100的太阳能电池阵列110可设置在相对于水平面大约30°处，从而在某些位置捕获一般冬季时太阳辐射的能量。

转到图10，其示出了包括多个太阳能发电机模板100的太阳能发电机系统，该些模块因从下方的折叠位置展开的支撑腿183而升高（参见图6），并且已经并排地连接在一起。例如，从中间模块100.2的壳体190.2的左侧面192p突出的插销186（参见图9）机械地连接到设置在外侧模块100.1的相对的右侧面192s中的承槽188（参见图8）。对于相对侧模块100.3，重复前述操作，可以看出模块是如何适当地以可释放的卡扣配合结构连接在一起以形成多模块的系统。

在对模块100.1和模块100.2进行机械连接之前，将AC电源插座160从中间模块100.2中抽出（参见图11），并将之与外侧模块100.1的AC电插头164相接以电性连接模块100，从而在它们之间提供公共AC总线162。注意，在如图11和图12所示的太阳能发电机模块100的实施例中，在左侧面192p上设置保护性管状套筒166，其可容纳于右侧面192p的相对孔188内，以防止无意中断开AC电插头164和电源插座160之间的电性连接。

第一实施例的太阳能发电机模块可以有两种变型：如图1所示的在背板集成电池的变型100，以及如图2所示的在顶部安装电池的变型100'（其中相似的参考特征用上撇号标记），二者仅在电池放置位置上存在不同。这两种变型可以用于适应不同的环境情况，例如，在顶部安装电池103'的模块变型100'被认为具有更好的散热性能。

图13中示出了第一实施例的太阳能发电机模块100的主要电气组件的框图。这些组件包括太阳能电池板接口单元120，其在此例中包括用于接收太阳能光伏阵列110产生的原始DC电源的最大功率点跟踪器（MPPT）。该实施例的接口单元还包括耦接至电池组130的充电控制器154，该电池组包括一个或多个用于存储由太阳能电池阵列110在内的面板提供的太阳能的蓄电池。

主控制单元（MCU）150用于控制模块100内的DC功率流，包括从太阳能电池板接口120或电池组130到DC/AC逆变器140。MCU还集成了电池管理子系统152，用于控制不时地需要从电池组130汲取的功率，以增加直接从太阳能光伏阵列110提供的功率。还可以设置充电端口132，用于电池组130的直接充电。

逆变器140的AC输出可在标称115v和230v的AC电压电平之间切换，并可通过保护子系统161和AC总线162提供给AC电源插座。保护子系统161为内部逆变器140以及以上述图10有关的方式接合的连接的外部负载和/或其他太阳能发电机模块提供短路和过电流保护。在模块100的DC侧，还设置了来自MCU 150和相关的DC插座的数据总线172，例如5v USB类型的连接器。

现在结合图14至图20来描述本发明的太阳能发电机模块200的第二实施例（其已经由申请人进一步开发），该些附图描绘了模块的外部特征。类似第一实施例，本模块200包括基本平面状的太阳能光伏（PV）板201。太阳能电池板的额定功率为160W，但是应当理解，可以采用其他PV板额定值，例如具有80瓦电池板的较小模块或者具有300瓦电池板的较大模块。将来也有可能转向使用尺寸与当前160瓦额定功率相同但更为高性能的PV板（例如170瓦）。当前的PV板201由外围壳体290包围并形成单一封装280。

然而，第二实施例的壳体290的特点在于，侧面292具有互补的接合结构，该互补的接合结构包括呈锯齿形或齿形结构的交替的突起286和凹口288，在所示实施例中，这些结构恰好是角截头（angular truncated）的结构。从图16可以最好地理解，壳体290的左侧面292p上的齿状啮合结构与右侧面292s上的齿状啮合结构相啮合。

壳体的端面294还在前端面294f和后端面294r上均设置有提手296。在该实施例中，可以看到一对间隔开的提手296竖直在壳体290的每个端面上。前端面294f上的一对把手还各自包括轮283，将在下面结合图23和图23C作进一步描述。

如图15所示，最佳地，壳体290的后端面还包括用于12v/24v直流电源220的插座连接，12v/5v直流电源插，以及集聚在薄膜面板208中的用户开关板208.3、LED指示器 208.2和用户界面显示屏208.1。前端面294f还包括用于外部AC连接的输入线连接器233，用于外部编程的数据总线连接210.3，以及外部12v AC充电端口204，参见图17。

转向壳体290的右侧面292s，如图18所示，其上包括了右侧AC连接231和右侧数据连接210.2。这些连接与图19所示壳体左侧面292p上的部件呈镜像关系，即壳体的左侧面292p上包括了左侧的AC连接230以及用于将多个模块连接在一起的左侧数据连接210.1。图20是模块200的后视图，示出了逆变器224h和太阳能电池板接口单元202h中的每一个的散热器。

图23示出了未安装太阳能电池板201的模块200的透视图。其中示出了用于太阳能电池板的安装板281，该安装板带有一套小的弹性支撑件，在安装时，这些支撑件将电池板稍微抬离安装板，从而在太阳能电池板201的背面和塑料壳体290的顶部之间出现气隙。这种结构是可取的，因为太阳能电池板的背面会变得非常烫，而该气隙有助于减少热量进入放在下方的电池和电子设备舱（参见图22）。

此外，可以在与装置的顶部和底部相邻的端面294中以槽297的方式设置通风孔。这些槽设计成能让空气在电池板（又称光伏板）下方流动，以自然冷却太阳能电池板201的背面。这是因为太阳能光伏板在冷却状态下的性能更好，因此让光伏板的背面得以冷却可以提高其性能。当光伏板背面加热且其周围空气跟着变热时，通过自然对流，热空气将通过顶部和底部的通风孔排向冷空气。

在图21中可以看出，模块200.1、200.2、200.3、200.4设计为彼此堆叠以确保太阳能电池板201分离的方式，因此不会在电池板上产生直接施加的压力。前述堆叠通过位于把手296上表面上的凸缘295得以容易实现，而提手位于设置在提手下表面内的配合孔291中（参见图20的底视图）。

图22示出了模块200的壳体190的局部分解图，其中太阳能PV板201和承载着该板的一套弹性支撑件289已经与下面的底盘287分离。底盘287包括第二实施例的结实框架的一部分，包括多个部件托架。这些托架包括由外壳体290包围的用于蓄电池230、逆变器240和主控制单元（MCU）250的托架。壳体290的带状部位281包括上述的齿状接合结构，用于将太阳能PV板201和安装板定位在适当位置，并通过配置螺栓或销来固定。在该实施例中，将安装板281的侧边缘也锯齿形化。

图23示出了已组装但无太阳能PV阵列的模块200，图23C的分解图示出了提手296的细节，即其包括直立的凸缘295和安装结构，该安装结构包括可选用的轮构件283，该轮构件可方便地连接至提手。轮结构能够让模块得以方便地重新放置，例如，可以让一个人通过抓住壳体190后端上的提手来调换位置。

图24和25至图25C示出了如何将多个太阳能发电机模块200连接在一起。相对的侧壁上的锯齿形或齿形结构能让相邻的模块彼此轻松地滑动，然后通过横跨侧面连接的连接器266将模块固定在适当的位置，以将AC总线230、231及数据总线210.1、210.2分别固定在模块的每一侧。如图25所示，这种耦合连接将一个装置的左侧连接到另一个装置的右侧。

在图25A，25B和25C中可以看到连接器266的细节，其示出了模块200之间的可行的相对运动范围。根据需要，连接器266包括坚硬但有弹性的外部保护套，该外部保护套固定到滚花的终端以及适用于AC电压或数据总线的封闭接线（根据需要）。在连接时，通过（例如）将过载的连接器从与其配合的插座拔出，连接器266可以在安全失效之前处理一定量的负载。连接器提供的灵活性让具有多个互连模块的太阳能发电机系统能够处理如图25所示的模块之间一定程度的地面运动。此外，这意味着可以供应更长的电缆来处理更大范围的电缆分离（如果需要）。

图27示出了用于第二实施例的模块200中的太阳能发电机功率管理和控制电路300的主要功能组件的上层设计的框图。功能组件包括具有最大功率点跟踪器（MPPT）302和电池充电控制器305的太阳能电池板接口单元，该太阳能电池板接口单元经由太阳能电池板输入301从太阳能PV阵列接收直流电压下的电能。电池板接口单元通过断路器335耦接电池组336，该断路器又耦接至DC/AC逆变器324。逆变器324具有耦接至可切换的AC插座327的AC输出，且逆变器还耦接至AC总线329。

MPPT 302、充电控制器305、断路器335和DC/AC逆变器324中的每一个都在主控制单元（MCU）306的控制下运行。MCU 306还提供如下多个控制或DC电压输出：a）包括开关308.3、LED状态灯308.2和显示器308.1的用户界面结构，可切换的12v或24v DC插座320，5vDC插座323，数据总线链接310和通信模块337。

转向图26，其是一组后续附图的要览图，即图28至图33更详细地说明了电源管理和控制电路300，其包括连接太阳能发电机模块所需的控制。应当注意，带圆圈的附图标记将本文读者引向适合的附图编号，其中电路在逻辑上是连续的。每个附图中的互连电路由位于方括号内的字母符号标识，例如[A]标识太阳能PV板阵列201和太阳能电池板接口单元之间的连接，其包括图29中示出的MPPT 302。

图28示出了用于电池组336的电路，其可以包括多个电池组（例如如图23 所示）和互连的断路器/电池隔离开关335。断路器在从充电控制器[F]、MCU [L]和逆变器[AN]至电池组[AO]的每个电路连接之间形成了有效的电节点。断路器335在跳闸时可由用户手动复位，并且可以根据需要手动断开以断开电池供电。

图29示出了太阳能光伏板和电路[A]至MPPT 302的连接点。MPPT元件采用降压/升压转换器的常规方法，以使太阳能电池板工作在能最优化电池板输出的电流的电压下，从而提取最大功率点。该最大功率点会随着入射太阳辐射和相关环境条件（例如环境温度）而动态变化。MPPT可配置为处理各种太阳能电池板，能让装置根据需要而与较小的电池板、较大的电池板或一系列电池板一起使用。

在本实施例中，MPPT和充电控制器（CC）305是同一集成电路控制器设备的一部分。因此，充电控制器可以对由MCU通过线[E]提供的控制信息以及MPPT的DC输出作出反应，该DC输出对应于同样提供给充电控制器的太阳能电池板的最优化的电平。充电控制器还通过线[C]连接到整流器（参见图30），以从外部AC电源（包括任何互连的太阳能发电机模块）为电池组充电。

图29还是出了非易失性或闪存设备314，其以不受因功率损耗造成的不利影响的方式存储信息。闪存连接到MCU 306（参见图31），并存储例如模块序列号、制造数据、电池状况、特定模块的性能和配置信息等此类信息。相邻的连接[B]也能让5v备用电池直接连接到MCU。

图30示出了将来自AC总线329的交流电转换为12v直流电并将其提供给充电控制器305（如上图29所述）的整流器303。受MCU 306（参见图31）经由线[AH]控制的整流器连接继电器332被置于AC总线329和整流器303之间。整流器的典型容量为60W，能够根据需要处理115v 60Hz或230v 50Hz的AC电源。图中还示出了与外部AC总线的连接有关的感测线ACL，稍后将在有关图33的内容中予以描述。图30的下部还示出了DC总线K及相关联的外部感测线DCL，稍后同样在有关图33的内容中予以描述。

图31中示出了太阳能发电机模块200的主控制单元306的一部分（对比图32）。MCU从多个传感器和接口获取输入，并将这些输入用于决策，从而产生包括如下的输出：开关控制（例如通过继电器，比如经由线AH的整流器控制继电器），驱动用户显示和指示器，以及向其他电路（例如MPPT/CC和逆变器组件）发出控制命令。MCU还通过数据总线310控制与其他模块/其他设备的通信（见图32）。MCU集中在大型微控制器（例如ARM 1675设备）上，后者加载有模块控制软件，并执行所有已编程的决策。

前面已经在图29有关的内容中描述了连接B和连接E，且在图30中也类似地描述了连接[AH]。另外会详细描述电池组接口[L]，其提供从电池组336到MCU 306的直流电（正极和接地）。MCU用于将电池组提供的电源转换为能使模块的集成电路300工作的功率电平。此外，MCU 306通过继电器将电池组的电源切换到其直流附件供电点320、323。图31还示出了电池传感器315，其测量可用的电池电压和其他电池参数（例如充电状态），并跟着通知MCU。

电流传感器318、321监视DC供电线传送到附件供电点320、323的电流，并各自向MCU回报该信息。MCU将这些信息用于如下目的。目的之一是跟踪功率的输出，即插座正在供应多少电力。目的之二是监视过电流情况，即，如果用户试图拉大电流或短路插座，则MCU将检测到此异常状态并关闭相关的继电器319、322（这既是保护功能，又是安全功能）。此外，电流传感器还能让MCU作出有关省电的判决。如果MCU检测到该插座在指定的时间段内起作用，但当前尚未被动用，则它可能会关闭该相应的插座。这是因为插座可以在继电器“接通”状态下消耗功率。

设置连接MCU306的连接点312，以能够进行外部编程，期间的连接包括连接线M，目前可以采用JTAG和UART中的任何一种用于编程和调试目的的协议进行工作。

转向图31的上部，示出了用户接口连接308至MCU 306的连接，其中包括屏幕动作或光标控制组308.1，LED指示灯驱动器308.2，以及开关组308.3中的附件开关、逆变器开/关开关、模块模式开关和按钮上的显示屏，它们一起组合在用户界面总线H上。在太阳能发电机模块的第二实施例的一种优选结构中，这些接口分组并分别连向每个用户按钮、用户显示屏和LED指示灯，后者为薄膜开关/显示面板208（如上图15的描述）的一部分。

现转向图32，其中示出了连接到MCU 306的其余连接，包括温度传感器阵列316。在本实施例中，有四个（4）温度传感器，其中，两个传感器316.1、316.2线连接至电池盒，一个传感器316.4在电子设备盒中，另一个传感器316.3用于测量外部环境温度。这些温度信息用于告知MCU 306是否需要关闭某些电子设备或电池并允许降温。对于每个传感器，温度传感器总线P包括向温度传感器提供Vcc和接地线，温度传感器通过单根导线返回一个解释为提供温度读数的信号。

图32所示的另一组件是逆变器324，在该实施例中其优选地为纯正弦波类型，且额定为1kW。MCU 306经由逆变器总线X向逆变器发送信号，以提供开/关、电压设置、功率设置和传感器数据的指令。逆变器提供可以指示故障的反馈信号，并且存在信号接地线。电池组（见图28）通过输入线AN向逆变器324提供DC电源。在通过逆变器324进行逆变之后，将选定电压（和频率）的交流电提供给交流母线[AB]和相邻的交流电插座327。

关于图33，是另一条控制线（在逆变器总线X下方）使用总线Y中的AC感应信号来管理AC总线连接继电器328，下文将对此进一步描述。MCU 306还可以提供用于外部LCD屏308.4的接口线，例如可用于扩展的MCU诊断显示和/或与通过接口M进行的外部编程有关（请参见图31）。

MCU块下面边界上的连接线将会在下文结合图33作进一步描述。但是，引入AC总线左侧传感器线路是有用的，它包括线ACL（x2）、数字/DC总线左侧传感器线路DCL（x2）、数字数据总线A、B、G(nd)、数字/DC总线右侧传感器线路DCR（x2，其中至少之一取决于RS485）、以及AC总线右侧传感器线路ACR（x2）。回到图30，左/右模型有助于理解“左”线路（在查看图33时），以及图33中的右线路，它们反映了太阳能发电机模块壳体290的各个侧面292上各个连接器在理论上的物理位置。

转向图33，其中示出了AC传感器311，AC传感器确定AC总线上是否存在任何电压，包括对电压正弦波的过零检测。该信息通过传感器/控制线Y反馈到MCU 306和逆变器314，以及通过继电器控制线338由MCU有选择地操作的AC总线连接继电器328，该信息根据需要连接逆变器324。跨过这些接口线Y，逆变器可以感测AC总线329上是否存在现有的AC信号，并决定是与现有的电压波形同步，还是生成其自身的AC电压。

AC连接点331包括有效导体AC+和中性导体AC-，AC连接点代表模块200中AC总线的端点，在本实施例中，其被右侧面的连接器231（见图18）停止。感测线ACR上的传输能让MCU306检测外部AC连接何时与右侧AC连接器231建立连接。AC总线329的相对端上有一个相应的连接点330，如图30所示，其对应于连接器230（见图19）。类似地，感测线ACL上的传输能让MCU检测外部AC连接何时与左侧AC连接器230建立连接。这些感测线用于将多个太阳能发电机模块连接到系统（例如，如图24所示）。

RS 485数据总线K（线A，B，Gnd）包括相似的结构，用于使用感测线DCL（见图30）在模块左侧连接器210.1的每个左侧数据总线端310.1处进行连接检测，以及使用感测线DCR在相应的模块右侧连接器210.2的右侧数据总线端310.2处进行连接检测。

现在转向讨论当两个（或更多）太阳能发电机面板在系统中连接在一起时MCU 306的操作，如图24所示。MCU不断监视每个电池组336中的电荷。例如，如果有4个模块200已连接且需要交流电源，在检测到每个模块中的电池状态后，将从电池电量最高的模块取电，待其电量降低到某个预定电平时，接着向电池电量第二高的模块取电，借此最大程度地延长电池寿命并平衡电池。当模块暴露在阳光下并因此充电时，如果一个模块已充满电而另一个模块距离充满电还相差很远，则已连接的交流总线会将电荷从充满电的模块转移到较低电量的模块，但仅限于已充满电的模块保持充满电的程度（即，其在被取电时也被充回电）。这种充电策略可实现电池充电和放电同步，而不会浪费电。

使用时间不长的电池（新电池）的检测：如果在一个已建好的系统中有例如3个模块，然后若干年后增加第4个模块，则MCU将检测出使用时间更为不长的电池组，并始终首先使用它以便延长使用时间更长的电池（旧电池）的寿命（即先加大力度使用新电池）。

热管理：MCU不断监视电池和内部电力电子设备的温度，并使用此信息来确定打开/关闭哪个模块。在一连串模块构成的系统运行时，负载在模块之间以这样的方式循环，即在环境限制条件下能最优化热状况。每个MCU还具有安全机制，可防止组件过热，并在必要时禁用相关模块中的电池部分和电池。

MCU监视负载状况并打开/关闭一连串模块中的逆变器以支持负载状况。作为电池同步的一部分，还内置了整流器，这些整流器能使得各个模块可以由交流总线上的可用电源为自己充电。所有这些都可基于节省电源并以受控方式来实现。例如，不希望通过逆变器产生交流电并同时整流回直流以给电池充电，因为这样最终会导致能量损失。

参考图27，其旨在将通信模块337设置为根据需要提供对模块的可选GPS跟踪以及要内置到模块中的4G无线通信卡。例如，当政府部署这些模块以用于救灾时，他们可以跟踪到各装置的位置以备后用。

图34至图37示出了本发明的太阳能发电机模块400的第三实施例。该模块设置在单一封装480中，该封装具有结实的框架，该框架具有环绕太阳能PV板410的外围的外壳体490。外壳的每个侧面492均设有用于容纳突起486的凹口488（详细参见图36 ）以连接相邻的模块400.1、400.2。

外壳体490的端面设有用于可移动地容纳模块的辅助设备（例如安装轮483）的隔室。在所示实施例的模块400中，该隔室包括带有预成型保持托盘的可滑动抽屉部分485，但在其他变型实施例中，可以简单地包括位于隔室上方的铰接盖。

图35示出了模块400的一角的局部放大视图，其中轮483安装在位于侧凹部488中的轴构件。在本实施例中，轮具有双重目的，易于重新放置各个模块。

图36示出了一对互连模块400.1、400.2的进一步放大的局部视图。这里，采用突起486将相邻的模块彼此附接，该突起呈具有螺纹端部和中心六角形驱动部分的轴形式。

图37示出了安装到汽车的车顶行李架（未示出）的两个模块400.1、400.2。如果需要，可以启用太阳能PV板，以能在“行驶中”为内部电池组充电。根据需要，可以在外壳体的端面上设置提手496。

本发明的可部署的太阳能发电机系统（“DSGS”）的实施例可以解决集成组件或产品中太阳能发电机模块的一个或多个前述关键技术问题如下所述：

a)集成组件将光伏发电系统的所有组件组合为单一的组合后产品或模块。该模块最佳地包括光伏板、布线、最大功率点跟踪器、充电控制器、电池管理系统、电池、逆变器、短路与过流保护、以及电源插座等。这些组件集成到单个可手动部署的封装中，使得模块通过通用插座（比如传统电源线的母端）输出住宅电力（例如在澳大利亚为240伏）。还提供了直流输出，例如5伏USB类型，12v甚至24v。DSGS还可以带有一个充电端口，使电池可以直接充电。这些组件集成并封装在单个产品中，因此与以汽油引擎为驱动的便携式发电机一样安全和方便地使用。

b) DSGS模块具有作为框架突起的安装输入或插座或输出，以能够连接到其他相邻的DSGS模块。这意味着可以同时将多个DSGS插在一起，以形成多模块DSGS的模块链。这一连串模块包括电气连接，从而可以将多个DSGS的电力和电流相加（直到额定最大允许电流）。在一个实施例中，电气连接包括两条住宅电力线的连接（即公插头连接器和母插座连接器），其本质上类似于用户熟悉的将两条延长线连接在一起。为了安全起见，内置了保护子系统，可确保连接在一起的DSGS模块的数量不超过布线的电流承载能力。这使得DSGS可以方便地扩展以适应各个电源需求，并且可以随时轻松地增加或减少DSGS的容量。

c) DSGS产品包括加固耐用的外壳，可以安全堆叠和运输。外壳装有可以固定到屋顶或折叠起来的安装结构，以能够进行现场安装或板安装（slab installation）；或者在替换的示例中，能够安装轮构件，以便于手动操作。从而，一个人可以在几分钟之内建立一个DSGS模块。

本发明的有益效果

本发明一个或多个实施例的太阳能发电机模块涉及若干关键有益效果：

简单：DSGS内置电池组的光伏系统像可以从当地五金店购买的以汽油引擎为驱动的发电机一样简单。这意味着使用者无需经过正式培训即可日常使用太阳能发电模块。

可扩展：DSGS的应用完全是可扩展的，且通过简单地与相邻模块互连在一起而可以随时轻松地被增加。

可部署：DSGS可以在不平地形中运输，并可在数分钟内手动设置好；这使得太阳能光伏发电技术成为救灾工作中提供电力的可行选择。

要注意的是，为了方便起见，在此说明书关于优选实施例的讨论中使用的位置形容词，例如顶部/底部（或背部）、前/后和右/左，不应解释为限制太阳能发电机模块内部或上方的组件的特定方向（包括其构建或使用时的方向）。例如，在替代实施例中，出现在优选实施例中的侧面上的特征可以替代地设置在端面上，这种替代不背离所附权利要求的精神和范围。

本发明已经采用或多或少针对结构或方法特征的语言在合法规的前提下予以描述。术语“包括”及其近义词，例如“包括”和“由...组成”在全文中以包括性含义使用，而不是排除任何其他特征。

应当理解，本发明不限于所示出或描述的特定特征，因为本文所描述的方案包括使本发明生效的优选形式。因此，本发明是以本领域技术人员适当解释的所附权利要求书的适当范围内的任何形式或修改要求予以保护。

Claims

1.一种手动部署的太阳能发电机模块，所述模块包括：

- 太阳能电池板接口单元，用于从至少一个所述太阳能电池板接收直流电源；

- 至少一个储能电池，其耦接所述接口单元；

- 电池管理子系统，其耦接所述储能电池；

- DC-AC逆变器，具有耦接所述储能电池的输入；

2.根据权利要求1所述的太阳能发电机模块，其特征在于，所述结实框架提供集成组件的抗震结构，所述外壳体配置为能够竖直堆叠以用于运输和/或存储。

3.根据权利要求1或2所述的太阳能发电机模块，其特征在于，所述壳体容纳用于将太阳能发电机模块支撑在期望位置或手动操作的安装结构。

4.根据权利要求3所述的太阳能发电机模块，其特征在于，所述安装结构包括可枢转地安装至结实框架的可调节腿，每个可调节腿包括用于固定到支撑表面的足部。

5.根据权利要求3所述的太阳能发电机模块，其特征在于，所述安装结构包括设置在所述外壳体的前面和/或后面上的把手。

6.根据权利要求3所述的太阳能发电机模块，其特征在于，所述安装结构包括设置在所述外壳体的端面或侧面上的轮构件或滚子。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的太阳能发电机模块，其特征在于，所述接合结构包括所述外壳体的相对侧面上的多个突起和/或多个互补的凹口。

8.根据权利要求7所述的太阳能发电机模块，其特征在于，所述突起包括一对管状构件，所述凹口包括适于容纳相邻太阳能发电机模块的管状构件的插座。

9.根据权利要求7所述的太阳能发电机模块，其特征在于，所述突起和凹口呈齿状壳体部件形式交替地设置，其中所述外壳体的第一侧面上的齿状部件与所述外壳体的第二侧面上的齿状部件互补。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的太阳能发电机模块，其特征在于，所述外壳体的表面包括用于将相邻的模块电性连接在一起的电连接器。

11.根据权利要求10所述的太阳能发电机模块，其特征在于，相邻的发电机模块的电性连接包括为已连接的模块提供公共AC总线。

12.根据权利要求10或11所述的太阳能发电机模块，其特征在于，所述电连接器包括分别设置在所述外壳体的第一侧面和第二侧面上的电插头和电插座。

13.根据权利要求10或11所述的太阳能发电机模块，其特征在于，所述电连接器设置在所述外壳体的第一侧面和第二侧面上，与所述连接器相关的电线容纳在一外套管中。

14.根据权利要求13所述的太阳能发电机模块，其特征在于，所述电连接器的组件和坚固的弹性外套管在相邻的模块之间提供电性连接，并有助于将模块彼此连接。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的太阳能发电机模块，其特征在于，接口单元、储能电池、电池管理子系统和逆变器的工作由容纳在集成组件内的主控制单元（MCU）进行协调。

16.根据权利要求15所述的太阳能发电机模块，其特征在于，MCU通过公共数据总线与相邻的模块通信，所述电连接器还包括用于连接相邻模块的公共数据总线的连接器。

17.根据权利要求15或16所述的太阳能发电机模块，还包括整流器，用于在MCU的控制下有选择地由AC总线为储能电池充电。

18.根据权利要求15至17中任一项所述的太阳能发电机模块，其特征在于，MCU设置成检测相邻的太阳能发电机模块的电性连接，并使该相邻模块中太阳能光伏阵列和储能电池的使用与AC总线上存在的任何AC电压同步。

19.根据权利要求18所述的太阳能发电机模块，其特征在于，MCU在所述外壳体的第一侧面和第二侧面中的每一个侧面上均设有与AC总线连接器和/或数据总线连接器相关的感测线。

20.一种太阳能发电机系统，包括已连接的多个根据权利要求1至19中任一项所述的太阳能发电机模块。

21.一种用于管理可部署的太阳能发电机模块中电能的使用和存储的方法，所述可部署的太阳能发电机模块为根据权利要求15至19中任一项所述的太阳能发电机模块，所述方法包括以下步骤：

- 检测至少一个储能电池的充电状态；

22.根据权利要求21所述的太阳能发电机管理方法，当太阳能发电机从属于权利要求17至19中的任何一项时，其特征在于，利用整流器由AC总线上的AC电压通过AC总线为电池充电，和/或利用整流器由外部AC电源为电池充电。

23.根据权利要求22所述的太阳能发电机管理方法，当太阳能发电机从属于权利要求19时，MCU在AC总线上检测是否存在任何外部AC电源，例如来自相邻的太阳能发电机模块的AC电源。

24.一种太阳能发机电系统，包括根据权利要求21至23中任一项所述的方法工作的已连接的多个根据权利要求15至19中任一项所述的太阳能发电机模块。