CN112003360A - 一种多波段混合光能采集系统、采集方法及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种多波段混合光能采集系统、采集方法及存储介质，该采集系统包括光电转换单元；储能单元，与光电转换单元连接；及电压控制单元，与光电转换单元、储能单元连接，用于调节输出电压；还包括第一光伏电池，与光电转换单元连接，适用于采集自然光，其光学带隙在第一预设范围内；及第二光伏电池，与光电转换单元连接，适用于采集人造光，其光学带隙在第二预设范围内；第二光伏电池位于第一光伏电池上方且呈透明状，第二预设范围的最大值大于第一预设范围的最大值，且第二预设范围的最小值大于第一预设范围的最小值。本申请具有可选择性地装配第一光伏电池和第二光伏电池以在复杂光照条件下提高光能利用率的效果。
Description
技术领域
本申请涉及新能源采集的领域，尤其是涉及一种多波段混合光能采集系统、采集方法及存储介质。
背景技术
光电转换是通过光伏效应把太阳辐射能直接转换成电能的过程，其原理是光子将能量传递给电子使其运动从而形成电流。
随着电子技术和制造业的发展，低功耗产品的种类逐渐丰富，特别是5G时代的到来必将极大的推进物联网的发展，届时低功耗的无线传感器将会遍布在我们身边。相较于不断更新迭代的电子产品，其电源供能技术的进步却小得多，电池在能量的存储密度上没有太大提高。环境能源收集系统可以将环境能量转换为可用的电能，已成为有线和电池电源的潜在替代品。特别是光能采集系统，可以将低功耗设备很容易获得的光能进行收集和利用。但是低功耗设备所处的光照环境并不固定，如：白天可以接受自然光照射，晚上接受人造光照射的应用场景；自然光为全光谱，而如LED或者荧光灯等人造光则主要集中在400-750nm的可见光区域。通常适用于吸收自然光的光伏电池具有较窄的光学带隙，而适用于吸收人造光的光伏电池具有较宽的光学带隙。
针对上述中的相关技术，发明人认为存在以下缺陷：在应对复杂光照条件时，传统的单结光伏电池受限于对单一种类的光源，即自然光或者人造光的有效吸收，致使光伏电池不能在复杂光照条件下完成对光能的最大化利用。
发明内容
第一方面，为了提高光能利用率，本申请提供一种多波段混合光能采集系统。
本申请提供的多波段混合光能采集系统，采用如下的技术方案：
一种多波段混合光能采集系统，包括，
光电转换单元，用于将光能转化为电能；
储能单元，与光电转换单元连接，用于储存电能；
及电压控制单元，与光电转换单元、储能单元连接，用于调节输出电压；其特征在于，还包括第一光伏电池，与光电转换单元连接，用于采集自然光，其光学带隙在第一预设范围内；
及第二光伏电池，与光电转换单元连接，用于采集人造光，其光学带隙在第二预设范围内；
第二光伏电池位于第一光伏电池上方且呈透明状，且两者的感光面相互平行，第二预设范围的最大值大于第一预设范围的最大值，且第二预设范围的最小值大于第一预设范围的最小值。
通过采用上述技术方案，由于第二光伏电池呈透明状且两者的感光面相互平行，因此当外界光为自然光时，第二光伏电池可以吸收短波长的光子而产生相应电能，而波长大于第二光伏电池光学带隙的光子则会透过第二光伏电池，从而被第一光伏电池吸收，产生电能；也可以选择性地单独使用第一光伏电池单独工作，可以将波长小于第一光伏电池光学带隙的光子转化为电能。当外界光为人造光时，光子可以完全被第二光伏电池吸收，第一光伏电池处于不工作状态，可以选择性将其取下；第一光伏电池的光学带隙在第一预设范围内，适用于采集自然光；第二光伏电池的光学带隙在第二预设范围内，适用于采集人造光，以此使光伏电池脱离光学带隙的限制，从而可以同时采集利用自然光与人造光，进而提升光能利用率，实现光能的最大化利用；光电转换单元将光能转化为电能，并将电能储存至储能单元，电压控制单元调节光电转换单元、储能单元的输出电压，以此方便存储与利用电能。
优选的，所述第一预设范围为1.0-1.6eV，第二预设范围为1.5-2.3eV。
通过采用上述技术方案，自然光为全光谱，而LED或者荧光灯等人造光则主要集中在400-750nm的可见光区域，因此设置第一预设范围为1.0-1.6eV，设置第二预设范围为1.5-2.3eV，此时第二预设范围的最大值大于第一预设范围的最大值，且第二预设范围的最小值大于第一预设范围的最小值，从而提升光能利用率。
优选的，所述光电转换单元包括，
最大功率点追踪模块，分别与第一光伏电池、第二光伏电池连接，用于调节第一光伏电池、第二光伏电池的输出功率；
升压控制模块，分别与第一光伏电池、第二光伏电池、储能单元连接，用于调节储能单元的输入电压值。
通过采用上述技术方案，最大功率点追踪模块可以实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使采集系统以最大功率输出并对蓄电池充电，提升能源转化效率，从而提升光能利用率。
优选的，所述第一光伏电池与第二光伏电池采用四端叠层太阳能电池连接方式。
通过采用上述技术方案，四端叠层太阳能电池连接方式具有四个电极端子，即两个堆叠的电池分别引出各自的正负极，形成四个电极端子，可以实现两个电池独立工作，且可以通过插拔的方式选择任一电池单独工作或者两者同时工作，以此实现第一光伏电池与第二光伏电池的同时工作或单独工作。
优选的，所述第一光伏电池外包覆有盒体，所述盒体上开设有第一插槽及第二插槽，第一插槽与第二插槽上均设置有与光电转换单元连接的电极接口；
当第一光伏电池插入第一插槽内时与电极接口电连接；
当第二光伏电池插入第二插槽内时与另一电极接口电连接。
通过采用上述技术方案，通过第一光伏电池、第二光伏电池分别与第一插槽、第二插槽的插接方式实现采集系统的模块化，第二插槽位于第一插槽的上方，以此方便使用者依据现场条件分别或同时选用第一光伏电池、第一光伏电池，提高资源利用率。
优选的，所述第一光伏电池与第二光伏电池上转动设置有底座，所述底座上设置有角度调节装置，角度调节装置包括，
感光器，至少有两个，且分布于底座上方两侧，用于检测外界光照强度并输出光强度值；
驱动器，用于带动第一光伏电池与第二光伏电池转动；
控制组件，与感光器、驱动器连接，用于接收各感光器的光强度值，并筛选出最大光强度值与设定基准值比较，若该最大光强度值对应的感光器的光强度值大于设定基准值，则读取该感光器的角度信息，并依据角度信息计算得到校准信息，依据校准信息控制驱动器带动第一光伏电池与第二光伏电池转动至指定角度。
通过采用上述技术方案，感光器用于检测外界光照强度，至少有两个且分布于不同的方向，以此分辨外界光的方位；当其检测到某一方向的外界光的光强度值达到所有检测值中的最大值，且大于设定基准值时触发控制组件，使之控制驱动器带动第一光伏电池与第二光伏电池转动至当前感光器的位置，对光能进行采集，从而避免外界光方向改变而使第一光伏电池与第二光伏电池采集不到光能，从而可以提升能源利用率；且控制组件的触发对光照强度有要求，以此依据驱动器转动产生的能耗与光伏电池转动后通过光能可转化的能量找到能源增长的平衡点，从而平衡能耗与能源采集，提高能源利用率。
优选的，所述感光器上套设有呈喇叭状的导光罩，所述导光罩开口面较大的一侧朝向远离底座的一侧，各感光器对应的导光罩的朝向互成夹角。
通过采用上述技术方案，导光罩用于精确调节感光器的感光方向，以此减少其他光路的干扰，提升日光方向的检测精度，从而方便控制驱动器进行精准动作。
优选的，所述控制组件包括与感光器连接的计时器，当所有感光器的最大光强度值大于设定基准值时计时器开启计时，当该感光器的光强度值保持大于设定基准值的状态的持续时长超过设定时长时控制组件控制驱动器带动第一光伏电池与第二光伏电池转动。
通过采用上述技术方案，通过计时器检测感光器的光强度值保持大于设定基准值的状态的持续时间，以此消除其他暂态光源的干扰，例如手电筒、车灯短暂照射到感光器上时不会触发控制组件，从而避免驱动器误动作而产生多余的能耗。
第二方面，为了提高光能利用率。本申请提供一种采集方法，采用如下的技术方案：一种采集方法，采集以预设的太阳能电池为中心点的多个辐射方向上的外界光的光强度值；
获取并依据各辐射方向上的外界光的光强度值，筛选出最大光强度值，并与设定基准值比较；
若该辐射方向上的外界光的光强度值大于设定基准值，则读取其角度信息；
依据角度信息计算得到校准信息；
依据校准信息控制预设的太阳能电池转动至指定角度。
通过采用上述技术方案，采集以预设的太阳能电池，即第一光伏电池、第二光伏电池为中心点的多个辐射方向上的外界光，外界光可以是日光或者人造光源，辐射方向可以是朝向室外或者室内的方向，例如当室外光照强度大于室内且大于设定基准值，则读取其角度信息，依据角度信息算出转动角度，即校准信息，之后控制驱动器带动第一光伏电池与第二光伏电池转动至指定角度，从而实现最大的光能吸收率，提升能源利用率。
第三方面，为了提高光能利用率。本申请提供一种计算机可读存储介质，采用如下的技术方案：一种计算机可读存储介质，存储有能够被处理器加载并执行上述采集方法的计算机程序。
附图说明
图1是本申请实施例的整体拓扑示意图；
图2是本申请实施例的整体结构示意图，主要展示第一光伏电池、第二光伏电池；
图3是本申请实施例的爆炸结构示意图，主要展示电极接口；
图4是本申请实施例的角度调节装置的拓扑示意图；
图5是本申请实施例的方法流程图。
附图标记说明：1、盒体；11、第一插槽；12、第二插槽；13、电极接口；2、第一光伏电池；21、第二光伏电池；3、感光器；31、导光罩；4、驱动器。
具体实施方式
以下结合附图1-5对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例公开一种多波段混合光能采集系统、采集方法及存储介质。
参照图1、图2，多波段混合光能采集系统包括盒体1、第一光伏电池2、第二光伏电池21、光电转换单元、储能单元及电压控制单元。第一光伏电池2与第二光伏电池21用于采集光能，两者与光电转换单元连接，通过光电转换单元将光能转化为电能，产生的电能暂时储存于储能单元内。而储能单元采用蓄电池，其与负载之间连接有电压控制单元，用于对输出电压进行稳压等操作，从而构成光能向电能转化、能源采集至利用的完整系统。
盒体1呈方形，其上开设有方形的第一插槽11、第二插槽12，第一光伏电池2、第二光伏电池21均呈板状，且第一光伏电池2与第一插槽11插接，第二光伏电池21与第二插槽12插接，此时第二光伏电池21位于第一光伏电池2的上方，第一光伏电池2与第二光伏电池21相互平行、并排分布。第二光伏电池21表面采用透明材质包覆，如玻璃等材质，以此提高透光率，提升能源利用率。
参照图2、图3，且第一光伏电池2与第二光伏电池21采用四端叠层太阳能电池连接方式，即两者各自引出单独的正负极，且第一插槽11与第二插槽12上均设置有与光电转换单元连接的电极接口13。第一光伏电池2插入第一插槽11时其正负极与电极接口13单独连接，第二光伏电池21插入第二插槽12时其正负极与另一电极接口13单独连接，以此实现两个光伏电池的独立工作，且可以通过插拔的方式选择任一电池单独工作或者两者同时工作，其相比于传统的两端叠层太阳电池具有更佳的适用性。
其中，第一光伏电池2用于采集自然光，其光学带隙在第一预设范围内，第一预设范围优选为1.0-1.6eV；而第二光伏电池21用于采集人造光，其光学带隙在第二预设范围内，第二预设范围优选为1.5-2.3eV。两者的感光面相互平行，当外界光照射于第一光伏电池2与第二光伏电池21上时，第二光伏电池21可以先吸收人造光的光能，第一光伏电池2再吸收自然光的光能，二者可选择性使用，以此应对于复杂的光照条件，进而提升光能利用率。且当盒体1放置于室外时可以优先选用第一光伏电池2，也可以第一光伏电池2和第二光伏电池21同时选用，而当盒体1放置于室内时可以优先选用第二光伏电池21，从而方便采集不同类型光的光能。
参照图1、图3，光电转换单元包括最大功率点追踪模块及升压控制模块。最大功率点追踪模块即MPPT模块，用于实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使采集系统以最大功率输出并对储能单元充电，提升能源转化效率。最大功率点追踪模块有两组且分别与第一光伏电池2、第二光伏电池21连接，用于分别调节第一光伏电池2、第二光伏电池21的输出功率，从而同步提升自然光与人造光的能源转化效率。
而升压控制模块，与最大功率点追踪模块一一对应，且分别与第一光伏电池2、第二光伏电池21、储能单元连接，用于调节储能单元的输入电压值，以此实现对蓄电池的充电。升压控制模块可采用型号为DMD-yjss-30a的升压充电控制器。而电压控制单元，与储能单元连接，用于调节输出电压，起到稳定电压输出的作用，可采用mps5.1型号的控制器。由于太阳能电池使用过程中可能会存在着过充电、过放电现象，而这种现象会损坏蓄电池，因此在蓄电池上连接有充电保护电路，用于避免蓄电池受到损伤，充电保护电路可采用CN3801充电管理芯片实现。
参照图3、图4，在盒体1的底部通过轴承转动设置有圆形的底座，且在底座与盒体1之间设置有角度调节装置，其包括感光器3、驱动器4及控制组件。感光器3至少有两个，本实施例设置有两个，且分别分布于底座上方两侧，且两个感光器3的感光方向互成夹角，夹角小于180°，以此依据不同方位的感光器3分辨外界光的光照方向。
感光器3可采用FW-I-SA485型号的光照度传感器，用于检测外界光照强度并输出光强度值。且感光器3上套设有呈喇叭状的导光罩31，导光罩31开口较小侧边沿与感光器3的感光侧通过螺钉连接。导光罩31开口面较大的一侧朝向远离底座的一侧，且各感光器3对应的导光罩31的开口朝向互成夹角，以此精确调节感光器3的感光方向，以此减少其他光路的干扰，提升日光方向的检测精度，从而方便控制驱动器4进行精准动作。导光罩31上可安装透明玻璃，以此减少粉尘、雨水对感光器3的损伤，延长其使用寿命。
驱动器4包括步进电机及齿轮箱，步进电机带动齿轮箱传动，齿轮箱带动盒体1转动，以此控制第一光伏电池2与第二光伏电池21转动，从而使第一光伏电池2与第二光伏电池21朝向光照较强的方向，提升光能的采集效率。
参照图，3、图5，控制组件采用处理器及PLC控制器，处理器与两个感光器3均连接，用于接收各感光器3的光强度值，并筛选出最大的光强度值与设定基准值比较。若该最大光强度值对应的感光器3的光强度值大于设定基准值，则读取该感光器3的角度信息，角度信息可以是该感光器3的感光方向与水平面的夹角值。
之后处理器依据角度信息计算得到校准信息，校准信息即当前盒体1所处的角度值与最大光强度值对应的感光器3的角度值的偏移量。且PLC控制器与驱动器4连接，用于依据校准信息通过PLC控制器控制驱动器4带动第一光伏电池2与第二光伏电池21转动至指定角度。例如当前时刻，盒体1上第一光伏电池2的感光方向与水平面的相对夹角为30度，而最大光强度值对应的感光器3的感光方向与水平面的夹角值为120度，则偏移量为90°，即驱动器4需要控制盒体1转动90度。此时第一光伏电池2与外界光的光照方向相对，重新对光照较强的外界光进行光能的采集，从而提升能源利用率。
控制组件包括与感光器3连接的计时器，当各感光器3的最大光强度值大于设定基准值时计时器开启计时，当该感光器3的光强度值保持大于设定基准值的状态的持续时长超过设定时长时，处理器通过PLC控制器控制驱动器4带动第一光伏电池2与第二光伏电池21转动。即当有强光照射感光器3且照射持续时间达到设定时长时，如持续超过5s时，处理器控制盒体1转动，以此消除其他暂态光源的干扰，例如手电筒、车灯短暂照射到感光器3上时不会触发驱动器4等，从而避免驱动器4误动作而产生多余的能耗。
应用上述多波段混合光能采集系统可实现以下采集方法，其包括如下步骤：采集以预设的太阳能电池为中心点的多个辐射方向上的外界光，并获取外界光的光强度值，光强度值通过感光器3检测并输入，而预设的太阳能电池可采用第一光伏电池2、第二光伏电池21。
之后获取并依据各辐射方向上的外界光的光强度值，筛选出最大光强度值，并与设定基准值比较。其中，外界光可以是日光或者人造光源，辐射方向可以是朝向室外或者室内的方向，而设定基准值可以通过实验测量获取，其需要参考盒体1转动产生的能耗与转动后光伏电池可采集到的光能的收益率等参数。
与设定基准值比较时，若该辐射方向上的外界光的光强度值大于设定基准值，则读取其角度信息，角度信息可以是该感光器3的感光方向与水平面的夹角值。再依据角度信息计算得到校准信息，校准信息即当前盒体1所处的角度值与最大光强度值对应的感光器3的角度值的偏移量。
之后依据校准信息控制驱动器4带动预设的太阳能电池，如带动第一光伏电池2与第二光伏电池21转动至指定角度。例如当室外光照强度大于室内且大于设定基准值，则读取室外侧的感光器3的角度信息，依据角度信息算出转动角度，即校准信息，之后控制驱动器4带动第一光伏电池2和/或第二光伏电池21转动至室外的指定角度，从而实现最大的光能吸收率，提升能源利用率。
本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其内存储有能够被处理器加载并执行上述采集方法的计算机程序。计算机可读存储介质例可包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本申请实施例多波段混合光能采集系统的实施原理为：使用者可根据室外与室内的光照条件选用第一光伏电池2或第二光伏电池21，当室外光照较强时，可以将盒体1安装至室外，并将第一光伏电池2插入第一插槽11内，使之与电极接口13电连接，此时可对自然光的光能进行采集。同时也可将第二光伏电池21插入第二插槽12内，第二光伏电池21置于第一光伏电池2上方，使之与电极接口13电连接，此时可同时对人造光的光能进行采集，从而提高能量利用率。第一光伏电池2、第二光伏电池21分别连接最大功率点追踪模块与升压控制模块后并联接入蓄电池，从而实现第一光伏电池2、第二光伏电池21的单独供电，实现采集系统的模块化供电。
当外界光的光照方向发生改变时，采集以第一光伏电池2、第二光伏电池21为中心点的多个辐射方向上的外界光，获取对应光照强度最强的辐射方向的角度信息，依据角度信息算出转动角度，之后通过处理器控制驱动器4带动第一光伏电池2与第二光伏电池21转动至指定角度，从而实现最大的光能吸收率，提升能源利用率。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多波段混合光能采集系统，包括，
光电转换单元，用于将光能转化为电能；
储能单元，与光电转换单元连接，用于储存电能；
及电压控制单元，与光电转换单元、储能单元连接，用于调节输出电压；其特征在于，还包括第一光伏电池（2），与光电转换单元连接，用于采集自然光，其光学带隙在第一预设范围内；
及第二光伏电池（21），与光电转换单元连接，用于采集人造光，其光学带隙在第二预设范围内；
第二光伏电池（21）位于第一光伏电池（2）上方且呈透明状，且两者的感光面相互平行，第二预设范围的最大值大于第一预设范围的最大值，且第二预设范围的最小值大于第一预设范围的最小值。
2.根据权利要求1所述的多波段混合光能采集系统，其特征在于，所述第一预设范围为1.0-1.6eV，第二预设范围为1.5-2.3eV。
3.根据权利要求1所述的多波段混合光能采集系统，其特征在于，所述光电转换单元包括，
最大功率点追踪模块，分别与第一光伏电池（2）、第二光伏电池（21）连接，用于调节第一光伏电池（2）、第二光伏电池（21）的输出功率；
升压控制模块，分别与第一光伏电池（2）、第二光伏电池（21）、储能单元连接，用于调节储能单元的输入电压值。
4.根据权利要求1所述的多波段混合光能采集系统，其特征在于，所述第一光伏电池（2）与第二光伏电池（21）采用四端叠层太阳能电池连接方式。
5.根据权利要求1所述的多波段混合光能采集系统，其特征在于，所述第一光伏电池（2）外包覆有盒体（1），所述盒体（1）上开设有第一插槽（11）及第二插槽（12），第一插槽（11）与第二插槽（12）上均设置有与光电转换单元连接的电极接口（13）；
当第一光伏电池（2）插入第一插槽（11）内时与电极接口（13）电连接；
当第二光伏电池（21）插入第二插槽（12）内时与另一电极接口（13）电连接。
6.根据权利要求1所述的多波段混合光能采集系统，其特征在于，所述第一光伏电池（2）与第二光伏电池（21）上转动设置有底座，所述底座上设置有角度调节装置，角度调节装置包括，
感光器（3），至少有两个，且分布于底座上方两侧，用于检测外界光照强度并输出光强度值；
驱动器（4），用于带动第一光伏电池（2）与第二光伏电池（21）转动；
控制组件，与感光器（3）、驱动器（4）连接，用于接收各感光器（3）的光强度值，并筛选出最大光强度值与设定基准值比较，若该最大光强度值对应的感光器（3）的光强度值大于设定基准值，则读取该感光器（3）的角度信息，并依据角度信息计算得到校准信息，依据校准信息控制驱动器（4）带动第一光伏电池（2）与第二光伏电池（21）转动至指定角度。
7.根据权利要求6所述的多波段混合光能采集系统，其特征在于，所述感光器（3）上套设有呈喇叭状的导光罩（31），所述导光罩（31）开口面较大的一侧朝向远离底座的一侧，各感光器（3）对应的导光罩（31）的朝向互成夹角。
8.根据权利要求6所述的多波段混合光能采集系统，其特征在于，所述控制组件包括与感光器（3）连接的计时器，当所有感光器（3）的最大光强度值大于设定基准值时计时器开启计时，当该感光器（3）的光强度值保持大于设定基准值的状态的持续时长超过设定时长时控制组件控制驱动器（4）带动第一光伏电池（2）与第二光伏电池（21）转动。
9.一种采集方法，应用权利要求6中任意一条所述的多波段混合光能采集系统实现，其特征在于，包括如下步骤，
采集以预设的太阳能电池为中心点的多个辐射方向上的外界光的光强度值；
获取并依据各辐射方向上的外界光的光强度值，筛选出最大光强度值，并与设定基准值比较；
若该辐射方向上的外界光的光强度值大于设定基准值，则读取其角度信息；
依据角度信息计算得到校准信息；
依据校准信息控制预设的太阳能电池转动至指定角度。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，存储有能够被处理器加载并执行如权利要求9所述的采集方法的计算机程序。
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