CN1945925A - 太阳能智能控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太阳能智能控制器，该控制器置于用电设备、蓄电池组、市电网系统之中，并经通信基站与总控制中心进行信息交互，该装置包括有：信息采集模块、信号处理模块、缓存器、中央控制单元、I/O接口、通信模块、光伏转化模块及提供光能能源的太阳光，是集太阳光能转化为电能、智能输出电能、智能变压变流于一体的控制器。本发明的效果是该控制器满足了海洋航标灯供电、通信基站设备供电等远离市电网的特殊环境下的电能源供应，实现了对太阳光能的接收、采集、能量照度分析、转换为电能。该控制器可以多台组成配电系统网络及监控网络，相互协调工作，协作处理事故。该控制器还配置固定的IP地址，使总控制中心可以对太阳能智能控制器及其控制下的用电设备进行遥测、遥控、遥讯和遥调等。

Description

太阳能智能控制器

技术领域

本发明的太阳能智能控制器，涉及太阳光能采集技术、光伏转化技术、卫星定位技术、数字蜂窝移动通信技术(GSM)、微电子技术、计算机微处理器控制技术、数字信号处理技术、以太网通信技术、远程监控技术、电能并网技术、市电变压变流技术等多种技术，是一种对太阳能转化、控制使用的智能化器件。

背景技术

太阳能、风能、氢能、地热能以及农村生物能等可再生能源，它们储量非常丰富，而天然矿产资源呈逐年减少的趋势，甚至有些地区还出现了能源供应危机。把太阳能加以利用，转化为直接可利用的电能，就能缓解当前的能源紧张状况。有些用电设备处于远距离的、恶劣的、隔离的环境，市电就很难到达，只能由蓄电池供电，蓄电池储量有限，供电难度增加。蓄电池工作状况不易测定，维护起来比较麻烦，且蓄电池的寿命输出、电压值也是影响用电设备可以正常稳定工作的因素。所以把太阳能提供的持续的能量，经过转化后为其供电显得尤为重要。

航海航标、通信基站、偏远地区等市电比较难到达的领域，一般采用蓄电池供电，但蓄电池储备电量有限，需要定期的充电或更换电池，持续性就比较差，维护起来也较困难，这样的用电领域就更需要现场提供能源的装置。本设计的太阳能智能控制器具有接收太阳光能输入、输出电能的功效，并且不受地理位置的限制，满足了上述特殊情况下的用电需求。把太阳能这种可再生能源转变成电能，也是社会主义新农村建设中能源供应的新思路。

通常的电能控制器只是把一种形式的电能转化为另一种形式的电能，交、直流之间的互化，仅仅使输出的电压、电流数值发生变化，这样的控制器可以根据用电设备对电能的需要，把满足要求的电输出给设备，满足设备的用电需要，但它不具有实时检测功能、通信功能、监控能力，控制器自身运行的稳定性没有保障。控制器不能稳定工作时，输出的电就有可能会出现不能满足要求的情况，甚至会出现烧毁用电设备的现象，缺少检测手段，对控制器维护起来也比较麻烦。总控制中心和控制器之间的联系不够紧密，起不到实时监控的作用，控制器的维护及换件都需要重新测定参数，操作起来比较繁琐、复杂。

发明内容

为了克服传统电源控制器技术上的缺点，本发明的目的是提供一种太阳能智能控制器，满足特殊环境下的供电，该装置是一种集太阳光能转化为电能、智能输出电能、智能变压变流于一体的控制器，它具有实时检测功能、信息信号处理功能、通信功能，监控和维护起来都比较便易。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种太阳能智能控制器，该控制器置于用电设备、蓄电池组、市电网系统之中，并经通信基站与总控制中心进行信息交互，其中：该装置包括有：信息采集模块、信号处理模块、缓存器、中央控制单元、I/O接口、通信模块、光伏转化模块及提供光能能源的太阳光；太阳光照射该控制器的光伏转化模块，光伏转化模块在中央控制单元的控制下把光能转变成电，并通过I/O接口输出给所述用电设备、蓄电池组、市电网；信息采集模块将实时地采集到的信息数据传送给信号处理模块，信号处理模块对输送过来的信息进行处理并把处理过的信息输出给缓存器暂存，中央控制单元根据从缓存器读取的数据后重新调节工作；通信模块发送并接受中央控制单元的信息；

光伏转化模块接受照射过来的太阳光，并根据光的能量照度信息把光能转化成电能，中央控制单元控制信息采集模块去采集能够输出的电压值和用电设备要求的电压值，同时自动地控制信号处理模块对由信息采集模块传送过来的两个电压值分析、比较，中央控制单元根据比较的结果调节I/O接口电路，把满足用电设备要求的电压输出；经中央控制单元判断电量满足用电设备正常用电需要后有剩余，若蓄电池组蓄电未满，把多余电量送给蓄电池组储备，若蓄电池组蓄电已满，电能仍有剩余，中央控制单元把多余电量并入市电网；光伏转化模块转化而来的电能量供应不能满足用电设备的用电需要时，中央控制单元读取蓄电池组储电信息，确定蓄电池组有电能储备，提取蓄电池组的储备电能，调节后输出给用电设备，蓄电池组蓄电用尽时，中央控制单元把市电网提供的电转变成满足用电设备要求的电压后输出；

所述信息采集模块采集中央控制单元运行信息、I/O接口连接的设备运行信息、蓄电池组储备信息、光伏转化模块运行信息参数，把采集到的信息输出给信号处理模块；

所述缓存器置于信号处理模块和中央控制单元之间，缓存器暂时储存由信号处理模块处理过的信息，等待中央控制单元读取，以防信息丢失；

所述通信模块是与总控制中心之间信息交互的纽带，实时返回中央控制单元的运行参数，也包括用电设备、蓄电池组运行信息，同时也接收从总控制中心反馈的信息，把这些信息输传送给中央控制单元。

所述信号处理模块采用DSP实现，输出处理后的数据给缓存器，并等待中央控制单元缓存器读取数据。

所述的通信模块通过以太网通信与总控制中心之间信息交互，加载以太网通信协议控制以太网网卡进行数据传输，并按以太网通信协议连接到互联网。

本发明的效果是该控制器满足了海洋航标灯供电、通信基站设备供电等远离市电网的特殊环境下的电能源供应，实现了对太阳光能的接收、采集、能量照度分析、转换为电能。对用电设备供电、电能储备、电能并网于蓄电提取、市电转化的结合，充分利用了电能源，节约了发电设备的损耗，节省了市电消耗及市电的发电设备的损耗，节省了市电传输线路及其对电能的损耗。该控制器可以多台组成配电系统网络及监控网络，相互协调工作，协作处理事故。该控制器还配置固定的IP地址，使总控制中心可以对太阳能智能控制器及其控制下的用电设备进行遥测、遥控、遥讯和遥调等。

附图说明

图1是本发明的原理结构图；

图2是本发明的能量转化部分的结构图；

图3是设备的硬件框图；

图4是本发明的通信原理图；

图5是本发明的太阳能接收电路图；

图6是本发明的控制部分硬件电路原理图；

图7是本发明光伏发电、并网原理图；

图8是本发明的控制器在航海航标、通信基站中供电图；

图中：

1.信息采集模块       2.信息处理模块      3.缓存器

4.中央控制单元       5.I/O接口           6.通信模块

7.时钟电路           8.光伏转化模块      9.放大器

10.报警              11.复位看门狗       12.太阳光

13.传感器            14.多路选择开关     15.缓冲放大器

16.总控制中心        17.蓄电池组         18.通信基站

19.市电网            20.接收面           21.接线盒

22.逆变电路单元        23.滤波单元       24.DC-DC变换单元

25.保护开关            26.主配电器       27.电度表

28.光伏阵列的监控装置                    29.民用电设施

30.海洋航标、通信基站

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的太阳能智能控制器结构加以说明。

本发明的太阳能智能控制器置于航海航标及通信基站、民用电设施、蓄电池组、市电网系统之中，通过无线通信与总控制中心进行信息交互，其结构包括信息采集模块1、信号处理模块2、缓存器3、中央控制单元4、I/O接口5、通信模块6、光伏转化模块8等功能模块构成，完成对太阳能12的接收、转化，并且控制转化而来的电能的输出，是一个智能化的太阳能转化、智能控制电能输出的器件。

如图1、2、4、5所示，光伏转化模块8由接收面20和接收盒21组成，太阳光12向各个方向辐射，当太阳光到达本发明的太阳能智能控制器的光伏转化模块8的接收面20时，接收面20是由光敏材料做成，针对照射过来的太阳光，接收面20把接收到的光能信息经过处理后输出给光伏转化模块8的接收盒21，接收盒是由二极管、过压保护电路构成，由接收面20传递过来的光照信息激活接收盒21内的稳压二级管，输出比较稳定的电压。同时过压保护电路也起到监控的作用，预防因为由接收面20接收到的光能照度信息不稳定而导致光伏转化模块8输出的电压过大或过小，烧坏接收盒21内部的二极管及内部光伏转化电路。光伏转化阵列的监控装置29实时检测是否存在过压或欠压状况，并把检测的信息上报中央控制单元4，等待中央控制单元4对工作状况的调整。接收面20接收到的光能信息受太阳的位置、天气情况、环境温度、接收面的位置的影响，信息处理模块2(DSP)实时处理由信息采集模块1检测到的接收面20的工作情况信息，光伏转化模块8输出的电压过大或过小，信息处理模块2(DSP)就会处理这些工作信息并把处理后的结果经由缓存器3输出给中央控制单元4，由中央控制单元4对接收面20的位置、方向角、倾斜度给出调整命令，并付诸实施，调整接收面20，其结果是接收面20的位置、方位角、倾斜度变化而使输出的电压趋于稳定。多个光伏阵列26都输出了稳定的电压，输出的电经过多路选择开关14、放大器9(LF398)之后，提升了的电压在中央控制单元4控制下继续向后传递。

如图6所示，在本发明中，中央控制单元4采用Microchip公司生产的PIC16F877系列单片机实现，单片机由微处理器(CPU)、数据存储器(SRAM)，I/O口(PO口、P1口、P2口、P3口)、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器(SFR)组成，单片机的共性是体积小、重量轻、抗干扰能力强、环境要求小、价格低廉、可靠性高、灵活性好、成本低、功耗低等特点，PIC系列单片机性能高、全静态设计、片内带有EPROM、具有精简指令集RISC结构、30多条单字节指令，除跳转指令为双周期指令外，其余均为单周期指令，编程简洁，内置的CPU采用指令线、数据线分离的哈佛结构，两级流水线指令取数与执行，这使得PIC单片机在代码压缩与执行速度方而和同类8位单片机相比，具有较大的优势，开发较为容易。时钟电路7提供单片机运行的时钟频率。在本发明的设计、研制中起到中央处理单元的作用，在输入的信息的影响下，控制着其它功能模块的运行情况；滤波单元24负责电信号的过滤，DC-DC变换单元23完成电流的转变。

如图3所示，为了使输出的电压能满足设备的需要，就必须比较设备工作的额定电压和功率与控制器能输出的电压之间的大小关系，这些信息的比较由信号处理模块2完成。本发明设计中信号处理模块2有数字信号处理器(DSP)实现，本设计中采用的数字信号处理器是TEXASINSTUMENTS(TI)公司推出的TMS320LF2407芯片，其内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以快速地实现各种数字信号处理算法。信号处理模块2(DSP)把比较后的信息结果告知中央控制单元4，中央控制单元4是本发明的控制器正常运行的保障，它控制着光能到电能的转换效率，并起着门限保护、报警、状态显示等功能。中央控制单元4中处理的都是数字量，所以参数信号采集进来进过A/D转换后再送进中央控制单元进行比较和运算，中央控制单元跟据比较的结果调节稳压输出回路使最终输出的电压满足设备需要。电的交、直流不能匹配时，中央控制单元启动逆变电路单元22，使输出满足用电设备的要求。

如图5、7、8所示，光伏转化模块8产生的电能经过中央控制单元后输出给用电设备，中央控制单元实时读取由信息处理模块2(DSP)处理后的电能供应信息、蓄电池储量信息，若前端的光伏转化模块8供应的电能出满足航海航标及通信基站30、民用电设施29当前的用电需要外，仍有电量富余，中央控制单元4控制逆变电路单元22，把电能储存到蓄电池组17，已备不时之需；若条件允许，还调动逆变电路单元22对转化来的电能经过相应的转化，逆变电路单元22与市电并网运行的输出控制可分为电压控制和电流控制。市电系统可视为容量无穷大的定值交流电压源，并网逆变电路单元22的输出采用电压控制，这种情况下要保证系统稳定运行，就必须采用锁相控制技术以实现与市电同步，在稳定运行的基础上，可通过调整逆变电路单元22输出电压的大小及相移以控制系统的有功输出与无功输出，若由于锁相回路的响应较慢、逆变电路单元22输出电压值不易精确控制、可能出现环流等问题，就采取同样功率等级的电压源并联运行方式；逆变电路单元22的输出也可采用电流控制，只需控制逆变电路单元22的输出电流以跟踪市电电压，即可达到并联运行的目的。主配电器26控制将要入网的电能分配，保护开关25限制着入网的电流，以防烧坏出数线路，电度表27测电能流量。并入市电网19的那部分剩余电能，供应给其他的用电需要使用，充分利用能源的同时，也减少了其他形式的发电设备的消耗。若因某种原因，光伏转换模块8输出的电能不能满足用电设备的需要时，中央控制单元4就会自动地询问蓄电池组17，确定蓄电池组由储备电能，把蓄电池组的储备电能调出供用电设备的用电需要，蓄电池组的电量储备还不能完全的满足设备用电需要，市电供应允许的情况下，中央控制单元4就会访问市电网19，并把市电经过相应的变压变流转化，把满足航海航标及通信基站30、民用电设施29需要的电能输出给用电设备，解决此时的能源供应问题。

信息采集模块1采集光伏转化模块8的接收面20、接收盒21的运行信息、蓄电池组17的电量储备信息、中央控制单元的运行信息、输出给航海航标及通信基站30、民用电设施29的供电信息、设备运行信息、并网情况等，这些采集的信息都要经过信息处理模块2(DSP)的高效处理之后，这些信息传送给中央控制单元4并等待其对运行情况的调整。同时，这些信息经由通信模块6按照以太网通信协议发射出去，同时通信模块6也实时地接收从总控制中心16反馈回来的处理信息，及时地对目前的工作做出相应的调整，出现严重故障时，总控制中心16派人员前来维修或换件。

如图4所示，每个太阳能智能控制器都配置了固定的IP地址，相当于给控制器配置了固定的IP地址，IP的寻址和路由功能，地理上的每一个太阳能智能控制器都可以在以太网中找到它们的地址，太阳能智能控制器和总控制中心16之间信息交互起来，太阳能智能控制器和总控制中心16作为通信目的和通信源通过IP协议寻找起来比较方便。通信模块6发送、接收信息功能，多台太阳能智能控制器组成一个发电、供电网络、智能监控网络，多台太阳能智能控制器之间协作供电，若其中一个出现供电故障，其他的太阳能智能控制器还可以给予协助供电，若是出现控制故障，其他的太阳能智能控制器协助其处理故障并暂时代替其工作，等待总控制中心16的最终处理。由于通信模块6全天候实时地把采集到的控制器及其控制下的设备的运行信息，通过以太通信网返回总控制中心16，中心根据返回的信息对控制器的工作做出适当的调整，出现任何控制器自身不能解决的故障，总控制中心16给出处理决策，并能立即指派维护人员前来维护、维修，实时的反馈信息处理减少异常工作时间，甚至不出现异常工作时间，真正地实现对地理地址上的太阳能智能控制器及其控制下的用电设备系统的遥测、遥控、遥讯和遥调等功能，保证供电的持续性。

Claims (4)

1、一种太阳能智能控制器，该控制器置于用电设备、蓄电池组(17)、市电网(19)系统之中，并经通信基站(18)与总控制中心(16)进行信息交互，其特征是：

该装置包括有：信息采集模块(1)、信号处理模块(2)、缓存器(3)、中央控制单元(4)、I/O接口(5)、通信模块(6)、光伏转化模块(8)及提供光能能源的太阳光(12)；太阳光(12)照射该控制器的光伏转化模块(8)，光伏转化模块(8)在中央控制单元(4)的控制下把光能转变成电，并通过I/O接口(5)输出给所述用电设备、蓄电池组(17)、市电网(19)；信息采集模块(1)将实时地采集到的信息数据传送给信号处理模块(2)，信号处理模块(2)对输送过来的信息进行处理并把处理过的信息输出给缓存器(3)暂存，中央控制单元(4)根据从缓存器(3)读取的数据后重新调节工作；通信模块(6)发送并接受中央控制单元(4)的信息；

所述光伏转化模块(8)接受照射过来的太阳光(12)，并根据光的能量照度信息把光能转化成电能，中央控制单元(4)控制信息采集模块(1)去采集能够输出的电压值和所述用电设备要求的电压值，同时控制信号处理模块(2)对由信息采集模块(1)传送过来的两个电压值分析、比较，中央控制单元(4)根据比较的结果调节I/O接口(5)电路，把满足用电设备要求的电压输出；经中央控制单元(4)判断电量满足用电设备正常用电需要后有剩余，若蓄电池组(17)蓄电未满，把多余电量送给蓄电池组(17)储备，若蓄电池组(17)蓄电已满，电能仍有剩余，中央控制单元(4)把多余电量并入市电网(19)；光伏转化模块(8)转化而来的电能量供应不能满足所述用电设备的用电需要时，中央控制单元(4)读取蓄电池组(17)储电信息，确定蓄电池组(17)有电能储备，提取蓄电池组(17)的储备电能，调节后输出给所述用电设备，蓄电池组(17)蓄电用尽时，中央控制单元(4)把市电网(19)供应的电转变成满足用电设备要求的电压后输出；

所述信息采集模块(1)采集中央控制单元(4)运行信息、I/O接口(5)连接的设备运行信息、蓄电池组(17)储备信息、光伏转化模块(8)运行信息参数，把采集到的信息输出给信号处理模块(2)；

所述缓存器(3)置于信号处理模块(2)和中央控制单元(4)之间，缓存器(3)暂时储存由信号处理模块(2)处理过的信息，等待中央控制单元(4)读取，以防信息丢失；

所述通信模块(6)是与总控制中心(16)之间信息交互的纽带，实时返回中央控制单元(4)的运行参数，也包括所述用电设备、蓄电池组(17)运行信息，同时也接收从总控制中心(16)反馈的信息，把这些信息传送给中央控制单元(4)。

2、权利要求1所述的太阳能智能控制器，其特征是：所述信号处理模块(2)采用DSP实现，输出处理后的数据给缓存器(3)，并等待中央控制单元(4)缓存器(3)读取数据。

3、权利要求1所述的太阳能智能控制器，其特征是：所述的通信模块(6)通过以太网通信与总控制中心(16)之间信息交互，加载以太网通信协议控制以太网网卡进行数据传输，并通过以太网通信协议连接到互联网。

4、权利要求1所述的太阳能智能控制器，其特征是：所述的用电设备是指航海航标及通信基站(30)、民用电设施(29)。

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