專利名稱：一種基于太陽能系統(tǒng)的混合能源供電系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新能源供電技術(shù)，尤其涉及一種基于太陽能系統(tǒng)的混合能源供電系統(tǒng) 和方法。
背景技術(shù)：
在太陽能發(fā)電技術(shù)中對供電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性提出了更高的要求，而由于環(huán) 境氣候的不可預(yù)測性，現(xiàn)有技術(shù)的純太陽能系統(tǒng)解決方案的供電系統(tǒng)在可靠性和穩(wěn)定性等 方面都面臨很大的考驗(yàn)。例如，在通信基站應(yīng)用的純太陽能系統(tǒng)或風(fēng)光互補(bǔ)能源解決方案中，基站負(fù)載僅 僅靠環(huán)境氣象條件來支撐系統(tǒng)供電，而環(huán)境氣候條件具有不可預(yù)期性，為了保證基站持續(xù) 不間斷供電，往往采取加大配置的方式來提高供電系統(tǒng)的可靠性，例如，增加蓄電池容量以 延長備電時(shí)間、增加太陽能電池板或風(fēng)機(jī)數(shù)量來增加發(fā)電量，這樣造成解決方案初期投資 成本過高。另外由于供電系統(tǒng)解決方案配置時(shí)采用最差月光照時(shí)間配置太陽能電池板數(shù) 量，這樣造成基站負(fù)載月均覆蓋率一般在Iio 130%之間，整個太陽能和風(fēng)能發(fā)出電沒有 充分利用起來，有較多的能源損失。采用光油混合供電系統(tǒng)的解決方案，太陽能白天向基站負(fù)載供電和蓄電池充電， 夜間蓄電池放電以維持基站供電不間斷運(yùn)行。當(dāng)蓄電池放電至一定的低容量值時(shí)，控制系 統(tǒng)啟動柴油發(fā)電機(jī)，此時(shí)柴油發(fā)電機(jī)向負(fù)載供電和蓄電池充電；當(dāng)蓄電池充電達(dá)到一定的 高容量值時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)停止工作。柴油發(fā)電機(jī)啟動的標(biāo)準(zhǔn)條件為蓄電池放電至低容量值 時(shí)，這個時(shí)間一般發(fā)生在晚上(由于白天太陽能向蓄電池充電，一般不會在白天出現(xiàn))，所 以柴油發(fā)電機(jī)一般在晚上啟動，時(shí)常出現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)早上或上午停止(柴油發(fā)電機(jī)停止標(biāo) 準(zhǔn)為蓄電池高容量值，且每次啟動必須將蓄電池充滿才能停止)，這樣造成當(dāng)天出現(xiàn)較好的 光照時(shí)，整個一天的太陽能或風(fēng)能的發(fā)電均不能向蓄電池充電儲存起來，致使基站供電沒 有充分利用太陽能或風(fēng)能，而是使用柴油發(fā)電，未做到最大節(jié)能省油效果。在實(shí)際配置過程 中為了降低光油混合供電系統(tǒng)的初期投資成本，往往柴油機(jī)提供較大的能量比例，而太陽 能每天實(shí)際產(chǎn)生的能量不能滿足負(fù)載M小時(shí)供電，則會出現(xiàn)蓄電池容量變化曲線為鋸齒 線下降，蓄電池長期處于欠充狀態(tài)，影響其使用壽命。另外在光油混合供電系統(tǒng)解決方案 中，由于需要配置大功率柴油發(fā)電機(jī)才能保證柴油發(fā)電機(jī)啟動運(yùn)行輸出穩(wěn)定，且柴油發(fā)電 機(jī)運(yùn)行發(fā)電過程中高的帶載率才能提高燃油利用率，因此在光油混合供電系統(tǒng)中需要配置 大容量蓄電池和大功率柴油發(fā)電機(jī)來滿足基站供電要求，以減少柴油發(fā)電機(jī)頻繁啟動和提 高燃油利用率，然而在成本上大大增加了初期投資成本；由于柴油發(fā)電機(jī)工作特性決定大 功率柴油發(fā)電機(jī)才具有高度可靠性，另外柴油發(fā)電機(jī)型號較大，實(shí)際選型值一般又為最佳 理論計(jì)算值之上的型號，因此供電解決方案中一般選用較大的柴油發(fā)電機(jī)，造成解決方案 初期投資成本過高。其他采用基于太陽能供電的應(yīng)用系統(tǒng)也存在上述和通信基站應(yīng)用同樣的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為提高太陽能利用效率并減少成本，本發(fā)明的實(shí)施例提供了基于太陽能系統(tǒng)的混 合能源供電系統(tǒng)，包括太陽能子系統(tǒng)，用于將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，為負(fù)載和儲能單元提供電能；儲能單 元，用于儲存電能，為負(fù)載提供備用電能；互補(bǔ)能源子系統(tǒng)，用于當(dāng)儲能單元容量不足時(shí)為 負(fù)載提供電能；混合能源控制子系統(tǒng)，用于當(dāng)太陽能子系統(tǒng)正常工作時(shí)，調(diào)度太陽能子系統(tǒng) 為負(fù)載和儲能單元提供電能；當(dāng)太陽能子系統(tǒng)不能正常工作時(shí)，調(diào)度儲能單元為負(fù)載提供 電能；當(dāng)確定儲能單元的容量低于預(yù)定值時(shí)，調(diào)度互補(bǔ)能源子系統(tǒng)為所述負(fù)載提供電能； 當(dāng)互補(bǔ)能源子系統(tǒng)為所述負(fù)載提供電能時(shí)，僅僅滿足負(fù)載供電工作，即負(fù)載跟隨性工作；當(dāng) 所述太陽能子系統(tǒng)恢復(fù)正常工作時(shí)，停止所述互補(bǔ)能源子系統(tǒng)為所述負(fù)載提供電能。本發(fā)明的又一個實(shí)施例提供了一種基于太陽能系統(tǒng)的混合能源供電方法，包括當(dāng)太陽能子系統(tǒng)正常工作時(shí)，調(diào)度太陽能子系統(tǒng)向負(fù)載提供電能，并向儲能單元 充電；當(dāng)太陽能子系統(tǒng)不能正常工作時(shí)，調(diào)度儲能單元向負(fù)載提供電能；當(dāng)儲能系統(tǒng)的容 量低于預(yù)定值時(shí)，啟動互補(bǔ)能源子系統(tǒng)為負(fù)載提供電能；當(dāng)互補(bǔ)能源子系統(tǒng)為負(fù)載提供電 能時(shí)，互補(bǔ)能源子系統(tǒng)基本不向儲能單元提供電能；當(dāng)所述太陽能子系統(tǒng)恢復(fù)正常工作時(shí)， 停止所述互補(bǔ)能源子系統(tǒng)為所述負(fù)載提供電能。通過本發(fā)明提供的基于太陽能系統(tǒng)的混合能源供電系統(tǒng)和方法，正常情況下由太 陽能子系統(tǒng)和儲能單元向負(fù)載供電，充分利用太陽能，提高了太陽能利用效率，并減少成 本；異常情況下由互補(bǔ)能源子系統(tǒng)向負(fù)載供電，而互補(bǔ)能源子系統(tǒng)并不向儲能單元充電，減 少了初期投資成本，并保證了供電穩(wěn)定性和可靠性。


圖1示出本發(fā)明的基于太陽能系統(tǒng)的混合能源供電系統(tǒng)的一個實(shí)施例的示意圖；圖2示出本發(fā)明的混合能源供電系統(tǒng)的一個實(shí)施例中混合能源控制子系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)圖；圖3示出本發(fā)明的基于太陽能的混合能源供電系統(tǒng)的另一個實(shí)施例的示意圖；圖4示出本發(fā)明的基于太陽能系統(tǒng)的混合能源供電方法的一個實(shí)施例的流程圖；圖5示出本發(fā)明的基于太陽能系統(tǒng)的混合能源供電方法的另一個實(shí)施例的流程 圖。
具體實(shí)施例方式下面參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行更全面的描述，其中說明本發(fā)明的示例性實(shí)施例。在 附圖中，相同的標(biāo)號表示相同或者相似的組件或者元素。在本文中，平均光照時(shí)間指的是在一定期間內(nèi)在標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度下每天的平均光 照時(shí)間，該期間可以以年、季度、月等為基本單位。例如，某一天的有光照時(shí)間為10小時(shí)， 但是其實(shí)際光照強(qiáng)度隨時(shí)間變化，將其折算為標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度后該天的光照時(shí)間例如是6小 時(shí)。月均光照時(shí)間(Monthly Averaged Daylight Hours)是指一個月內(nèi)的平均光照時(shí)間。 平均光照時(shí)間可以轉(zhuǎn)換為平均單位面積上日曬量(千瓦小時(shí)/平方米/天)(Averaged Insolation Incident On A Horizontal Surface(kWh/m2/day))。
圖1示出本發(fā)明的基于太陽能的混合能源供電系統(tǒng)的一個實(shí)施例的示意圖。如圖 1所示，該混合能源供電系統(tǒng)包括太陽能子系統(tǒng)11、互補(bǔ)能源子系統(tǒng)12、儲能單元13和混合 能源控制子系統(tǒng)14。該混合能源供電系統(tǒng)14為負(fù)載15提供工作所需電能。其中，太陽能 子系統(tǒng)11用于將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，為負(fù)載15和儲能單元13提供電能?；パa(bǔ)能源子系統(tǒng) 12用于在需要時(shí)為負(fù)載15提供電能，以負(fù)載的平均功耗為基準(zhǔn)配置互補(bǔ)能源子系統(tǒng)的輸 出功率。儲能單元13用于儲存電能，為負(fù)載15提供電能?；旌夏茉纯刂谱酉到y(tǒng)14，用于調(diào) 度太陽能子系統(tǒng)11、互補(bǔ)能源子系統(tǒng)12和儲能單元13為負(fù)載14提供電能。其中，太陽能 子系統(tǒng)11以當(dāng)?shù)氐钠骄庹諘r(shí)間和負(fù)載的平均功耗為基準(zhǔn)配置太陽能電池板數(shù)量，使得 當(dāng)太陽光照時(shí)間在平均光照時(shí)間的預(yù)定范圍以上時(shí)，配置的太陽能子系統(tǒng)11就能夠滿足 負(fù)載M小時(shí)工作供電需求。例如，當(dāng)太陽光照時(shí)間超過平均光照時(shí)間的至30%之間一 個值(例如，1%、5%、15%、20%、25%、28%、29%或30% )時(shí)，配置的太陽能子系統(tǒng)11轉(zhuǎn) 換的電能就能夠滿足負(fù)載M小時(shí)工作供電需求。儲能單元13用于儲存太陽能子系統(tǒng)11轉(zhuǎn) 換的電能，儲能單元13的備電時(shí)間為M小時(shí)減去平均光照時(shí)間，并提供一定比例(例如， 20% )的額外備用時(shí)間。具體而言，當(dāng)太陽能子系統(tǒng)11正常工作輸出電能時(shí)，混合能源控制子系統(tǒng)14調(diào)度 太陽能子系統(tǒng)11為負(fù)載15提供電能，并為儲能單元15提供電能；當(dāng)太陽能子系統(tǒng)11不能 正常工作時(shí)(晚上或者白天光照不足等原因)，調(diào)度儲能單元13為負(fù)載15提供電能；當(dāng)儲 能單元13的容量低于預(yù)定值(例如，該預(yù)定值設(shè)為儲能單元13的總?cè)萘康?0% 40%之 間的一個值)時(shí)，調(diào)度互補(bǔ)能源子系統(tǒng)12開始工作，為負(fù)載15提供電能。當(dāng)互補(bǔ)能源子系 統(tǒng)12為負(fù)載15提供電能時(shí)，互補(bǔ)能源子系統(tǒng)12基本不向儲能單元13提供電能，例如，互 補(bǔ)能源子系統(tǒng)12不向儲能單元13提供電能，或者向儲能單元充電電流限制在0 0. 05C10 之間。互補(bǔ)能源子系統(tǒng)12啟動后，混合能源控制子系統(tǒng)14監(jiān)測太陽能子系統(tǒng)11的輸出 狀態(tài)，如果太陽能子系統(tǒng)11的輸出電流大于等于預(yù)定值時(shí)(例如，Ipv = Iload+(0 20% ) IlMd，其中，Ipv是太陽能子系統(tǒng)輸出實(shí)時(shí)電流值，Iltjad是負(fù)載工作需要的電流值)時(shí)，停止 互補(bǔ)能源子系統(tǒng)12 ；可以通過當(dāng)太陽能子系統(tǒng)11的輸出電流等于負(fù)載工作需要的電流值 Iload再延遲一段時(shí)間(如0 60min)后停止互補(bǔ)能源子系統(tǒng)12，即太陽能子系統(tǒng)11的輸 出電流大于等于預(yù)定電流值值后0 60min后再停止互補(bǔ)能源子系統(tǒng)12，通過延遲處理， 可以提高供電的可靠性和穩(wěn)定性?；旌夏茉纯刂谱酉到y(tǒng)14可以同時(shí)監(jiān)測儲能單元13的狀 態(tài)，當(dāng)儲能單元13的容量狀態(tài)為30% 70% SOC (例如，通過檢測儲能單元輸出的電壓值 來確定儲能單元的容量狀態(tài)值)時(shí)，停止互補(bǔ)能源子系統(tǒng)12為負(fù)載15提供電能，而由儲能 單元15提供電能。根據(jù)本發(fā)明的混合能源供電系統(tǒng)的一個實(shí)施例，儲能單元為鎳鉻蓄電池、鎳氫蓄 電池、閥控鉛酸蓄電池、鋰電池、或富液式蓄電池等。根據(jù)本發(fā)明的混合能源供電系統(tǒng)的一 個實(shí)施例，互補(bǔ)能源子系統(tǒng)為燃料電池、汽油發(fā)電機(jī)或者小型柴油發(fā)電機(jī)。燃料電池可以是 質(zhì)子交換膜氫燃料電池系統(tǒng)、直接甲醇燃料電池系統(tǒng)或固體氧化物燃料電池系統(tǒng)等。燃料 電池和柴油發(fā)電機(jī)相比，不需要為了提高柴油利用率而必須配置大功率發(fā)電機(jī)，而是可以 根據(jù)需要選擇合適功率的燃料電池，從而避免了配置大功率柴油機(jī)，同時(shí)也可以避免了因 為配置大功率柴油機(jī)而必須配置大容量蓄電池以提供燃料利用率的問題，減小了初始投資6成本，提高了整個系統(tǒng)的效率。圖2示出本發(fā)明的混合能源供電系統(tǒng)的一個實(shí)施例中混合能源控制子系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)圖。如圖2所示，混合能源控制子系統(tǒng)M包括太陽能輸入接口 Ml、互補(bǔ)能源輸入接口 對2、配電單元對3、調(diào)度控制單元244和DC/DC功率變換器M5。太陽能輸入接口 241用于 接收太陽能子系統(tǒng)的輸入；互補(bǔ)能源輸入接口 242用于接收互補(bǔ)能源子系統(tǒng)的輸入；配電 單元243對通過太陽能輸入接口 241和互補(bǔ)能源輸入接口 242接收的輸入進(jìn)行統(tǒng)一配電， 輸出到DC/DC功率變換器M5 ；功率變換器245對來自配電單元M3電功率變壓后輸出到 負(fù)載15，為負(fù)載15提供電能或向蓄電池充電；調(diào)度控制單元244與配電單元243和功率變 換器245相互通信，用于統(tǒng)一調(diào)度控制太陽能子系統(tǒng)11、互補(bǔ)能源子系統(tǒng)12和儲能單元13 為負(fù)載15提供電能。例如，在正常光照條件下，調(diào)度控制單元244調(diào)度太陽能子系統(tǒng)11為 負(fù)載提供電能，并為儲能單元13充電；調(diào)度控制單元244監(jiān)測太陽能輸入接口 241輸入的 電流值，當(dāng)該電流值小于預(yù)定值(例如，負(fù)載工作需要的電流值)時(shí)，自動調(diào)度儲能單元13 為負(fù)載15提供電能；調(diào)度控制單元244監(jiān)測儲能單元13的容量值和太陽能輸入接口 241 輸入的電流值，如果儲能單元13的容量值小于預(yù)定值，則調(diào)度控制單元244調(diào)度互補(bǔ)能源 子系統(tǒng)12為負(fù)載15提供電能，不再由儲能單元13提供電能；如果太陽能子系統(tǒng)11輸入的 電流值大于預(yù)定值，則調(diào)度太陽能子系統(tǒng)11為負(fù)載提供電能，剩余電能將提供給儲能單元 13進(jìn)行存儲，而儲能單元13不再為負(fù)載提供電能；在由互補(bǔ)能源子系統(tǒng)12為負(fù)載提供電 能的過程中，調(diào)度控制單元244監(jiān)測太陽能輸入接口 241輸入的電流值和儲能單元13的容 量值，如果太陽能子系統(tǒng)11輸出的電流大于預(yù)定值或儲能單元13容量值達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，則 調(diào)度控制單元244控制互補(bǔ)能源子系統(tǒng)12停止工作，由太陽能子系統(tǒng)11為負(fù)載提供電能。本發(fā)明的混合能源控制子系統(tǒng)將互補(bǔ)能源子系統(tǒng)與太陽能子系統(tǒng)的控制系統(tǒng)高 度集成為統(tǒng)一的整體，形成混合能源控制平臺對外輸出，即對互補(bǔ)能源子系統(tǒng)與太陽能子 系統(tǒng)在混合能源控制平臺輸入接口進(jìn)行統(tǒng)一的配電，之后經(jīng)過功率變換器變壓后對外輸 出，為負(fù)載提供電能。圖3示出本發(fā)明的基于太陽能系統(tǒng)的混合能源供電系統(tǒng)的另一個實(shí)施例的示意 圖。如圖3所示，該實(shí)施例中的混合能源供電系統(tǒng)和圖1中的實(shí)施例相比，負(fù)載包括主負(fù)載 15和從負(fù)載16，此外還包括風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)36?；旌夏茉纯刂谱酉到y(tǒng)34統(tǒng)一調(diào)度太陽能子系 統(tǒng)11和風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)36輸出的電功率，為負(fù)載和儲能單元13提供電能。由于風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)36 不受光照條件的影響，所以可以和太陽能子系統(tǒng)13輸出的電功率相互補(bǔ)充，從而提供更穩(wěn) 定可靠的電能。下面對圖3中的混合能源控制子系統(tǒng)34進(jìn)行具體的描述?；旌夏茉纯刂谱酉到y(tǒng) 34包括能源調(diào)度控制單元341、以及分別與太陽能子系統(tǒng)11、互補(bǔ)能源子系統(tǒng)12、風(fēng)機(jī)子系 統(tǒng)36、負(fù)載15相連的接觸器(或繼電器)343。能源調(diào)度控制單元341實(shí)現(xiàn)太陽能子系統(tǒng) 11、互補(bǔ)能源系統(tǒng)12、風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)36、和儲能單元13的自動切換供電調(diào)度控制管理，控制何 時(shí)由哪種能源供電、供電輸出的電壓電流等等。接觸器343在能源調(diào)度控制單元341的控 制下自動實(shí)現(xiàn)開和斷功能。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，能源調(diào)度控制單元341采用類似圖 2中混合能源控制子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)?？蛇x地，混合能源控制子系統(tǒng)還包括與太陽能子系統(tǒng)11、互補(bǔ)能源子系統(tǒng)12、儲 能單元13、風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)36、負(fù)載15相連空開342，用于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線開和斷的功能。可選地，還包括與儲能單元13串聯(lián)的熔絲344。當(dāng)電流到達(dá)一定值時(shí)，熔絲344自動熔斷，從而起到保 護(hù)作用。本發(fā)明的混合能源供電系統(tǒng)在白天光照條件下由太陽能子系統(tǒng)向負(fù)載供電和儲 能單元充電，夜間儲能單元放電供負(fù)載工作，如此循環(huán)工作。當(dāng)出現(xiàn)陰雨天時(shí)，儲能單元放 電至低容量值時(shí)，系統(tǒng)給出信號啟動互補(bǔ)能源子系統(tǒng)(如質(zhì)子交換膜氫燃料電池系統(tǒng)或直 接甲醇燃料電池系統(tǒng)或固體氧化物燃料電池系統(tǒng)等燃料電池)向負(fù)載供電，負(fù)載一直由互 補(bǔ)能源供電直到系統(tǒng)檢測到太陽能發(fā)電電流值大于預(yù)定電流值或蓄電池容量達(dá)到預(yù)定值 后關(guān)閉互補(bǔ)能源子系統(tǒng)，此時(shí)負(fù)載供電切換成有太陽能供電且同時(shí)多余的電流直接全部向 蓄電池充電儲存起來，負(fù)載如此在晴天和陰雨天情況條件下切換供電。考慮到供電系統(tǒng)的可靠性，互補(bǔ)能源子系統(tǒng)可以定期啟動來檢測自身的運(yùn)行狀 態(tài)，還可以通過互補(bǔ)能源子系統(tǒng)滿充蓄電池來延長蓄電池使用壽命。例如，當(dāng)滿足以下條 件時(shí)，互補(bǔ)能源子系統(tǒng)向蓄電池滿充電，即混合能源控制系統(tǒng)中設(shè)置儲能單元定期(5 60 天)定時(shí)滿充電。互補(bǔ)能源子系統(tǒng)向蓄電池滿充電的停止條件為蓄電池電壓達(dá)到一定值 (例如，在通信基站供電系中設(shè)為55 56. 5V個的某一值)并延時(shí)0 60min或互補(bǔ)能源 子系統(tǒng)啟動后達(dá)到最長運(yùn)行時(shí)間。下面介紹本發(fā)明的混合能源供電方法。首先說明本發(fā)明的混合能源供電系統(tǒng)的配置。本發(fā)明的太陽能子系統(tǒng)以當(dāng)?shù)氐钠?均光照時(shí)間和負(fù)載的功耗為基準(zhǔn)配置太陽能電池板數(shù)量，使得當(dāng)太陽光照時(shí)間在平均光照 時(shí)間的預(yù)定范圍內(nèi)時(shí)，配置的太陽能子系統(tǒng)能夠滿足負(fù)載M小時(shí)工作供電需求；儲能單元 備電時(shí)間為M小時(shí)減去平均光照時(shí)間，并提供一定比例(例如， 20%)的額外備用時(shí) 間。以負(fù)載的平均功耗為基準(zhǔn)配置互補(bǔ)能源子系統(tǒng)的輸出功率，即互補(bǔ)能源子系統(tǒng)的輸出 功率主要考慮滿足負(fù)載的功耗，不需要配置多余的功率用于儲能單元充電。圖4示出本發(fā)明的基于太陽能的混合能源供電方法的一個實(shí)施例的流程圖。如圖4所示，該混合能源供電方法包括步驟402，當(dāng)太陽能子系統(tǒng)正常工作時(shí)，調(diào)度太陽能子系統(tǒng)向負(fù)載提供電能，并向 儲能單元充電。在白天正常光照條件下，太陽能子系統(tǒng)輸出的電流可以為負(fù)載供電，并將剩 余的電能傳輸?shù)絻δ軉卧M(jìn)行存儲。步驟404，當(dāng)太陽能子系統(tǒng)不能正常工作時(shí)，調(diào)度儲能單元向負(fù)載提供電能。例如， 當(dāng)檢測到太陽能子系統(tǒng)輸出的電流值小于預(yù)定值，不能為負(fù)載提供充足的電能時(shí)，調(diào)度儲 能單元為負(fù)載提供電能，該預(yù)定值可以是負(fù)載正常工作需要的電流值。步驟406，當(dāng)儲能單元的放電容量低于預(yù)定值時(shí)，啟動互補(bǔ)能源子系統(tǒng)為負(fù)載提 供電能；當(dāng)互補(bǔ)能源子系統(tǒng)為負(fù)載提供電能時(shí)，互補(bǔ)能源子系統(tǒng)基本不向儲能單元提供電 能。在儲能單元為負(fù)載提供電能的過程中，檢測儲能單元輸出的電壓值，根據(jù)儲能單元輸出 的電壓值確定儲能單元的當(dāng)前放電容量，當(dāng)確定儲能單元的容量狀態(tài)低于預(yù)定值(例如， 20% 40% )時(shí)，啟動互補(bǔ)能源子系統(tǒng)為負(fù)載提供電能。圖5示出本發(fā)明的基于太陽能系統(tǒng)的混合能源供電方法的另一個實(shí)施例的流程 圖。如圖5所示，在步驟502，太陽能子系統(tǒng)向負(fù)載和儲能單元提供電能。當(dāng)白天光照 條件滿足時(shí)，太陽能子系統(tǒng)正常工作，混合能源供電系統(tǒng)調(diào)度太陽能子系統(tǒng)為負(fù)載提供電能，并為儲能單元提供電能。在步驟504，判斷太陽能子系統(tǒng)是否仍然滿足工作條件，如果仍然滿足，則繼續(xù)由 太陽能子系統(tǒng)為負(fù)載提供電能(步驟502)，如果不滿足，則執(zhí)行步驟506。例如，判斷太陽 能子系統(tǒng)輸出的電流是否大于負(fù)載工作需要的電流值，如果大于，則判定太陽能子系統(tǒng)仍 然滿足工作條件，否則，判定太陽能子系統(tǒng)不滿足工作條件。在步驟506，調(diào)度儲能單元為負(fù)載提供電能。如果太陽能子系統(tǒng)不能為負(fù)載提供充 足的電能，則混合能源供電系統(tǒng)調(diào)度儲能單元為負(fù)載提供電能。此時(shí)也可能由太陽能子系 統(tǒng)和儲能單元共同為負(fù)載提供電能。在步驟508，判斷太陽能子系統(tǒng)是否已經(jīng)滿足工作條件，如果滿足，則由太陽能子 系統(tǒng)為負(fù)載提供電能(步驟50 ，儲能單元停止為負(fù)載提供電能，如果不滿足，則執(zhí)行步驟 510。例如，采用和步驟504中相同的判斷標(biāo)準(zhǔn)判斷太陽能子系統(tǒng)是否已經(jīng)滿足工作條件。在步驟510，判斷儲能單元的放電容量是否低于預(yù)定值，如果否，則仍然由儲能單 元為負(fù)載提供電能(步驟506)，否則，執(zhí)行步驟512。例如，通過檢測儲能單元輸出的電壓 值，確定儲能單元的放電容量，如果儲能單元的容量狀態(tài)低于總?cè)萘康?0% 40%，則執(zhí) 行步驟512。在步驟512，啟動互補(bǔ)能源子系統(tǒng)為負(fù)載提供電能，互補(bǔ)能源子系統(tǒng)在為負(fù)載提供 電能時(shí)，不或者基本不向儲能單元提供電能。此時(shí)，儲能單元將不再為負(fù)載提供電能，而是 由互補(bǔ)能源子系統(tǒng)單獨(dú)(例如，晚上或者陰雨天)、或者互補(bǔ)能源子系統(tǒng)與太陽能子系統(tǒng)兩 者(例如，當(dāng)白天太陽光照不足時(shí))為負(fù)載提供電能。在步驟514，判斷太陽能子系統(tǒng)是否已經(jīng)滿足工作條件，如果滿足，則由太陽能子 系統(tǒng)為負(fù)載提供電能(步驟50 ，互補(bǔ)能源子系統(tǒng)提供為負(fù)載提供電能，如果不滿足，則繼 續(xù)由互補(bǔ)能源子系統(tǒng)為負(fù)載提供電能(步驟512)。需要指出，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，儲能單元與負(fù)載并聯(lián)，當(dāng)太陽能子系統(tǒng)不能 為負(fù)載提供電能時(shí)，自動轉(zhuǎn)換為由儲能單元向負(fù)載提供電能，步驟504和步驟508將被省 略。根據(jù)本發(fā)明的混合能源供電方法的一個實(shí)施例，當(dāng)太陽能子系統(tǒng)輸出的電流值大 于負(fù)載工作需要的電流值且延遲0 60min，調(diào)度互補(bǔ)能源子系統(tǒng)停止為負(fù)載提供電能，改 由太陽能子系統(tǒng)為負(fù)載提供電能；或者當(dāng)儲能單元的容量值30 70% SOC時(shí)，停止互補(bǔ)能 源子系統(tǒng)為負(fù)載提供電能，由儲能單元為負(fù)載提供電能。根據(jù)本發(fā)明的混合能源供電方法的一個實(shí)施例，互補(bǔ)能源子系統(tǒng)還定期執(zhí)行向儲 能單元滿充電操作，從而延長儲能單元的壽命。當(dāng)儲能單元電壓達(dá)到預(yù)定值且延時(shí)0 60min時(shí)、或者當(dāng)互補(bǔ)能源子系統(tǒng)啟動達(dá)到最長運(yùn)行時(shí)間時(shí)，互補(bǔ)能源子系統(tǒng)停止向儲能單 元滿充電操作。根據(jù)本發(fā)明的混合能源供電方法的一個實(shí)施例，還通過風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)向負(fù)載供電。 混合能源控制子系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)和太陽能子系統(tǒng)的輸出功率，為負(fù)載提供電能。 當(dāng)風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)正常工作時(shí)，調(diào)度風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)向負(fù)載提供電能，并向儲能單元充電。通過本發(fā)明的上述混合能源供電方法，在白天光照條件下由太陽能子系統(tǒng)向負(fù)載 供電，并向儲能單元充電，夜間儲能單元放電供負(fù)載工作，如此循環(huán)工作。當(dāng)出現(xiàn)陰雨天 時(shí)，蓄電池放電至低容量值時(shí)，混合能源供電系統(tǒng)啟動互補(bǔ)能源子系統(tǒng)向負(fù)載供電，負(fù)載一直由互補(bǔ)能源子系統(tǒng)供電直到系統(tǒng)檢測到關(guān)閉互補(bǔ)能源子系統(tǒng)的條件之一時(shí)，執(zhí)行關(guān)閉互 補(bǔ)能源系統(tǒng)，此時(shí)負(fù)載供電切換成由太陽能供電且同時(shí)多余的電流直接向儲能單元儲存起來。下面介紹本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的幾個應(yīng)用例。應(yīng)用例一假設(shè)200W平均負(fù)載，當(dāng)?shù)?2個月均光照時(shí)間分別為:5. 92h、6. 01h、5. 76h、5. 18h、 4. 42h、4. 17h、4. 35h、4. 76 Ih、5. 33h、5. 74h、5. 8 Ih、5. 7 Ih。根據(jù)月均光照時(shí)間獲得平均光照 時(shí)間。選用6塊額定功率為180W的太陽能電池板和200W的直接甲醇燃料電池系統(tǒng)，IOOAh 的鋰電池作為儲能單元，以及額定電流為20A的混合能源控制子系統(tǒng)作為混合能源控制平 臺，設(shè)定直接甲醇燃料電池系統(tǒng)啟動的蓄電池容量值為30% SOC和直接甲醇燃料電池系統(tǒng) 停止時(shí)太陽能輸出電流值為6A為啟動停止判斷標(biāo)準(zhǔn)，即可形成通信基站新型太陽能供電 系統(tǒng)解決方案。應(yīng)用例二 假設(shè)500W平均負(fù)載，當(dāng)?shù)?2個月均光照時(shí)間分別為:5. 92h、6. 01h、5. 76h、5. 18h、 4. 42h、4. 17h、4. 35h、4. 761h、5. 33h、5. 74h、5. 81h、5. 71h。選用 18 塊額定功率為 180W 的太 陽能電池板和600W的質(zhì)子交換膜氫燃料電池系統(tǒng)，250Ah的鎳鎘電池作為儲能單元，以及 額定電流為20A的混合能源控制子系統(tǒng)作為混合能源控制平臺，設(shè)定質(zhì)子交換膜氫燃料電 池系統(tǒng)啟動的蓄電池容量值為30% SOC和質(zhì)子交換膜氫燃料電池系統(tǒng)停止時(shí)蓄電池容量 值為70% SOC為停止判斷標(biāo)準(zhǔn)，即可形成通信基站新型太陽能供電系統(tǒng)解決方案。應(yīng)用例三假設(shè)800W平均負(fù)載，當(dāng)?shù)?2個月均光照時(shí)間分別為:5. 62h、6. 01h、5. 76h、5. 18h、 4. 32h、4. 17h、4. 35h、4. 761h、4. 2h、5. 74h、5. 81h、5. 71h。選用 28 塊額定功率為 180W 的太 陽能電池板和1000W的小型汽柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，400Ah的閥控鉛酸蓄電池作為儲能單元，以 及額定電流50A的混合能源控制子系統(tǒng)作為混合能源控制平臺，設(shè)定小型柴油發(fā)電機(jī)啟動 的蓄電池容量值為20% S0C，小型柴油發(fā)電機(jī)停止時(shí)蓄電池容量值為50% SOC為停止判斷 標(biāo)準(zhǔn)，即可形成通信基站新型太陽能供電系統(tǒng)解決方案。應(yīng)用例四假設(shè)800W平均負(fù)載，當(dāng)?shù)?2個月均光照時(shí)間分別為:5. 62h、6. 01h、5. 76h、5. 18h、4.32h、4. 17h、4. 35h、4. 761h、4. 2h、5. 74h、5. 81h、5. 71h。選用 28 塊額定功率為 180W 的太陽 能電池板和1000W的燃料電池系統(tǒng)，420Ah的富液式電池作為儲能單元，以及額定電流50A 的混合能源控制系統(tǒng)作為混合能源控制平臺，設(shè)定質(zhì)子交換膜氫燃料電池系統(tǒng)啟動的蓄電 池容量值為20% SOC和質(zhì)子交換膜氫燃料電池系統(tǒng)停止時(shí)太陽能輸出20A電流值為停止判 斷標(biāo)準(zhǔn)，即可形成通信基站新型太陽能供電系統(tǒng)解決方案。應(yīng)用例五假設(shè)1500W平均負(fù)載，當(dāng)?shù)?2個月均光照時(shí)間分別為5. 62h、6. 01h、5. 76h、5.18h、4. 32h、4. 17h、4. 35h、4. 761h、4. 2h、5. 74h、5. 81h、5. 71h。選用 54 塊額定功率為 180W 的太陽能電池板和1800W質(zhì)子交換膜氫燃料電池系統(tǒng)，400Ah的閥控鉛酸蓄電池兩組作為 儲能單元，以及額定電流50A的混合能源控制系統(tǒng)作為混合能源控制平臺，設(shè)質(zhì)子交換膜 氫燃料電池啟動的蓄電池容量值為40% SOC和質(zhì)子交換膜氫燃料電池系統(tǒng)停止時(shí)太陽能輸出35A電流值為停止判斷標(biāo)準(zhǔn)，即可形成通信基站新型太陽能供電系統(tǒng)解決方案。應(yīng)用例六假設(shè)1500W平均負(fù)載，當(dāng)?shù)?2個月均光照時(shí)間分別為5. 62h、6. 01h、5. 76h、 5. 18h、4. 32h、4. 17h、4. 35h、4. 761h、4. 2h、5. 74h、5. 81h、5. 71h。選用 54 塊額定功率為 180W 的太陽能電池板和1800W的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，420Ah的富液式電池兩組作為儲能 單元，以及額定電流50A的混合能源控制系統(tǒng)作為混合能源控制平臺，設(shè)固體氧化物燃料 電池系統(tǒng)啟動的蓄電池容量值為20% SOC和燃料電池系統(tǒng)停止時(shí)蓄電池容量值為50% SOC 為停止判斷標(biāo)準(zhǔn)，即可形成通信基站新型太陽能供電系統(tǒng)解決方案。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，本發(fā)明的解決方案不僅僅可以應(yīng)用在通信基站應(yīng)用 場景，而且可以應(yīng)用于有高可靠性持續(xù)不間斷新能源供電要求的信號指示燈、路燈等應(yīng)用 環(huán)境中。本發(fā)明提出的太陽能供電系統(tǒng)解決方案，在依靠氣象條件供電的太陽能能源中配 置互補(bǔ)能源系統(tǒng)提高解決方案的可靠性并降低成本，與傳統(tǒng)純太陽能系統(tǒng)或風(fēng)光互補(bǔ)能源 解決方案相比，減少了太陽能電池板配置數(shù)量和蓄電池備用容量，從而降低供電系統(tǒng)的初 期投資成本；和基于太陽能的光油混合供電系統(tǒng)解決方案相比，互補(bǔ)能源子系統(tǒng)僅僅在陰 雨天時(shí)啟動以維持負(fù)載供電，啟動過程不向儲能單元大電流充電，將儲能單元由備用工作 模式轉(zhuǎn)變?yōu)檠h(huán)模式，最大化利用太陽能發(fā)出電，降低燃油消耗，提高了解決方案的能效 值。本發(fā)明的描述是為了示例和描述起見而給出的，而并不是無遺漏的或者將本發(fā)明 限于所公開的形式。很多修改和變化對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言是顯然的。選擇和描 述實(shí)施例是為了更好說明本發(fā)明的原理和實(shí)際應(yīng)用，并且使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠理 解本發(fā)明從而設(shè)計(jì)適于特定用途的帶有各種修改的各種實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種基于太陽能的混合能源供電系統(tǒng)，其特征在于，包括太陽能子系統(tǒng)，用于將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，為負(fù)載和儲能單元提供電能； 所述儲能單元，用于儲存電能，為所述負(fù)載提供備用電能； 互補(bǔ)能源子系統(tǒng)，用于當(dāng)所述儲能單元容量不足時(shí)為所述負(fù)載提供電能； 混合能源控制子系統(tǒng)，用于當(dāng)所述太陽能子系統(tǒng)正常工作時(shí)，調(diào)度所述太陽能子系統(tǒng) 為所述負(fù)載和所述儲能單元提供電能；當(dāng)所述太陽能子系統(tǒng)不能正常工作時(shí)，調(diào)度所述儲 能單元為所述負(fù)載提供電能；當(dāng)確定所述儲能單元的放電容量低于預(yù)定值時(shí)，調(diào)度所述互 補(bǔ)能源子系統(tǒng)為所述負(fù)載提供電能，當(dāng)所述互補(bǔ)能源子系統(tǒng)為所述負(fù)載提供電能時(shí)，基本 不向所述儲能單元提供電能；當(dāng)所述太陽能子系統(tǒng)恢復(fù)正常工作時(shí)，停止所述互補(bǔ)能源子 系統(tǒng)為所述負(fù)載提供電能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合能源供電系統(tǒng)，其特征在于，所述太陽能子系統(tǒng)以當(dāng)?shù)?的平均光照時(shí)間和負(fù)載的平均功耗為基準(zhǔn)配置太陽能電池板數(shù)量，使得當(dāng)太陽光照時(shí)間在 平均光照時(shí)間的預(yù)定范圍以上時(shí)，配置的太陽能子系統(tǒng)能夠滿足負(fù)載M小時(shí)工作供電需 求；所述儲能單元備電時(shí)間為M小時(shí)減去平均光照時(shí)間，并提供一定比例的額外備用時(shí) 間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合能源供電系統(tǒng)，其特征在于，所述當(dāng)確定所述儲能單元 的放電容量低于預(yù)定值時(shí)，調(diào)度所述互補(bǔ)能源子系統(tǒng)為所述負(fù)載提供電能中的預(yù)定值為所 述儲能單元總?cè)萘康?0% 40%中的一個值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合能源供電系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)滿足如下條件時(shí)，所述混 合能源控制子系統(tǒng)調(diào)度所述互補(bǔ)能源子系統(tǒng)停止為所述負(fù)載提供電能所述太陽能子系統(tǒng) 輸出的電流值大于負(fù)載工作需要的電流值且延遲0 60min，或者儲能單元的容量狀態(tài)達(dá) 到總?cè)萘恐?0 70% SOC。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合能源供電系統(tǒng)，其特征在于，所述混合能源控制子系統(tǒng) 包括太陽能輸入接口，用于接收所述太陽能子系統(tǒng)的電功率輸入； 互補(bǔ)能源輸入接口，用于接收所述互補(bǔ)能源子系統(tǒng)的電功率輸入； 配電單元，用于對通過所述太陽能輸入接口和所述互補(bǔ)能源輸入接口接收的電功率輸 入進(jìn)行統(tǒng)一配電，輸出到DC/DC功率變換器；能源調(diào)度控制單元，用于實(shí)現(xiàn)太陽能子系統(tǒng)、互補(bǔ)能源系統(tǒng)和儲能單元的自動切換供 電調(diào)度控制管理；功率變換器，用于對來自所述配電單元和所述儲能單元的電能變壓后輸出到負(fù)載，為 負(fù)載提供電能。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合能源供電系統(tǒng)，其特征在于，在所述混合能源控制子系統(tǒng)中設(shè)置所述儲能單元定期定時(shí)滿充電；所述混合能源控制 子系統(tǒng)調(diào)度所述互補(bǔ)能源子系統(tǒng)定期向所述儲能單元滿充電；當(dāng)滿足如下條件時(shí)，所述混合能源控制子系統(tǒng)調(diào)度所述互補(bǔ)能源子系統(tǒng)停止向所述儲 能單元滿充電所述儲能單元電壓達(dá)到預(yù)定值并延時(shí)0 60min或者所述互補(bǔ)能源子系統(tǒng)啟動最長運(yùn) 行時(shí)間到。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合能源供電系統(tǒng)，其特征在于，還包括風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)，用于將 風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，為所述負(fù)載和儲能單元提供電能；所述混合能源控制子系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度所述太陽能子系統(tǒng)和所述風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)輸出的電能， 為負(fù)載和所述儲能單元提供電能。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合能源供電系統(tǒng)，其特征在于，所述互補(bǔ)能源子系統(tǒng)為燃 料電池、汽油發(fā)電機(jī)或者小型柴油發(fā)電機(jī)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述混合能源供電系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料電池為質(zhì)子交換膜 氫燃料電池系統(tǒng)、直接甲醇燃料電池系統(tǒng)或固體氧化物燃料電池系統(tǒng)
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合能源供電系統(tǒng)，其特征在于，所述儲能單元為鎳鎘電 池、鎳氫電池、閥控鉛酸蓄電池、鋰電池、或富液式電池。
11.一種基于太陽能的混合能源供電方法，其特征在于，包括當(dāng)太陽能子系統(tǒng)正常工作時(shí)，調(diào)度所述太陽能子系統(tǒng)向負(fù)載提供電能，并向儲能單元 充電；當(dāng)所述太陽能子系統(tǒng)不能正常工作時(shí)，調(diào)度所述儲能單元向所述負(fù)載提供電能；當(dāng)所述儲能系統(tǒng)的放電容量低于預(yù)定值時(shí)，啟動互補(bǔ)能源子系統(tǒng)為所述負(fù)載提供電 能；當(dāng)所述互補(bǔ)能源子系統(tǒng)為所述負(fù)載提供電能時(shí)，所述互補(bǔ)能源子系統(tǒng)基本不向所述儲 能單元提供電能；當(dāng)所述太陽能子系統(tǒng)恢復(fù)正常工作時(shí)，停止所述互補(bǔ)能源子系統(tǒng)為所述負(fù)載提供電能；
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的混合能源供電方法，其特征在于，所述太陽能子系統(tǒng)以當(dāng) 地的平均光照時(shí)間和負(fù)載的平均功耗為基準(zhǔn)配置太陽能電池板數(shù)量，使得當(dāng)太陽光照時(shí)間 在平均光照時(shí)間的預(yù)定范圍以上時(shí)，配置的太陽能子系統(tǒng)能夠滿足負(fù)載M小時(shí)工作供電 需求；所述儲能單元備電時(shí)間為11小時(shí)減去平均光照時(shí)間，并提供一定比例的額外備用時(shí) 間。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的混合能源供電方法，其特征在于，所述儲能單元的放電容 量的預(yù)定值為所述儲能單元總?cè)萘康?0% 40%中的一個值。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的混合能源供電方法，其特征在于，還包括當(dāng)所述太陽能子系統(tǒng)輸出的電流值大于負(fù)載工作需要的電流值、且延遲0 60min，或 者儲能單元的放電容量達(dá)到總?cè)萘恐?0 70% SOC時(shí)，調(diào)度所述互補(bǔ)能源子系統(tǒng)停止為所 述負(fù)載提供電能。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的混合能源供電方法，其特征在于，還包括當(dāng)所述儲能單元電壓達(dá)到預(yù)定值且延時(shí)0 60min時(shí)、或者當(dāng)所述互補(bǔ)能源子系統(tǒng)啟 動達(dá)到最長運(yùn)行時(shí)間時(shí)，所述互補(bǔ)能源子系統(tǒng)停止向所述儲能單元滿充電。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于太陽能的混合能源供電系統(tǒng)和方法，該方法包括當(dāng)太陽能子系統(tǒng)正常工作時(shí)，調(diào)度太陽能子系統(tǒng)向負(fù)載提供電能，并向儲能單元充電；當(dāng)太陽能子系統(tǒng)不能正常工作時(shí)，調(diào)度儲能單元向負(fù)載提供電能；當(dāng)儲能系統(tǒng)的容量低于預(yù)定值時(shí)，啟動互補(bǔ)能源子系統(tǒng)為負(fù)載提供電能；當(dāng)互補(bǔ)能源子系統(tǒng)為負(fù)載提供電能時(shí)，互補(bǔ)能源子系統(tǒng)基本不向儲能單元提供電能；當(dāng)所述太陽能子系統(tǒng)恢復(fù)正常工作時(shí)，停止所述互補(bǔ)能源子系統(tǒng)為所述負(fù)載提供電能。本發(fā)明基于太陽能系統(tǒng)的混合能源供電系統(tǒng)，互補(bǔ)能源子系統(tǒng)僅僅在陰雨天時(shí)啟動以維持負(fù)載供電，啟動過程不向儲能單元大電流充電，最大化利用太陽能發(fā)出電，降低燃油消耗，提高了解決方案的能效值。
文檔編號H02J9/06GK102044989SQ20091018044
公開日2011年5月4日 申請日期2009年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月14日
發(fā)明者吳海軍, 李南海, 梁恩志, 王興杰, 蔡騰宇 申請人:華為技術(shù)有限公司