一種獨立式微功率太陽能電源及其實現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無線終端、設(shè)備供電與利用太陽能的電源工程領(lǐng)域，涉及一種獨立式微功率太陽能電源及其實現(xiàn)方法，主要面向應(yīng)用于戶外或野外的、由電池供電的微小功率定點設(shè)備和無線傳感器節(jié)點等裝置的供電與電能補給需求。
【背景技術(shù)】
[0002]計算機、傳感器和無線通信等信息技術(shù)的快速發(fā)展，使得無線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用潛力越來越大，需求越來越多；但另一方面，對無線設(shè)備功能與性能的增強要求也使得其對電能供給能力的要求也越來越高。受供電電池容量密度和制造成本、體積尺寸的限制，電池的續(xù)航能力有限，因此需要補給電能。對于工作在戶外、野外的設(shè)備裝置而言，太陽能是一種清潔、便利、低成本的綠色能源，非常適于用作無線設(shè)備的電源或電能補給。然而，太陽能的供應(yīng)受到時、空因素限制，容易因氣候影響而使的其供能的穩(wěn)定性差。因此，對于低成本、小尺寸的用電裝置設(shè)備，以太陽能為電源或者作為輔助電源時，為盡量克服太陽能電源的缺陷，保證供電的可靠性、穩(wěn)定性，必須要求從太陽能的采集、存儲、電源自身節(jié)能等方面在滿足有關(guān)成本、尺寸及其他物理條件的情況下，特別注重電池板的固定位姿、太陽能采集電路中的功率調(diào)理、存儲分配、儲能器件供電管理等方面，以實現(xiàn)電源系統(tǒng)的高效率或高能效。
[0003]現(xiàn)有太陽能發(fā)電技術(shù)在微小功率級別的電源構(gòu)建方面的應(yīng)用問題考慮和方法技術(shù)研究都有欠缺。對于面向無線傳感器以及獨立式指示照明(如獨立的道路交通信號指示燈、野外的環(huán)境數(shù)據(jù)采集器)等受成本、體積尺寸限制的微小功率用電設(shè)備，其太陽能電池板的輸出功率、儲能器件的容量都受到很大限制，而對其工作性能的要求使得其電源功率要求雖然相對較小，但對其續(xù)航能力高。在這種成本、資源以及體積或尺寸嚴格受限的條件下，提高電源的工作效率是非常關(guān)鍵的。
[0004]對于獨立工作且功率微小的太陽能電源而言，其存在著不同于那些大功率、聯(lián)網(wǎng)型的光伏發(fā)電系統(tǒng)的問題。微小功率，使其自身的電能消耗問題相對突出，因此必須在滿足電源規(guī)格的前提下做到盡可能降低自身功耗、提升電源系統(tǒng)的節(jié)能效率；獨立工作方式，使其必須在系統(tǒng)儲能能力有限的條件下考慮，如何適應(yīng)太陽能輸入時無、時有以及時強、時弱等情況，以實現(xiàn)對光伏能量的高效率采集與存儲。因此，必須針對無線傳感器等功率微小、工作負載不穩(wěn)定的這類電池供電設(shè)備或裝置的低功耗和電源要求與特點，基于現(xiàn)有的微計算機和電子器件等基礎(chǔ)技術(shù)，研究給出有效的技術(shù)解決方案。
[0005]因此，有必要設(shè)計能效高的獨立式微功率太陽能電源及其實現(xiàn)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種獨立式微功率太陽能電源及其實現(xiàn)方法，該獨立式微功率太陽能電源及其實現(xiàn)方法易于實施，具有集成度高、自動化程度高、系統(tǒng)自身功耗低等特點。
[0007]發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0008]—種獨立式微功率太陽能電源，包括微控制器、太陽能電池、超級電容、鋰電池、充電管理器、調(diào)整穩(wěn)壓器以及5個電子開關(guān)；
[0009]5個電子開關(guān)分別為第1、2、3、4和5開關(guān)；5個電子開關(guān)均受控于微控制器；
[0010]第I開關(guān)為單路開關(guān)，太陽能電池的正極經(jīng)第I開關(guān)接采樣電阻Rs的第一端，太陽能電池負極接地；采樣電阻Rs的第二端接第2開關(guān)的公共輸入端，第2開關(guān)具有3個開關(guān)通道，第2開關(guān)的第一開關(guān)通道經(jīng)超級電容接地；第二開關(guān)通道接充電管理器的輸入端，第三開關(guān)通道接調(diào)整穩(wěn)壓器的輸入端；
[0011]充電管理器的輸出端接鋰電池正極，鋰電池正極通過2個串接二極管D1、D2(在實例電路中需兩管串接降壓0.9V)接太陽能電源的輸出端Vout ;
[0012]第3開關(guān)的公共端接第2開關(guān)的第一通道，第3開關(guān)具有2個有效的開關(guān)通道，第3開關(guān)的第一通道接調(diào)整穩(wěn)壓器的輸入端；第3開關(guān)的第二通道(即圖3中的第3開關(guān)的3引腳)接太陽能電源的輸出端Vout ;太陽能電源的輸出端Vout即為調(diào)整穩(wěn)壓器的輸出端；
[0013]第4開關(guān)的公共輸入端接充電管理器的輸出端(也即鋰電池正極端)，第4開關(guān)具有2個有效的開關(guān)通道，第4開關(guān)的第一通道(即圖3的第4開關(guān)的2引腳)接調(diào)整穩(wěn)壓器的輸入端；第4開關(guān)的第二通道(即圖3中的第4開關(guān)的3引腳)接太陽能電源的輸出端 Vout ；
[0014]第5開關(guān)具有4個開關(guān)通道，第5開關(guān)的公共端為輸出端，依次經(jīng)串聯(lián)的電阻Rl和電阻R2接地，電阻Rl和R2組成分壓電路；電阻Rl和R2的連接點接微控制器內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器輸入端。【分壓電路的作用是將輸入的電壓按電阻比值(R1/(R1+R2))衰減，使其不超過微控制器內(nèi)的Α/D轉(zhuǎn)換器的允許輸入范圍】
[0015]第5開關(guān)具有4個開關(guān)通道，第5開關(guān)的第一通道接采樣電阻Rs的第一端；第5開關(guān)的第二開關(guān)通道接Rs的第二端；第5開關(guān)的第三通道接第2開關(guān)的第一通道；第5開關(guān)的第四通道接鋰電池正極端，也即充電管理器的輸出端。
[0016]【調(diào)整穩(wěn)壓器不但具有穩(wěn)壓輸出的功能，還具有調(diào)壓功能，所謂的調(diào)壓即基于輸入電壓進行升壓或降壓】
[0017]微控制器選用MSP430F1222，電子開關(guān)采用集成器件ADG821 ;充電管理器為集成器件CN3063 ;調(diào)整穩(wěn)壓器選用TPS63031、鋰電池選用3.7V的可充電鋰電池、超級電容由兩個2.7V、310F電容器串接而成；太陽能電池選用5.5V、4W太陽能電池板。
[0018]所述的太陽能電源還包括太陽能電池組件；所述的太陽能電池組件包括支座
(7)、托架(I)、托架轉(zhuǎn)軸(3)、螺母(4)、托框⑵和太陽能電池板(9);托架為L形支架，包括水平的底板和豎直的2根立柱；
[0019]托架轉(zhuǎn)軸呈豎直方向安裝以連接托架的底板與支座，螺母旋緊在托架轉(zhuǎn)軸的上端；松動螺母時能使得托架能相對于支座旋轉(zhuǎn)；
[0020]托框呈一傾斜角度設(shè)置在托架上；太陽能電池板放置于托框中并固定。
[0021]安裝有太陽能電池板的托框上端通過軸銷(8)與托架的2根立柱的上端鉸接；
[0022]太陽能電池組件還包括用于調(diào)整太陽能板傾斜角度的傾角調(diào)整機構(gòu)；
[0023]傾角調(diào)整機構(gòu)包括六角頭T形螺桿(11)、光孔支撐塊(13)和內(nèi)螺孔支撐塊(12);光孔支撐塊和內(nèi)螺孔支撐塊均固定的托架的底板上；六角頭T形螺桿呈水平方向穿過光孔支撐塊和內(nèi)螺孔支撐塊，且六角頭T形螺桿作前后運動時，其前端頂住托框背面以使得太陽能電池板繞軸銷抬升或降低，從而改變傾角。
[0024]六角頭T形螺桿上還設(shè)有限位止擋螺母(14)，限位止擋螺母位于光孔支撐塊和內(nèi)螺孔支撐塊之間，止擋螺母上有銷釘【可調(diào)整和固定其在螺桿上的位置】。
[0025]托架上還設(shè)有托架立柱加強斜邊(15)，托架立柱加強斜邊的一端固定在托架的立柱頂端，托架的立柱加強斜邊的另一端固定在托架底板的外端，兩根立柱的頂端之間設(shè)有一條橫梁(17)將兩立柱固聯(lián)。
[0026]微控制器按以下方式通過切換電子開關(guān)對太陽能輸入和存儲路徑進行控制(微控制器以最利于對太陽能電池產(chǎn)生的電能的轉(zhuǎn)移為目標進行以下控制):
[0027]I)接通第I開關(guān)和第2開關(guān)的第二通道，當太陽能電池輸出電壓滿足充電管理器工作要求時，將通過充電管理器給鋰電池充電；
[0028]當太陽能電池輸出電壓滿足充電管理器工作要求而鋰電池充滿(達到允許最大電壓值)時，將第2開關(guān)切換到第一通道，給超級電容充電；
[0029]當太陽能電池輸出電壓滿足充電管理器工作要求而超級電容和鋰電池都滿度時，或者太陽能輸入已不滿足對鋰電池和超級電容的充電要求(低于當前需要的電壓)但符合調(diào)整穩(wěn)壓器的輸入要求時，第2開關(guān)切換到第三通道，使太陽能電池輸出接入調(diào)整穩(wěn)壓器輸入端；
[0030]2)若太陽能輸入不滿足前三項的工作條件，則第2開關(guān)切換到第二通道，等待符合條件時使充電管理自動工作。
[0031]將太陽能板輸出電能進行輸出切換的規(guī)則與順序是:
[0032](I)當超級電容的輸出電壓位于電源的額定輸出電壓范圍時，將第3開關(guān)切換到第二通道，由超級電容直接為負載供電直至其電壓低于工作電壓目標范圍(目標工作電壓±1%)，此時調(diào)整穩(wěn)壓器休眠；
[0033](2)當超級電容的電壓處于調(diào)整穩(wěn)壓器輸入電壓工作范圍時，以超級電容的輸出作為調(diào)整穩(wěn)壓器的輸入，即將第3開關(guān)切換到第一通道【此時，第4開關(guān)接其第一通道(懸空)，也即斷開第4開關(guān)】；
[0034](3)當超級電容的電壓低于調(diào)整穩(wěn)壓器的輸入范圍時，斷開第3開關(guān)，將第4開關(guān)切換到第一或第二通道(即圖3中的引腳2和3)，改由鋰電池供電；
[0035](4)當鋰電池電壓處于電源系統(tǒng)的工作電壓的目標范圍時，第4開關(guān)第二通道接通，即不使用調(diào)整穩(wěn)壓器，將鋰電池電壓直接輸出；
[0036](5)當超級電容和鋰電池都儲滿電量且太陽能電池輸出符合調(diào)整穩(wěn)壓器的輸入電壓范圍時，將第2開關(guān)切換到第三通道，使太陽能電池的輸出作為調(diào)整穩(wěn)壓器的輸入而斷開其他輸入；
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