本發(fā)明涉及一種結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的高效太陽能發(fā)電系統(tǒng)，具體地說，涉及一種可以實現(xiàn)太陽能高效轉(zhuǎn)化太陽能獨立發(fā)電控制器，以及可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控和顯示用戶在使用過程中每日發(fā)電量變化的智能太陽能發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

以煤、石油和天然氣為主的能源消耗結(jié)構(gòu)使環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，加上非可再生能源的枯竭，開發(fā)和利用綠色環(huán)?？稍偕茉?，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為世界各國和民眾的共同訴求。在諸多可替代的能源選擇方案當(dāng)中，太陽能是非常符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的理想綠色能源。

由于太陽能電池板特性具有非線性特征，并且其輸出受光照強度、環(huán)境溫度和負載等情況影響，在一定的光照強度和環(huán)境溫度下，太陽能電池可以工作在不同的輸出電壓，但是只有在某一輸出電壓值時，太陽能電池的輸出功率才達到最大值，這時太陽能電池的工作點就達到了輸出功率-輸出電壓曲線的最高點，即最大功率點(maximumpowerpoint，mpp)。因此，需要采用最大功率跟蹤(maximumpowerpointtracking，mppt)控制電路來實時跟蹤最大功率點mpp電壓，來控制太陽能電池板的輸出電壓，進而提高利用效率。

現(xiàn)有采用mppt電路的一種太陽能電池板供電裝置，還需要防倒灌功能，一般是采用傳統(tǒng)二極管及繼電器電路防倒灌，缺點是其產(chǎn)生大量功率損耗和大量發(fā)熱量，而采用繼電器方式占用大量空間及成本且耗能嚴(yán)重。為此，需要將防倒灌與太陽能最大功率點跟蹤技術(shù)進一步改進，使其具備防倒灌功能的高效轉(zhuǎn)化電路。

作為進一步改進，目前大多數(shù)太陽能發(fā)電系統(tǒng)都是通過面對面進行按鍵屏幕進行人機交互的，這對人的行動造成了很大的限制，而且難以實時監(jiān)測充電情況，有的發(fā)電控制器甚至不帶有人機交互使使用者難以直觀的知道當(dāng)前工作狀態(tài)；雖然現(xiàn)在有部分太陽能發(fā)電系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程監(jiān)測充電情況，但是卻不能建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，為用戶提供一個長時間段內(nèi)的發(fā)電信息。為此，還有必要結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，做成具有遠程監(jiān)測功能和數(shù)據(jù)庫的智能太陽能發(fā)電系統(tǒng)，是非常有必要的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決防倒灌與太陽能最大功率點跟蹤技術(shù)進一步改進結(jié)合，本發(fā)明的目的在于提供具備防倒灌功能及高效轉(zhuǎn)化的太陽能獨立發(fā)電控制器、太陽能發(fā)電系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明提供的第一種方案是：太陽能獨立發(fā)電控制器，應(yīng)用于一太陽能發(fā)電系統(tǒng)，控制所述太陽能供電裝置工作于最大功率狀態(tài)，用以根據(jù)太陽能電池板的狀態(tài)輸出相應(yīng)的控制信號及輸出電壓給蓄電池，其特征在于，包括：主電路、采樣電路、微處理控制電路、mos管驅(qū)動電路、電源電路，其中

電源電路，將蓄電池電壓轉(zhuǎn)換成工作電壓用于為微處理控制電路和mos管驅(qū)動電路提供相應(yīng)的工作電壓；主電路，其輸入端接太陽能電池板，輸出端接蓄電池，用于將輸入的電壓進行dc-dc轉(zhuǎn)換升壓輸出給蓄電池；采樣電路，用于將主電路輸入輸出電壓、輸出電流及溫度轉(zhuǎn)換成微處理控制電路輸入信號；微處理器控制電路，用于接收采樣電路輸出的采樣值檢測，并使用最大功率點跟蹤算法實現(xiàn)對主電路控制，保證太陽能最大功率向蓄電池充電；mos管驅(qū)動電路，微處理控制電路通過mos管驅(qū)動電路連接主電路，mos管驅(qū)動電路包括防倒灌mos管，當(dāng)微處理控制電路檢測到輸入端電壓低于輸出端電壓，控制mos管驅(qū)動電路打開防倒灌mos管nmos-in達到防倒灌；當(dāng)微處理控制電路檢測到輸入端電壓高于輸出端電壓，mos管驅(qū)動電路導(dǎo)通，使微處理控制電路控制主電路給蓄電池充電。

所述mos管驅(qū)動電路分為高端mos管驅(qū)動電路和低端mos管驅(qū)動電路；微處理控制電路輸出控制信號pwm、以及與pwm互補且?guī)в兴绤^(qū)的pwmn；高端mos管驅(qū)動電路輸入端與微處理控制電路輸出pwm波的引腳相連，輸出端與主電路高端mos管相連；低端mos管驅(qū)動電路輸入端與微處理控制電路輸出pwmn波的引腳相連，輸出端與主電路低端mos管相連。

還包括防反向升壓電路，微處理控制電路輸出pwmn波的引腳連接防反向升壓電路，防反向升壓電路輸出端連接低端mos管驅(qū)動電路輸入端，當(dāng)輸入端電壓低于輸出端電壓、正向電流為零時關(guān)閉低端mos管，此時主控電路不輸出pwm，防止對蓄電池電壓反向升壓破壞控制器；當(dāng)輸入端電壓大于輸出端電壓時，低端mos管導(dǎo)通，使微處理控制電路控制主電路給蓄電池充電。

主電路為雙相交錯并聯(lián)同步buck電路，微處理控制電路輸出pwm1、與pwm互補且?guī)в兴绤^(qū)的pwm1n，以及pwm2、與pwm互補且?guī)в兴绤^(qū)的pwm2n，驅(qū)動高端mos管、第一相buck電路的pwm1與驅(qū)動高端mos管、第二相buck電路的pwm2相位差180°

太陽能獨立發(fā)電控制器還包括顯示屏及wifi模塊；顯示屏與控制電路串口相連顯示當(dāng)前發(fā)電信息；所述wifi模塊將控制電路發(fā)來的數(shù)據(jù)通過wifi發(fā)送到云服務(wù)器；所述云服務(wù)器對wifi模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)進行處理并基于此建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫；所述客戶端通過網(wǎng)絡(luò)與云服務(wù)器通訊，可以實時顯示和控制太陽能獨立發(fā)電控制器的工作狀態(tài)以及了解用戶每天的發(fā)電量的變化、一定時間段內(nèi)的發(fā)電量等信息。

本發(fā)明提供的第二種方案是：一種高效太陽能發(fā)電系統(tǒng)，包括：太陽能電池板、太陽能獨立發(fā)電控制器及蓄電池，太陽能獨立發(fā)電控制器包括主電路模塊，其輸入端與太陽能電池板連接，用于輸入電壓，其輸出端與蓄電池連接，用于輸出電壓，其特征在于，包括權(quán)利要求1-6所述的任一項太陽能獨立發(fā)電控制器。

本發(fā)明提供的第三種方案是：一種高效太陽能發(fā)電及防倒灌方法，其特征在于，微處理控制電路輸出pwm、與pwm互補且?guī)в兴绤^(qū)的pwmn，pwm輸入高端mos管驅(qū)動電路，pwmn低端輸入mos管驅(qū)動電路；當(dāng)輸入端電壓低于輸出端電壓、正向電流為零時防反向升壓電路關(guān)閉低端mos管，所有mos管都關(guān)閉，此時微處理控制電路不輸出pwm；當(dāng)輸入端電壓大于輸出端電壓時，mos管導(dǎo)通，微處理控制電路根據(jù)最大功率點跟蹤算法輸出pwm，控制主電路向蓄電池輸出電壓。

主電路為雙相交錯并聯(lián)同步buck電路，微處理控制電路輸出pwm1、與pwm互補且?guī)в兴绤^(qū)的pwm1n，以及pwm2、與pwm互補且?guī)в兴绤^(qū)的pwm2n，驅(qū)動高端mos管、第一相buck電路的pwm1與驅(qū)動高端mos管、第二相buck電路的pwm2相位差180°。

本發(fā)明的優(yōu)點：

1、設(shè)計了帶有基于mos管的防倒灌電路與防反向升壓保護電路，當(dāng)輸入端電壓低于輸出端電壓所有mos管都關(guān)閉，此時微處理控制電路不輸出pwm；當(dāng)輸入端電壓大于輸出端電壓時，mos管導(dǎo)通，基于單片機pid算法的微處理控制電路，保證太陽能電池板工作在最大功率點上，基于mos管的防倒灌電路省去了傳統(tǒng)二極管防倒灌的大量功率損耗和大量發(fā)熱量，省去了繼電器防倒灌占用的大量空間及成本。

2、主電路未雙相交錯同步buck高效轉(zhuǎn)化電路，微處理控制電路輸出驅(qū)動高端mos管、第一相buck電路的pwm1與驅(qū)動高端mos管、第二相buck電路的pwm2相位差180°，雙相交錯180°可以使一相電感電流的上升階段與另一相電感電流的下降階段疊加，減小總體的電流紋波，從而在電感電流不變的情況下減小電感尺寸和電感值，減小電感損耗。將擾動范圍快速限制在一定區(qū)間內(nèi)，可以加快最大功率點跟蹤速度，同時能適當(dāng)減小步長，減小在最大功率點附近的波動，實現(xiàn)高效轉(zhuǎn)化。

3、將太陽能發(fā)電與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合起來，在實現(xiàn)對太陽能功率高效利用的同時，可以遠程實時監(jiān)控太陽能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電信息，同時能利用用戶的發(fā)電信息建立數(shù)據(jù)庫，為用戶提供自己每天的發(fā)電量的變化、一定時間段內(nèi)的發(fā)電量等用戶關(guān)注的信息。

4、使用了低成本電源芯片uc3843設(shè)計了低功率反激電源作為系統(tǒng)供電電源，同時還能簡單地通過增加變壓器繞組得到用于驅(qū)動mos管的隔離電源，省去了價格較高的驅(qū)動芯片，且隔離驅(qū)動提高了電路的安全性。使用了低成本電壓比較器lm393的硬件層防反向升壓保證了以蓄電池為負載時低占空比下同步buck的安全工作。

附圖說明

圖1是高效太陽能發(fā)電系統(tǒng)系統(tǒng)總體框圖；

圖2是太陽能獨立發(fā)電控制器內(nèi)部框圖；

圖3a、3b、3c是電源電路；

圖4是主電路；

圖5a是輸入電壓采樣電路，5b是輸出電壓采樣電路，5c是溫度檢測電路，5d是輸出電流采樣電路；

圖6a、6b是控制電路；

圖7是wifi模塊、顯示屏的連接線路圖；

圖8是防反向升壓電路；

圖9a是防倒灌mos管驅(qū)動電路，9b是高端mos管驅(qū)動電路，9c是低端mos管驅(qū)動電路。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細的介紹。

參照圖1，一種太陽能高效發(fā)電系統(tǒng)，包括太陽能電池板，太陽能獨立發(fā)電控制器，

蓄電池組，wifi模塊，云服務(wù)器，客戶端。

參照圖2，太陽能獨立發(fā)電控制器，包括電源電路1、顯示屏2、防反向升壓電路3、微處理控制電路4、mos管驅(qū)動電路5、主電路6和采樣電路7。1電源電路分別為2顯示屏、3防反向升壓電路、微處理控制電路4和mos管驅(qū)動電路5提供相應(yīng)的工作電壓；微處理控制電路分別與顯示屏、防反向升壓電路、mos管驅(qū)動電路、wifi模塊相連。mos管驅(qū)動電路以防反向升壓電路和微處理控制電路作為輸入，然后輸出可以驅(qū)動主電路中mos管的pwm波。采樣電路從主電路采集輸入輸出電壓電流及溫度，然后輸入到微處理控制電路。

參照圖3a、3b、3c，電源電路以蓄電池作為輸入，經(jīng)u1與變壓器t1構(gòu)成的反激電源，u1的drv端根據(jù)c104與r105的值輸出一定頻率的pwm波控制變壓器主繞組回路的mos管q1開關(guān)，形成變化的高頻電流，從而出現(xiàn)變化的磁通，在次級繞組上也形成感生電流，后經(jīng)二極管整流及電容蓄能：在5、6繞組形成5v電源；在3、4繞組形成12v電源；在11、12繞組形成基于主電路vs1點電位的隔離12v電源；在9、10繞組形成基于主電路vs2點電位的隔離12v電源；在7、8繞組形成基于太陽能電池板正極電位pv+的隔離12v電源，總共5組電源。u1芯片為uc3843，是高性能固定頻率電流模式控制器專為離線和直流至直流變換器應(yīng)用而設(shè)置，為設(shè)計人員提供只需最少外部元件就能獲得成本效益高的解決方案。這些集成電路具有可微調(diào)的振蕩器、能進行精確的占空比控制、溫度補償?shù)膮⒖?、高增益誤差放大器、電流取樣比較器和大電流圖騰柱式輸出。

變壓器t1采用12引腳的ee22臥式變壓器。5v電源經(jīng)過u2芯片后輸出3.3v電源供控制電路使用，u2是低壓差ldo電源芯片ams1117-3.3。

參考圖4，主電路為雙相交錯并聯(lián)同步buck電路，其輸入端接太陽能電池板正負極pv+及pv-，輸出端接蓄電池正負極charge+及gnd。其工作原理如下：控制電路根據(jù)采樣電路檢測輸入輸出端電壓值，只有當(dāng)輸入端電壓高于輸出端電壓時，控制電路才控制防倒灌電路的驅(qū)動電路打開防倒灌mos管nmos-in達到防倒灌的目的；以上面第一項buck為例，假設(shè)當(dāng)前pwm1的占空比為d1，由于各路pwm的頻率預(yù)設(shè)為20khz，即周期為50us，則在0—50*d1時間內(nèi)高端mos管nmos1導(dǎo)通，太陽能電池板電流從nmos1經(jīng)電感l(wèi)1給濾波電容c2和蓄電池充電，同時電感電流線性上升；在50*d1—50us時間內(nèi)，nmos1關(guān)閉，經(jīng)500ns極短時間的死區(qū)后低端mos管nmos1n打開，電感電流不能突變而形成左負右正的電動勢，電感電流經(jīng)回路l1--蓄電池—電流采樣電阻r_i—nmos1n—l1給蓄電池充電；而并聯(lián)的另外一路buck2電路工作時序滯后buck1電路180°。綜上，驅(qū)動第一相buck高端mos管的pwm1與驅(qū)動第二相buck高端mos管的pwm2相位差180°，而驅(qū)動低端mos管的pwm1n和pwm2n分別為帶有500ns死區(qū)時間的與其對應(yīng)高端pwm互補的波形，驅(qū)動波形如下圖所示。mos管型號為irfb4110，其反向耐壓值為100v，導(dǎo)通電阻為4毫歐，具有極低的導(dǎo)通損耗。

參考圖5a、5b、5c、5d，圖5a中輸入電壓經(jīng)過rpv1和rpv2電阻分壓后經(jīng)過r301和c301組成的rc濾波后輸入到控制電路ad采樣接口，為了保護控制電路，使用d301進行鉗位；圖5b中輸出電壓經(jīng)過rvo1和rvo2電阻分壓后經(jīng)過r302和c302組成的rc濾波后輸入到控制電路ad采樣接口，為了保護控制電路，使用d302進行鉗位；圖5c中溫度檢測電路由1％溫敏電阻rntc和1％的10k電阻r306分壓后經(jīng)過r305和c305組成的rc濾波后輸入到控制電路ad采樣接口，為了保護控制電路，使用d304進行鉗位；圖5d中，電流經(jīng)過主電路中的0.005r電流采樣電阻r_i轉(zhuǎn)化為電壓信號后，經(jīng)過u10組成的放大電路放大后經(jīng)過r303和c303組成的rc濾波，然后輸入到控制電路ad采樣接口，為了保護控制電路，使用d303進行鉗位，其中u10為sgm8581，是sgmicro生產(chǎn)的高精度、低成本的軌到軌運放。

參考圖6a、6b，控制電路是由stm32f103c8t6組成的最小系統(tǒng)。它是基于armcortex-m3內(nèi)核的32位單片機，具有1μs的12位adc，4兆位/秒的uart，18兆位/秒的spi，18mhz的i/o翻轉(zhuǎn)速度。在72mhz時消耗36ma(所有外設(shè)處于工作狀態(tài))，待機時下降到2μa。具有集成度高，功耗低，速度快，精度高的特點。

參考圖7，為液晶屏和wifi模塊與控制電路的接口連接關(guān)系，其中液晶屏使用的串口屏，只需要通過串口發(fā)送預(yù)定義的指令就可以實現(xiàn)界面顯示；wifi模塊使用的是樂鑫的esp8266模塊，內(nèi)置32位低功耗cpu，內(nèi)置tcp/ip協(xié)議棧，內(nèi)置tr開關(guān)、balun、lna、功率放大器和匹配網(wǎng)絡(luò)，控制電路只需要發(fā)送簡單的at指令就可以完成配置。

參考圖8，u8為比較器lm393，通過比較pv-和gnd的電位來檢測電流的方向，其輸出分別與控制電路輸出的tim1_ch1n和tim1_ch3n輸入到u9的與門芯片74hc08，然后輸出的lm_ch1n和lm_ch3n作為低端mos管驅(qū)動電路的輸入。

參考圖9a、9b、9c，mos管驅(qū)動電路分為防倒灌mos管驅(qū)動電路、高端mos管驅(qū)動電路和低端mos管驅(qū)動電路。u3、u4、u5、u6和u7都為tlp350，是東芝公司生產(chǎn)的igbt門驅(qū)動光電耦合器，最大上升時間15ns，最大下降時間8ns。

本發(fā)明的工作原理為：首先接上太陽能電池板和蓄電池，此時電源電路開始工作并輸出相應(yīng)的不同電壓，控制電路采集輸入輸出端電壓決定是否開啟防倒灌mos管從而決定充電是否進行。若進行充電，控制電路快速增大驅(qū)動高端mos管的pwm占空比，將太陽能電池板端電壓控制到0.6-0.9倍的開路電壓范圍內(nèi)，隨后控制電路根據(jù)采集到的輸入端電壓電流信息計算當(dāng)前功率和上一次功率，使用小步長的擾動觀察法進行最大功率點跟蹤；同時控制電路不斷采集輸出端的電壓電流信息，進行軟件層的過壓過流保護；采集溫度信息控制允許光伏充電控制器工作的最大功率，防止燒毀硬件；硬件層的防反向升壓電路則根據(jù)電流流向結(jié)合pwm1n和pwm2n控制低端mos管的工作狀態(tài)，可以有效阻止電流反向流動形成反向升壓狀況；控制電路通過串口1不斷發(fā)送當(dāng)前的充電信息給液晶屏顯示，通過串口3將充電信息發(fā)送給wifi模塊，wifi模塊則將這些信息發(fā)送給云服務(wù)器，服務(wù)器對接收到的數(shù)據(jù)進行處理并建立數(shù)據(jù)庫，用戶可以通過客戶端對控制器進行遠程實時監(jiān)控，也可以查看自己每天的發(fā)電量的變化、一定時間段內(nèi)的發(fā)電量等信息。