CN104620459A - 利用太阳能能源发电的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续性室内/室外照明的装置，其直接地由太阳能板使用DC直流电流以驱动LED灯，其包含两个继电器切换器的自动电网控制以及PV光伏板切换器阵列，其中一个继电器切换器与太阳能板共置作为在周期性或间歇性低太阳日照而低于可接受可调整低限值情况下开或关太阳能输入，其依序地触发与灯具组共置的第二继电器以无接缝地切换到电网或太阳能电力，因而满足不稳定太阳照射不足的需求。

Description

利用太阳能能源发电的装置及其方法

本发明涉及一种装置，该装置直接地从太阳能板经由两个继电器切换器转变为天然直流LED光线而作完整的室内照明，其中一个继电器与太阳能板是共置的，其关闭太阳能输入的继电器切换器于瞬间室外环境日照减少低于使用者设定的低限值之时，从而触发接近灯具组的第二自动继电器切换器以切换到电网，反之亦然，通过低成本新型创新无接缝地克服在早晨和傍晚的微弱日照也适用为由于不规律云阴影的不稳定太阳辐射。

技术领域

本发明属于最佳地利用太阳能的领域。970万亿千瓦时的能量每天到达地球。在世界各地几乎所有的办公室在上午9点到下午6点之间的运作，令人惊讶的是，几乎所有人都用电网照明作为他们工作空间的照明。因此，令人惊讶地，虽然外面灿烂的阳光洒下免费的能量，其很难利用于室内。

发明目的

本发明目的在于提供一种直接利用太阳能电力的装置作为室内空间照明和流通空气，初期为低成本的以及其后为免费的。

背景技术

太阳能已通过各种方式无论主动地或被动地被利用多年。光伏，聚光器和真空管方法已经有了长足的发展。阳光已经通过光纤被动地传送到室内。跟纵机制使日光收集器的吸收能力最佳化。电池整合通过无接缝不间断地供电而增加舒适度以满足客户的电力的需求。

直到2010年，在大多数印度地区具有近20-30兆瓦每平方公里的太阳能潜在容量，在印度各地惨淡经营地只有10.3兆瓦并网互动电力已被利用。然而，其数量跳跃提升；在2009年和2010年中按装几乎5倍地增加，其显示出由于未来事物设计的概念在该领域有惊人的增长前景。

如果在白天电网照亮一间办公室采用本发明的装置，其需要支付相当于约8至10年电费的经常性支出，并在后续10年享受免费的电力而没有进一步任何照明和风扇的开支。

以下是在公共领域部分地涉及本发明主题的已知现有技术的几个实例：

美国第4021267号专利揭示出一种装置，通过光伏电池将太阳能转换为电能的装置，其能够使用大部份太阳光谱。该装置包括集中入射辐射线的收集元件，将集中入射辐射线形成为并行光束的准直元件，光谱分离元件例如为棱镜，棱镜板或衍射光栅，其光谱分离准直光束中的太阳辐射线，以及一组多个光伏电池放置于被分离光谱中，该电池的能隙相匹配于电池所在位置该部份光谱中的光子能量。但其在低日照情况无法克服恒定照明的缺点。

美国第4191901号专利揭示出一种方法和系统以通过磁流体动力(MHD)的发电机将太阳能转换成电能。该方法包括提供具有喷嘴位于MHD发电机入口处的有机液体储存槽，提供液体合金贮存槽与入口端口流体连通，以及加热有机液体到其沸点温度，通过太阳能吸收器的装置以形成有机液体的高压蒸气经由MHD发电机推动液体合金，因而太阳能热能转换成机械能以及该机械能转换成发电机的电能。该系统包括具有喷嘴位于MHD发电机的入口端处有机液体储存槽，与入口端流体连通的液体合金储存槽，使用来加热有机液体至沸点的太阳能能量吸收器。其并不包含使用任何本发明装置以及主要关于发电的过程以及并不间接地相关于本发明的恒定照射处理过程。

美国第6686533号专利揭示出能量转换系统，其包含电池阵列以及能量转换系统，其揭示出包括单元阵列以及导引聚集光线于电池阵列的聚光单元，电池阵列包含一组多个电池，其中电池依据达到每一电池集中光线的光通量耦合在一起。

美国第4942736号专利提供一种方法以及装置以由太阳能产生电力，其中太阳能收集器加热供给到燃气涡轮的气体；压缩机压缩气体，该气体被压缩以及储存于第一时间段，所存储的压缩气体被供应到燃气轮机中于第二时间段以通过驱动发电机来产生电力。优先地，第一时间段为非高峰用电时段，其通常发生在夜间。所述第二时间段是在白天。太阳能收集器优先地包括追踪反射器以聚焦太阳辐射线以及接收器以接收聚焦的太阳辐射线以及加热该气体。太阳辐射线接收器优先地包括一个旋转的陶瓷构件。此外，燃烧室优先地提供加热进入燃气涡轮机的气体以及由温度感测/控制单元操作于太阳辐射线接收时。

美国第4260220号专利提供经由光纤管道直接将户外光线输入至室内，以及相关的光学方法。虽然该系统是非常有用的与校正冗余以避免低日照的不良影响。使用各种高反射率内侧表面空心管的光导管以引导太阳光或人造光经由短距离以达到对建筑物室内照明的目的。1981年4月7日Lorne A.Whitehead的"Prism light guide having surfaces which are inoctature"专利说明该特别有效方法。

美国第4895420号专利提供一种照明方法，该专利名称为"High Reflectance LightGuide"，其于1990年1月23日核准给予John F Waymouth。

光线管道的特征在于其孔径，接收角和衰减。虽然光线管道是有效的以及为被动系统作为室内照明，在厚云层覆盖下，其无法在室内产生所需要的光照。此外，在夜间光纤线缆系统是无法经由相同的照明设备提供室内不间断的光照。

美国第2010/0269817 A1号专利申请案提供另一相关方法，在高空地球大气层中聚集太阳能以传送聚集太阳能到地球表面，更详细说明参考2010年10月28日公告的Edmund Kelly专利。虽然该发明通过放置于大气层高空中，其可提供24小时太阳能，其成本与本发明比较为相当高的。

最流行以及相关的方法是使用光伏板通过换流器通过太阳能对电池充电而加以驱动以提供室内照明，而这几乎是无处不在于我们今天的生活中，完全不同于由不间断电网并联光伏发电板的直流电源而驱动以提供直接照明的目前创新。

在世界各地流行的另一种方法是使用光感测器，用于路灯切换从“关”到“开”的状态，其利用太阳能光伏在白天对电池充电而在夜间进行发电。迄今为止，光敏感的感测器(或光检测电阻器)不提供灵敏性以确定上午9时或下午3点到下午4点的光强度以及只操作于外界环境情况为黑暗时，比如黄昏或黎明，从而打开/关闭路灯，通过创新的本发明应用程序，它提供在明亮的阳光下更灵敏的光强度评估以及识别间歇性阴影。

另一个非关联先前技术为创新使用开窗/天窗以被动地导引户外光线至室内。这些可能是天窗和窗户在室内提供光线，但对于室内办公应用其很少是非常有效地提供均匀的照明。

目前太阳能解决方案并无直接的光伏，其系通过采用室外明亮的阳光传送照明进入室内空间。

所有的技术背景只是达成本发明实施例的一的导引以及留下足够的空间作为进一步发展，其在本发明中呈现出。

发明内容

本发明装置能够直接从太阳能板完整地作室内/室外照明。LED灯已经加以使用，因为他们本身以直流电运作。这种低成本新颖的组装原型制作能够促使采用两个300毫安12V继电器切换器为创新的排列，其根据外界环境光线条件自动地触发。一个继电器切换器共置于太阳能板处，其关闭太阳能输入于日照减少低于可接受可调整低限值之时。依序地触发靠近灯具的第二继电器以无接缝地切换到电网，因而满足不稳定太阳照射不足的需求，此由于变动的云层或在早晨和傍晚的微弱日照。微小(尺寸)的太阳能板已被用来作为感测器以确定照度，此由于常规的光感测器(LDR)不具备所需要的频带宽度以在明亮的照明条件区分光线样式的变化。延伸到本发明，LDR可加以采用以使用光学方法达成相同的切换能力。

附图说明

具体实施方式

电阻，电流，电压，照明强度和所给定功率的数值为范例性以说明本发明。这些数值可加以改变以适应各种电力负荷的情况，因此在本申请案中所给予特定数值都将被视为一个范例。

太阳辐射线及照明的要求的性质：在早晨和傍晚当太阳的倾斜更靠近地平线以及在阴天时由于太阳能照射不足，如果直接连接到任何灯具，从光伏板(PV)的输出将导致在这些时候的强度变暗。

所需要的照明强度会从最终使用者的工作功能要求而变化。例如办公室与工厂工作台面会有不同的需求。在工厂中工作由手工完成的装配生产线，亦即电子装配线比车体装配线需要更多照明。

按照标准照度规范，一般被普遍接受的是，办公室工作照明为大约500LUX以上是足够的，其中更加精密的工作需要1500LUX。通道和公共区域用途只需要大约100到200LUX。所达成照明样式取决于所使用照明装置的功率以及其距离(离工作台的高度)以及工作空间周边照明的重迭；而所有这些随着不同位置而变化。

此外，太阳照射强度在每一纬度有所变化，在一天的任何时间特定点向着两极移动时强度将逐渐地减少，冬季和夏季期间发生相当大的光强度变化。例如，在夏天在Bangaloe纬度，在大约下午4点30分时办公室是开放及运作时，外面太阳能板得到约4000LUX，但是这并不能完全地传送所需要的电流至室内的LED灯具，其系假设直接地连接到太阳能板。这将导致在室内直接连接的LED灯具变暗，对某些使用者为不能接受的。在冬季同样的照明条件下可能会发生在下午3时45分。因此一个可配置的排列将使室内变为无接缝地转变，而不受一年的时间影响。

因此，配置太阳能至电网以及反之亦然的切换已加以设计，使使用者可以根据其位置/需求的环境照明界定出截止点以及对PV面板本身做相同的设置。

在本发明中，虽然照明电力(以及其它以太阳能电力运作的负载)由传统尺寸标准太阳能光伏板取用，即依据其依附负载样式，加入另一辅助板作为感测器及激发器。由主要太阳能板直接地以直流经由传统线缆传送至室内灯具。

光伏感测器及控制：当日照不足或不能接受时自动截止太阳能电力，使用微小(尺寸)的光伏板的创新作为光感测器。此已被采用，因为通常可利用的传统光感测器(也被称为的LDR或光检测电阻器)具有约1000LUX公差，其不足以实施超出此限制的感测照明变化的任务。在试验后，据估计当照明值在4000LUX范围内时(如在Blackberry Engineering OSLUX感测器上读取)需要室外单元切换器为OFF。该板尺寸的详细说明及方法显示于图7中。

这种微小尺寸板(以下称为板感测器)通过一个12V 60毫安继电器(太阳能切换器)连接到灯具负载。此使用来切换ON/OFF太阳能输入至自动电网控制。

主要太阳能板的输出经由太阳能切换器加以中断，其中继电器NO(平常关闭)被连接，因为它接收来太阳能板(板感测器)。每当由于太阳日照变弱导致电流下降，它无法保持为NO以及因而停止连接，回复至NC(平时连接)位置，因而断开输送到太阳能-电网连结(自动电网控制)的微弱太阳能电力(电流)。人们了解在该阶段电压保持在狭窄范围内的固定值。参考图1，详细加以说明。在这个原型制作配置中整组元件(以下称为板切换器)列出如下:

(a)太阳能板使用作为感测器-12V提供300毫安。

(b)立方体式继电器12V，消耗60毫安。

(c)并联平衡电阻220毫安。

(d)剩余部份20毫安为使用者允许变弱范围。

在该特定排列中，瞬间太阳日照减少，太阳能板提供电流能力下降，因为同样穿越继电器的低限值点保持为NO，其跳闸以及回复至NC位置，其有效断开太阳能输出至太阳能至电网连系。

为了满足多个使用者需求/照明规格，具有可变电阻向上调整44欧姆至60欧姆的电位计通过预先设定旋转切换器加入以允许使用者配置截止低限值以及利用更多太阳能，虽然具有较低照明或通过适当截止太阳能界定出可接受照明。这通过使用可变电阻负载的选项来实现，如下所示：

(a)47欧姆(能够在约4000LUX关掉太阳能)。

(b)52欧姆(能够利用较小LUX输入允许使用者选择切换器为关闭)。

(c)60欧姆。

(d)66欧姆。

太阳能板至电网连系感测器及控制(自动电网控制):由光伏板延伸出直流电力线连接至第二12V 60mA继电器，该光伏板经由如上述所说明板切换器加以调整。太阳能板输入的正极接头连接至继电器NO，同时电网供电的正极连接至NC。COM作为整个装置的共同正极接头。太阳能板输入以及电网供电两者负极连接在一起以及作为装置的负极接头。

一旦太阳能板输入由板切换器断开，该继电器(自动电网控制)中断NO因而回复到正常状态以及连接电网NC被激活。其能够无接缝地切换到电网，反之亦然。

灯具和风扇控制：自动电网控制需要放置于室内。另外，由于LED通过直流加以驱动，该直流原产于主太阳能板，所需要安培数的交流至直流驱动器需要有界面。灯具需要具有直流恒定电流驱动器以达到最佳的使用期限。风扇可被放置在一个单独的电路，因为他们并不需要较大的灵敏度。它们可以被连接到另一光伏感测器，其设定允许在白天更长的时间取得太阳能以及在间歇云层期间消除切换器开/关程序。

为了获得最佳的电力供应，图5和6显示电线厚度以及载流容量导引于布线图中。所有排列允许灯具和风扇作遥控切换。

在所有的情况下，包含必要的保险丝以确保整个安装的安全，因为直流电不需要接地线。

不间断电源：上述排列配置为避免使用较短工作寿命的电池，以减少每2至4年更换电池的成本。然而，在电网电力并不稳定，并消除故障而避免影响室内操作性能，可以采用UPS以保持电网为无接缝地连接。电池在该情况下由太阳能电源进行充电，因此主光伏板需要适当大小。

上述排列当光伏感测器切换至自动电网控制时可通过利用过剩电力提升性能。此发生于较早清晨或较晚傍晚或不固定/固定云层过程中。能够制作由光伏感测器NO传送电力至电池的排列。不过需要重新考虑蓄电池容量。

风力发电和电池提供直接直流电源的整体形成：风力涡轮机以及电池的直接直流电源能够无接缝地整体形成至系统，其通过使用电源程式逻辑控制。不过相同内容并不作进一步说明，因为其并非本发明的范围。

决定低限值电压:工作参数在图7中列出

6W光伏板Imax约为300mA。

由光伏板提供电压约为12V，即串连2x 6V。

使用R＝V/I，我们能够决定出消耗全部300mA电阻

V＝12V，I＝300mA＝0.3A

因而R＝(12/0.3)欧姆＝400欧姆

由继电器提供电阻约为400欧姆

为了得到最终约为40欧姆电阻必需平行地连接至继电器。

并联电阻的电阻值为1/Rp＝1/R1+1/R2

因而所需要Rp为40欧姆以及R1＝400欧姆

因而由公式得到1/40＝1/400+1/R2

1/R2＝1/40-1/400

R2＝44.445欧姆

此为最低可能值，低于该数值将促使激发继电器为失效。

注解:由于欧姆定律以及计算合并电阻的公式为抽象的以及近似地依据复杂以及实际无法使用公式，这些数值并非精确的。因而一些误差的空间为必要条件。虽然由于精确值例如44.4欧姆为无法取得的电阻，使用接近数值。

但是，这个等式的确显示了使用的设备的最大极限，利用该最大极限可以提供范围。

实施/最佳方法

为了实施本发明，实施者需要组装零件/线路如上述所说明以及显示于图7中。

观察性能的最好方法为在下午操作装置。一旦连接至太阳能板，太阳能LED指示灯会亮起红色。这将显示太阳能板产生足够的电流以驱动所说明灯具。为了测试系统无接缝地切换到电网，实施者可以通过保持任何纸片/布遮挡太阳光线而加入一层阴影于感测器面板上。可以看出太阳能指示灯LED将关闭。

如果有间歇云层，系统将自行测试以及启动器将能够看到切换器自动地发生。

在大约4:30PM，取决于纬度和阳光的强度，板切换器将关闭电源以及电网电源将自动地打开。第二天，在大约9:30AM，决定于阳光的强度，板切换器将激活和实施者能看到电网切换器将关闭。如前所述，板切换器显示太阳能LED指示灯已经开启以及亮红灯。

从上面所揭示内容，本文所说明的本发明目的已完全实现。现在已经充分描述本发明，其为本发明领域普通技术人员了解，其同样可以在广泛以及同等条件，方法以及其他参数范围内实施，而不会影响本发明的范围或任何实施例，其受下列申请专利范围所规范。

Claims (9)

1.一种完整室内/室外照明的连续性照明装置，该照明直接地来自太阳能板，其包含直流电流驱动的LED灯，一组灯具，具有自动控制的电网以及两个300毫安12V继电器切换器；

其中继电器切换器的一与太阳能板共置，以在太阳日照减少而低于可接受可调整低限值情况下关闭太阳能输入，其导致激发与灯具位于共置的第二继电器切换器以无接缝地切换至电网，因而满足不稳定太阳日照不足的需求。

2.如权利要求1所述的连续性照明装置，其中太阳能板被使用作为感测器以及为低功率制造特殊板，其经由12V 60mA继电器切换器连接至灯具负载，其使用来关闭至自动电网控制的太阳能板输入以决定照明样式以区分在昏暗/明亮的光线条件下的变化。

3.如权利要求1和2所述的连续性照明装置，其中主要太阳能板输入以及输出模式连接至一对继电器切换器，其在太阳电力充份供应情况下为平常关闭(NO)模式，在电力缺乏情况下为平常连接(NC)模式，因而切断传送至自动电网控制的电力。

4.如权利要求1至3所述的连续性照明装置，其中在自动电网控制排列中元件包含:

并联220毫安培的平衡电阻器；

剩余部份20毫安为使用者允许变弱范围；

具有44欧姆至60欧姆可变电阻的电位计通过预先设定旋转切换器加入以允许使用者设置截止点以及利用更多太阳能，虽然具有较低照明或通过截止太阳能界定出可接受照明以适用于多个照明规范。

5.如权利要求1至3所述的连续性照明装置，其中使用直流配电箱靠近自动电网控制，其中直流驱动器配置适当尺寸而适用于灯具使用标准配置样式，即传送3W光线NO至36W平板而计量在一起。

6.一种连续照明的处理方法，该照明包含光感测器及控制以及线圈，其中:

感测器板提供电力至太阳能感测器中继电器的线圈；

由感测器板提供的过量电流由与线圈并联的电阻耗用而导致其中只存在最少量的电流；

当太阳辐射线降低超越可选取低限值时自动电网控制被关闭。

7.如权利要求6所述的连续性照明的处理方法，其包含太阳能至电网连结的感测器及控制，其中：

直流转换器的正极端连接至平时连接(NC)模式以及太阳能板的正极端连接至继电器切换器平时关闭(NO)模式；

负极端子与二极管连接在一起；

COM作为正极端作为多种应用。

8.一种连续性照明的装置，该连续性照明的装置为如权利要求1至5所述连续性照明装置。

9.一种连续性照明的处理方法，该连续性照明的处理方法为如权利要求6和7所述连续照明的处理方法。