一种基于柔性钙钛矿光伏电池的自供能系统

本发明属于新能源和电路设计复合，特别是涉及一种基于柔性钙钛矿光伏电池的自供能系统。

背景技术：

1、无线物联网传感器网络技术由于其巨大的经济价值和广阔的应用前景，成为国内外关注和研究的热点。它们广泛的应用于监测和控制领域，例如监测光照、温度、湿度、压力、工业厂房机械加速度，助力构建智能城市、智慧农场、智慧森林等。无线物联网传感器网络由大量无线传感器节点还有少数中继节点联网组成，每个节点都是以传感器为基础，添加微控制器和无线通讯模块组成的。

2、传统的无线物联网传感器节点使用电池进行供电，在运行过程中存在高功耗的设计限制，目前主要采用一些节能技术和连接电源供电来解决这一问题。一旦节点中的电池能量耗尽，就需要一次次地更换电池。当成百上千个节点分布在农业农场、森林、温室监测等其他大型应用场景中，由人工定期更换每个节点的电池需要付出巨大的人力和经济成本。这些因素极大的限制了无线物联网传感器网络的应用范围，已经成为制约其技术应用的关键问题之一。

3、要从根本上解决能量短缺的问题，不能通过降低能耗的方式，而应该从周围的环境中收集能量。光伏电池可以将太阳能或者光能转换为电能，这些电能可以用于为无线物联网传感器网络节点供电，或者将能量储存起来以满足设备将来的使用(例如在没有光照的夜间)。并且光伏电池的形态也多种多样，可以根据使用场景需要，选择或者设计不同的光伏电池模组，这也极大的扩展能量收集的无线传感器网络的潜在应用范围。

4、现阶段，光伏能量收集在中大型发电设备中已经由广泛成熟的应用，但是在wsn节点这类微小设备或者弱光场景中应用却很少。但随着近年来芯片技术的发展，小型设备的功率越来越低，对于小型设备中光伏能量的采集和利用的研究也变得逐渐火热。在微小设备中，体积限制了光伏电池的发光面积，在弱光场景中，光能的功率密度较低，这都导致了能够产生的光电流很小，能够输出的电压也较低。这使得光伏能量收集的利用率大大降低。因此提高光能的收集效率，同时减小能量收集电路的损耗是光伏能量收集在低功率领域应用亟待解决的重要问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对背景技术中的上述不足，提供体积小、能量转换率高、功耗低、持续工作时间长、应用场景广泛、无需电池即能够稳定工作的一种基于柔性钙钛矿光伏电池的自供能系统。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种基于柔性钙钛矿光伏电池的自供能系统，由降压模块、最大功率点追踪模块、主控模块、储能模块、自启动模块、负载模块、稳压模块之间通过电路连接而成的；

4、所述降压模块包括一个降压芯片，可以将最高高达40v的太阳能电池的高输出电压高效率且稳定地降压为5v的低电压；降压模块的电压输入端接太阳能电池的输出端口，接受太阳能电池的高输入电压；降压模块的信号输入端接主控模块的降压开关控制信号输出端，接收控制信号来开启或关闭降压模块；降压模块的输出端接最大功率点追踪模块的充电电流控制单元，输出降压后稳定5v的电压；

5、所述最大功率点追踪模块包括太阳能电池输出电压检测单元与充电电流控制单元；

6、所述太阳能电池输出电压检测单元的输入端接太阳能电池的输出端口，用于检测太阳能电池的输出电压；太阳能电池输出电压检测单元的输出端接主控模块的adc电压采集端口，用于将检测到的电压数据传输给主控模块进行处理和分析，以实现最大功率点追踪；

7、所述充电电流控制单元包含至少一个电流控制芯片，可以限制流经芯片的电流的大小；充电电流控制单元的电流输入端接降压模块的输出端口，充电电流控制单元的电流输出端接储能模块的输入端口，因此充电电流控制单元可以控制从降压模块流向储能模块的充电电流的大小；充电电流控制单元的信号输入端接主控模块的i2c控制信号输出端口，接收i2c控制信号从而调节充电电流，使太阳能电池的工作点接近最大功率点，实现高效率的能量吸收；

8、所述主控模块包括至少一个微处理器mcu；所述主控模块包含一个降压开关控制信号输出端口，连接着降压模块的信号输入端；主控模块发出低电平时，会关闭降压模块，此时adc电压采集端口检测到的电压为太阳能电池的开路电压；主控模块发出高电平时，会开启降压模块，此时adc电压采集端口检测到的电压为太阳能电池的工作电压；

9、主控模块包含一个adc电压采集端口，连接着太阳能电池输出电压检测单元的输出端；主控模块会根据检测到的太阳能电池的开路电压大小判断当前时间是白天还是黑夜；当判断为黑夜时，主控模块控制整个系统进入低功耗模式，减少能量消耗，当判断为白天时，主控模块控制整个系统进入正常工作模式；

10、所述主控模块包含至少一个i2c控制信号输出端口，连接着充电电流控制单元的信号输入端；主控单元先检测太阳能电池在当下环境中的开路电压和工作电压，再根据最大功率点追踪算法中的恒定电压跟踪算法，发出i2c控制信号，从而调节充电电流的大小，控制系统高效地吸收电能；

11、所述主控模块包含一个自启动开关控制信号输出端口，连接着自启动模块的信号输入端；主控单元从掉电中恢复正常运行后，会第一时间关闭低效率的自启动模块，然后开启高效率的降压模块以吸收电能。

12、所述自启动模块包括至少一个ldo线性稳压器，可以将高电压以较低的转换效率稳定地降压为5v的低电压；自启动模块的电压输入端接太阳能电池的输出端口，自启动模块的输出端接储能模块的输入端口；自启动模块的信号输入端接接主控模块的自启动开关控制信号输出端，接收控制信号来开启或关闭自启动模块。

13、所述储能模块包括至少一个标定为3.7v的锂离子充电电池和电池充放电保护单元；电池充放电保护单元连接在锂离子充电电池的充放电端口，可以对电池的充放电进行限流保护，防止过大的充电放电电流以及过度充电放电造成的锂电池损耗和安全问题；储能模块的输入端接充电电流控制单元的输出端，负责储存系统吸收的电能；储能模块的输出端接稳压模块的输入端，为主控模块的微处理器mcu和后续的负载模块提供电能；

14、所述稳压模块包含至少一个ldo线性稳压器，可以将锂离子充电电池不稳定的输出电压稳定降压为3.3v的微处理器mcu和负载模块的工作电压；稳压模块的输入端接储能模块的输出端，稳压模块的输出端连接着主控模块和负载模块，提供稳定的3.3v工作电压。

15、所述负载模块的输入端接稳压模块的供能输出端；负载模块用于根据使用者的需要任意接入低功耗设备，所述低功耗设备包括微型传感器、微型无线通讯天线、手机充电器、小风扇等设备。

16、进一步的：

17、所述降压模块的降压芯片采用同步型dc-dc buck降压芯片，型号可为lm5165xdrct；所述降压芯片可以将最高50v的高电压降低到5v，转换损耗小；

18、所述充电电流控制单元的电流控制芯片的型号可为bq25180，可以通过i2c信号控制流经芯片的电流大小，从而控制所述降压芯片的输出电流大小和所述储能模块的充电速率。

19、所述主控模块的微处理器mcu为单片机，型号是stm32f103rct6。

20、本发明提供一种基于柔性钙钛矿光伏的自供能系统，该系统首先柔性钙钛矿光伏电池收集环境中的太阳能转换为电能，并通过降压模块将降低电压后的电能储存到锂电池储能模块中；最大功率点追踪模块用于实时调节柔性钙钛矿光伏电池的输出电参数，以保证其能量输出效率的最大化；主控模块用于收集降压模块的各项电参数，进行功率计算，并将控制信号回传给最大功率点追踪模块；储能模块用于为主控模块和负载模块供应能量；自启动模块用于在储能模块完全掉电即无法供能时，启动主控模块继而运行整套系统，并为后续的负载模块供应充足的电能；本发明为新型材料柔性高效率钙钛矿太阳能电池做了优化适配；同时也适用于一般的太阳能电池；系统的专用性能强、通用性广且集成度高；系统能够同时兼容输出电压较高的柔性钙钛矿材料太阳能电池以及电压较低的一般单晶硅材料太阳能电池。自供能系统具有良好的能量收集效率和自适应性，在各种太阳光照条件下都可以为储能模块持续高效地充电，提高微功耗设备的太阳能利用率，延长自供能系统的使用寿命，节约人工定期更换电池的成本。