高效風光互補照明系統設計

李冰 朱佳偉 尹航仁 張倫 吳晗 李罡 王蘊 劉庶

【摘 要】本文對高效風光互補照明系統進行了研究設計，對系統總體結構和控制單元分別進行了設計。

【關鍵詞】高效 風光互補 照明

中圖分類號：G4 ? ?文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2016.03.194

一、高效風光互補照明系統研究背景

近幾年，由于傳統能源的有限性日益突出，人們的環保意識不斷增強，清潔能源越來越受到普遍重視，太陽能、風能都屬于清潔能源，高效開發正方興未艾。

在太陽能、風能單獨用于發電系統中時，由于太陽能、風能的穩定性較差，為了能夠提供連續穩定的能量轉換輸出，無論是光伏發電系統還是風力發電系統，都需要引入儲能環節來調節系統運行過程中的能量供需平衡。由于風力發電系統和光伏發電系統在儲能環節可以通用，所以建立風光互補發電系統在技術應用上成為可能。

從資源角度考慮，太陽能和風能兩者在時間變化分布上有很強的互補性，白天太陽光最強時，風很小，到了晚上，光照很弱，但由于地表溫差變化大而風能有所加強;在我國西北、華北等地區，風能及太陽能資源具有季節互補性，冬春兩季風力大，夏秋兩季太陽光輻射強。太陽能和風能在時間上的互補性使得風光互補發電系統在資源分布上具有很好的匹配性。

適時的研究風光互補系統能搶占市場先機，也符合綠色環保的要求。下面本文就一種高效風光互補照明系統進行設計分析。

二、系統總體結構設計

考慮到系統的使用與推廣，最大功率自動跟蹤系統應注重于系統實效性和經濟性，因此在實際設計過程中遵循了以下幾個原則：

（1）模塊化設計，對整個最大功率自動跟蹤系統進行模塊化設計，便于縮短開發的時間周期，并且根據模塊之間的關系建立標準的連接。

（2）系統的可擴展性，按照所需的控制策略和跟蹤算法搭建系統平臺，能夠方便系統的維護與更新，且能夠實現相關參數的動態配置。

（3）太陽能最大功率自動跟蹤系統的電池板在正常工作時應正對太陽，在氣候不利條件下（如陰雨天氣或大風等），能夠自動放平，一方面保護系統免遭大風破壞，另一方面也可以節省電力消耗。

（4）系統在天黑后，能夠使電池板重新朝向東方，實現日循環運行。

（5）太陽運動是緩慢變化的，所以應該實現間歇性的跟蹤方式。

基于以上原則，系統總體硬件由控制部分和驅動部分組成。控制部分主要包括STC89C52主控板、光強檢測模塊、液晶顯示器、風速風向檢測模塊和角度檢測模塊;驅動部分主要包括機構支架、太陽能電池板、蝸輪蝸桿副、步進電機及其驅動器，系統硬件結構框圖如圖2.1所示。

圖2.1系統硬件結構框圖

三、控制單元設計

控制器在整個系統中作用至關重要。由于風能和太陽能具有隨機性和不穩定性，所以能量的控制相當重要。當風能過大，太陽能輸出的能量也很大時，而此時負載所需的能量小于所供給的能量時，將會導致風輪的轉速過大，導致飛車;電流也過大，易導致發電機過載，而燒毀線圈;風能、太陽能較時，無法滿足負載供電;以及對最大功率跟蹤控制等一系列問題 。

系統以STC89S52單片機為控制核心設計系統控制器。它將風力發電機輸出的不穩定交流電和太陽能電池板輸出的不穩定直流電轉換為穩定的直流電提供給蓄電池和負載，同時控制蓄電池的充放電方式和負載的工作模式，實現蓄電池科學的充放電管理。

在風光聯合發電系統中太陽能電池的使用壽命比較長，一般能夠達到10-15年，而風力發電機和蓄電池的使用壽命比較短，所以使發電機和蓄電池工作在安全的工作模式下，對發電機和蓄電池進行保護是控制器的主要任務之一。控制器要起到以下幾個作用：

（一）功率控制

采用風光同時工作的模式， 輸出功率控制采取對風光總功率進行跟蹤的策 略，不單獨對分支路進行控制，簡化了系統電路，同時也簡化了最大功率跟蹤程序的流程。對總功率的控制采用逐次逼近法的 MPPT 控制策略。在最大功率跟蹤時，對于單獨的風力發電機組和光伏陣列而言，可能沒有同時工作在最大功率點，但是系統總的輸出功率能夠跟蹤輸出功率大的支路。

（二）蓄電池充放電控制

控制系統將對蓄電池的端電壓和系統設置的控制點電壓進行比較，根據比較的結果確定是否分級切除光伏支路和風力發電機或者是分級增加蓄電池充電的光伏支路和風力發電機，以確保蓄電池的充電電流工作在正常條件下。如果在連續無風、光的情況下，蓄電池處于過放狀態時，應該切斷蓄電池對負載或者逆變器的供電，以避免蓄電池深度放電。

（三）對發電機進行保護

當發電機在對蓄電池進行充電的狀態下，實時對發電機所輸出的線電壓進行檢測，當線電壓大于所設定的保護電壓時，接入耗能負載，消耗掉多余能量;根據控制點電壓的判斷，看蓄電池是否還需要風力發電機進行充電，如果是，則斷開耗能負載的連接，延時一會兒后，等發電機進入平穩運行狀態后，再開始下一次檢測。

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