一種風光互補智能照明供能系統設計

何常棟，吳 鵬

(陜西彬長礦業集團有限公司鐵路運輸分公司，陜西 咸陽 712000)

0 引言

能源是國民經濟發展和人民生活必須的重要物質基礎，隨著我國經濟實力和科技的發展不斷進步，人們對生活質量的要求也越來越高，這就會帶來更大的能源消費，尤其是對一次能源的依賴程度越來越高。因此，需要尋找新的能源方向來滿足或者是替代當前急需的一次能源，同時也要提高現有能源的利用效率。然而風能和太陽能是目前新能源的發展方向，同時對于兩者的獲取也相對容易，可以充分利用這2種新能源技術獲取電能[1 -3]。

傳統的照明燈光設計采用普通鈉燈作為光源，直接通過電線與電力網相連接，其使用交流220 V電壓，雖然結構較為簡單，但是需要消耗大量的一次能源。基于此，設計了一種風光互補智能照明供電系統，通過光伏發電和風力發電對照明進行互補供電，可以極大減少照明對一次能源的消耗。

1 風光互補智能照明系統的結構設計

1.1 整體結構設計

智能照明系統一般由供電系統、輸出部分、照明整體控制系統以及蓄電池單元組成，如圖1所示。其中，智能照明供電系統是以光伏發電和風力發電為主要能量來源，并且輔助220 V交流電源。

圖1 智能照明系統框圖Fig.1 Block diagram of intelligent lighting system

1.2 供電系統設計

風光互補智能照明供電系統由風力傳感器、光伏探測器、風力發電機、220 V電源以及MOSFET(金屬半場效晶體管)組成。在MOSFET模塊通過開斷控制該智能照明對能源利用的選擇，當MOSFET關閉的時候，智能照明電能由清潔能源提供，當MOSFET打開的時候，智能照明電能由220 V交流電源提供能量。通過光電探測器判斷出當前的運行環境，進而控制MOSFET的關閉與打開[4 -6]。

1.3 控制器結構設計

風光互補智能照明的控制器部分由嵌入式中央控制器、相關調理電路、電流和電壓采集電路組成。本套設計中所運用的嵌入式中央處理器采用的是LM3S9B96處理器，該處理器相當于智能照明的“大腦”。中央處理器可以對電流、電壓的具體數據進行采集，再經過對應的調理電路輸出，控制PWM占空比來對充放電路進行控制。

1.4 蓄電池儲能單元設計

蓄電池儲能單元是整個系統中電能儲存與釋放的關鍵環節，需要重點研究與配置。光伏發電系統發出的電能和風力發電機發出的電能同時在蓄電池單元中儲存，當蓄電池儲存電量充滿之后，光伏發電系統以及風力發電機要停止工作，此時蓄電池單元不再接受電源的供應。由于蓄電池的特殊材料的影響，其儲存能量的多少會受到自然因素的影響。

2 風光互補智能照明基本原理

2.1 風機發電基本原理

風力發電機的啟動要借助外界風的助推力來克服內部的機械阻力，進而帶動風力發電機工作，這個助推力的力矩稱作啟動力矩，其大小值與發電機內部的摩擦力有關。一般而言，風力發電機的啟動需要一個開始的初速度才能正常啟動工作，其最小值為Vfmin。同時，為了使風力發電機能夠自始至終在安全速度下運行，在最終確定相關材料后，需要設置風力發電機的最大轉速為Vfmax。通常情況下，風力發電機的正常轉速始終在Vfmin與Vfmax之間，這個速度值通常叫做工作風速，額定風速指的是風力發電機發出的功率等于達到額定功率時所需要的轉速。

2.2 光伏發電基本原理

光伏電池發電的基本工作原理是由光產生的伏特效應。當日光照射到光伏電池板時，光能轉換為電能以直流電形式送出電力，在直流電通過光伏控制器將部分電力送給逆變器以供用戶用電，將富余電力儲存在蓄電池中，以便在組件發電量低于用電量時能補償缺額的電量。

2.3 蓄電池充放電原理

蓄電池的實際充電電流大于其能夠接受的最大電流值，超出的那部分電流就會使電池中的化學物質發生電解反應，這樣一來釋放大量的電解氣體，從而對蓄電池的壽命產生致命的傷害，嚴重時直接毀壞蓄電池。因此，在對蓄電池進行快速充電時，就要及時消除這種極化電解反應，常用的解決方案是在對蓄電池進行快速充電時，中間暫停充電一段時間，并且適當增加一些放電脈沖進行緩解。當蓄電池的電量充到接近滿量的時候，蓄電池內部的一些物質就會被激活變成原來的狀態，此時經常采用浮充的電壓對該蓄電池進行充電。但浮充電壓值不能隨便設置，一般來說，對于12 V的蓄電池的浮充電壓在13.4～14.4 V。蓄電池的放電過程，其控制模塊主要的目的就是維持母線電壓基本不發生變化。如果蓄電池的放電電壓值幾乎超放電壓，馬上會發出警報，如果放電電壓值小于超放電壓，那么蓄電池就馬上停止放電，這樣可以延長蓄電池的使用壽命。

2.4 蓄電池充放電方法

蓄電池充電方式存在恒壓充電方式和恒流充電方式的部分缺點，為使各項缺點的影響降至最低，采取相互結合的一種方式，即三階段充電方式。在第1階段蓄電池充電方式采用的是恒流充電方式進行充電，當蓄電池充電容量達到設定的指標后停止充電；在第2階段蓄電池充電方式采用的是恒壓充電方式進行充電，在這個過程中需將蓄電池充電容量達到100%，蓄電池充電電流逐漸減小到0.01 C時，第2階段充電終止，進入第3階段；在第3階段中蓄電池充電方式采用的是浮充電壓(Uf)充電，主要目的是維持蓄電池兩端電壓，這個階段主要用來補充蓄電池自放電所消耗的能量。

3 風光互補智能照明系統能量控制管理

對于風力發電，采用風速自動跟隨控制策略。風速自動跟隨控制策略的基本原理是充分利用風力發電機實時計算出其轉速功率參數，而不是僅僅依靠風速，得到的功率和實際測量功率兩者之間有一個差值ΔP，把上述的差值作為PI控制器的輸入量，最終實現對風力發電機的輸出功率的控制。這種風機控制策略的優點就是讓風機的輸出功率更加靠近其最大功率，從而極大提高了其對風能的轉化率，同時這種控制策略還解決了傳統的風速自動跟隨方法的缺陷，不再需要提前獲取風力發電機的功率，因此被廣泛使用。

在光伏發電進行電能轉化和電流輸出的過程中，光伏發電效率會受到天氣變化的影響。因此，風光互補照明系統的光伏發電部分在設計時對天氣的影響應予以考慮，想要在進行光伏發電的過程中提高整體發電系統的工作效率，就需要采用最大功率跟蹤方法對光伏電池工作點進行全時段調整，這種方法保證了太陽能電池板工作電壓始終處于最大功率點，從而提高光伏發電的工作效率。

4 風光互補智能照明Matlab仿真

光伏電池中的外特性及其在建立仿真模型時的重要意義可以通過光伏電池的等效電路進行體現。通過參考相關的文獻資料可以得到其等效的電路拓撲圖[7 -9]，如圖2所示。

圖2 風光互補等效電路Fig.2 Wind and solar complementary equivalent circuit

在特定的條件之下，依照光伏組件的特征值，假設得到組件的短路電流為Isc，兩端的開路電壓為Voc，Im和Vm分別為最大功率點對應的峰值電流和電壓[10 -12]。則當光伏陣列的電壓為V時，其對應的輸出電流I為

(1)

考慮到太陽輻射與溫度變化對光伏陣列的影響，對上式中的數量進行修正，進而引入電流修正量ΔI、電壓修正量ΔU，從而依據實際的環境變化量得到光伏電池中電壓與電流之間的函數關系為

(2)

在一定條件下，取Im=4.95 A，Vm=17.2 V，Voc=22.2 V，Isc=5.45 A，Sref=1 000 W/m2，Tref=25 ℃，a=0.002 5 A/℃，c=0.002 8 V/℃，設置實際光照條件分別為200 W/m2、400 W/m2、600 W/m2，可得此時光伏電池I-U曲線和P-U曲線分別如圖3、4所示。

圖3 光伏電池I-U曲線Fig.3 I-U curve of photovoltaic cell

圖4 光伏電池P-U曲線Fig.4 P-U curve of photovoltaic cell

5 結語

詳細闡述了風光互補智能照明的基本原理，并且從智能照明風力發電模塊、光伏發電模塊、蓄電池模塊分別闡述了其基本原理，設計了風光互補智能照明的系統。通過研究得出合適的風光互補智能照明系統的能量控制策略，最后利用Matlab軟件對風光互補智能照明的發電進行建模與仿真，仿真結果證明該套風光互補照明系統控制策略合格，具有晝夜互補、季節性互補特點，系統運行穩定，性價比高，有著良好的推廣前景。