太陽能風(fēng)能及市電一體電源的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳正昌，覃 嶺

（1.貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 貴州 凱里 556000；2.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 順德 528333）

利用太陽能、風(fēng)能，加上市電構(gòu)成三能一體的供電系統(tǒng)[1]，對(duì)節(jié)能型的LED供電，是一種具有較高性價(jià)比的新型供電系統(tǒng)。風(fēng)能和太陽能具有天然的互補(bǔ)優(yōu)勢[2]，白天太陽光強(qiáng)，夜晚風(fēng)大；夏天日照好，風(fēng)弱；冬天季節(jié)風(fēng)大，日照少。在自然風(fēng)能和光能都很弱的情況下，啟動(dòng)市電作為備用供電電源[3-4]，保證負(fù)載在長效可靠的狀態(tài)下穩(wěn)定的工作。

1 照明系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)主要由供電電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、蓄電池、LED負(fù)載、逆變器等組成，如圖1所示。

圖1 照明系統(tǒng)的組成Fig.1 Composition of the lighting system

1.1 電源部分

電源部分主要由一臺(tái)或多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)（內(nèi)含風(fēng)力機(jī)控制器）、太陽能光伏電池板（內(nèi)含光電板控制器）、220 V市電組成。

1）風(fēng)力發(fā)電機(jī) 利用風(fēng)力機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。通過控制器的控制，一是將電能直接供給直流負(fù)載LED燈或經(jīng)DC/AC逆變器供給交流負(fù)載[5]，二是將多余的電能對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率[6]為

式中:R為風(fēng)輪葉片半徑；V為風(fēng)速；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，最大值為0.593。

風(fēng)輪葉片有定漿距和變漿距之分。定漿距風(fēng)力機(jī)在額定風(fēng)速以下的風(fēng)速范圍，Cp達(dá)不到最佳值，輸出功率低；超出額定風(fēng)速后，Cp也會(huì)偏離最佳值，輸出功率降低；只有在額定風(fēng)速時(shí)Cp有最佳值，使輸出功率最大。變漿距風(fēng)力機(jī)，啟動(dòng)時(shí)通過調(diào)節(jié)漿距角可以使Cp最大，輸出功率較大；超出額定風(fēng)速后，通過調(diào)節(jié)漿距角使Cp保持在最佳，輸出功率保持在額定值。

2）光伏發(fā)電 利用太陽能電池板的光伏效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過控制中心的控制，一是對(duì)蓄電池組充電，二是將電能直接供給直流負(fù)載LED燈或經(jīng)DC/AC逆變器供給交流負(fù)載。理想的PN結(jié)太陽光伏電池I-V方程為：

式中：IS、VS為光伏電池的輸出電流和輸出電壓；IN、I0為光伏電池的短路電流和PN結(jié)反向飽和電流；K為波爾常數(shù)，K=1.38×10-23J/K；T 為溫度；q 為電子電荷量，q=1.6×10-19C。

在一定溫度、日照條件下，光伏電池的輸出功率具有最大值。發(fā)電過程中，電池的內(nèi)阻不僅受到日照強(qiáng)度的影響，還受到環(huán)境溫度及負(fù)載的影響。要想在光伏發(fā)電時(shí)得到最大功率，必須不斷改變自身阻抗的大小，從而達(dá)到光伏陣列與負(fù)載的最佳匹配，實(shí)現(xiàn)大電流、高電壓的輸出，提高系統(tǒng)發(fā)電的效率。

3）市電220 V 市電220 V的引入是為了更可靠、更穩(wěn)定地對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電。在太陽能光伏電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)供電不足的情況下，通過控制器的控制，啟動(dòng)市電作為最后保證負(fù)載供電的電源。

1.2 控制部分

1）控制電路的作用

控制部分是本電路的核心內(nèi)容，通過控制器，完成電源系統(tǒng)各部分的連接、組合以及對(duì)蓄電池組充電的自動(dòng)控制。該裝置能根據(jù)日照的強(qiáng)弱、風(fēng)力的大小及負(fù)載的變化，不斷地對(duì)蓄電池組的工作狀態(tài)進(jìn)行切換和調(diào)節(jié)，一方面把調(diào)整后的電能直接送往直流負(fù)載或經(jīng)逆變器送往交流負(fù)載；另一方面把多余的電能送往蓄電池組存貯起來。當(dāng)光伏發(fā)電量和風(fēng)力機(jī)發(fā)電量不能滿足負(fù)載功率時(shí)，控制器將蓄電池組中的電能調(diào)送往負(fù)載；當(dāng)蓄電池組中電能也不足的情況下，控制器最后啟動(dòng)220 V市電作為供電電源。這樣使供電系統(tǒng)在充電、放電或浮電等多種工況下交替運(yùn)行，從而保證以風(fēng)、光、市電互補(bǔ)作為電源供電系統(tǒng)對(duì)負(fù)載供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

2）控制電路的控制過程

風(fēng)、光、市電互補(bǔ)供電系統(tǒng)的控制過程比較復(fù)雜，工業(yè)上采用過程控制技術(shù)對(duì)該系統(tǒng)的運(yùn)行工況進(jìn)行監(jiān)測和智能化管理。根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，現(xiàn)場控制層實(shí)現(xiàn)對(duì)各類傳感器、變送器和執(zhí)行器及對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集過程的控制。智能監(jiān)控系統(tǒng)分為兩層：底層是基于微處理器芯片的監(jiān)控層，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)單臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化控制和參數(shù)設(shè)定。同時(shí)具備有與上層通迅的能力；上層是基于微機(jī)的協(xié)調(diào)管理層，主要用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理，同時(shí)處理多臺(tái)供電電源并列運(yùn)行時(shí)協(xié)調(diào)控制及并網(wǎng)供電問題。

①監(jiān)控層的主要功能：主要對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行檢測，如風(fēng)速強(qiáng)弱、太陽輻射強(qiáng)度，蓄電池電壓情況、負(fù)荷要求等運(yùn)行參數(shù)。能量管理層負(fù)責(zé)系統(tǒng)和供電模式切換及負(fù)荷控制問題，通迅控制實(shí)現(xiàn)與上層管理系統(tǒng)通信，提供系統(tǒng)所需的運(yùn)行及設(shè)備參數(shù)，同時(shí)根據(jù)指令改變系統(tǒng)的運(yùn)行工況。

②協(xié)調(diào)管理層的主要功能：實(shí)現(xiàn)通信，包括與底層監(jiān)控層通信，獲得運(yùn)行參數(shù)和向監(jiān)控層發(fā)送控制指令，調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行工況狀態(tài)。數(shù)據(jù)系統(tǒng)是上層協(xié)調(diào)管理層運(yùn)行的基礎(chǔ)，通過與底層監(jiān)控層的通信來獲得供電系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)；協(xié)調(diào)控制層通過對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，靈活地改變各設(shè)備的運(yùn)行工況，以求達(dá)到最佳。

1.3 蓄電池組

蓄電池組在本系統(tǒng)中起到能量調(diào)節(jié)和平衡負(fù)載的雙重作用。它將風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能電池輸出的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來，以備電能不足時(shí)使用。在常用的蓄電池中，主要有鋁酸蓄電池，堿性鎳蓄電池和鐵鎳蓄電池，其中鋁酸蓄電池價(jià)格低廉、性能可靠、安全性高、且技術(shù)上又不斷進(jìn)步和完善得以廣泛應(yīng)用。

1.4 逆變器

由一臺(tái)或幾臺(tái)逆變器組成。其作用是將蓄電池組中直流電能變成標(biāo)準(zhǔn)的220 V交流電能，同時(shí)具有自動(dòng)穩(wěn)壓功能，可改善風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)供電的質(zhì)量，保證交流負(fù)載設(shè)備的正常使用。

1.5 LED負(fù)載

LED燈（Light Emitting Diode），即發(fā)光二極管。是一種半導(dǎo)固體發(fā)光器件。它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料。當(dāng)兩端加上正向電壓，直接發(fā)出紅、黃、綠、青、橙、紫、白色的光。與傳統(tǒng)的燈源相比，LED燈具有 以下特點(diǎn)：

1）多變幻 LED光源可利用LED通短時(shí)間短和紅、綠、藍(lán)3基色原理，在計(jì)算機(jī)技術(shù)控制下實(shí)現(xiàn)色彩和圖案的多變化，是一種可隨意控制的“動(dòng)態(tài)光源”。

2）壽命長 LED光源無燈絲、工作電壓低，使用壽命可達(dá)5萬到10萬小時(shí)，也就是5年到10年時(shí)間。

3）利環(huán)保 生產(chǎn)中無有害元素、使用中不發(fā)出有害物質(zhì)、無輻射。

4）高新尖 與傳統(tǒng)光源比，LED光源融合了計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、嵌入式等高新技術(shù)，具有在線編程、無限升級(jí)、靈活多變的特點(diǎn)。

2 電路的工作原理

風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能換轉(zhuǎn)為電能，太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)換為電能，這兩種電能在控制器作用下，一方面可對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，直流負(fù)載LED燈可直接獲得直流電能的驅(qū)動(dòng)，而交流負(fù)載經(jīng)逆變器將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能后獲得交流電能的驅(qū)動(dòng)；另一方面，控制器將來自風(fēng)力機(jī)和太陽能電池板多余的電能對(duì)蓄電池充電，蓄電池將這些電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能儲(chǔ)存起來，以備風(fēng)光發(fā)電機(jī)發(fā)電不足時(shí)使用。

當(dāng)風(fēng)、光發(fā)電機(jī)發(fā)電都不足時(shí)，在控制器的作用下，調(diào)用存儲(chǔ)在蓄電池組內(nèi)的備用電能，繼續(xù)給負(fù)載提供電能；當(dāng)蓄電池組中的電能也不足時(shí)，控制器打開220 V的市電通道作為負(fù)載的供電電源，以保證負(fù)載在任何情況下都能正常工作。

3 實(shí) 例

通過在貴州省錦平縣一座具有民族特色的侗族風(fēng)雨橋景點(diǎn)的裝飾實(shí)例，介紹這種新型供電系統(tǒng)。在實(shí)際工程中，LED負(fù)載與控制器之間加入通道功率放大器，其他部分均如圖1相同，該系統(tǒng)自使用以來，在夏季約95%電能來自風(fēng)能與太陽光能，很少用到市電，每天從下午18：00點(diǎn)工作到第二天早上6：00。工程所用的各方塊電路的主要參數(shù)如下。

3.1 太陽能電池組

主要技術(shù)參數(shù)：標(biāo)稱功率：40 W；峰值電壓：17.35 V；峰值電流：2.3 A；開路電壓；21.88 V；短路電流：2.46 A；尺寸:668×454×35 mm；

3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

主要技術(shù)參數(shù)：型號(hào) FD1.5-350；風(fēng)輪直徑/m：1.5；葉片數(shù)目：3；葉片材料：玻璃鋼復(fù)合樹脂；限速方式：自動(dòng)偏側(cè)；切入風(fēng)速/（m/s）：1.5；額定風(fēng)速/（m/s）：5；切出風(fēng)速/（m/s）：15；抗大風(fēng)速/（m/s）：30； 額定輸出功率/W:350； 最大輸出功率/W:500；輸出電壓/V：24 V（DC）；控制方式:電子控制；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速/（r/min）:450；塔架高度/m:6；質(zhì)量/kg:100；蓄電池：N120×2節(jié)（120 Ah）。

3.3 蓄電池組

主要技術(shù)參數(shù)：額定電壓：DC24 V；容量：400 Ah；浮充電量：20～50 Ah；過沖時(shí)間：1 小時(shí)；環(huán)境溫度要：25 ℃左右；壽命：5年。

3.4 開關(guān)電源

主要技術(shù)參數(shù)：輸入電壓范圍：85～265 VAC；輸入頻率范圍：47～63 Hz； 輸出電壓：DC24V； 輸出功率：1 100； 效率：>75%（典型值）；線性調(diào)整率：≤0.5%；負(fù)載調(diào)整率：≤1%；紋波及噪聲：≤1%V；輸出電壓調(diào)整范圍：±10%（主路）；輸出過載保護(hù)：105%～150%；輸出過壓保護(hù)：115%～150%；絕緣阻抗：≥100 MΩ（500 VDC）；工作環(huán)境溫度：-10～60 ℃。

3.5 控制器

主要技術(shù)參數(shù)：風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定功率：300 W；太陽能功率：300 W；蓄電池額定電壓/V：24 V；控制方式：PWM；顯示方式：LED；工作環(huán)境溫度：-10～55 ℃；工作環(huán)境濕度：0～90%；保護(hù)類型工作環(huán)境濕度:過充保護(hù)，反接保護(hù)太陽能防反充保護(hù)，自動(dòng)卸載保護(hù)。

3.6 負(fù)載LED

負(fù)載LED燈為 900 W（5050型軟燈條）。主要技術(shù)參數(shù)：工作電壓：24 V；電源效率>95%；功率因數(shù)>0.95；總諧波失真<20%；LED 發(fā) 光 效 率 90～100 lm/W；LED 光 通 量/lm：16300；燈具光通量/lm：15 420；燈具效率>94%色溫/K：4 000～6 500 K；配光曲線非對(duì)稱；光斑矩形光斑；結(jié)溫/Tj：80℃；系統(tǒng)熱阻（Rja）：10 K/W；顯色指數(shù)：Ra>80；工作溫度：-30～40℃；貯存溫度：10～75℃；使用壽命>50 000小時(shí)；防護(hù)等級(jí)IP65。

3.7 RP306三通道功率放大器

主要技術(shù)參數(shù)：直流電源輸入：24 V；輸入/出通道：3；功率輸出：每通道 5 A 24 V 360 W；尺寸：365×39×26 mm

3.8 CT308-RF 多功能LED顯示控制器

主要技術(shù)參數(shù)：直流電源輸入：24 V；輸入/出通道：3；功率輸出：每通道5 A 24 V 400 W；遙控距離：50 m；尺寸：211×30×25 mm。

4 結(jié)束語

風(fēng)能和太陽能都是清潔能源，隨著伏光發(fā)電技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日趨完善，為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。利用風(fēng)能、光能和少量的交流電能進(jìn)行協(xié)作，組成三能一體的激勵(lì)電源，更加有利于促進(jìn)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的建設(shè)。

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