基于物聯(lián)網(wǎng)多功能智慧景觀樹(shù)太陽(yáng)能能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂永旺，龔佳妮，周南旭，朱元彩

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

國(guó)內(nèi)基建如火如荼，新的綠化卻總是跟不上。新路、新廣場(chǎng)種下的幾棵小樹(shù)不成蔭，移植大樹(shù)成本又太高。作為綠色景觀的補(bǔ)充以及公共安全設(shè)備，筆者團(tuán)隊(duì)精心設(shè)計(jì)一種智慧樹(shù)，外觀上與真樹(shù)幾乎無(wú)差別，安裝太陽(yáng)能或風(fēng)力發(fā)電實(shí)現(xiàn)能量自持，無(wú)須外供電，同時(shí)可提供環(huán)境感知調(diào)光路燈、緊急一鍵報(bào)警、USB充電、視頻監(jiān)視、LoRa自組織物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式智能系統(tǒng)、人體檢測(cè)等功能。

多棵智慧景觀樹(shù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接在一起，實(shí)現(xiàn)了樹(shù)樹(shù)聯(lián)動(dòng)。產(chǎn)品配合由大數(shù)據(jù)中心、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)以及人工智能云計(jì)算中心共同建構(gòu)的管理云平臺(tái)，又實(shí)現(xiàn)了樹(shù)網(wǎng)聯(lián)動(dòng)，使產(chǎn)品擁有極強(qiáng)的智慧處理能力[1]。

伴隨著城市基建的高速發(fā)展和電子行業(yè)新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，多功能綠色環(huán)保路燈的研制與開(kāi)發(fā)仍有著很大的改善空間，比如目前的路燈大多還是老式傳統(tǒng)的直供電方式，太陽(yáng)能或風(fēng)電互補(bǔ)路燈也大多是單一功能的，且存儲(chǔ)電能有限、蓄電池供電時(shí)間短。本文主要針對(duì)智慧景觀樹(shù)的供電系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種可靠的能夠?qū)崿F(xiàn)電能自持的電能方案，通過(guò)蓄電池存儲(chǔ)的電量為智慧樹(shù)的各類(lèi)功能供能，同時(shí)在環(huán)境亮度低于一定值時(shí)打開(kāi)LED燈提供道路照明功能。方案實(shí)現(xiàn)白天通過(guò)太陽(yáng)能聚能后輸出PWM波實(shí)現(xiàn)蓄電池充電，并著重介紹了合理的功率計(jì)算和器件選型[2]。

1 太陽(yáng)能板PWM波充電原理

1.1 光照度下理想電流源的工作原理

電流源的特點(diǎn)：一是與外電路無(wú)關(guān)；二是端電壓可能是任意的，并隨著它的外接電路的不同而不同。太陽(yáng)能是一種基于光的光電池電流源，其電流只與照度有關(guān)而與光電池本身的端電壓無(wú)關(guān)，所以在光照強(qiáng)度一定的情況下，光可以當(dāng)做理想電流源。太陽(yáng)能光照充電結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能光照充電結(jié)構(gòu)

1.2 PWM波直流充電及蓄電池放電設(shè)計(jì)

在獨(dú)立太陽(yáng)能充放電系統(tǒng)中，為了降低使用成本、提高效率可靠性，既要使光伏電池輸出最大功率，又要使蓄電池正確充放電，同時(shí)還要最大限度地利用所輸出的電能。目前，光伏系統(tǒng)中通常只能兼顧一個(gè)方面，只追蹤光伏電池最大功率點(diǎn)將會(huì)放棄蓄電池的最佳充放電，從而限制了系統(tǒng)的效率和壽命[3]。因此，本團(tuán)隊(duì)在選擇充電方法時(shí)應(yīng)綜合考慮各種因素、使用利用太陽(yáng)能光照的PWM波來(lái)完成蓄電池的充電過(guò)程。系統(tǒng)工作時(shí)通過(guò)太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為電能，但是由于太陽(yáng)能電池的輸出受溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度影響很大，輸出功率不穩(wěn)定。因而，在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度足夠大時(shí)(白天)，需要利用蓄電池將轉(zhuǎn)化的電能儲(chǔ)存起來(lái)，以便在需要照明時(shí)(晚上)向半導(dǎo)體照明負(fù)載供電。在太陽(yáng)能半導(dǎo)體照明系統(tǒng)中，控制器是其核心部分，系統(tǒng)工作時(shí)通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)的控制和對(duì)蓄電池充放電過(guò)程的管理，以使系統(tǒng)在不同的工作狀態(tài)下均能穩(wěn)定可靠地工作。太陽(yáng)能光照度PWM波動(dòng)分析如圖2所示。

圖2 太陽(yáng)能光照度PWM波動(dòng)分析

當(dāng)所使用的太陽(yáng)能板接收到太陽(yáng)光的時(shí)候，太陽(yáng)能板便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，獲取PWM波動(dòng)信號(hào)，該電流經(jīng)過(guò)充放電管理單元對(duì)感知節(jié)點(diǎn)的充電池充電。太陽(yáng)能板是一個(gè)可產(chǎn)生感應(yīng)電流的器件，它的供電由多級(jí)串聯(lián)產(chǎn)生約0.5 V的電能，而太陽(yáng)能組件由多片的太陽(yáng)能板經(jīng)串聯(lián)和并聯(lián)組成。因此，太陽(yáng)能組件等效于一個(gè)由多個(gè)電池經(jīng)過(guò)串聯(lián)和并聯(lián)組成的組件。此外，太陽(yáng)能組件的太陽(yáng)能板數(shù)量與系統(tǒng)的工作電壓有關(guān)，其電壓就是充電部分，是充電池電壓的1.4～1.5倍。感知節(jié)點(diǎn)采用3.7 V 的充電鋰電池，故組件工作電壓為 3.7 V×1.4≈5 V。太陽(yáng)能板的數(shù)量為 5 V/0.5 V=10片，串聯(lián)10片太陽(yáng)能板可以獲得5 V的充電電壓，單列匯總電流約為100 mA。本設(shè)計(jì)可以采用并聯(lián)多級(jí)，以獲取更高功率，同時(shí)為防止并聯(lián)產(chǎn)生回路，在回路中配置功率二極管實(shí)現(xiàn)單向電流控制。太陽(yáng)能PWM充電框如圖3所示。

圖3 太陽(yáng)能PWM充電框

2 PWM充電實(shí)現(xiàn)

太陽(yáng)能電池陣列和負(fù)載通過(guò)直流-直流電路連接，最大功率跟蹤器持續(xù)檢測(cè)光伏陣列的電流、電壓變化，并根據(jù)變化調(diào)整ADC/DAC轉(zhuǎn)換器的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比。對(duì)于線性電路，如果負(fù)載電阻等于電源的內(nèi)部電阻，則電源具有最大輸出[4-6]。太陽(yáng)能電池和DC/DC轉(zhuǎn)換電路都有很強(qiáng)的非線性，也可以在很短的時(shí)間內(nèi)將其視為線性電路。因此，本設(shè)計(jì)調(diào)整DC/DC轉(zhuǎn)換電路的等效電阻，實(shí)現(xiàn)始終等于太陽(yáng)能電池的內(nèi)部電阻的效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池的最大輸出。

2.1 恒電壓跟蹤法

在充電狀態(tài)，如果電池電壓低于恒壓充電電壓的66.5%(典型值)時(shí)，充電器進(jìn)入涓流充電模式，此時(shí)充電電流為恒流充電電流的17.5%。在恒壓充電模式，充電電流逐漸下降。當(dāng)充電電流下降到恒流充電電流的16%時(shí)，充電過(guò)程結(jié)束，外部P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管被關(guān)斷，充電電流變?yōu)榱?。恒流充電如圖3所示。

圖3 恒流充電

2.2 干擾觀察法

電池通過(guò)降壓DC/DC主電路為負(fù)載供電。DC/DC的作用是可以精確控制輸出電壓。直流系統(tǒng)的負(fù)載一般都是阻性負(fù)載，有時(shí)候可能是電阻串電池的形式。那么負(fù)載電流是和負(fù)載電壓密切相關(guān)的，即電壓越大、電流越大。而開(kāi)關(guān)電源DC/DC的轉(zhuǎn)換效率較高，一般大于70%。因此，本設(shè)計(jì)可通過(guò)控制輸出電壓，改變輸出功率，同時(shí)改變輸入功率，即改變了光伏電池的輸出功率。

2.3 增量電導(dǎo)法

太陽(yáng)能電池組件有內(nèi)電阻和外電阻之分。當(dāng)某一刻內(nèi)電阻和外電阻相等時(shí)，此刻電池組件工作在最大功率點(diǎn)。即當(dāng)外電阻和內(nèi)電阻相等時(shí)，輸出功率最大。太陽(yáng)能電池組件的內(nèi)阻，主要體現(xiàn)在發(fā)電的時(shí)候，對(duì)電流的抑制作用。在發(fā)電的時(shí)候，主要參與的元素有電池片、內(nèi)部焊條導(dǎo)線，還有外部鏈接線纜。這些參與的元素有一個(gè)共同的特性，就是在低溫的時(shí)候，電阻值全部都會(huì)變小。在同輻射強(qiáng)度的情況下，環(huán)境溫度越低，電池板的內(nèi)阻越小，發(fā)電效果越高；反之，則溫度越高，內(nèi)阻越大。PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)節(jié)如圖4所示。

圖4 PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)節(jié)

3 智慧樹(shù)電能配置與計(jì)算

3.1 蓄電池的功能簡(jiǎn)介

蓄電池(電瓶)是太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的重要器件，它主是把太陽(yáng)能電池板發(fā)的電能即時(shí)儲(chǔ)存在電池內(nèi)，以供用電設(shè)備使用，起到具有儲(chǔ)存電能和穩(wěn)定電壓的作用。

因?yàn)樾铍姵氐闹饕夹g(shù)參數(shù)是電壓和容量，電壓實(shí)際是指蓄電池正常工作時(shí)的額定電壓，一般分為3 V，6 V，12 V，24 V，36 V等，容量是蓄電池的實(shí)際存儲(chǔ)電量的能力，一般常見(jiàn)的有4 AH，6 AH，12 AH，20 AH，40 AH，60 AH，120 AH等。

為了確保蓄電池可以正常使用，太陽(yáng)能充電的電壓要超過(guò)蓄電池工作的電壓的20%～30%，給12 V的電池充電要用到15～18 V的太陽(yáng)能充電模塊。

3.2 智慧樹(shù)供電系統(tǒng)蓄電池配置計(jì)算

對(duì)智慧樹(shù)供電系統(tǒng)蓄電池配置計(jì)算，首先要估算出全部用電總功率，再選定蓄電池工作電壓，通過(guò)功率計(jì)算即可得出可選用的最低蓄電池容量。全部用電器件及功率估算如表1所示。

表1 智慧樹(shù)總功率估算

考慮到20%損耗，得到每天總功耗為：811/0.8=1 013 Wh≈1 kWh。

為應(yīng)對(duì)連續(xù)陰雨無(wú)法充電天氣，以3天無(wú)太陽(yáng)能充電情況為例，蓄電池供電能應(yīng)滿(mǎn)足3天使用來(lái)計(jì)算，則總共需要1 kWh×3=3 kWh。

智慧樹(shù)采用12 V系統(tǒng)，則可以知道所需的電池容量為：3 kWh/12 V=250 Ah。

因此，總計(jì)電池容量為滿(mǎn)足上述設(shè)定條件，應(yīng)選用不低于250 Ah的電池作為能量保存和輸出器件。

設(shè)定選取250 Ah的電池使用，如上述計(jì)算，則其總能量約為3 kWh，如果這些損耗需要1天補(bǔ)充完全，即當(dāng)天充滿(mǎn)3 kWh能量，則太陽(yáng)能板的功率選擇計(jì)算如下。

以徐州地區(qū)為例，據(jù)徐州氣象局統(tǒng)計(jì)，徐州地區(qū)平均日照強(qiáng)度最高在12：00—13：00，日光照率為52%～57%，日照時(shí)數(shù)為2 284～2 495 h。因徐州近幾年受天氣變化不穩(wěn)定因素影響，徐州地區(qū)光照長(zhǎng)度約為5 h左右，再根據(jù)大數(shù)據(jù)分析及資料研究得出長(zhǎng)江中下游的光照時(shí)間長(zhǎng)度約4.5 h，考慮到損耗、天空明暗等因素，仍選擇4.5 h參與計(jì)算，并留出20%余量。

則單位時(shí)間(即1 h)需要的充電功率為：

(3 kWh / 80%)/4.5 h = 833 W

以上只是初步估算，精細(xì)的計(jì)算需要考慮電池板的峰值(WP)、太陽(yáng)能輸出電壓變化等因素，就本文涉及的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以100 W為位數(shù)來(lái)選取900 W太陽(yáng)能板充電板，是可以滿(mǎn)足能量自持需要的。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)本文計(jì)算結(jié)果和設(shè)計(jì)，目前實(shí)現(xiàn)的樣機(jī)運(yùn)行正常，經(jīng)斷開(kāi)充電電路測(cè)試，所選的蓄電池能夠滿(mǎn)足全工況運(yùn)行90 h以上，接近4天。同時(shí)，在電池耗盡的情況下，3月份天氣測(cè)試基本在下午4點(diǎn)左右能夠完成蓄電池充電。由測(cè)試結(jié)果可以得出，本文的計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單實(shí)用，能夠?yàn)橹腔蹣?shù)或其他類(lèi)型的太陽(yáng)能路燈可持續(xù)供電設(shè)計(jì)過(guò)程提供參考。