一種風(fēng)光互補(bǔ)智能照明供能系統(tǒng)設(shè)計

何常棟，吳 鵬

(陜西彬長礦業(yè)集團(tuán)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(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活必須的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著我國經(jīng)濟(jì)實力和科技的發(fā)展不斷進(jìn)步，人們對生活質(zhì)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(dāng)前急需的一次能源，同時也要提高現(xiàn)有能源的利用效率。然而風(fēng)能和太陽能是目前新能源的發(fā)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(shù)獲取電能[1 -3]。

傳統(tǒng)的照明燈光設(shè)計采用普通鈉燈作為光源，直接通過電線與電力網(wǎng)相連接，其使用交流220 V電壓，雖然結(jié)構(gòu)較為簡單，但是需要消耗大量的一次能源?；诖?，設(shè)計了一種風(fēng)光互補(bǔ)智能照明供電系統(tǒng)，通過光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電對照明進(jìn)行互補(bǔ)供電，可以極大減少照明對一次能源的消耗。

1 風(fēng)光互補(bǔ)智能照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能照明系統(tǒng)一般由供電系統(tǒng)、輸出部分、照明整體控制系統(tǒng)以及蓄電池單元組成，如圖1所示。其中，智能照明供電系統(tǒng)是以光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)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(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of intelligent lighting system

1.2 供電系統(tǒng)設(shè)計

風(fēng)光互補(bǔ)智能照明供電系統(tǒng)由風(fēng)力傳感器、光伏探測器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、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(dāng)MOSFET關(guān)閉的時候，智能照明電能由清潔能源提供，當(dāng)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(dāng)前的運行環(huán)境，進(jìn)而控制MOSFET的關(guān)閉與打開[4 -6]。

1.3 控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計

風(fēng)光互補(bǔ)智能照明的控制器部分由嵌入式中央控制器、相關(guān)調(diào)理電路、電流和電壓采集電路組成。本套設(shè)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(dāng)于智能照明的“大腦”。中央處理器可以對電流、電壓的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，再經(jīng)過對應(yīng)的調(diào)理電路輸出，控制PWM占空比來對充放電路進(jìn)行控制。

1.4 蓄電池儲能單元設(shè)計

蓄電池儲能單元是整個系統(tǒng)中電能儲存與釋放的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要重點研究與配置。光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能和風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能同時在蓄電池單元中儲存，當(dāng)蓄電池儲存電量充滿之后，光伏發(fā)電系統(tǒng)以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)要停止工作，此時蓄電池單元不再接受電源的供應(yīng)。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(fēng)光互補(bǔ)智能照明基本原理

2.1 風(fēng)機(jī)發(fā)電基本原理

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的啟動要借助外界風(fēng)的助推力來克服內(nèi)部的機(jī)械阻力，進(jìn)而帶動風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作，這個助推力的力矩稱作啟動力矩，其大小值與發(fā)電機(jī)內(nèi)部的摩擦力有關(guān)。一般而言，風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠自始至終在安全速度下運行，在最終確定相關(guān)材料后，需要設(shè)置風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為Vfmax。通常情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常轉(zhuǎn)速始終在Vfmin與Vfmax之間，這個速度值通常叫做工作風(fēng)速，額定風(fēng)速指的是風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率等于達(dá)到額定功率時所需要的轉(zhuǎn)速。

2.2 光伏發(fā)電基本原理

光伏電池發(fā)電的基本工作原理是由光產(chǎn)生的伏特效應(yīng)。當(dāng)日光照射到光伏電池板時，光能轉(zhuǎn)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(fā)電量低于用電量時能補(bǔ)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(xué)物質(zhì)發(fā)生電解反應(yīng)，這樣一來釋放大量的電解氣體，從而對蓄電池的壽命產(chǎn)生致命的傷害，嚴(yán)重時直接毀壞蓄電池。因此，在對蓄電池進(jìn)行快速充電時，就要及時消除這種極化電解反應(yīng)，常用的解決方案是在對蓄電池進(jìn)行快速充電時，中間暫停充電一段時間，并且適當(dāng)增加一些放電脈沖進(jìn)行緩解。當(dāng)蓄電池的電量充到接近滿量的時候，蓄電池內(nèi)部的一些物質(zhì)就會被激活變成原來的狀態(tài)，此時經(jīng)常采用浮充的電壓對該蓄電池進(jìn)行充電。但浮充電壓值不能隨便設(shè)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(fā)生變化。如果蓄電池的放電電壓值幾乎超放電壓，馬上會發(fā)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(jié)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(jìn)行充電，當(dāng)蓄電池充電容量達(dá)到設(shè)定的指標(biāo)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(jìn)行充電，在這個過程中需將蓄電池充電容量達(dá)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(jìn)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(bǔ)充蓄電池自放電所消耗的能量。

3 風(fēng)光互補(bǔ)智能照明系統(tǒng)能量控制管理

對于風(fēng)力發(fā)電，采用風(fēng)速自動跟隨控制策略。風(fēng)速自動跟隨控制策略的基本原理是充分利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)實時計算出其轉(zhuǎn)速功率參數(shù)，而不是僅僅依靠風(fēng)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(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率的控制。這種風(fēng)機(jī)控制策略的優(yōu)點就是讓風(fēng)機(jī)的輸出功率更加靠近其最大功率，從而極大提高了其對風(fēng)能的轉(zhuǎn)化率，同時這種控制策略還解決了傳統(tǒng)的風(fēng)速自動跟隨方法的缺陷，不再需要提前獲取風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率，因此被廣泛使用。

在光伏發(fā)電進(jìn)行電能轉(zhuǎn)化和電流輸出的過程中，光伏發(fā)電效率會受到天氣變化的影響。因此，風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)的光伏發(fā)電部分在設(shè)計時對天氣的影響應(yīng)予以考慮，想要在進(jìn)行光伏發(fā)電的過程中提高整體發(fā)電系統(tǒng)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(jìn)行全時段調(diào)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(fā)電的工作效率。

4 風(fēng)光互補(bǔ)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(jìn)行體現(xiàn)。通過參考相關(guān)的文獻(xiàn)資料可以得到其等效的電路拓?fù)鋱D[7 -9]，如圖2所示。

圖2 風(fēng)光互補(bǔ)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(shè)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(yīng)的峰值電流和電壓[10 -12]。則當(dāng)光伏陣列的電壓為V時，其對應(yīng)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(shù)量進(jìn)行修正，進(jìn)而引入電流修正量ΔI、電壓修正量ΔU，從而依據(jù)實際的環(huán)境變化量得到光伏電池中電壓與電流之間的函數(shù)關(guān)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(shè)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(jié)語

詳細(xì)闡述了風(fēng)光互補(bǔ)智能照明的基本原理，并且從智能照明風(fēng)力發(fā)電模塊、光伏發(fā)電模塊、蓄電池模塊分別闡述了其基本原理，設(shè)計了風(fēng)光互補(bǔ)智能照明的系統(tǒng)。通過研究得出合適的風(fēng)光互補(bǔ)智能照明系統(tǒng)的能量控制策略，最后利用Matlab軟件對風(fēng)光互補(bǔ)智能照明的發(fā)電進(jìn)行建模與仿真，仿真結(jié)果證明該套風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)控制策略合格，具有晝夜互補(bǔ)、季節(jié)性互補(bǔ)特點，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，性價比高，有著良好的推廣前景。