太阳能风能及市电一体电源的供电系统设计

吴正昌，覃 岭

（1.贵州电子信息职业技术学院 贵州 凯里 556000；2.顺德职业技术学院 广东 顺德 528333）

利用太阳能、风能，加上市电构成三能一体的供电系统[1]，对节能型的LED供电，是一种具有较高性价比的新型供电系统。风能和太阳能具有天然的互补优势[2]，白天太阳光强，夜晚风大；夏天日照好，风弱；冬天季节风大，日照少。在自然风能和光能都很弱的情况下，启动市电作为备用供电电源[3-4]，保证负载在长效可靠的状态下稳定的工作。

1 照明系统的组成

本系统主要由供电电源系统、控制系统、蓄电池、LED负载、逆变器等组成，如图1所示。

图1 照明系统的组成Fig.1 Composition of the lighting system

1.1 电源部分

电源部分主要由一台或多台风力发电机（内含风力机控制器）、太阳能光伏电池板（内含光电板控制器）、220 V市电组成。

1）风力发电机 利用风力机将电能转化为机械能，然后通过风力发电机将机械能转化为电能。通过控制器的控制，一是将电能直接供给直流负载LED灯或经DC/AC逆变器供给交流负载[5]，二是将多余的电能对蓄电池组进行充电。风力发电机输出功率[6]为

式中:R为风轮叶片半径；V为风速；Cp为风能利用系数，最大值为0.593。

风轮叶片有定浆距和变浆距之分。定浆距风力机在额定风速以下的风速范围，Cp达不到最佳值，输出功率低；超出额定风速后，Cp也会偏离最佳值，输出功率降低；只有在额定风速时Cp有最佳值，使输出功率最大。变浆距风力机，启动时通过调节浆距角可以使Cp最大，输出功率较大；超出额定风速后，通过调节浆距角使Cp保持在最佳，输出功率保持在额定值。

2）光伏发电 利用太阳能电池板的光伏效应，将光能转化为电能，经过控制中心的控制，一是对蓄电池组充电，二是将电能直接供给直流负载LED灯或经DC/AC逆变器供给交流负载。理想的PN结太阳光伏电池I-V方程为：

式中：IS、VS为光伏电池的输出电流和输出电压；IN、I0为光伏电池的短路电流和PN结反向饱和电流；K为波尔常数，K=1.38×10-23J/K；T 为温度；q 为电子电荷量，q=1.6×10-19C。

在一定温度、日照条件下，光伏电池的输出功率具有最大值。发电过程中，电池的内阻不仅受到日照强度的影响，还受到环境温度及负载的影响。要想在光伏发电时得到最大功率，必须不断改变自身阻抗的大小，从而达到光伏阵列与负载的最佳匹配，实现大电流、高电压的输出，提高系统发电的效率。

3）市电220 V 市电220 V的引入是为了更可靠、更稳定地对负载进行供电。在太阳能光伏电池和风力发电机供电不足的情况下，通过控制器的控制，启动市电作为最后保证负载供电的电源。

1.2 控制部分

1）控制电路的作用

控制部分是本电路的核心内容，通过控制器，完成电源系统各部分的连接、组合以及对蓄电池组充电的自动控制。该装置能根据日照的强弱、风力的大小及负载的变化，不断地对蓄电池组的工作状态进行切换和调节，一方面把调整后的电能直接送往直流负载或经逆变器送往交流负载；另一方面把多余的电能送往蓄电池组存贮起来。当光伏发电量和风力机发电量不能满足负载功率时，控制器将蓄电池组中的电能调送往负载；当蓄电池组中电能也不足的情况下，控制器最后启动220 V市电作为供电电源。这样使供电系统在充电、放电或浮电等多种工况下交替运行，从而保证以风、光、市电互补作为电源供电系统对负载供电的连续性和稳定性。

2）控制电路的控制过程

风、光、市电互补供电系统的控制过程比较复杂，工业上采用过程控制技术对该系统的运行工况进行监测和智能化管理。根据系统的特点，现场控制层实现对各类传感器、变送器和执行器及对现场数据采集过程的控制。智能监控系统分为两层：底层是基于微处理器芯片的监控层，负责实现对单台设备的运行进行优化控制和参数设定。同时具备有与上层通迅的能力；上层是基于微机的协调管理层，主要用于现场数据处理，同时处理多台供电电源并列运行时协调控制及并网供电问题。

①监控层的主要功能：主要对系统状态进行检测，如风速强弱、太阳辐射强度，蓄电池电压情况、负荷要求等运行参数。能量管理层负责系统和供电模式切换及负荷控制问题，通迅控制实现与上层管理系统通信，提供系统所需的运行及设备参数，同时根据指令改变系统的运行工况。

②协调管理层的主要功能：实现通信，包括与底层监控层通信，获得运行参数和向监控层发送控制指令，调整系统的运行工况状态。数据系统是上层协调管理层运行的基础，通过与底层监控层的通信来获得供电系统的运行参数和设备状态；协调控制层通过对系统的运行参数进行监控，灵活地改变各设备的运行工况，以求达到最佳。

1.3 蓄电池组

蓄电池组在本系统中起到能量调节和平衡负载的双重作用。它将风力发电机和太阳能电池输出的电能转化为化学能储存起来，以备电能不足时使用。在常用的蓄电池中，主要有铝酸蓄电池，碱性镍蓄电池和铁镍蓄电池，其中铝酸蓄电池价格低廉、性能可靠、安全性高、且技术上又不断进步和完善得以广泛应用。

1.4 逆变器

由一台或几台逆变器组成。其作用是将蓄电池组中直流电能变成标准的220 V交流电能，同时具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统供电的质量，保证交流负载设备的正常使用。

1.5 LED负载

LED灯（Light Emitting Diode），即发光二极管。是一种半导固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料。当两端加上正向电压，直接发出红、黄、绿、青、橙、紫、白色的光。与传统的灯源相比，LED灯具有 以下特点：

1）多变幻 LED光源可利用LED通短时间短和红、绿、蓝3基色原理，在计算机技术控制下实现色彩和图案的多变化，是一种可随意控制的“动态光源”。

2）寿命长 LED光源无灯丝、工作电压低，使用寿命可达5万到10万小时，也就是5年到10年时间。

3）利环保 生产中无有害元素、使用中不发出有害物质、无辐射。

4）高新尖 与传统光源比，LED光源融合了计算机、网络、嵌入式等高新技术，具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。

2 电路的工作原理

风力发电机将风能换转为电能，太阳能电池板将光能转换为电能，这两种电能在控制器作用下，一方面可对负载进行供电，直流负载LED灯可直接获得直流电能的驱动，而交流负载经逆变器将直流电能转化为交流电能后获得交流电能的驱动；另一方面，控制器将来自风力机和太阳能电池板多余的电能对蓄电池充电，蓄电池将这些电能转化成化学能储存起来，以备风光发电机发电不足时使用。

当风、光发电机发电都不足时，在控制器的作用下，调用存储在蓄电池组内的备用电能，继续给负载提供电能；当蓄电池组中的电能也不足时，控制器打开220 V的市电通道作为负载的供电电源，以保证负载在任何情况下都能正常工作。

3 实 例

通过在贵州省锦平县一座具有民族特色的侗族风雨桥景点的装饰实例，介绍这种新型供电系统。在实际工程中，LED负载与控制器之间加入通道功率放大器，其他部分均如图1相同，该系统自使用以来，在夏季约95%电能来自风能与太阳光能，很少用到市电，每天从下午18：00点工作到第二天早上6：00。工程所用的各方块电路的主要参数如下。

3.1 太阳能电池组

主要技术参数：标称功率：40 W；峰值电压：17.35 V；峰值电流：2.3 A；开路电压；21.88 V；短路电流：2.46 A；尺寸:668×454×35 mm；

3.2 风力发电机

主要技术参数：型号 FD1.5-350；风轮直径/m：1.5；叶片数目：3；叶片材料：玻璃钢复合树脂；限速方式：自动偏侧；切入风速/（m/s）：1.5；额定风速/（m/s）：5；切出风速/（m/s）：15；抗大风速/（m/s）：30； 额定输出功率/W:350； 最大输出功率/W:500；输出电压/V：24 V（DC）；控制方式:电子控制；发电机转速/（r/min）:450；塔架高度/m:6；质量/kg:100；蓄电池：N120×2节（120 Ah）。

3.3 蓄电池组

主要技术参数：额定电压：DC24 V；容量：400 Ah；浮充电量：20～50 Ah；过冲时间：1 小时；环境温度要：25 ℃左右；寿命：5年。

3.4 开关电源

主要技术参数：输入电压范围：85～265 VAC；输入频率范围：47～63 Hz； 输出电压：DC24V； 输出功率：1 100； 效率：>75%（典型值）；线性调整率：≤0.5%；负载调整率：≤1%；纹波及噪声：≤1%V；输出电压调整范围：±10%（主路）；输出过载保护：105%～150%；输出过压保护：115%～150%；绝缘阻抗：≥100 MΩ（500 VDC）；工作环境温度：-10～60 ℃。

3.5 控制器

主要技术参数：风力发电机额定功率：300 W；太阳能功率：300 W；蓄电池额定电压/V：24 V；控制方式：PWM；显示方式：LED；工作环境温度：-10～55 ℃；工作环境湿度：0～90%；保护类型工作环境湿度:过充保护，反接保护太阳能防反充保护，自动卸载保护。

3.6 负载LED

负载LED灯为 900 W（5050型软灯条）。主要技术参数：工作电压：24 V；电源效率>95%；功率因数>0.95；总谐波失真<20%；LED 发 光 效 率 90～100 lm/W；LED 光 通 量/lm：16300；灯具光通量/lm：15 420；灯具效率>94%色温/K：4 000～6 500 K；配光曲线非对称；光斑矩形光斑；结温/Tj：80℃；系统热阻（Rja）：10 K/W；显色指数：Ra>80；工作温度：-30～40℃；贮存温度：10～75℃；使用寿命>50 000小时；防护等级IP65。

3.7 RP306三通道功率放大器

主要技术参数：直流电源输入：24 V；输入/出通道：3；功率输出：每通道 5 A 24 V 360 W；尺寸：365×39×26 mm

3.8 CT308-RF 多功能LED显示控制器

主要技术参数：直流电源输入：24 V；输入/出通道：3；功率输出：每通道5 A 24 V 400 W；遥控距离：50 m；尺寸：211×30×25 mm。

4 结束语

风能和太阳能都是清洁能源，随着伏光发电技术、风力发电技术的日趋完善，为风光互补发电系统的推广应用奠定了基础。利用风能、光能和少量的交流电能进行协作，组成三能一体的激励电源，更加有利于促进资源节约型和环境友好型社会的建设。

[1]陆虎瑜，马胜江.光伏、风力及互补发电系统 [M].北京：中国电力出版社，2004.

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[3]王春明，周强，王金全，等.风、光、柴互补供电系统[J].解放军理工大学学报：自然科学版，2005（6）：475-478.WANG Chu-ming，ZHOU Qiang，WANG Jin-quan，et al.Hybrid power supply system of wind，light and diesel[J].Journal of PLA University of Science and Technology：Natural Science Edition，2005（6）：475-478.

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[6]尹静，张庆范.浅析风光互补发电系统[J].变频器世界，2008 （8）：43-46.YIN Jing，ZHANG Qing-fan.Analysis of wind-solar hybrid generating system[J].Electric Switchgear，2008（8）：43-46.