一种风光互补智能照明供能系统设计

何常栋，吴 鹏

(陕西彬长矿业集团有限公司铁路运输分公司，陕西 咸阳 712000)

0 引言

能源是国民经济发展和人民生活必须的重要物质基础，随着我国经济实力和科技的发展不断进步，人们对生活质量的要求也越来越高，这就会带来更大的能源消费，尤其是对一次能源的依赖程度越来越高。因此，需要寻找新的能源方向来满足或者是替代当前急需的一次能源，同时也要提高现有能源的利用效率。然而风能和太阳能是目前新能源的发展方向，同时对于两者的获取也相对容易，可以充分利用这2种新能源技术获取电能[1 -3]。

传统的照明灯光设计采用普通钠灯作为光源，直接通过电线与电力网相连接，其使用交流220 V电压，虽然结构较为简单，但是需要消耗大量的一次能源。基于此，设计了一种风光互补智能照明供电系统，通过光伏发电和风力发电对照明进行互补供电，可以极大减少照明对一次能源的消耗。

1 风光互补智能照明系统的结构设计

1.1 整体结构设计

智能照明系统一般由供电系统、输出部分、照明整体控制系统以及蓄电池单元组成，如图1所示。其中，智能照明供电系统是以光伏发电和风力发电为主要能量来源，并且辅助220 V交流电源。

图1 智能照明系统框图Fig.1 Block diagram of intelligent lighting system

1.2 供电系统设计

风光互补智能照明供电系统由风力传感器、光伏探测器、风力发电机、220 V电源以及MOSFET(金属半场效晶体管)组成。在MOSFET模块通过开断控制该智能照明对能源利用的选择，当MOSFET关闭的时候，智能照明电能由清洁能源提供，当MOSFET打开的时候，智能照明电能由220 V交流电源提供能量。通过光电探测器判断出当前的运行环境，进而控制MOSFET的关闭与打开[4 -6]。

1.3 控制器结构设计

风光互补智能照明的控制器部分由嵌入式中央控制器、相关调理电路、电流和电压采集电路组成。本套设计中所运用的嵌入式中央处理器采用的是LM3S9B96处理器，该处理器相当于智能照明的“大脑”。中央处理器可以对电流、电压的具体数据进行采集，再经过对应的调理电路输出，控制PWM占空比来对充放电路进行控制。

1.4 蓄电池储能单元设计

蓄电池储能单元是整个系统中电能储存与释放的关键环节，需要重点研究与配置。光伏发电系统发出的电能和风力发电机发出的电能同时在蓄电池单元中储存，当蓄电池储存电量充满之后，光伏发电系统以及风力发电机要停止工作，此时蓄电池单元不再接受电源的供应。由于蓄电池的特殊材料的影响，其储存能量的多少会受到自然因素的影响。

2 风光互补智能照明基本原理

2.1 风机发电基本原理

风力发电机的启动要借助外界风的助推力来克服内部的机械阻力，进而带动风力发电机工作，这个助推力的力矩称作启动力矩，其大小值与发电机内部的摩擦力有关。一般而言，风力发电机的启动需要一个开始的初速度才能正常启动工作，其最小值为Vfmin。同时，为了使风力发电机能够自始至终在安全速度下运行，在最终确定相关材料后，需要设置风力发电机的最大转速为Vfmax。通常情况下，风力发电机的正常转速始终在Vfmin与Vfmax之间，这个速度值通常叫做工作风速，额定风速指的是风力发电机发出的功率等于达到额定功率时所需要的转速。

2.2 光伏发电基本原理

光伏电池发电的基本工作原理是由光产生的伏特效应。当日光照射到光伏电池板时，光能转换为电能以直流电形式送出电力，在直流电通过光伏控制器将部分电力送给逆变器以供用户用电，将富余电力储存在蓄电池中，以便在组件发电量低于用电量时能补偿缺额的电量。

2.3 蓄电池充放电原理

蓄电池的实际充电电流大于其能够接受的最大电流值，超出的那部分电流就会使电池中的化学物质发生电解反应，这样一来释放大量的电解气体，从而对蓄电池的寿命产生致命的伤害，严重时直接毁坏蓄电池。因此，在对蓄电池进行快速充电时，就要及时消除这种极化电解反应，常用的解决方案是在对蓄电池进行快速充电时，中间暂停充电一段时间，并且适当增加一些放电脉冲进行缓解。当蓄电池的电量充到接近满量的时候，蓄电池内部的一些物质就会被激活变成原来的状态，此时经常采用浮充的电压对该蓄电池进行充电。但浮充电压值不能随便设置，一般来说，对于12 V的蓄电池的浮充电压在13.4～14.4 V。蓄电池的放电过程，其控制模块主要的目的就是维持母线电压基本不发生变化。如果蓄电池的放电电压值几乎超放电压，马上会发出警报，如果放电电压值小于超放电压，那么蓄电池就马上停止放电，这样可以延长蓄电池的使用寿命。

2.4 蓄电池充放电方法

蓄电池充电方式存在恒压充电方式和恒流充电方式的部分缺点，为使各项缺点的影响降至最低，采取相互结合的一种方式，即三阶段充电方式。在第1阶段蓄电池充电方式采用的是恒流充电方式进行充电，当蓄电池充电容量达到设定的指标后停止充电；在第2阶段蓄电池充电方式采用的是恒压充电方式进行充电，在这个过程中需将蓄电池充电容量达到100%，蓄电池充电电流逐渐减小到0.01 C时，第2阶段充电终止，进入第3阶段；在第3阶段中蓄电池充电方式采用的是浮充电压(Uf)充电，主要目的是维持蓄电池两端电压，这个阶段主要用来补充蓄电池自放电所消耗的能量。

3 风光互补智能照明系统能量控制管理

对于风力发电，采用风速自动跟随控制策略。风速自动跟随控制策略的基本原理是充分利用风力发电机实时计算出其转速功率参数，而不是仅仅依靠风速，得到的功率和实际测量功率两者之间有一个差值ΔP，把上述的差值作为PI控制器的输入量，最终实现对风力发电机的输出功率的控制。这种风机控制策略的优点就是让风机的输出功率更加靠近其最大功率，从而极大提高了其对风能的转化率，同时这种控制策略还解决了传统的风速自动跟随方法的缺陷，不再需要提前获取风力发电机的功率，因此被广泛使用。

在光伏发电进行电能转化和电流输出的过程中，光伏发电效率会受到天气变化的影响。因此，风光互补照明系统的光伏发电部分在设计时对天气的影响应予以考虑，想要在进行光伏发电的过程中提高整体发电系统的工作效率，就需要采用最大功率跟踪方法对光伏电池工作点进行全时段调整，这种方法保证了太阳能电池板工作电压始终处于最大功率点，从而提高光伏发电的工作效率。

4 风光互补智能照明Matlab仿真

光伏电池中的外特性及其在建立仿真模型时的重要意义可以通过光伏电池的等效电路进行体现。通过参考相关的文献资料可以得到其等效的电路拓扑图[7 -9]，如图2所示。

图2 风光互补等效电路Fig.2 Wind and solar complementary equivalent circuit

在特定的条件之下，依照光伏组件的特征值，假设得到组件的短路电流为Isc，两端的开路电压为Voc，Im和Vm分别为最大功率点对应的峰值电流和电压[10 -12]。则当光伏阵列的电压为V时，其对应的输出电流I为

(1)

考虑到太阳辐射与温度变化对光伏阵列的影响，对上式中的数量进行修正，进而引入电流修正量ΔI、电压修正量ΔU，从而依据实际的环境变化量得到光伏电池中电压与电流之间的函数关系为

(2)

在一定条件下，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/℃，设置实际光照条件分别为200 W/m2、400 W/m2、600 W/m2，可得此时光伏电池I-U曲线和P-U曲线分别如图3、4所示。

图3 光伏电池I-U曲线Fig.3 I-U curve of photovoltaic cell

图4 光伏电池P-U曲线Fig.4 P-U curve of photovoltaic cell

5 结语

详细阐述了风光互补智能照明的基本原理，并且从智能照明风力发电模块、光伏发电模块、蓄电池模块分别阐述了其基本原理，设计了风光互补智能照明的系统。通过研究得出合适的风光互补智能照明系统的能量控制策略，最后利用Matlab软件对风光互补智能照明的发电进行建模与仿真，仿真结果证明该套风光互补照明系统控制策略合格，具有昼夜互补、季节性互补特点，系统运行稳定，性价比高，有着良好的推广前景。