李冰 朱佳偉 尹航仁 張倫 吳晗 李罡 王蘊(yùn) 劉庶

【摘 要】本文對(duì)高效風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和控制單元分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】高效 風(fēng)光互補(bǔ) 照明

中圖分類號(hào)：G4 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2016.03.194

一、高效風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)研究背景

近幾年，由于傳統(tǒng)能源的有限性日益突出，人們的環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)，清潔能源越來(lái)越受到普遍重視，太陽(yáng)能、風(fēng)能都屬于清潔能源，高效開(kāi)發(fā)正方興未艾。

在太陽(yáng)能、風(fēng)能單獨(dú)用于發(fā)電系統(tǒng)中時(shí)，由于太陽(yáng)能、風(fēng)能的穩(wěn)定性較差，為了能夠提供連續(xù)穩(wěn)定的能量轉(zhuǎn)換輸出，無(wú)論是光伏發(fā)電系統(tǒng)還是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，都需要引入儲(chǔ)能環(huán)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的能量供需平衡。由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)在儲(chǔ)能環(huán)節(jié)可以通用，所以建立風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在技術(shù)應(yīng)用上成為可能。

從資源角度考慮，太陽(yáng)能和風(fēng)能兩者在時(shí)間變化分布上有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，白天太陽(yáng)光最強(qiáng)時(shí)，風(fēng)很小，到了晚上，光照很弱，但由于地表溫差變化大而風(fēng)能有所加強(qiáng);在我國(guó)西北、華北等地區(qū)，風(fēng)能及太陽(yáng)能資源具有季節(jié)互補(bǔ)性，冬春兩季風(fēng)力大，夏秋兩季太陽(yáng)光輻射強(qiáng)。太陽(yáng)能和風(fēng)能在時(shí)間上的互補(bǔ)性使得風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源分布上具有很好的匹配性。

適時(shí)的研究風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)能搶占市場(chǎng)先機(jī)，也符合綠色環(huán)保的要求。下面本文就一種高效風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

二、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到系統(tǒng)的使用與推廣，最大功率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)應(yīng)注重于系統(tǒng)實(shí)效性和經(jīng)濟(jì)性，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中遵循了以下幾個(gè)原則：

（1）模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)整個(gè)最大功率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，便于縮短開(kāi)發(fā)的時(shí)間周期，并且根據(jù)模塊之間的關(guān)系建立標(biāo)準(zhǔn)的連接。

（2）系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，按照所需的控制策略和跟蹤算法搭建系統(tǒng)平臺(tái)，能夠方便系統(tǒng)的維護(hù)與更新，且能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)參數(shù)的動(dòng)態(tài)配置。

（3）太陽(yáng)能最大功率自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的電池板在正常工作時(shí)應(yīng)正對(duì)太陽(yáng)，在氣候不利條件下（如陰雨天氣或大風(fēng)等），能夠自動(dòng)放平，一方面保護(hù)系統(tǒng)免遭大風(fēng)破壞，另一方面也可以節(jié)省電力消耗。

（4）系統(tǒng)在天黑后，能夠使電池板重新朝向東方，實(shí)現(xiàn)日循環(huán)運(yùn)行。

（5）太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)是緩慢變化的，所以應(yīng)該實(shí)現(xiàn)間歇性的跟蹤方式。

基于以上原則，系統(tǒng)總體硬件由控制部分和驅(qū)動(dòng)部分組成。控制部分主要包括STC89C52主控板、光強(qiáng)檢測(cè)模塊、液晶顯示器、風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)模塊和角度檢測(cè)模塊;驅(qū)動(dòng)部分主要包括機(jī)構(gòu)支架、太陽(yáng)能電池板、蝸輪蝸桿副、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。

圖2.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

三、控制單元設(shè)計(jì)

控制器在整個(gè)系統(tǒng)中作用至關(guān)重要。由于風(fēng)能和太陽(yáng)能具有隨機(jī)性和不穩(wěn)定性，所以能量的控制相當(dāng)重要。當(dāng)風(fēng)能過(guò)大，太陽(yáng)能輸出的能量也很大時(shí)，而此時(shí)負(fù)載所需的能量小于所供給的能量時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速過(guò)大，導(dǎo)致飛車;電流也過(guò)大，易導(dǎo)致發(fā)電機(jī)過(guò)載，而燒毀線圈;風(fēng)能、太陽(yáng)能較時(shí)，無(wú)法滿足負(fù)載供電;以及對(duì)最大功率跟蹤控制等一系列問(wèn)題 。

系統(tǒng)以STC89S52單片機(jī)為控制核心設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制器。它將風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的不穩(wěn)定交流電和太陽(yáng)能電池板輸出的不穩(wěn)定直流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電提供給蓄電池和負(fù)載，同時(shí)控制蓄電池的充放電方式和負(fù)載的工作模式，實(shí)現(xiàn)蓄電池科學(xué)的充放電管理。

在風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中太陽(yáng)能電池的使用壽命比較長(zhǎng)，一般能夠達(dá)到10-15年，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)和蓄電池的使用壽命比較短，所以使發(fā)電機(jī)和蓄電池工作在安全的工作模式下，對(duì)發(fā)電機(jī)和蓄電池進(jìn)行保護(hù)是控制器的主要任務(wù)之一?？刂破饕鸬揭韵聨讉€(gè)作用：

（一）功率控制

采用風(fēng)光同時(shí)工作的模式， 輸出功率控制采取對(duì)風(fēng)光總功率進(jìn)行跟蹤的策 略，不單獨(dú)對(duì)分支路進(jìn)行控制，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)電路，同時(shí)也簡(jiǎn)化了最大功率跟蹤程序的流程。對(duì)總功率的控制采用逐次逼近法的 MPPT 控制策略。在最大功率跟蹤時(shí)，對(duì)于單獨(dú)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和光伏陣列而言，可能沒(méi)有同時(shí)工作在最大功率點(diǎn)，但是系統(tǒng)總的輸出功率能夠跟蹤輸出功率大的支路。

（二）蓄電池充放電控制

控制系統(tǒng)將對(duì)蓄電池的端電壓和系統(tǒng)設(shè)置的控制點(diǎn)電壓進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果確定是否分級(jí)切除光伏支路和風(fēng)力發(fā)電機(jī)或者是分級(jí)增加蓄電池充電的光伏支路和風(fēng)力發(fā)電機(jī)，以確保蓄電池的充電電流工作在正常條件下。如果在連續(xù)無(wú)風(fēng)、光的情況下，蓄電池處于過(guò)放狀態(tài)時(shí)，應(yīng)該切斷蓄電池對(duì)負(fù)載或者逆變器的供電，以避免蓄電池深度放電。

（三）對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)

當(dāng)發(fā)電機(jī)在對(duì)蓄電池進(jìn)行充電的狀態(tài)下，實(shí)時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)所輸出的線電壓進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)線電壓大于所設(shè)定的保護(hù)電壓時(shí)，接入耗能負(fù)載，消耗掉多余能量;根據(jù)控制點(diǎn)電壓的判斷，看蓄電池是否還需要風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行充電，如果是，則斷開(kāi)耗能負(fù)載的連接，延時(shí)一會(huì)兒后，等發(fā)電機(jī)進(jìn)入平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)后，再開(kāi)始下一次檢測(cè)。

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