高效风光互补照明系统设计

李冰 朱佳伟 尹航仁 张伦 吴晗 李罡 王蕴 刘庶

【摘 要】本文对高效风光互补照明系统进行了研究设计，对系统总体结构和控制单元分别进行了设计。

【关键词】高效 风光互补 照明

中图分类号：G4    文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2016.03.194

一、高效风光互补照明系统研究背景

近几年，由于传统能源的有限性日益突出，人们的环保意识不断增强，清洁能源越来越受到普遍重视，太阳能、风能都属于清洁能源，高效开发正方兴未艾。

在太阳能、风能单独用于发电系统中时，由于太阳能、风能的稳定性较差，为了能够提供连续稳定的能量转换输出，无论是光伏发电系统还是风力发电系统，都需要引入储能环节来调节系统运行过程中的能量供需平衡。由于风力发电系统和光伏发电系统在储能环节可以通用，所以建立风光互补发电系统在技术应用上成为可能。

从资源角度考虑，太阳能和风能两者在时间变化分布上有很强的互补性，白天太阳光最强时，风很小，到了晚上，光照很弱，但由于地表温差变化大而风能有所加强;在我国西北、华北等地区，风能及太阳能资源具有季节互补性，冬春两季风力大，夏秋两季太阳光辐射强。太阳能和风能在时间上的互补性使得风光互补发电系统在资源分布上具有很好的匹配性。

适时的研究风光互补系统能抢占市场先机，也符合绿色环保的要求。下面本文就一种高效风光互补照明系统进行设计分析。

二、系统总体结构设计

考虑到系统的使用与推广，最大功率自动跟踪系统应注重于系统实效性和经济性，因此在实际设计过程中遵循了以下几个原则：

（1）模块化设计，对整个最大功率自动跟踪系统进行模块化设计，便于缩短开发的时间周期，并且根据模块之间的关系建立标准的连接。

（2）系统的可扩展性，按照所需的控制策略和跟踪算法搭建系统平台，能够方便系统的维护与更新，且能够实现相关参数的动态配置。

（3）太阳能最大功率自动跟踪系统的电池板在正常工作时应正对太阳，在气候不利条件下（如阴雨天气或大风等），能够自动放平，一方面保护系统免遭大风破坏，另一方面也可以节省电力消耗。

（4）系统在天黑后，能够使电池板重新朝向东方，实现日循环运行。

（5）太阳运动是缓慢变化的，所以应该实现间歇性的跟踪方式。

基于以上原则，系统总体硬件由控制部分和驱动部分组成。控制部分主要包括STC89C52主控板、光强检测模块、液晶显示器、风速风向检测模块和角度检测模块;驱动部分主要包括机构支架、太阳能电池板、蜗轮蜗杆副、步进电机及其驱动器，系统硬件结构框图如图2.1所示。

图2.1系统硬件结构框图

三、控制单元设计

控制器在整个系统中作用至關重要。由于风能和太阳能具有随机性和不稳定性，所以能量的控制相当重要。当风能过大，太阳能输出的能量也很大时，而此时负载所需的能量小于所供给的能量时，将会导致风轮的转速过大，导致飞车;电流也过大，易导致发电机过载，而烧毁线圈;风能、太阳能较时，无法满足负载供电;以及对最大功率跟踪控制等一系列问题 。

系统以STC89S52单片机为控制核心设计系统控制器。它将风力发电机输出的不稳定交流电和太阳能电池板输出的不稳定直流电转换为稳定的直流电提供给蓄电池和负载，同时控制蓄电池的充放电方式和负载的工作模式，实现蓄电池科学的充放电管理。

在风光联合发电系统中太阳能电池的使用寿命比较长，一般能够达到10-15年，而风力发电机和蓄电池的使用寿命比较短，所以使发电机和蓄电池工作在安全的工作模式下，对发电机和蓄电池进行保护是控制器的主要任务之一。控制器要起到以下几个作用：

（一）功率控制

采用风光同时工作的模式， 输出功率控制采取对风光总功率进行跟踪的策 略，不单独对分支路进行控制，简化了系统电路，同时也简化了最大功率跟踪程序的流程。对总功率的控制采用逐次逼近法的 MPPT 控制策略。在最大功率跟踪时，对于单独的风力发电机组和光伏阵列而言，可能没有同时工作在最大功率点，但是系统总的输出功率能够跟踪输出功率大的支路。

（二）蓄电池充放电控制

控制系统将对蓄电池的端电压和系统设置的控制点电压进行比较，根据比较的结果确定是否分级切除光伏支路和风力发电机或者是分级增加蓄电池充电的光伏支路和风力发电机，以确保蓄电池的充电电流工作在正常条件下。如果在连续无风、光的情况下，蓄电池处于过放状态时，应该切断蓄电池对负载或者逆变器的供电，以避免蓄电池深度放电。

（三）对发电机进行保护

当发电机在对蓄电池进行充电的状态下，实时对发电机所输出的线电压进行检测，当线电压大于所设定的保护电压时，接入耗能负载，消耗掉多余能量;根据控制点电压的判断，看蓄电池是否还需要风力发电机进行充电，如果是，则断开耗能负载的连接，延时一会儿后，等发电机进入平稳运行状态后，再开始下一次检测。

参考文献

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