吳正昌，覃 嶺

（1.貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 貴州 凱里 556000；2.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 順德 528333）

利用太陽能、風能，加上市電構(gòu)成三能一體的供電系統(tǒng)[1]，對節(jié)能型的LED供電，是一種具有較高性價比的新型供電系統(tǒng)。風能和太陽能具有天然的互補優(yōu)勢[2]，白天太陽光強，夜晚風大；夏天日照好，風弱；冬天季節(jié)風大，日照少。在自然風能和光能都很弱的情況下，啟動市電作為備用供電電源[3-4]，保證負載在長效可靠的狀態(tài)下穩(wěn)定的工作。

1 照明系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)主要由供電電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、蓄電池、LED負載、逆變器等組成，如圖1所示。

圖1 照明系統(tǒng)的組成Fig.1 Composition of the lighting system

1.1 電源部分

電源部分主要由一臺或多臺風力發(fā)電機（內(nèi)含風力機控制器）、太陽能光伏電池板（內(nèi)含光電板控制器）、220 V市電組成。

1）風力發(fā)電機 利用風力機將電能轉(zhuǎn)化為機械能，然后通過風力發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能。通過控制器的控制，一是將電能直接供給直流負載LED燈或經(jīng)DC/AC逆變器供給交流負載[5]，二是將多余的電能對蓄電池組進行充電。風力發(fā)電機輸出功率[6]為

式中:R為風輪葉片半徑；V為風速；Cp為風能利用系數(shù)，最大值為0.593。

風輪葉片有定漿距和變漿距之分。定漿距風力機在額定風速以下的風速范圍，Cp達不到最佳值，輸出功率低；超出額定風速后，Cp也會偏離最佳值，輸出功率降低；只有在額定風速時Cp有最佳值，使輸出功率最大。變漿距風力機，啟動時通過調(diào)節(jié)漿距角可以使Cp最大，輸出功率較大；超出額定風速后，通過調(diào)節(jié)漿距角使Cp保持在最佳，輸出功率保持在額定值。

2）光伏發(fā)電 利用太陽能電池板的光伏效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過控制中心的控制，一是對蓄電池組充電，二是將電能直接供給直流負載LED燈或經(jīng)DC/AC逆變器供給交流負載。理想的PN結(jié)太陽光伏電池I-V方程為：

式中：IS、VS為光伏電池的輸出電流和輸出電壓；IN、I0為光伏電池的短路電流和PN結(jié)反向飽和電流；K為波爾常數(shù)，K=1.38×10-23J/K；T 為溫度；q 為電子電荷量，q=1.6×10-19C。

在一定溫度、日照條件下，光伏電池的輸出功率具有最大值。發(fā)電過程中，電池的內(nèi)阻不僅受到日照強度的影響，還受到環(huán)境溫度及負載的影響。要想在光伏發(fā)電時得到最大功率，必須不斷改變自身阻抗的大小，從而達到光伏陣列與負載的最佳匹配，實現(xiàn)大電流、高電壓的輸出，提高系統(tǒng)發(fā)電的效率。

3）市電220 V 市電220 V的引入是為了更可靠、更穩(wěn)定地對負載進行供電。在太陽能光伏電池和風力發(fā)電機供電不足的情況下，通過控制器的控制，啟動市電作為最后保證負載供電的電源。

1.2 控制部分

1）控制電路的作用

控制部分是本電路的核心內(nèi)容，通過控制器，完成電源系統(tǒng)各部分的連接、組合以及對蓄電池組充電的自動控制。該裝置能根據(jù)日照的強弱、風力的大小及負載的變化，不斷地對蓄電池組的工作狀態(tài)進行切換和調(diào)節(jié)，一方面把調(diào)整后的電能直接送往直流負載或經(jīng)逆變器送往交流負載；另一方面把多余的電能送往蓄電池組存貯起來。當光伏發(fā)電量和風力機發(fā)電量不能滿足負載功率時，控制器將蓄電池組中的電能調(diào)送往負載；當蓄電池組中電能也不足的情況下，控制器最后啟動220 V市電作為供電電源。這樣使供電系統(tǒng)在充電、放電或浮電等多種工況下交替運行，從而保證以風、光、市電互補作為電源供電系統(tǒng)對負載供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

2）控制電路的控制過程

風、光、市電互補供電系統(tǒng)的控制過程比較復(fù)雜，工業(yè)上采用過程控制技術(shù)對該系統(tǒng)的運行工況進行監(jiān)測和智能化管理。根據(jù)系統(tǒng)的特點，現(xiàn)場控制層實現(xiàn)對各類傳感器、變送器和執(zhí)行器及對現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集過程的控制。智能監(jiān)控系統(tǒng)分為兩層：底層是基于微處理器芯片的監(jiān)控層，負責實現(xiàn)對單臺設(shè)備的運行進行優(yōu)化控制和參數(shù)設(shè)定。同時具備有與上層通迅的能力；上層是基于微機的協(xié)調(diào)管理層，主要用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理，同時處理多臺供電電源并列運行時協(xié)調(diào)控制及并網(wǎng)供電問題。

①監(jiān)控層的主要功能：主要對系統(tǒng)狀態(tài)進行檢測，如風速強弱、太陽輻射強度，蓄電池電壓情況、負荷要求等運行參數(shù)。能量管理層負責系統(tǒng)和供電模式切換及負荷控制問題，通迅控制實現(xiàn)與上層管理系統(tǒng)通信，提供系統(tǒng)所需的運行及設(shè)備參數(shù)，同時根據(jù)指令改變系統(tǒng)的運行工況。

②協(xié)調(diào)管理層的主要功能：實現(xiàn)通信，包括與底層監(jiān)控層通信，獲得運行參數(shù)和向監(jiān)控層發(fā)送控制指令，調(diào)整系統(tǒng)的運行工況狀態(tài)。數(shù)據(jù)系統(tǒng)是上層協(xié)調(diào)管理層運行的基礎(chǔ)，通過與底層監(jiān)控層的通信來獲得供電系統(tǒng)的運行參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)；協(xié)調(diào)控制層通過對系統(tǒng)的運行參數(shù)進行監(jiān)控，靈活地改變各設(shè)備的運行工況，以求達到最佳。

1.3 蓄電池組

蓄電池組在本系統(tǒng)中起到能量調(diào)節(jié)和平衡負載的雙重作用。它將風力發(fā)電機和太陽能電池輸出的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來，以備電能不足時使用。在常用的蓄電池中，主要有鋁酸蓄電池，堿性鎳蓄電池和鐵鎳蓄電池，其中鋁酸蓄電池價格低廉、性能可靠、安全性高、且技術(shù)上又不斷進步和完善得以廣泛應(yīng)用。

1.4 逆變器

由一臺或幾臺逆變器組成。其作用是將蓄電池組中直流電能變成標準的220 V交流電能，同時具有自動穩(wěn)壓功能，可改善風光互補發(fā)電系統(tǒng)供電的質(zhì)量，保證交流負載設(shè)備的正常使用。

1.5 LED負載

LED燈（Light Emitting Diode），即發(fā)光二極管。是一種半導(dǎo)固體發(fā)光器件。它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料。當兩端加上正向電壓，直接發(fā)出紅、黃、綠、青、橙、紫、白色的光。與傳統(tǒng)的燈源相比，LED燈具有 以下特點：

1）多變幻 LED光源可利用LED通短時間短和紅、綠、藍3基色原理，在計算機技術(shù)控制下實現(xiàn)色彩和圖案的多變化，是一種可隨意控制的“動態(tài)光源”。

2）壽命長 LED光源無燈絲、工作電壓低，使用壽命可達5萬到10萬小時，也就是5年到10年時間。

3）利環(huán)保 生產(chǎn)中無有害元素、使用中不發(fā)出有害物質(zhì)、無輻射。

4）高新尖 與傳統(tǒng)光源比，LED光源融合了計算機、網(wǎng)絡(luò)、嵌入式等高新技術(shù)，具有在線編程、無限升級、靈活多變的特點。

2 電路的工作原理

風力發(fā)電機將風能換轉(zhuǎn)為電能，太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)換為電能，這兩種電能在控制器作用下，一方面可對負載進行供電，直流負載LED燈可直接獲得直流電能的驅(qū)動，而交流負載經(jīng)逆變器將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能后獲得交流電能的驅(qū)動；另一方面，控制器將來自風力機和太陽能電池板多余的電能對蓄電池充電，蓄電池將這些電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能儲存起來，以備風光發(fā)電機發(fā)電不足時使用。

當風、光發(fā)電機發(fā)電都不足時，在控制器的作用下，調(diào)用存儲在蓄電池組內(nèi)的備用電能，繼續(xù)給負載提供電能；當蓄電池組中的電能也不足時，控制器打開220 V的市電通道作為負載的供電電源，以保證負載在任何情況下都能正常工作。

3 實 例

通過在貴州省錦平縣一座具有民族特色的侗族風雨橋景點的裝飾實例，介紹這種新型供電系統(tǒng)。在實際工程中，LED負載與控制器之間加入通道功率放大器，其他部分均如圖1相同，該系統(tǒng)自使用以來，在夏季約95%電能來自風能與太陽光能，很少用到市電，每天從下午18：00點工作到第二天早上6：00。工程所用的各方塊電路的主要參數(shù)如下。

3.1 太陽能電池組

主要技術(shù)參數(shù)：標稱功率：40 W；峰值電壓：17.35 V；峰值電流：2.3 A；開路電壓；21.88 V；短路電流：2.46 A；尺寸:668×454×35 mm；

3.2 風力發(fā)電機

主要技術(shù)參數(shù)：型號 FD1.5-350；風輪直徑/m：1.5；葉片數(shù)目：3；葉片材料：玻璃鋼復(fù)合樹脂；限速方式：自動偏側(cè)；切入風速/（m/s）：1.5；額定風速/（m/s）：5；切出風速/（m/s）：15；抗大風速/（m/s）：30； 額定輸出功率/W:350； 最大輸出功率/W:500；輸出電壓/V：24 V（DC）；控制方式:電子控制；發(fā)電機轉(zhuǎn)速/（r/min）:450；塔架高度/m:6；質(zhì)量/kg:100；蓄電池：N120×2節(jié)（120 Ah）。

3.3 蓄電池組

主要技術(shù)參數(shù)：額定電壓：DC24 V；容量：400 Ah；浮充電量：20～50 Ah；過沖時間：1 小時；環(huán)境溫度要：25 ℃左右；壽命：5年。

3.4 開關(guān)電源

主要技術(shù)參數(shù)：輸入電壓范圍：85～265 VAC；輸入頻率范圍：47～63 Hz； 輸出電壓：DC24V； 輸出功率：1 100； 效率：>75%（典型值）；線性調(diào)整率：≤0.5%；負載調(diào)整率：≤1%；紋波及噪聲：≤1%V；輸出電壓調(diào)整范圍：±10%（主路）；輸出過載保護：105%～150%；輸出過壓保護：115%～150%；絕緣阻抗：≥100 MΩ（500 VDC）；工作環(huán)境溫度：-10～60 ℃。

3.5 控制器

主要技術(shù)參數(shù)：風力發(fā)電機額定功率：300 W；太陽能功率：300 W；蓄電池額定電壓/V：24 V；控制方式：PWM；顯示方式：LED；工作環(huán)境溫度：-10～55 ℃；工作環(huán)境濕度：0～90%；保護類型工作環(huán)境濕度:過充保護，反接保護太陽能防反充保護，自動卸載保護。

3.6 負載LED

負載LED燈為 900 W（5050型軟燈條）。主要技術(shù)參數(shù)：工作電壓：24 V；電源效率>95%；功率因數(shù)>0.95；總諧波失真<20%；LED 發(fā) 光 效 率 90～100 lm/W；LED 光 通 量/lm：16300；燈具光通量/lm：15 420；燈具效率>94%色溫/K：4 000～6 500 K；配光曲線非對稱；光斑矩形光斑；結(jié)溫/Tj：80℃；系統(tǒng)熱阻（Rja）：10 K/W；顯色指數(shù)：Ra>80；工作溫度：-30～40℃；貯存溫度：10～75℃；使用壽命>50 000小時；防護等級IP65。

3.7 RP306三通道功率放大器

主要技術(shù)參數(shù)：直流電源輸入：24 V；輸入/出通道：3；功率輸出：每通道 5 A 24 V 360 W；尺寸：365×39×26 mm

3.8 CT308-RF 多功能LED顯示控制器

主要技術(shù)參數(shù)：直流電源輸入：24 V；輸入/出通道：3；功率輸出：每通道5 A 24 V 400 W；遙控距離：50 m；尺寸：211×30×25 mm。

4 結(jié)束語

風能和太陽能都是清潔能源，隨著伏光發(fā)電技術(shù)、風力發(fā)電技術(shù)的日趨完善，為風光互補發(fā)電系統(tǒng)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。利用風能、光能和少量的交流電能進行協(xié)作，組成三能一體的激勵電源，更加有利于促進資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的建設(shè)。

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