濰坊科技學(xué)院 王澤尚

引言

風(fēng)能、太陽能這兩大可再生能源，受到季節(jié)、地理位置等的影響，在正常條件下，兩者的變化趨勢處于相反的狀況，因此如何讓兩者共同發(fā)揮出作用是目前能源研究的趨勢。當(dāng)今社會(huì)電能是人們小號能源的主要方式，對電的依賴是非常強(qiáng)的。但中國地大物博，很多偏遠(yuǎn)地區(qū)電能不發(fā)達(dá)，但是風(fēng)能、太陽能充沛，這些地區(qū)的獨(dú)立供電變成了趨勢。因此在這些地區(qū)將風(fēng)能、電能互補(bǔ)利用便成了解決偏遠(yuǎn)地區(qū)電能不足的非常好的選擇。

風(fēng)能和太陽能聯(lián)合供電的情況被稱為風(fēng)光互補(bǔ)，風(fēng)光互補(bǔ)供電屬于清潔可再生能源，同時(shí)風(fēng)能、太陽能都能夠輸出直流電，直流電可以直接通過蓄電池儲(chǔ)存能量，然后再給負(fù)載供電，如果所用電氣為交流，加逆變裝置便可靈活實(shí)現(xiàn)。風(fēng)光互補(bǔ)供電分為獨(dú)立式和并網(wǎng)式，獨(dú)立風(fēng)光互補(bǔ)供電在偏遠(yuǎn)地區(qū)的電氣化應(yīng)用中起著非常重要的作用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)PIC16F873為核心，有光伏板發(fā)電、光伏控制器、永磁同步發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電控制器、光敏感光模塊、蓄電池組、智能放電管理模塊、LED燈等組成。系統(tǒng)通過太陽能光伏板和永磁同步電機(jī)給電池組充電，保證LED燈的能量來源。在充電的過程中，要有電壓穩(wěn)定電路和充電保護(hù)功能。系統(tǒng)具有完全自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作模式，手動(dòng)模式手動(dòng)控制LED的開通和斷開，自動(dòng)則是通過光敏電阻感應(yīng)控制LED的開通和斷開。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

上圖為風(fēng)光互補(bǔ)控制系統(tǒng)的整體框圖，從整體框圖中可以看出能源來源有兩個(gè)，一個(gè)是太陽能光伏板，另一個(gè)便是PMSG（永磁同步發(fā)電機(jī)），兩者分別通過光伏控制器和風(fēng)能控制器，對電池組進(jìn)行充電，然后電池組給LED燈提供能量。這種控制器的作用有兩個(gè)，一是高效給電池組充電，另一個(gè)是只能管理蓄電池放電。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)能發(fā)電模塊

由整體框圖知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出電能后經(jīng)過風(fēng)能控制器進(jìn)入電池組，給電池組供電。風(fēng)能充電控制器主要由整流電路、DC/DC模塊組成，整流電路根據(jù)可控性可以分為可控整流器、不可控整流器。本設(shè)計(jì)中采用的是不可控的整流器。而DC/DC模塊根據(jù)始末電壓的高低分為降壓BUCK電路，升壓BOOST電路，還有升降壓電路。結(jié)合本設(shè)計(jì)的電壓特點(diǎn)，采用的升壓BOOST電路。

作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的作用是風(fēng)能——機(jī)械能——電能的能量轉(zhuǎn)化，它的效率高低直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的效率高低。風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能通過三相不可控的整流電路，將其變?yōu)橹绷鳎缓笤賹⒅绷麟娡ㄟ^升壓BOOST電路實(shí)現(xiàn)對電壓的升高，并對電池組進(jìn)行充電。

本設(shè)計(jì)采用的風(fēng)機(jī)為小型的垂直軸的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，這個(gè)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的BOOST升壓電路后端電阻理解為可調(diào)負(fù)載，可調(diào)負(fù)載的大小使用開關(guān)管SW的通斷，SW的通斷決定著整個(gè)電路的占空比。在負(fù)載恒定不變的情況下，改變升壓BOOST電路的空比進(jìn)而改變等效負(fù)載電路，實(shí)現(xiàn)對最大功率電的跟蹤。

2.2 光伏充電模塊

根據(jù)風(fēng)光互補(bǔ)整體結(jié)構(gòu)圖，光伏充電模塊是光伏發(fā)光板與蓄電池的中轉(zhuǎn)鏈接點(diǎn)，它的基本功能是將光伏板輸出的電能快速充給蓄電池模塊。光伏充電模塊目前常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要是降壓BUCK和升壓BOOST兩種，控制方法常用擾動(dòng)觀察法、增量電導(dǎo)法等實(shí)現(xiàn)對太陽能板的功率跟蹤。在本設(shè)計(jì)中，硬件部分采用去電感的光伏充電方式，而軟件的控制方法采用開環(huán)MPPT法。

在主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，只有一個(gè)電容C作為儲(chǔ)能元件，這樣可大大減小電路的損耗和系統(tǒng)的損傷，提高光伏板的利用效率。光伏充電模塊控制電路采用的核心器件是單片機(jī)PIC16F873A，它主要由三部分組成，電壓檢測電路、供電電路、MOSFET管的驅(qū)動(dòng)電路。

2.3 蓄電池管理模塊

蓄電池管理模塊從功能上主要包括停充控制、充電程度計(jì)量、智能放電管理三部分。在硬件電路部分，主要介紹停充控制，充電程度計(jì)量、智能放電管理這兩部分將在軟件中介紹。

停充控制：對電池組的停充，主要是通過單片機(jī)PIC16F873A來控制。PIC16F873A的輸出管腳通過與門74HC08后進(jìn)入到開關(guān)管。74HC08與門連接的是充電控制器和放電控制器發(fā)出的開關(guān)信號。

充電控制器對電池組進(jìn)行電壓檢測，當(dāng)檢測到的電壓低于浮充電壓，BATproject為高電平，與門產(chǎn)生開關(guān)信號，系統(tǒng)對電池組充電。當(dāng)檢測到電池電壓高于浮充電壓，BATproject為低電平，與門的開關(guān)信號關(guān)斷，停止對電池組充電。

2.4 led燈控制電路

在本設(shè)計(jì)中照明燈采用的白色高亮類型的LED燈，這種LED燈維護(hù)成本低、照亮速度更快，壽命是普通白熾燈的百倍以上，發(fā)光效率可達(dá)到80%，高亮LED燈采用三極管驅(qū)動(dòng)。在控制部分還通過光敏電阻進(jìn)行智能控制。

如今光敏電阻被廣泛用于光的控制、測量以及光電轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)便是采用GMDZ光敏電阻傳感器模塊對光照進(jìn)行檢測，該模塊可以實(shí)現(xiàn)對周圍環(huán)境的光強(qiáng)和亮度進(jìn)行檢測。光敏電阻由硒化隔等半導(dǎo)體材料制成，主要依靠光電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)其功能。光敏電阻對光非常敏感，只要人眼能感覺到的光，就會(huì)導(dǎo)致電阻值的變化。一般來說，光的強(qiáng)度越大，光敏電阻的電阻值越小。在黑暗條件下，它會(huì)呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)，電阻值一般會(huì)達(dá)到1.5MΩ。

光敏電阻傳感器模塊電路圖如圖2所示，其中R1電阻為分壓電阻，將光敏電阻傳感器檢測到的光照信息轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號，模擬量信號接入LM393比較器后，即可與LM393比較器芯片2號引腳所接的電位器分壓后的模擬電壓進(jìn)行比較，進(jìn)而得出DO數(shù)字信號（即高低電平信號）。

圖2 光敏電阻傳感器模塊內(nèi)部電路圖

圖中C1、C2為濾波電容，R2、R3均為限流電阻，來保護(hù)LED燈，防止LED燈燒壞，LED處于低電平有效狀態(tài)。R4是一個(gè)上拉電阻，通過電阻將不確定信號鉗位到高電平，并且還充當(dāng)限流器。保證LM393比較器輸出的高低電平信號在與單片機(jī)引腳連接時(shí)電平信號的讀取更加穩(wěn)定。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過H橋不可控整流電路后的電壓值，由單片機(jī)PIC16F873的PIN3管腳負(fù)責(zé)進(jìn)行模擬數(shù)字之間的轉(zhuǎn)換，模數(shù)轉(zhuǎn)換完成后，對采樣的整流電壓值進(jìn)行判斷，如果電壓值大于預(yù)先設(shè)定值，PIN16(RC1)發(fā)出信號進(jìn)行保護(hù)，控制繼電器于升壓BOOST電路進(jìn)行分離，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在這種情況下屬于空載，實(shí)現(xiàn)了對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的保護(hù)。相反，采樣整流后的電壓值小于設(shè)定值，將由單片機(jī)內(nèi)部程序進(jìn)行占空比計(jì)算，對后面的電池組進(jìn)行充電。程序流程圖可以用下面的圖3表示。

圖3 風(fēng)能充電流程圖

光伏充電軟件的流程為系統(tǒng)上電后，首先對RC3引腳進(jìn)行初始化，并將RC3引腳設(shè)置為輸出類型，同時(shí)還需要對AD模塊、定時(shí)器進(jìn)行初始化，為測量輸入電容的電壓做準(zhǔn)備。測量出電容的電壓后進(jìn)行判斷，看是否在設(shè)定值范圍內(nèi)，如果小于設(shè)定值，繼續(xù)對輸入電容進(jìn)行測量，當(dāng)大于設(shè)定值時(shí)，RC3引腳置為1，開關(guān)管導(dǎo)通，定時(shí)10ms，RC3引腳置為0，開關(guān)管關(guān)斷，定時(shí)2ms，結(jié)束。

4 總結(jié)及展望

風(fēng)光互補(bǔ)LED照明系統(tǒng)從組成上看，有光伏板、風(fēng)機(jī)對蓄電池充電管理和蓄電池對LED的放電管理兩部分，因此蓄電池的充放電管理是系統(tǒng)的核心。本文主要對這兩部分的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，對軟件進(jìn)行流程性規(guī)劃和論證。

光伏板充電方面，光伏板對蓄電池充電。光伏控制器以PIC16F873A為主控芯片，通過實(shí)時(shí)檢測輸入電容上的電壓來控制硬件電路開關(guān)的通斷，實(shí)現(xiàn)對蓄電池的脈沖充電控制。風(fēng)能充電方面，風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用的是小型三相永磁同步電機(jī)，經(jīng)過整流后進(jìn)入風(fēng)機(jī)控制器。主電路采用升壓BOOST電路，控制電路以PIC16F873A單片機(jī)為核心，通過不斷檢測C的電壓，對主電路開關(guān)管的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，提升系統(tǒng)的發(fā)電性能。蓄電池充放電管理有兩方面控制，時(shí)鐘芯片DS12887、充電脈沖個(gè)數(shù)計(jì)量兩部分，實(shí)現(xiàn)對蓄電池組的充電和對蓄電池電量的檢測。高于過充電壓即停止對蓄電池的充電，低于過放電壓發(fā)出關(guān)燈控制，同時(shí)還對所充脈沖個(gè)數(shù)判斷放電時(shí)間。也就是在蓄電池充電末期的時(shí)候，加入放電脈沖來提高充電接受能力，延長蓄電池的使用壽命。