风光互补LED路灯控制器的设计说明

风光互补LED路灯控制器设计 摘要随着社会的日益进步，人们已经开始意识到矿产资源的不足，因此新型能源的开发和利用已经变得更加重要。其中太阳能和风能是最主要的两种资源，无污染而且资源丰富。本文主要首先介绍了产生新能源的必要性与风能和太阳能快速发展的背景。其次介绍了什么是风光互补与风光互补的技术原理、技术结构与技术优势和风光互补系统的组成、风光互补路灯的优势。然后介绍了什么是风光互补控制器，风光互补控制器的特点，风光互补控制器的工作原理与风光互补路灯控制器的结构图和电路原理图。关键词：控制器，工作原理，路灯，风能，太阳能目录12 / 141、绪论12、风光互补的简要概述12.1、风光互补的技术原理22.2、风光互补的技术构成22.3、风光互补的技术优势22.4、风光互补的典型案例33、风光互补系统33.1、风光互补系统的组成33.2、风光互补路灯的优势34、风光互补控制器54.1、风光互补控制器的概述54.2、风光互补控制器的特点与功能54.3、风光互补路灯控制器的结构图64.4、风光互补控制器的原理图74.5、风光互补控制器的工作原理7总结11致12参考文献131、绪论随着科学技术的日益发展，对于能源的需求日益增加，目前我们所使用的能源基本上都是些矿产能源，但是这种化石燃料的燃烧造成环境污染，致使全球气候变暖、冰山融化、海平面上升等自然灾害频繁发生和能源危机日益临近，因此新型能源的出现便显得格外重要，新能源已经成为今后世界上的主要能源之一。其中，风能、太阳能等洁净能源因他们本身无污染而备受人们的关注。太阳能、风能作为未来的能源是一种非常理想的清洁能源。近年来由于人们对能源、环境问题的日益关注，太阳能、风能的应用与普与越来越受到人们的重视。若能合理地利用太阳能、风能将会为人类提供充足的能源。对太阳能、风能技术而言，照明应用并非是其最主要的应用领域，也不是最能体现应用优势的领域，但就其作为能源的表现形式来说，太阳能、风能在照明领域的互补应用最直观。而在当前技术水平下，太阳能、风能技术作为能源的高成本、低效率是不容回避的问题，特别是在单体照明应用中，如不与LED技术相结合，按照常规设计太阳能、风能照明系统，往往要面对系统变换效率低与经济效益不佳等问题。LED因具有低能耗、直流工作等优势，成为配合风光互补路灯照明光源的理想产品。就目前技术和政策而言，在我国最有希望快速普与应用太阳能、风能发电技术的领域，应是风光互补LED路灯照明工程。LED是一种可将电能转变为光能的半导体发光器件，属于固态光源。在通用照明领域，LED照明灯具有体积小、重量轻、方向性好、节能、寿命长、容易控制、耐受各种恶劣环境条件等优点，是典型的绿色照明光源。尤其随着大功率白光LED的研发成功，使它在照明领域应用更加广泛。LED作为新型固态绿色光源与风光互补发电技术结合应用于路灯领域，是可再生能源与高新固态绿色光源的结合，与其他电能变换技术和照明技术相比更加符合产业政策与推广应用的市场。2、风光互补的简要概述风光互补，是一套发电应用系统，该系统是利用太阳能电池方阵、风力发电机（将交流电转化为直流电）将发出的电能存储到蓄电池组中，当用户需要用电时，逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电，通过输电线路送到用户负载处。是风力发电机和太阳电池方阵两种发电设备共同发电。其中，风光互补发电站是针对通信基站、微波站、边防哨所、边远牧区、无电户地区与海岛，在远离大电网，处于无电状态、人烟稀少，用电负荷低且交通不便的情况下，利用本地区充裕的风能、太阳能建设的一种经济实用性发电站。2.1、风光互补的技术原理风光互补是一套发电应用系统，该系统是利用太阳能电池方阵、风力发电机（将交流电转化为直流电）将发出的电能存储到蓄电池组中，当用户需要用电时，逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电，通过输电线路送到用户负载处。是风力发电机和太阳电池方阵两种发电设备共同发电。 风光互补发电站采用风光互补发电系统，风光互补发电站系统主要由风力发电机、太阳能电池方阵、智能控制器、蓄电池组、多功能逆变器、电缆与支撑和辅助件等组成一个发电系统，将电力并网送入常规电网中。夜间和阴雨天无时由风能发电，晴天由太阳能发电，在既有风又有太阳的情况下两者同时发挥作用，实现了全天候的发电功能，比单用风机和太阳能更经济、科学、实用。适用于道路照明、农业、牧业、种植、养殖业、旅游业、广告业、服务业、港口、山区、林区、铁路、石油、部队边防哨所、通讯中继站、公路和铁路信号站、地质勘探和野外考察工作站与其它用电不便地区。2.2、风光互补的技术构成1.发电部分：由1台或者几台风力发电机和太阳能电池板矩阵组成，完成风电；光电的转换，并且通过充电控制器与直流中心完成给蓄电池组自动充电的工作。 2. 蓄电部分：由多节蓄电池组成，完成系统的全部电能储备任务。 3. 充电控制器与直流中心部分：由风能和太阳能充电控制器、直流中心、控制柜、避雷器等组成。完成系统各部分的连接、组合以与对于蓄电池组充电的自动控制。 4.供电部分：由一台或者几台逆变电源组成，可把蓄电池中的直流电能变换成标准的220V交流电能，供给各种用电器。2.3、风光互补的技术优势风光互补发电系统由太阳能光电板、小型风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器等几部分组成，发电系统各部分容量的合理配置对保证发电系统的可靠性非常重要。 由于太阳能与风能的互补性强，风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以降低，系统成本趋于合理。2.4、风光互补的典型案例2009年中国兵器装备集团自主研制了一套具有国先进水平的40千瓦风光互补示发电站，风光互补发电站成功建成并投入运行。该系统为兵器装备集团自主开发生产，拥有完全自主知识产权，除了实现风光互补发电，还具有以下三方面优势：一是高精度实时跟踪太阳位置，使光伏系统日发电量比传统的固定式系统提高了30%以上；二是自主研制的并网逆变器技术水平先进，部分指标达到国际领先水平，确保发电站可靠高效运行；三是采用了风光合一的调度与控制系统，实现了柔性并网发电，减少对电网的冲击。 这标志着兵器装备集团成功进入风力发电新能源领域，并同时拥有了太阳能、风能两大绿色能源产业，为两大绿色能源产业找到了一个结合点，对兵器装备集团进入国外风光合一发电市场打下了坚实基础。3、风光互补系统3.1、风光互补系统的组成风光互补路灯系统完全利用风力和太能为路灯供电，无需外接市电网。系统兼具风能和太阳能产品的双重优点，由风力和太阳能协同发电，电能储存于蓄电池中，自动感应外界光线变化，无需人工操作。主要适用于道路供电以与景观照明灯。 风光互补路灯系统主要由风力发电机、太阳能电池板、风光互补路灯控制器、风光互补专用蓄电池与LED路灯光源几个主要部件和灯杆，太阳能电池板支架等相关配件组合而成,利用风能和太阳能环保能源作为动力的新型节能路灯系统。风力发电机与太阳能电池板,充分利用风力和太阳能资源,为路灯系统提供源源不断的能源。当夜幕降临时,路灯控制器向LED光源发出亮灯指令,LED风光互补路灯光源通过蓄电池所储存的电能自动点亮,当LED风光光源亮灯时间到达控制器预先设定的时间,LED光源自动熄灭,由充电到亮灯到最后关灯,整个过程完全由风光互补路灯控制器自动完成,无需人工干预。3.2、风光互补路灯的优势传统的风能或太阳能单一发电系统会造成我国的大部分地区在特定的时候就会出现能源部够用的枯竭，而如果采用风光互补就可以解决单一能源的不足。了解了大部分城市，我国在风光互补的路灯上面运用的几乎没有，现在路灯已经成为我们城市建设的必不可少的设施，然而我国目前所用的绝大多数都是单一的传统供给电能。城市的发展，道路的建设，路灯的架设，这是多么庞大的能源消耗，在这个能源短缺的时代，怎能如此消耗？寻去新的措施减少能源的消耗但又不能影响城市的发展，就要寻找能够代替的能源，这也成为我所写的课题的重要关键所在，根据上述的介绍也能初步了解了风光互补能源的利用，既不浪费大量的能源消耗，又不污染环境的风光互补新型路灯就成为我们新型城市的环保低碳生活的大势所需。风电和光电系统都存在一个共同的缺陷，就是资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡，风电和光电系统都必须通过蓄电池储能才能稳定供电，但每天的发电量受天气的影响很大，会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态，这也是引起蓄电池组使用寿命降低的主要原因。风光互补发电系统可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置，即可保证系统供电的可靠性，又可降低发电系统的造价。无论是怎样的环境和怎样的用电要求，风光互补发电系统都可作出最优化的系统设计方案来满足用户的要求。应该说，风光互补发电系统是最合理的独立电源系统。目前，推广风光互补发电系统的最大障碍是小型风力发电机的可靠性问题。风光互补LED路灯与传统路灯相比，LED风光互补路灯具备以下优势： 日夜发电、智能控制、节能减排、独立发电、安装简单、符合节能型社会的发展方向。节能减排，集约环保，无后期大量电费支出。资源节约型和环境友好型社会正成为大势所趋。对比传统路灯，风光互补路灯以自然中可再生的太阳能和风能为原料，不消耗任何燃料，间接将排放空气中的污染降低为零。长久下来，对环境的保护不言而喻，同时也免除了后期大量电费支出的成本。 免除电缆铺线工程，无需大量供电设施建设。市电照明工程作业程序复杂，缆沟开挖、敷设暗管、管穿线、回填等基础工程，需要大量人工；同时，变压器、配电柜、配电板等大批量电气设备，也要耗费大量财力。风光互补路灯则不会，每个路灯都是单独个体，无需铺缆，无需大批量电气设备，省人力又省财力。个别损坏不影响全局，不受大面积停电影响。由于常规路灯是电缆连接，很可能会因为个体的问题，而影响整个供电系统；风光互补发电路灯则不会出现这种情况。分布式独立发电系统，个别损坏不会影响其他路灯的正常运行，即使遇到大面积停电，亦不会影响照明，不可控制损失因此大幅降低。 节约大量电缆开销，更免受电缆被盗的损失。 电网普与不到的偏远地区安装路灯，架线安装成本高，并会有严重的偷盗现象。一旦偷盗，影响整个电力输出，损失巨大。使用风光互补路灯则不会有此顾虑，每个路灯独立，免去电缆连接，即使发生偷盗现象也不会影响其他路灯的正常运作，将损失降到最低。智能控制，免除人工操作，施工简单，维护方便。 风光互补路灯由智能控制器控制，可分为时控、光控二种自动控制方式，兼具安全性和经济性；自身独立一体的供电系统，不受大面积电路施工干扰，工序简单，工期短，维护更加方便。 4、风光互补控制器4.1、风光互补控制器的概述风光互补控制器是专门为风能、太阳能发电系统设计的；集风能控制、太阳能于一体的智能型控制器。充分利用风能和光能资源发电，可减少采用单一能源可能造成的电力供应不足或不平衡的情况。设备不仅能够高效率地转化风力发电机和太阳能电池板所发出的电能对蓄电池进行充电，而且还提供了强大的控制功能。风光互补路灯控制器，风光互补路灯系统最主要的部件，起着对其它部件发号师令与协同工作的主要作用，尚能系列风光互补控制器，集光控亮灯，时控关灯，自动功率跟踪,自动泄荷，过充过放保护功能于一身，性能稳定可靠，得到客户的一致好评。太阳能电池板采用目前转换率最高的单晶硅太阳能电池板，大大提升了太阳能的发电效能，有效改善了当风资源不足的情况下,太阳能电池板因转换率不足,导致充电不足,无法保证灯正常亮灯的问题。尚能风光互补路灯采用高性能大容量免维护铅酸电池,为风光互补路灯提供充足的电能,保证了阴雨天时LED风光互补路灯光源的亮灯时间,大大提升了系统的稳定性。4.2、风光互补控制器的特点与功能采用先进的MPPT功率跟踪技术，可电脑远程监控，软件升级和参数设置，时控模式下自动学习天黑、天亮时间，自动开灯至指定时长，具有晨亮功能，LCD和指示灯显示风光互补控制器运行状况，具有2路负载独立输出功能，具有风力发电机智能停机系统。(1)、高性能智能风光互补控制器的主要特点：采用先进的MPPT功率跟踪技术,保证风能和太阳能的最高利用，可电脑远程监控，软件升级和参数设置，智能化软件控制，控制精确，具有风力发电机智能停机系统，具有温度传感器自动识别功能，良好的人机界面，LCD和指示灯显示风光互补控制器运行状况，自动累计输出电量(2)、高性能智能风光互补控制器的主要功能：a. 白天对太阳能电池板的电压和电流进行检测，通过MPPT 算法追踪太阳能电池板最大输出功率点，使太阳能电池板以最大输出功率给蓄电池充电，并控制太阳能电池对蓄电池进行充电的方式；b. 控制光电互补自动转换，晚上控制蓄电池放电，驱动LED 负载照明；当在太照不足或阴雨天气，蓄电池放电电压达最低电压时，能自动切换到市电供LED 路灯点亮；c. 对蓄电池实行过放电保护、过充电保护、短路保护、反接保护和极性保护；d. 控制LED 灯的开关，通过对外环境监测，可以控制LED 灯开灯、关灯时间。4.3、风光互补路灯控制器的结构图图1、风光互补路灯控制器的结构图4.4、风光互补控制器的原理图 风光互补LED路灯控制器的原理图如图2所示：图2、 风光互补路灯控制器原理图4.5、风光互补控制器的工作原理在风光互补LED路灯中，控制器主要包括风电控制单元、光电控制单元和蓄电池充放电控制单元三部分。控制部分根据日照强度、风力大小与负载的变化、蓄电池的充电状况来控制风力发电机组、太阳能电池阵列的运行方式和开断情况，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节，一方面把调整后的电能直接送往直流负载。另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，从而保证负载的正常供电以与系统各个部分的安全运行和整个系统工作的连续性和稳定性。控制器是由一些电子元器件组成，如电阻、电容、半导体器件、继电器等组成。简单地说，控制器就是一个“开关”。对于风力发电部分，当风力发电机发出的交流电经整流后，如蓄电池电压低于系统设定的电压时，控制器使充电电路接通，风力发电机向蓄电池充电，当蓄电池电匪上升达到保护电压时，充电控制开关电路截止，风力发电机停止向蓄电池充电，以免蓄电池过充电。但是，根据蓄电池的充电特性，这时，蓄电池电压会慢慢下降，为防止蓄电池充电不足，当其电压下降到一定值时，充电控制开关导通，对蓄电池进行自动补充充电，该状态一直保持到下一次充电保护为止。控制器是整个风光互补LED路灯的管理和控制的关键部件，它的最大功能是对蓄电池进行全面的管理，高性能的控制器应当根据蓄电池的特性，设定各个关键参数点，比如蓄电池的过充点、过放点，恢复连接点等。在选择控制器时，特别需要注意控制器恢复连接点参数，由于蓄电池有电压自恢复特性，当蓄电池处于过放电状态时，控制器切断负载，随后蓄电池电压恢复，如果控制器各参数点设置不当，则可能缩短蓄电池和用电负载的使用寿命。在风光互补LED路灯中的控制器必须具备蓄电池过充保护、过放保护、防反接等保护功能。在温差较大的地方，控制器还应具备温度补偿功能，还应具有光控、时控功能，并应具有夜间自动切控负载功能，便于阴雨天延长路灯工作时间。对于风光互补LED路灯的设计，成功与失败往往就取决于控制器的选型设计，没有一个性能良好的控制器，就不可能有一个性能良好的风先互卒HLED路灯。控制器防止反充电功能的实现方法是在发电回路中串联一个二极管防止反充电，这个二极管应选用肖特基二极管，肖特基二极管的压降比普通二极管低。另外，还可以用场效应晶体管实现防止反充电功能，它的管压降比肖特基二极管更低。而控制器的防过充电控制功能的实现方法是在输入回路中串联或者并联一个泄放晶体管，由电压鉴别电路控制晶体管的开关，将风光互补发电部分产生的过盈电能通过晶体管泄放，保证没有过高的电压给蓄电池充电。控制器的防过放电功能的实现方法是设置放电截止电压，因风光互补LED路灯的负载功率相对于蓄电池是小倍率放电，所以放电截止电压不宜过低。由于蓄电池电压控制点是随着环境温度而变化的，所以风光互补LED路灯的控制器应该有一个受温度控制的基准电压。对于单节铅酸蓄电池是- 3- 7mV/，通常选用- 4mV。控制电路是指控制主电路的控制回路，通常包括检测电路、驱动电路和保护电路等。本文设计选择美国Microchip公司开发生产的PIC16F877A单片机作为控制芯片，由于其计算速度等性能比普通单片机高，且价格比高级信号处理器（DSP）低，所以得到广泛应用。PIC16F877A具有以下功能和特点：(1) 属于精简指令集(RISC)的计算机结构，只有35个汇编语言指令，且每一条指令都固定为14位长；(2) 采用哈佛总线结构，它的程序存储器、数据存储器以与堆栈可以灵活设计；(3) 工作频率围为DC20MHz，具有上电复位和掉电锁定复位两种重置功能；(4) 3个定时器(Timer)，除了具有最基本的定时器功能外，还有捕捉、比较、产生PWM信号等功能；(5) 12个外部中断源，共享一个中断向量(位于程序存储器的004H处)；(6) RS232串行通信接口；(7) 8个8位模拟数字转换器(A/D)；(8) 采用Flash程序存储器芯片，产品可以多次编程，可以随意擦写芯片程序；(9) I/O端口驱动负载能力较强，输出引脚可以驱动2050mA的负载。此外，PIC16F877A单片机还有外接电路简洁、驱动能力强、寻址空间设计简洁、代码压风光互补控制器需要对太阳能电池板输出电压、风力发电机整流输出电压、蓄电池端电压、光伏充电电流和风力发电充电电流等进行实时检测，才能实现控制功能。由于太阳能电池板、风力发电机、蓄电池三者的电压检测电路设计基本一样，电流检测电路也基本一样，故本文只介绍蓄电池电压检测和电流检测电路，其电缩率高等特点，这些功能和特点已足够一般控制器的各种应用需求。风光互补路灯控制器利用太阳电池的光生伏特效应原理，白天太阳电池吸收太阳能光子能量产生电能，通过控制器储存在蓄电池里，当夜幕降临或光电板周围光照较低时，蓄电池通过控制器向光源供电，通过设定一定的时间后切断。控制器采用PWM无级卸载方式控制风机和太阳能电池对蓄电池进行智能充电。在太阳电池板和风力发电机所发出的电能超过蓄电池存储量时，控制系统必须将多余的能量消耗掉。普通的控制方式是将整个卸荷全部接上，此时蓄电池一般还没有充满，但能量却全部被消耗在卸荷上，从而造成了能量的浪费。有的则采用分阶段接上卸荷，阶段越多，控制效果越好，但一般只能做到五六级左右，所以效果仍不够理想。最好的控制方式是采用PWM（脉宽调制）方式进行无级卸载，即可以达到上千级的卸载。所以，在正常卸载情况下，可确保蓄电池电压始终稳定在浮充电压点，而只是将多余的电能释放到卸荷上。从而保证了最佳的蓄电池充电特性，使得电能得到充分利用。由于蓄电池只能承受一定的充电电流和浮充电压，过电流和过电压充电都会对蓄电池造成严重的损害。WIN POWER控制器通过单片机实时检测蓄电池的充电电压和充电电流，并通过控制风机充电电流和光伏充电电流来限制蓄电池的充电电压和充电电流，确保蓄电池既可以充满，又不会损坏。从而确保了蓄电池的使用寿命。WIN POWER控制器采用液晶显示蓄电池电压和充电电流，使得用户能够直观了解蓄电池的电压状态，从而使产品设计更加人性化。数字化智能控制，核心器件采用功能强大的单片机进行控制，使得外围电路结构简单，且控制方式和控制策略灵活强大，从而确保了优异的性能和稳定性。另外，WIN POWER控制器具有完善的保护功能，包括：防雷、太阳能防反充、过电压自动刹车、蓄电池反接和开路保护等。核心控制元件采用美国原装微控制器，功率器件则采用优质的美国原装IR器件。设备充电效率高，空载损耗低。经大量实践证明，该系统运行安全、稳定、可靠，使用寿命长。具有较高的性能价格比。总 结通过此次课程设计我了解到了风光互补是一套发电应用系统，该系统是利用太阳能电池方阵、风力发电机将发出的电能存储到蓄电池组中，当用户需要用电时，逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电，通过输电线路送到用户负载处。风光互补控制器是专门为风能、太阳能发电系统设计的；集风能控制、太阳能于一体的智能型控制器。首先介绍了产生新能源的必要性与风能和太阳能快速发展的背景。其次介绍了什么是风光互补与风光互补的技术原理、技术结构与技术优势和风光互补系统的组成、风光互补路灯的优势。然后介绍了什么是风光互补控制器，风光互补控制器的特点，风光互补控制器的工作原理与风光互补路灯控制器的结构图和电路图。此次设计的方案主要利用了无污染而且资源丰富的新型能源，因此会备受现代人们的欢迎，有着很好的发展前景。不足之处就是有些设计结构还不太完善，希望通过以后我们的努力会逐步完善此方案。致 这次课程设计是我大学的最后一次课程设计，对与我来说是学习本专业再深一步了解。在这期间遇到了诸多的问题，但在嘉义老师的细心指导和耐心教导下，通过翻阅课本和查阅一些资料，最终这些问题与困难都得到了解决。使我可以按时完成课程设计并使自己的专业知识有更深刻的理解，综合能力得到了相应的提高。在做课程设计过程中，老师在百忙中对我的课程设计进行了指导。真的很感老师的细心指导！与此同时我也要感和我一起做此次课程设计的同学们，正是在我们共同努力的过程中我们不断讨论新的方案才使得此次课程设计方案更加完善，因此我要向你们表示衷心的感！参考文献1 国兴.风光互补发电蓄电池超级电容器混合储能研究J.电力电子技术.2010年02期8.2 贾廷纲.一种小型独立风光互补照明装置J.电机学院学报;2010年02期 3邓隐北.孟雪玲.尚俊梅.离网型风光互补发电系统的研制与应用J.太阳能.2009年02期 4 王志新.风光互补技术与应用J.新材料产业.2009年02期5 肖贵贤.风光互补发电系统的研究与应用J.中国科技信息.2009年22期6 黄璜.风光互补照明系统浅析J.中国科技信息.2010年08期7 肖贵贤.风光互补发电系统的研究与应用J.中国科技信息.2009年22期8 王洪涛.小型风光互补电源的蓄电池智能充电装置的设计J.中国高新技术企业.2011年22期