风光互补路灯系统的应用和实践

城市小风环境下风景互补路灯系统的设计与应用随着全球太阳能风力利用的逐渐完善，风景互补路灯系统变得越来越快流行。 据不完全估计，目前国内风光互补路灯的市场容量为二十亿元，国际市场约为二百亿元。 市场确实很广阔。 我们主要研究和解决城市小风环境下风景互补路灯的设计与应用。1、当前风景弥补路灯系统行业存在的技术问题常见风景互补路灯的系统图如下图所示人们担心利用风景来补充路灯的问题：1 .安全问题风光补充路灯的风扇和太阳能电池板被风吹落到道路上，有损伤车辆和行人的危险。 事实上，风光对路灯的补充风扇和太阳能电池板的受风面积远小于路标和路灯牌。 另外，路灯的强度设计也是按照12级以上的台风对抗标准设计的，安全上没有问题。2 .不能保证点亮时间我担心风光互补路灯受天气的影响，点灯时间不能保证。风力和太阳能是最常见的自然能源，晴天太阳充足，下雨天风大，夏天日光照射强度高，冬季风力强，且风景互补路灯系统具备充足的储藏系统，能够保证路灯充足的供电。3、成本高风景被认为是补充路灯的成本很高。 事实上，随着科技进步，节能型照明产品的普及，风能和太阳能产品技术水平提高，价格下降，风光互补路灯的成本已接近正常路灯成本的平均水平。 而且风光互补路灯不消耗电力，其运行成本远低于普通路灯。风光互补路灯应用于远离电源的路灯及户外广告牌，经济效益更为显着。风光互补路灯系统要真正消除人们的疑问，必须明确、完全地解决以下问题技术问题：如何解决蓄电池的循环寿命和记忆效果等重要指标中存在的缺陷太阳能充电效率如何提高；风力能源的充电效率如何提高风力充电和太阳能充电如何不干扰二、技术创新点和我们的解决办法为了消除人们对风景互补路灯系统的不安，我们有以下技术创新点和解决方法铁锂电池模块的均衡电路设计蓄电池电池模块剩馀容量计算原理及其应用太阳能MPPT功能模块的硬件和软件设计风力匹配模块和风力MPPT模块风力充电与太阳能充电互不干扰的原理a .铁锂电池模块均衡电路设计铁锂电池模块均衡电路如下动力锂离子二次电池单体之间的差异对组的使用产生了严重的负面影响，因此组动力锂离子二次电池从来源实施了多种均衡化管理，如被动均衡管理。 无源电路可以基于相应电压检测部分的比较结果来控制放电旁路的开/关。 充电时，该均衡充电电路能够使电池单元的各电池单元之间的电压基本一致，能够抑制最强的电池单元的电压上升，提高电池组整体的性能，特别适用于串联连接了4根以上的铁锂电池的动力电池。当然，也可以采用有源均衡电路。b .蓄电池电池模块剩馀容量计算原理及其应用电池在风光互补路灯系统中使用非常广泛，同时因为它是一种成本较高的产品，所以如何延长使用寿命，是风光互补路灯系统能够开拓并占领广阔市场的有意义的工作。 通过迅速在线检测蓄电池的剩馀容量SOC (也称为蓄电池的充电状态)，蓄电池的用户和检修技师迅速掌握蓄电池的状态，采取防止蓄电池过充电和过放电的措施，能够延长蓄电池的寿命。蓄电池剩馀容量放电与充电过程的数学模型：u放射= uraa log (1DOD/SOC )xlog (1I/ ahx 1k (t25 ) xdodx 100I/ ahx 1k (t-25 ) xco 0. 01 * (25-t ) * DOD式中Ur-电池的静止电压DOD-蓄电池的放电深度以百分比表示dod=1-socSOC-以百分比表示电池剩馀容量或电池充电状态(0-100% )；a-反应物与生成物比例变化引起的电压变化的常数b-电化学极化项常数c-内阻极化项常数。u充= urdx log (1SOC/DOD ) eh xlog (I/ ahx 1k (t-25 ) xsocx 100 ) I/ ahx 1k (t-25 ) xfx 0. 01 x (25-t ) * DOD )式中d-反应物与生成物的比例变化引起的电压变化的常数e-电化学极化项常数f-内阻极化项常数。由于蓄电池端电压与SOC关系的数学模型与SOC与蓄电池充放电率、初始电动势、温度等物理量、各常数的关系，我们综合考虑这些因素，采用以下电路图和程序流程图设计制造蓄电池剩馀容量(SOC )测量仪，并应用它来监控和维护风景互补路灯系统的蓄电池c、太阳能MPPT功能模块的硬件和软件设计太阳能发电独立系统结构图如下所示控制器的功能非常重要，承担着MPPT最大功率点跟踪控制、电池充放电控制等任务太阳能最大功率跟踪中常用的几种DC/DC转换电路拓扑类型：我们对太阳能最大功率跟踪的几种DC/DC转换电路拓扑类型之一采用了滞后比较法，滞后比较法在日照量稳定时跟踪到最大功率点，避免了功率干扰观测法的缺陷，减少了干扰损失。滞后比较法的控制流程如下所示该图读取a、b、c这3点电压值、电流值，计算其功率，Tag表示a、b、c这3点的大小关系，在Tag=2的情况下，d值增加，在Tag=-2的情况下，d值减少在Tag=0时，d值不变化。d、风力匹配模块、风力MPPT模块风力匹配模块和风力MPPT模块的框图如下所示根据风力机的理论，风速变小时，风力机分别在最大风能捕获区、额定转速区、额定电力区运行。 其中，Pnom是风力机的额定输出功率的区域1是风力机能够以最强风捕获时的功能区域，区域2是风力机的额定转速区域，区域3是额定功率区域。 这里，此时风力机处于规定间距的状态用线段0A表示。 一般来说，俯仰角为0时，风力机的输出只与发电机的转速有关，因此只要控制发电机的转速，找到发电机的最佳基准转速opt，就能追踪捕获最大风能，使发电机的输出达到最大。下图为定间距风力机风速下的旋转轴输出功率Pm与旋转速度r的关系曲线。 在此，V1V2V3。 由图可知，外部空气风速一定时，输出功率因风力机的转速而异。 但是，无论如何，总是有一定的最佳转速r_opt，当以该转速运转风力机时，成为最佳片变速比opt，能够捕获最大的风能，输出最大的输出。 最大风能捕获的具体过程是，风速为V3时，风力机在最佳功率捕获曲线a点稳定运行时，风力机的输出转矩、电力和发电机输入的电磁转矩、电力保持平衡。 在某个时刻，风速上升到V 2时，风力机从a点跳到b点运转，其输出转矩、功率急剧增加，但是对于发电机来说，在惯性的作用下，运转与a点对应的转速和电力状态。 此时，发电机的实际输入功率和转矩大于其电磁功率和转矩，转速上升。 在转速增加过程中，风力机和发电机分别沿BC和AC曲线运行。 当风力机功率曲线到达最佳功率曲线的交点c时，风力机和发电机的功率再次达到新的平衡，其转速也稳定。定间距风扇功率一圈曲线根据以上分析可知，在风力发电系统中，风力发电系统的输出电力根据风力机的输出电力的变化而变化，因此，为了在风速变化的过程中始终保持最大输出状态，需要适当地调节或控制风力机和发电机，根据它们的动作特性追随风速的变化而实现最大输出风力发电中如何控制发电机，系统能够输出最大功率。 我们对风力机如何在风速变化中捕获最强风能进行了初步分析，得出了风速一定时，风力机转子具有最佳转速，在该转速下风力机达到最佳叶尖比，并产生最大输出的结论。可以求出最佳转速和最佳叶尖变速比时的风速v风力机的输出可以将v代入此表达式，以执行以下操作由以上的式子可知，风力机的输出是转子的转速的函数，表示通过控制转子的转速能够实现控制输出的目的。 这样做的另一个优点是避免直接测量风速，降低设备的复杂性。e、风力充电和太阳能充电互不干扰的原理目前，中国市售的风景互补路灯控制器风力充电和太阳能充电的原理如下图所示由图可知，风力充电和太阳能充电以直流与蓄电池相交。 这是因为，如果来自太阳能电池直流电压比来自风力发电机的直流电压高，则来自风力发电机的直流电力不能充电到蓄电池，只有太阳能电池被充电到蓄电池，如果来自风力发电机的直流电压比来自太阳能电池的直流电压高，则产生来自风力发电机的直流电力不能充电到蓄电池的问题. 这就是风力发电和太阳能发电相互干扰的现象。 现在太阳能电池给蓄电池充电的情况很多，风力发电机发出的直流电压和太阳能电池发出的直流电压相等时，可以给蓄电池充电，所以浪费了很多风能。 来自风力发电机的直流电压比来自太阳能电池的直流电压高的情况下，来自太阳能电池的直流电力不能充电到蓄电池中，会浪费太阳能。 我们根据风能充电和太阳能充电互不干扰的原理很好地解决了这个普遍问题，风能和太阳能得到了最大的利用，我们设计的风景互补路灯系统真的被称为自立式或自给式的风景互补路灯系统。三、自给式风景互补路灯系统测试记录四、对风景互补路灯系统的近期展望与要点最近的展望：目前国内外风光互补体系正处于新技术革命的前夕，发展十分可喜。 近年来，风光互补应用技术主要围绕储能组件均衡管理、风力MPPT模块、太阳能MPPT模块、风力充电与太阳能充电互不干扰等重要问题展开，构建在电力电子基本电路中的风光互补路灯系统的单片机应用算法更加突出着力点：储能组件的均衡管理是指铁锂电池在风景互补路灯系统中的应用和科学管理。 为什么在风景互补路灯系统中强调铁锂电池的普及？ 铁锂电池(磷酸铁锂LiFePO4)在构造、性能等方面优于铅电池和其他锂电池。据相关专家介绍，LiFePO4具有有序的橄榄石型结构，属于正交晶系，空间群为Pmnb。 晶体由FeO6八面体和PO4四面体构成空间骨架，p占据四面体的位置，Fe和Li填充在八面体的空隙中，其中Fe占据共角八面体的位置，Li占据共边八面体的位置。 格子中的FeO6以bc面的共用角连接，LiO6形成沿着b轴方向的共边长链。 FeO6八面体与两个LiO6八面体和一个PO4四面体共享边，而PO4四面体与一个FeO6八面体和两个LiO6八面体共享边。 Li具有一维移动性。 充放电过程中可逆脱出并埋入。 材料中的基团稳定地作用于整个框架，具有良好的热稳定性和循环性能。 正交晶系橄榄石型磷酸铁锂(LiFePO4)材料是氧化还原反应发热温度超过400度、结构非常稳定、极难释放氧原子、目前安全性最高的锂材料。图1 :磷酸铁锂(LiFePO4)的结构图表1 :不同系统锂电池的性能比较钴酸锂LiCoO2镍钴酸锂。Li (Nico Nico ) o 2锰酸锂LiMn2O4磷酸铁锂生命周期po 4安全性稳定性极差，必须慎重处理，可能发生爆炸或起火太好了最好的环保要求微毒，资源短缺微毒，资源短缺无毒资源丰富无毒资源丰富循环数300500次，不适合大电流放电300500次，不适合大电流放电300700次，适用于大电流放电最佳，2000次以上，适合电源电池的需求能量密度很贵很贵可以接受可以接受耐温性在常温下使用在常温下使用良好的低温性能高温性能最好长期使用成本很贵很贵低最差主要应用领域例如，当对低容量要求和高能量要求时，可以将其用于蜂窝电话、笔记本电脑等中。 单电池的容量为0.53Ah。能够制造出大容量的电池，主要是要克服循环和高温性能差的问题。制作大容量高功率电池系统，主要用于电动车辆(自行车、汽车)、储能电源。一、能量密度能量密度也称为比能量，是指电池储存的能量与电池本身的重量或体积之比，也称为重量比能量或体积比能量，常用单位为Wh/kg或Wh/L，比能量越大表示储存相同能量时的重量越轻或越小表2为锰酸锂、磷酸铁锂和铅酸电池典型样品的能量密度比较。表2锰酸锂磷酸铁锂铅电池电池规格3.7V10Ah3.2V10Ah12V12Ah体积比能量Wh/L24021795重量比能量Wh/kg1049833图2是铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池与锰酸锂、磷酸铁锂、钴酸锂电池的重量比能量的对比，图3是具备相同能量时的锰酸锂、磷酸铁锂与铅酸电池的体积、重量的相对比。图2图3由图可知，在相同能量下锰酸锂电池的体积最小、重量最轻的磷酸铁锂和锰酸锂非常接近，只有2%4%之差的整体锰酸锂和磷酸铁锂的能量密度远高于铅酸电池，这也是锂离子二、倍率放电性能倍率放电性能是测量电池大电流工作能力的参数，与电池材料和设计工艺有着明显的关系。 下表为锰酸锂、磷酸铁锂与铅酸电池倍率放电性能的相对比较。表3放