风光互补路灯系统的应用和实践.doc

城市小风环境下风光互补路灯系统的设计与应用

随着世界范围的太阳能风能利用的逐步完善，风光互补路灯系统变得迅
速流行起来。据不完全估计，当前国内风光互补路灯的市场容量为二十亿元，国际市场上则约为二百亿元。市场的确广阔。我们主要是研究和解决城市小风环境下风光互补路灯的设计和应用。
一、 当前风光互补路灯系统业界存在的技术问题
常见的风光互补路灯的系统示意图如下图所示：

人们对应用风光互补路灯所担心的问题：
1、 安全性问题
担心风光互补路灯的风机和太阳能电池板会被风吹落到公路伤及车辆和行人。实际上，风光互补路灯的风机和太阳能电池板的受风面积远小于公路指示牌和灯杆广告牌。而且，路灯的强度设计也是按抗12级以上台风的标准设计的，不会出现安全上的问题。
2、 亮灯时间不保证
担心风光互补路灯受天气影响,亮灯时间不保证。
风能和太阳能是最常有的自然能源,晴天阳光充足,而阴雨天则风大,夏季
阳光照射强度高,而冬季风大,并且,风光互补路灯系统配有足够的储能系统,能保证路灯有充足的电能供应。
3、造价高
人们普遍认为风光互补路灯造价高。实际上,随着科技进度,节能型照明产品的普及,风能和太阳能产品的技术水平提高且价格降低,风光互补路灯的造价已接近常规路灯造价的平均水平。而且风光互补路灯不消耗电能,所以,其运行成本远低于常规路灯。
风光互补路灯在远离电源的道路路灯和户外广告牌上应用,其经济效益更加明显。
风光互补路灯系统要真正解除人们对它的疑虑,必须明确彻底地解决如下的
技术问题:
①蓄电池循环寿命和记忆效应等关键指标所存在的缺陷如何解决;
②太阳能充电效率如何提高;
③风能充电效率如何提高;
④风能充电和太阳能充电如何互不干涉.
二、技术创新点和我们的解决方法
解除人们对风光互补路灯系统的疑虑，我们有如下的技术创新点和解决方法：
①铁锂电池模块均衡电路设计;
②蓄电池电池模块剩余容量计算原理及其应用;
③太阳能MPPT功能模块的软硬件设计;
④风能匹配模块和风能MPPT模块
⑤风能充电和太阳能充电互不干涉原理.
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：

动力锂离子蓄电池单体之间的差异对成组使用带来了严重的负面影响,为此对成组动力锂离子蓄电池从源头上实行多种均衡化管理,如被动均衡管理.这种被动电路可以根据相应的电压检测部的比较结果，来控制放电支路的通断。充电时，该均衡充电电路可以使电池单元各个电池单体间电压基本保持一致，可以抑制最强电池单元的电压攀升，提升了整组电池的性能，特别适合由四节以上铁锂电池串联而成的动力电池使用。

当然，也可以采用主动均衡电路。
B、蓄电池电池模块剩余容量计算原理及其应用
在风光互补路灯系统中蓄电池是一种使用非常广泛的产品，同时它又是成本比较高的产品，因此如何延长其使用寿命，是风光互补路灯系统能否打开并占领广大市场的一项很有意义的工作。而快速在线检测蓄电池的剩余容量SOC（又称蓄电池的荷电状态），便于蓄电池的用户或检修工程师迅速了解蓄电池的状态，以便采取措施，防止蓄电池的过充电和过放电，从而可达到延长蓄电池的使用寿命。
蓄电池剩余容量放电和充电过程的数学模型：
U放={Ur – a x log（1+DOD/SOC）–b xlog（1+I/{Ah x[1+k（T–25）]}x
DOD x 100）–I/{Ah x[1+k（T–25）]}x C[0.01*（25–T）]x DOD}
式中Ur---蓄电池静止电压;
DOD---蓄电池放电深度，用百分比表示（0–100%）DOD=1–SOC；
SOC---蓄电池剩余容量，或蓄电池荷电状态，用百分比表示（0–100%）；
a---由于反应物和生成物比例改变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={Ur +d x log（1+ SOC /DOD）+ e xlog（I/{Ah x[1+k（T–25）]}x
SOC x 100）+I/{Ah x[1+k（T–25）]}x fx[0.01x（25–T）]x DOD）
式中d---由于反应物和生成物比例改变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。
有了蓄电池端电压与SOC之间关系的数学模型以及SOC与蓄电池充放电率、初始电动势、温度等物理量、各项常数的有关关系,我们就可以综合考虑上述因数,采用如下原理图和程序流程图来设计制造蓄电池剩余容量（SOC）测试仪,并应用它来监测、维护风光互补路灯系统中的蓄电池, 延长蓄电池的使用寿命。

C、太阳能MPPT功能模块的软硬件设计
太阳能发电独立系统结构图如下：

控制器的功能十分重要,担负着MPPT最大功率点跟踪控制、蓄电池充放电控制等任务.

太阳能最大功率跟踪常采用的几种DC/DC变换电路拓扑结构类型：

我们在太阳能最大功率跟踪几种DC/DC变换电路拓扑结构类型之一中采用滞环比较法，滞环比较法是在日照量较稳定时再跟踪到最大功率点,避免了功率扰动观察法的缺陷和减少扰动损耗.

滞环比较法控制流程图如下：

此图表示读取A、B、C三点的电压值、电流值,并计算其功率.Tag代表A、B、C三点的大小关系. Tag=2时,D值增加; Tag=-2时, D值减少;
Tag=0时, D值不变.

D、风能匹配模块和风能MPPT模块
风能匹配模块和风能MPPT模块方框原理图如下：

根据风力机的理论，当风速由小变大时，风力机分别运行在最大风能捕获区、恒转速区和恒功率区，如下图 所示。其中，Pnom为风力机额定输出功率；区域 1 为风力机在最大风能捕获时的工作区域；区域 2 为风力机的恒转速区；区域 3 为其恒功率区。这里，用线段 0A 表示此时风力机处于定桨距的状态。一般情况，当桨距角为 0 时，风力机的输出功率只与发电机的转速有关，因此只要对发电机转速进行控制，找到发电机的一个最佳参考转速ωopt，就可追踪捕获最大风能，进而达到使发电机输出功最大的目的。

下图为定桨距风力机在不同风速下，其转动轴输出的功率Pm与转速ωr的关系曲线。其中V1＞V2＞V3。从图中可以看出，当外界风速一定时，风力机转速的不同会使其输出功率也不同。但是，无论在何种情况下，总有一个固定的最佳转速ωr_opt ，使风力机运行在该转速下时，会达到一个最佳叶尖速比λopt ，从而能够捕获最大的风能，输出最大功率。最大风能捕获的具体过程是这样的：假定在风速为 V3 时，风力机稳定地运行在最佳功率捕获曲线 A 点上；此时风力机的输出力矩、功率和发电机输入的电磁力矩、功率是平衡的。在某一时刻，当风速升高到 V 2时，风力机由 A 点跳到了 B 点运行，其输出力矩、功率突然增加；但对于发电机来说，由于惯性的作用，它仍运行在 A 点对应的转速和功率状态，这时发电机的实际输入功率和转矩就大于其电磁功率和转矩，其转速上升。在转速增加过程中，风力机和发电机分别沿着 BC 和 AC 曲线运行。当达到风力机功率曲线和最佳功率曲线的交点 C 时，风力机和发电机的功率又一次达到新的平衡，其转速也稳定下来。

定桨距风机功率一转速曲线

通过上述分析我们知道，在风力发电系统中，发电机的输出功率是随着风力机输出功率的变化而变化的，因此，为了能够使风力发电系统在风速变化的过程中始终保持在最大功率输出状态，就需要我们对风力机和发电机进行适当的调节或控制，依据它们的工作特性，使它们能够跟踪风速的变化，达到输出最大功率的目的。
在风力发电过程中，怎样对发电机加以控制，从而能够使系统输出最大功率。我们己经初步分析了风力机是如何随风速的变化而捕获最大风能的，并且有一个结论：当风速一定时，风力机转子有一个最佳转速，在该转速下风力机会达到一个最佳叶尖速比，使其输出最大的功率。
我们可以得出最佳转速和最佳叶尖速比时的风速 V ,

风力机的输出功率为；

将V代入此式可得：

由上式可以看出，风力机的输出功率，为转子转速的函数，这样就给了我们一个启发，即：我们可以利用控制转子的转速来达到控制输出功率的目的。这样做的另一个好处就是，避免了直接对风速进行测量，降低了设备的复杂性。

E、风能充电和太阳能充电互不干涉原理
现在我国市面上出售的风光互补路灯控制器对于风能充电和太阳能充电原理均以下图所示：

从图可以看出：风能充电和太阳能充电都以直流电交汇于蓄电池。这就产生风能充电和太阳能充电互相干涉的问题：若太阳能电池送来的直流电压高于风力发电机送来的直流电压，则风力发电机送来的直流电能充不进蓄电池，只是太阳能电池给蓄电池充电；反之亦然。这就是风能充电和太阳能充电互相干涉的现象。现在多数情况下是太阳能电池给蓄电池充电，而风力发电机送来的直流电压在等于太阳能电池送来的直流电压时才能给蓄电池充电，这样就浪费了很多风能。当风力发电机送来的直流电压高于太阳能电池送来的直流电压时，太阳能电池送来的直流电又充不进蓄电池，这样又浪费了很多太阳能。我们用风能充电和太阳能充电互不干涉原理很好地解决了这一普遍存在的难题，使风能和太阳能都得到了最大的利用，我们设计制造的风光互补路灯系统才真正称为独立式或自给式风光互补路灯系统。
三、自给式风光互补路灯系统测试记录

四、对于风光互补路灯系统的近期展望和着力点
近期展望：目前国内外的风光互补系统正处于新技术革命的前夜，发展十分喜人。我们觉得在几年之内，风光互补应用技术将主要是围绕储能组件均衡管理、风能MPPT模块、太阳能MPPT模块、风能充电和太阳能充电互不干涉这些关键问题而展开，建构于电力电子基本电路上的风光互补路灯系统单片机应用算法亦将有一个更加加速的成熟周期。
着力点：储能组件均衡管理即指铁锂电池在风光互补路灯系统中应用与科学管理。在风光互补路灯系统中为什么要强调推广应用铁锂电池?因为铁锂电池 (磷酸铁锂LiFePO4) 在结构、性能等方面都比铅酸电池及其他锂电池优越。
 据有关专家著文论证：LiFePO4具有有序规整的橄榄石型结构，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占据四面体位置，而Fe和Li则填充在八面体的空隙中，其中Fe占据共角的八面体位置，Li则占据共边的八面体位置。晶格中FeO6通过bc面的公共角连接起来，LiO6则形成沿b轴方向的共边长链。一个FeO6八面体与两个LiO6八面体和一个PO4四面体共边，而PO4四面体则与一个FeO6八面体和两个LiO6八面体共边。Li+具有一维可移动性。充放电过程中可以可逆的脱出和嵌入。材料中由于基团对整个框架的稳定作用，使得具有良好的热稳定性和循环性能。正交晶系橄榄石型的磷酸铁锂(LiFePO4)材料氧化还原反应放热温度大于400度，结构非常稳定，极难释放出氧原子，是目前安全性最好的锂电材料。

图一：磷酸铁锂(LiFePO4)结构图
表一：不同体系的锂电池性能比较

钴酸锂
LiCoO2
镍钴酸锂
Li(NiCo)O2
锰酸锂
LiMn2O4
磷酸铁锂
LiFePO4
安 全 性
稳定性极差，必须谨慎处理，可能发生爆炸或起火
好
最佳
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 次 数
300～500次，不适合大电流放电
300～500次，不适合大电流放电
300～700次，适合大电流放电
最佳，2000次以上，适合动力电池需要
能 量 密 度
高
高
可接受
可接受
温度耐受性
常温使用
常温使用
良好的低温性能
高温性能最好
长期使用成本
高
高
较低
最低
主要应用领域
主要用于容量要求低、比能量要求高的场合，如手机、笔记本电脑等。单体电池的容量在0.5～3Ah。
可制作大容量电池，主要需克服循环和高温性能差的问题。
制作大容量高功率电池体系，主要可用于电动车辆（自行车、汽车）、储能电源。

一、 能量密度
能量密度又称比能量，指电池存储的能量与电池自身重量或体积的比值，称作重量比能量或体积比能量，常用单位为Wh/kg或Wh/L，比能量越大表明存储同样能量时重量越轻或体积越小。表二为锰酸锂、磷酸铁锂与铅酸电池典型样品的能量密度的对比。
表二

锰酸锂
磷酸铁锂
铅酸电池
电 池 规 格
3.7V10Ah
3.2V10Ah
12V12Ah
体积比能量 Wh/L
240
217
95
重量比能量 Wh/kg
104
98
33

图二是铅酸电池、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对比，图三是具备相同能量时锰酸锂、磷酸铁锂与铅酸电池体积、重量的相对比值。
图二

图三

从图中可以看出，在相同的能量时，锰酸锂电池的体积最小、重量最轻；磷酸铁锂与锰酸锂非常接近，仅有2%～4%的差别；整体来说，锰酸锂和磷酸铁锂的能量密度远远高于铅酸电池，这也是锂离子电池突出优点之一，在体积上不到铅酸电池的一半，在重量上是铅酸电池的1/3。
二、倍率放电性能
倍率放电性能是衡量电池大电流工作能力的一项参数，与电池材料和设计工艺均有明显关系。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值。
表三
放电倍率
0.5C
1C
2C
锰 酸 锂
100%
99%
95%
磷酸铁锂
100%
98%
94%
铅 酸
100%
90%
69%

动力型锂离子电池由于内阻极低，大电流放电性能卓越，反映在电动自行车上表现为动力强劲、起步快、爬坡能力强。
三、 低温性能
在较低的温度下，锰酸锂、磷酸铁锂与铅酸电池的放电性能均会有所下降，造成电动自行车在冬季行驶里程缩短。对比三者的低温性能，锰酸锂性能最好，磷酸铁锂性能其次，均大幅度优于铅酸电池。新的研究结果表面，通过磷酸铁锂材料和制作工艺的改进，其低温性能将会有较大的提升空间。
表四

锰酸锂电池组
磷酸铁锂电池组
铅酸电池组
常温放电容量
100％
100％
100％
0.5C，0℃放电容量
97.3%
92.0%
≈85%
0.5C，-10℃容量
93.5%
84.0%
≈70%

四、 存储性能
锰酸锂、磷酸铁锂与铅酸电池在存放过程中，电池内部仍在发生化学变化，电池的容量会衰减，衰减容量中的一部分通过充电或多次充放电得到恢复，一部分容量将不可逆的损失掉。储存状态和环境稳定对电池的衰减程度有很大影响。下表对比了锰酸锂与磷酸铁锂在不同荷电状态下和不同温度时容量的变化。

表五、充满电，常温搁置10天容量变化情况

锰酸锂
磷酸铁锂
初始容量
100%
100%
充满电搁置10天容量保持率
94.43%
97.64%
循环一次容量恢复率
97.10%
99.07%
循环三次容量恢复率
97.15%
99.18%

表六、33%荷电态，常温搁置90天容量变化情况

锰酸锂
磷酸铁锂
初始容量
100%
100%
33%荷电态搁置90天容量恢复率
97.3%
98.8%

表7、充满电，55℃高温搁置28天容量变化情况
55℃高温荷电
锰酸锂
磷酸铁锂

容量
厚度/mm
容量/
厚度/mm
起始性能
100％
17.2
100％
31.8
高温荷电（7天）
73.1%
——
89.6%
——
高温恢复（7天）
80.1%
18.6
96.8%
31.8

数据表明：
1、 常温下，电池以满电态或半电态搁置，磷酸铁锂的稳定性要好于锰酸锂；
2、 电池1/3荷电态存储，变化程度要明显小于满电态存储。因此，电动自行车在日常使用时，锂电池以满电态搁置或半电态搁置均可，但与铅酸电池不同的是，如果需要长期存放，锂电池建议用半电态储存（如将电池放电50%～70%）。
3、 在高温搁置时，锰酸锂容量下降剧烈，可恢复容量仅有80%，并且电池厚度明显改变。磷酸铁锂电池要稳定的多，可恢复容量有96%，厚度无变化。因此锰酸锂电池在运输、销售、使用过程中，应避免高温、日晒等情况。高温存储是磷酸铁锂相对锰酸锂的显著优势。
五、 循环性能
循环性能决定了电池的使用寿命，循环性能和循环制度以及环境温度均有关系。铅酸电池循环性能很差，尤其在深度放电时铅酸电池容量衰减非常明显，目前，质量较好的铅酸电池，100%深度放电循环寿命可达300周，70%深度放电循环寿命约400周。大多数的电动自行车用户基本上15～18个月要更换一组电池，使用成本不低。
动力型锂离子电池要远远优于铅酸电池，但锰酸锂电池的高温循环性能是其一项严重缺陷。下图是锰酸锂、磷酸铁锂与铅酸电池循环过程中容量变化情况，以及锰酸锂与磷酸铁锂在55℃时循环性能比较。
常温下，锰酸锂循环寿命在600周，容量保持68%。而磷酸铁锂循环1400周，容量仍有82%，仅仅衰减了18%，显示出巨大的优势。
高温时，锰酸锂循环100周时容量仅有40%，而磷酸铁锂容量保持在95%。虽然电动自行车不会再55℃的高温下循环使用，但是该实验揭示了锰酸锂材料自身存在的缺陷，而在实际上，电动自行车在夏季运输和使用中，日光的暴晒会对锰酸锂电池产生较大的不可逆损伤。

图四

图五

六、 使用经济性对比
无论是锰酸锂、磷酸铁锂还是铅酸电池，在实际使用在，电池的容量均在不断变化，实际使用中每次充电的行驶里程也在不断变化中。结合图四中电池容量的衰减曲线，可以粗略计算电池在整个寿命期供电动自行车续行的总里程，与电池的售价相比，可以反映三种类型电池的实际使用成本。这种算法与实际使用会有一定出入，但在此仅提供一种模拟的对比方法和思路，感兴趣的读者可以根据自己的实验数据或实际运行数据做进一步修正。
计算结果如下表：

初次行驶里程
第100次行驶里程
第200次行驶里程
第300次行驶里程
第500次行驶里程
第800次行驶里程
第1000次行驶里程
第1500次行驶里程
第2000次行驶里程
总计行驶里程（万Km）
电池组价格
电池使用成本（元/万km）
成本对比
铅酸36V12Ah
40
34
28
22
---
---
---
---
---
0.93
400-100=300
323
100%
锰酸锂36V10Ah
40
37
34
32
28
24
---
---
---
2.47
1100
445
138%
磷酸铁锂36V10Ah
40
38
37
36.5
35.5
34.5
34
32
28
6.74
1260
187
58%
注：铅酸电池的市场售价约400元，考虑到回收价值100元，实际使用成本为300元，锰酸锂和磷酸铁锂电池目前暂不考虑回收价值。
虽然铅酸电池购买成本最低，但寿命最短，使用过程续行里程变化明显，用户约15个月需更换一组电池，实际使用成本不低。锰酸锂电池的使用成本是最高的，价格是铅酸电池的3倍多，寿命在500次，实际应在2年以上，但性价比仍是最低的，其价值来源于轻便、环保。磷酸铁锂电池购买成本最高，但循环性能非常优秀，实际使用寿命甚至与自行车本身的寿命相当，使用成本仅为铅酸电池的58%（随着磷酸铁锂电池产业化生产，以及锂电池回收渠道的建立，磷酸铁锂电池的使用成本必将会进一步减低），同时电池轻便、环保、安全，应是最具性价比的电源体系。
总结与讨论：
1.锂电池的电性能要远远优于铅酸电池，并且铅酸电池的环境污染问题严重。锂电池必将取代铅酸电池，为动力用电池的的发展注入新的活力。
2.锂电池大规模进入动力电池领域必须解决安全问题和成本问题，可供选择的锂电材料有锰酸锂和磷酸铁锂，锰酸锂在能量密度和低温性能上略好于磷酸铁锂，但优势不大；在循环性能及存储性能上磷酸铁锂优势明显，尤其是高温循环及高温存储方面锰酸锂存在严重不足，这与锰酸锂自身结构特性有关。磷酸铁锂在兼有比能量高的同时，安全性能优异、无环境污染、循环性能及热稳定性非常好，无异是动力电池的首选材料。并且随着产业规模的扩大，磷酸铁锂电池的成本将有进一步的降低。
现在的铁锂电池，就象当年的大哥大。当年的大哥大，每部二、三万元，仅为少数人使用；现在的大哥大，由于制造、使用的人多了，每部经济到二、三百元。同样，铁锂电池也会是这一市场规律。
柳海南 策划
柳自荣 执笔
2009年10月26日