CN102751755A - 一种微电能收集控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种微电能收集控制系统，所述系统包括主电路、控制电路和无极灯照明系统，模数转换器A/D、DC/DC变换器以及保护电路与控制电路相连接，整流管分别与模数转换器A/D、风力发电机连接，整流管通过开关连接至DC/DC变换器，其中DC/DC变换器包括降压电路和升压电路，蓄电池分别连接DC/DC变换器和保护电路，保护电路与无极灯照明系统连接；风力发电机产生的交流电经过整流管整流后变成直流电，降压电路或升压电路对该直流电的电压幅值进行变换。通过本发明能有效地在风能电压低于电池电压时对蓄电池继续充电，使得电能不会流失，而得到充分利用，提高风能利用率。

Description

一种微电能收集控制系统

技术领域

本发明涉及一种微电能收集控制系统，尤其涉及一种应用于无极灯照明系统的基于离网型风力蓄能的微电能收集控制系统。

背景技术

无极灯照明是一个横跨多学科的新兴技术，随着无极灯技术的发展和成本的降低，它的应用逐渐被人们认可，受到人们好评，适用于学校、家用等照明设备上，尤其适合在照明可靠性要求高，需要长期照明而维修、更换灯具困难的场所使用。比如：城市照明是人们日常生活中必不可少的公共设施，为了实现更好的照明和节能效果，已有城市路灯采用无极灯作为照明单元。

风力发电的离网型方式，也称独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，一般通过蓄电池将风力发电机发出的电能加以存储，等蓄电池充电完毕后，由蓄电池向负载供电。

在离网型的风力发电系统中，由于风能极不稳定，所以电能的收集一般都是断断续续进行的。目前，一般的离网型蓄电风电系统中的控制器采用的是检测蓄电池电压，过高时断开，电池电压低下来后继续充电，实际是一个开关式欠过压保护电路，无法限流。这样的风电系统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。对于离网型风力发电系统来说，最核心的部分就是对铅酸蓄电池充电方式的选择。不同的充电方式不仅决定了电能收集装置的系统复杂度、元器件成本、工作稳定性等，更重要的是它影响了蓄电池的使用寿命。由于离网型风力发电系统基本上都建立在山地、荒漠、高原等人烟稀少的地区，因此尽可能的减少维护次数，增加元器件的使用周期就是整个项目需要达到重要指标。蓄电池的充电方式有阶段式充电、恒流充电、恒压充电、脉冲式充电、变电压间歇充电等。然而由于风能的随机性以及不确定性，阶段式充电方式在离网型风力发电系统中难以控制；恒流充电方式不能在短时间内为蓄电池充足电能；而脉冲式充电、变电压间歇充电等这类快速充电方法要求电源的输入功率较高，故并不适合于由风力发电机产生的时断时续的供电方式。因此设计出适合风力发电机的充电方式成为有效利用风能的关键之一。

而且，现在的风电系统中，当风能电压低于电池电压时，就没办法对蓄电池继续充电，使得这部分电能白白流失，没有得到充分利用，降低风能利用率。因此，如何收集此类电压较低但仍可利用的风电是有效利用风能的又一关键。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种微电能收集控制系统，所述系统包括主电路、控制电路和无极灯照明系统，所述主电路包括DC/DC变换器、整流管、蓄电池、风力发电机、保护电路、模数转换器A/D；模数转换器A/D、DC/DC变换器以及保护电路与控制电路相连接，整流管分别与模数转换器A/D、风力发电机连接，整流管通过开关连接至DC/DC变换器，其中DC/DC变换器包括降压电路和升压电路，蓄电池分别连接DC/DC变换器和保护电路，保护电路与无极灯照明系统连接；风力发电机产生的交流电经过整流管整流后变成直流电，降压电路或升压电路对该直流电的电压幅值进行变换。

进一步地，无极灯照明系统包括逆变器、电子镇流器、功率耦合线圈以及无极灯。

通过本发明能有效地在风能电压低于电池电压时对蓄电池继续充电，使得电能不会流失，而得到充分利用，提高风能利用率。

附图说明

图1应用于无极灯照明系统的微电能收集控制装置的总框图;

图2为主程序流程图;

图3ATmega16控制电路结构示意图;

图4无极灯照明系统的结构示意图;

图5降压电路结构示意图;

图6升压电路结构示意图。

具体实施方式

应用于无极灯照明系统的基于离网型风力蓄能的微电能收集控制装置通过对风力发电机产生的不定电压进行监测，利用直流升降压电路实现对蓄电池自动充电的智能控制，即使是微弱的风电或过强的风电，都能使蓄电池处于最佳的充电和保护状态，提高能量利用效率。

在应用于无极灯照明系统的微电能收集控制装置系统中，依据实现的主要功能，电路可分为三大部分：主电路、控制电路以及无极灯照明系统。主电路的功能是实现电能的变换，也就是将输入的不稳定的电能转换为以恒压方式输出的电能，包括DC/DC升压模块、DC/DC降压模块等；控制电路的主要功能则是监测系统状态、控制主电路通路、显示系统参数等，包括显示模块、升降压通路选择模块、USB供电部分、电压采样电路、蜂鸣器报警模块、复位电路、温度传感器、5V自启动供电电路等；无极灯照明系统实现照明功能，一般由电子镇流器、功率耦合线圈、无极灯等构成。

鉴于阶段式充电方式在离网型风力发电系统中难以控制，而恒流充电方式不能在短时间内为蓄电池充足电能，故本项目选取了控制方式最为简单，初期充电速度最快的恒压充电方式，收集电能。

下面结合附图对本发明做详细说明。

图1为应用于无极灯照明系统的基于离网型风力蓄能的微电能收集控制装置的总设计框图，包括控制电路1、无极灯照明系统2、降压电路3、升压电路4、整流管5、蓄电池6、风力发电机7、保护电路8、模数转换器A/D9。

模数转换器A/D9、DC/DC变换器以及保护电路8与控制电路1相连接，整流管5分别与模数转换器A/D9、风力发电机7连接，整流管5通过开关连接至DC/DC变换器，其中DC/DC变换器包括降压电路3和升压电路4，蓄电池6分别连接DC/DC变换器和保护电路8，保护电路8与无极灯照明系统2连接。

风力发电机7产生的交流电经过整流管5整流后变成直流电，但是该直流电的电压幅值很不稳定，需要对其进行DC/DC变换器（降压电路3或升压电路4）变化后才能进一步利用，由5V双路继电器（包含A、B两触头）控制具体是哪一部分切换到系统中来，而不使用的部分将完全隔离到系统之外；降压电路3或升压电路4的输出端连接蓄电池6的输入端；蓄电池6的输出端连接无极灯照明系统2的输入端；保护电路的输入端与降压电路3或升压电路4的输出端连接，其输出端连接ATmega16控制电路1的输入端；A/D9的输入端与整流管5的输出端连接，其输出端连接ATmega16控制电路1的输入端。

对于主电路硬件设计中关键器件的选择，本装置主电路采用的是MC34063A开关型电源芯片，连接成升压及降压电路，分别对不同的输入电压采取不同的处理方式，最终输出纹波小、稳定性高的电压；而控制电路部分采用的是ATmel公司生产的ATmega16低功耗单片机，相较于C51系列的单片机，本系统更加节能、控制速度更快、外围元器件更少。系统的电路切换由ATmega16核心处理器完成，ATmega16将首先采样整流管的输入电压，判断其数值后，选择系统的升压/降压通路，完成系统电路的切换。与此同时ATmega16还需采样电池的实时温度，判断充电是否安全进行，然后将采集到的系统状态送到液晶屏上显示，如果输入电压过高或者蓄电池温度异常，ATmega16将驱动蜂鸣器持续报警并切断主电路总开关。

图2所示的为主程序流程图。开机时，主程序首先对系统初始化，初始化包括参数初始化、禁止JTAG使能、系统硬件初始化及液晶初始化等。初始化程序仅在开机运行时执行一次，执行完毕后，程序就进入到循环当中，持续处理系统的各项任务。在主程序的循环当中，包含有A/D子程序、液晶显示子程序、测温子程序等。

图3所示的为ATmega16控制电路结构示意图。ATmega16控制电路1包括保护电路8、ATmega16单片机11、液晶显示器12、蜂鸣器驱动电路13、蜂鸣器14、5V电源接口15、USB电源接口16、继电器17以及继电器驱动电路18。保护电路8、液晶显示器12、蜂鸣器驱动电路13、5V电源接口15、USB电源接口16以及继电器驱动电路18分别与ATmega16单片机11连接，蜂鸣器14与蜂鸣器驱动电路13连接，继电器17与继电器驱动电路18连接。优选地，继电器17可以有多个。

图4所示的为无极灯照明系统的结构示意图。无极灯照明系统2包括逆变器21、电子镇流器22、功率耦合线圈23以及无极灯24。蓄电池6与逆变器21连接、电子镇流器22分别与逆变器21与功率耦合线圈23连接，无极灯24与功率耦合线圈23连接。

图5和图6分别为降压电路和升压电路结构示意图。在本发明中，降压电路和升压电路采用MC 34063A器件31。该器件本身包含了DC／DC变换器所需要的主要功能的单片控制电路。它由具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器，R—S触发器和大电流输出开关电路等组成。该器件可用于升压变换器、降压变换器、反向器的控制核心，由它构成的DC／DC变换器仅用少量的外部元器件。主要应用于以微处理器(MPU)或单片机(MCU)为基础的系统里。在图中，L表示储能电感，Cr、Co表示储能电容，R、R1、R2、Rac表示电阻。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种微电能收集控制系统，其特征在于：所述系统包括主电路、控制电路（1）和无极灯照明系统（2），所述主电路包括DC/DC变换器、整流管（5）、蓄电池（6）、风力发电机（7）、保护电路（8）、模数转换器A/D（9）；模数转换器A/D（9）、DC/DC变换器以及保护电路（8）与控制电路（1）相连接，整流管（5）分别与模数转换器A/D（9）、风力发电机（7）连接，整流管（5）通过开关连接至DC/DC变换器，其中DC/DC变换器包括降压电路（3）和升压电路（4），蓄电池（6）分别连接DC/DC变换器和保护电路（8），保护电路（8）与无极灯照明系统（2）连接；风力发电机（7）产生的交流电经过整流管（5）整流后变成直流电，降压电路（3）或升压电路（4）对该直流电的电压幅值进行变换。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：开机时，控制电路（1）的主程序首先对系统初始化，初始化包括参数初始化、禁止JTAG使能、系统硬件初始化及液晶初始化；执行完毕后，程序就进入到循环当中；在主程序的循环当中，包含有A/D子程序、液晶显示子程序、测温子程序。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：控制电路（1）包括保护电路（8）、单片机（11）、液晶显示器（12）、蜂鸣器驱动电路（13）、蜂鸣器（14）、5V电源接口（15）、USB电源接口（16）、继电器（17）以及继电器驱动电路（18）；保护电路（8）、液晶显示器（12）、蜂鸣器驱动电路（13）、5V电源接口（15）、USB电源接口（16）以及继电器驱动电路（18）分别与单片机（11）连接，蜂鸣器（14）与蜂鸣器驱动电路（13）连接，继电器（17）与继电器驱动电路（18）连接。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述控制电路（1）包括至少一个继电器（17）。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：无极灯照明系统（2）包括逆变器（21）、电子镇流器（22）、功率耦合线圈（23）以及无极灯（24）。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：蓄电池（6）与逆变器（21）连接、电子镇流器（22）分别与逆变器（21）与功率耦合线圈（23）连接，无极灯（24）与功率耦合线圈（23）连接。

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