CN208782554U

CN208782554U - 基于风力发电和超级电容的智能照明系统

Info

Publication number: CN208782554U
Application number: CN201821592730.5U
Authority: CN
Inventors: 马源泽; 魏舒怡; 樊荣; 张秀霞
Original assignee: North Minzu University
Current assignee: North Minzu University
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2019-04-23
Anticipated expiration: 2028-09-28

Abstract

本实用新型一种基于风力发电和超级电容的智能照明系统，包括风机、系统控制器、超级电容器组、稳压驱动电路、光照度计、照明设备、联动开关和开关电源；风机输出三相交流电，输出端连接系统控制器的能量输入端，系统控制器的能量输出端分别连接超级电容器组和照明设备；超级电容器组用于存储风机转换的电能，超级电容器组的输出端经稳压驱动电路连接照明设备；联动开关一端连接市电，另一端经开关电源连接照明设备；系统控制器的数据输入端连接光照度计的输出端，数据输出端连接联动开关控制端。结构简单，绿色环保，能源利用率高，安全可靠，耗能较低，为市电、风机供电和储能供电的多供电端方式提供了可靠稳定的连接结构和控制架构。

Description

基于风力发电和超级电容的智能照明系统

技术领域

本实用新型涉及照明系统，具体为基于风力发电和超级电容的智能照明系统。

背景技术

现有的照明系统中存在如下几个问题。

首先是在照明系统的供能端。我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均风速都在3米/秒以上，特别是西北一些地区，有“世界风库”之称，这些地区平均风速更大，一年1/3以上的时间都是大风天。在这些地区，发展风力发电是很有前途的。大力发展这种绿色能源技术，减小火力发电在我国电网供应中的比例，不仅节能，更会促进我国环境质量的改善。

其次是在供能端的储能方式上。我国目前应用较多、技术较成熟的风机储能设备以铅酸蓄电池为主。但铅酸蓄电池寿命短，转换效率低，温度特性差。我国西北地区，在多风季节温度大都比较低，这会严重影响铅酸蓄电池的充放电特性。而且风能有很大的随机性，需对储能设备频繁充电，这也会严重影响铅酸蓄电池的使用寿命。国外目前使用较多的风机储能设备主要有两种：一种为钠硫电池，它的使用寿命较铅酸蓄电池有了一定程度的提高，能量密度也达到了50Wh/kg，但内胆工作温度高，爆炸的风险较大；另一种为液钒电池，其寿命可达13000次深循环以上，但是体积太大。

最后是在照明系统的终端上，现有技术中采用的绝大部分还是白炽灯和日光灯，白炽灯和日光灯的电光转换效率低，使用寿命短，耗电量大。

以上因素导致整个照明系统耗能高，效率低，能源利用率差，无法满足现有的绿色环保需求。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种基于风力发电和超级电容的智能照明系统，结构简单，设计合理，绿色环保，能源利用率高，安全可靠，耗能较低。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

基于风力发电和超级电容的智能照明系统，包括风机、系统控制器、超级电容器组、稳压驱动电路、光照度计、照明设备、联动开关和开关电源；

所述的风机输出三相交流电，输出端连接系统控制器的能量输入端，系统控制器的能量输出端分别连接超级电容器组和照明设备；

所述的超级电容器组用于存储风机转换的电能，超级电容器组的输出端经稳压驱动电路连接照明设备；

所述联动开关一端连接市电，另一端经开关电源连接照明设备；

所述系统控制器的数据输入端连接光照度计的输出端，数据输出端连接联动开关控制端。

优选的，系统控制器选择照明设备供电电源时，风机、超级电容器组和市电给照明设备的供电优先级依次降低。

优选的，所述的系统控制器包括单片机、三相全桥整流电路、BUCK降压电路和采样电路；

三相全桥整流电路连接风机的输出端，用于将三相交流电转换为直流电输出，经开关管Q1连接在三相全桥整流电路的BUCK降压电路通过斩波电路降低平均输出电压，BUCK降压电路的输出端连接超级电容组，用于给超级电容器组充电；

采样电路采集三相全桥整流电路的输出电压和超级电容器组的端电压；

开关管Q1用于通过不断导通和截止，将直流电压转换为脉冲电压，再经过LC滤波电路，输出直流电压给超级电容器组。

进一步，单片机采用dsPIC30F3014单片机，三相全桥整流电路由二极管D1-D6组成，BUCK降压电路包括电感L1、电容C1和电解电容C3，LC滤波电路包括电感L2和电容C2；

dsPIC30F3014单片机的PWM输出端经光耦合器TLP127连接开关管Q1的栅极，开关管Q1的源极连接二极管D7的阳极，二极管D7的阴极经电感L2连接超级电容器组的正极，电感L2经电容C2连接超级电容器组的负极；二极管D7的阴极连接二极管D8的阴极，二极管D8的阴极连接超级电容器组的负极；采集电路的输出端连接dsPIC30F3014单片机的A/D接口；

二极管D1、D3和D5的阴极均经电感L1连接开关管Q1的漏极，二极管D1、D3和D5的阳极分别对应连接二极管D2、D4和D6的阴极，二极管D2、D4和D6的阳极均连接超级电容器组的负极，风机的三相输出端分别连接二极管D2、D4和D6的阴极；电感L1分别经电容C1和电解电容C3连接超级电容器组的负极。

进一步，采样电路由精密电阻R1-R4组成；开关管Q1的漏极经串联的电阻R1和电阻R2连接超级电容器组的负极；电阻R3和电阻R4依次串联在超级电容器组的正极和负极之间；采样电路的一个输入端连接在电阻R1和电阻R2之间，另一个输入端连接在电阻R3和电阻R4之间。

优选的，稳压驱动电路由电感L3、二极管D9、电解电容C4和C5、以及LM7812稳压电路组成，超级电容器组的正极经电感L3连接LM7812稳压电路的电压输入端V1，LM7812稳压电路的电压输出端V0作为稳压驱动电路的输出端；电压输入端V1经正向连接的二极管D9连接电压输出端V0；电压输入端V1经正向连接的电解电容C4接地，电压输出端V0经正向连接的电解电容C5接地。

优选的，所述的照明设备采用LED路灯，稳压驱动电路采用LED稳压驱动电路。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型利用风力发电为照明供能，是先绿色供能，与其配合的是超级电容器组进行能量储存，不仅绿色环保，而且功率密度高、循环寿命长、充放电电流大、工作温度范围宽，便于与风机配合进行对应控制，安全绿色环保的为照明设备供电；同时利用三个供电端，能够满足照明设备各种情况的供电需求，相比较单一供电方式，更加的可靠问题，为市电、风机供电和储能供电的多供电端方式提供了可靠稳定的连接结构和控制架构。

附图说明

图1为本实用新型实例中所述的智能照明系统的结构框图。

图2为本实用新型实例中所述系统控制器的电路图。

图3为本实用新型实例中所述LED稳压驱动电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。

本实用新型基于风力发电和超级电容的智能照明系统，如图1所示，其包括风机、系统控制器、超级电容器组、稳压驱动电路、光照度计、照明设备、联动开关和开关电源。

在风季，风机可将发出的多余的电力储存在超级电容器组中。无风季节，超级电容器组经稳压驱动电路驱动照明设备。如若检测到超级电容器组或是风机输出的电压不足以点亮照明设备，系统控制器中的单片机通过联动开关连接市电，市电通过开关电源驱动照明设备。在系统中，光照度计主要用来检测路面环境的光照度，当照度低于设定的值时候，系统可自动启动，点亮照明设备。

本实用新型中风机采用小型低功率风力发电机，输出三相交流电，主要作用为系统提供电源，实现电力供应。

本实用新型中系统控制器包括单片机、三相全桥整流电路、BUCK降压电路和采样电路。三相全桥整流电路将风机输出的三相交流电转换为直流电输出，采样电路采集三相全桥整流电路的输出电压和超级电容器组的端电压。BUCK降压电路通过斩波电路降低平均输出电压，以使其符合超级电容器组的电压要求并达到快速充电的目的。开关管Q1不断导通和截止，将直流电压转换为脉冲电压，再经过LC滤波，输出直流电压给超级电容器组。系统控制器单片机协调各部分的运行。

具体的，如下图2所示。三相全桥整流电路由D1-D6组成，BUCK降压电路包括电感L1和电容C1、C3组成，它能将风机输出的三相交流电转换为直流电输出，BUCK降压电路通过斩波形式降低平均输出电压，通过调节占空比来调节三相全桥整流电路的输出电压大小，使其符合超级电容器组的电压要求。TLP127为光耦合器，开关管Q1通过TLP127不断导通和截止，将直流电压转换为脉冲电压，再经过LC滤波，输出直流电压给超级电容器组。采样电路由R1-R4等精密电阻组成，主要采集三相全桥整流电路的输出电压和超级电容器组的端电压，并将采集到的数据输送给dsPIC30F3014单片机，单片机根据三相全桥整流电路的输出电压、超级电容器组的端电压和额定工作电压，不断的调整PWM波的占空比，再经过TLP127光耦合器不断的让Q1导通和截止，以实现对超级电容器组快速高效充电的目的。

本实用新型中蓄能设备采用超级电容器组，超级电容器组由超级电容组成，其作用主要为蓄能，将风机发出的能量储存在超级电容器组中；在风机输出的电压不足以驱动照明设备时候，若超级电容器组电压能够驱动照明设备，则由超级电容器组驱动照明设备。

超级电容器是一种介于常规电容和化学电池之间的新型储能器件，它兼具两者的优点，具有功率密度高、循环寿命长、充放电电流大、工作温度范围宽、使用性价比高等特性。作为一种新型环保的绿色储能器件，它在新能源汽车、国防、移动通信、工业控制等领域有着巨大的应用价值和市场潜力。

采用超级电容器组作为风机的储能设备，其使用寿命长，循环充放电次数可达10⁵以上。充放电电流大，在风速较大的时候，可将风机的工作效率发挥到最佳。超级电容器的工作温度范围宽，即使在大风中的零下数十度环境中，也能正常工作。

稳压驱动电路主要由电感、电容、LM7812稳压电路组成，其作用主要是为了确保照明设备的电压和电流稳定，在超级电容器组的输出端和负载照明设备之间增加稳压器。以确保超级电容器组输出电压恒定在12V。具体的，如下图3所示，本优选实例中稳压驱动电路主要由L3、D9、C4、C5、LM7812稳压电路组成。

本实用新型中环境的光照度测量主要用光照度计完成。光照度计的作用是将采集到的环境光照度数据传送到系统控制器dsPIC30F3014单片机中，当环境照度值低于我们设定的值时候，智能照明系统可自动启动，点亮照明设备。本优选实例中以道路照明系统为例说明，所采集的环境为路面环境。

本实用新型中照明设备主要由12V的LED路灯组成，其作用主要为照明道路。LED灯体积小，电光转换效率接近100％，使用寿命长达10万小时,亮度高，高效节能。

联动开关和开关电源的主要作用为当光照度低于我们设定的值时候，而超级电容器组或风机输出电压不足以驱动照明设备，单片机作用于联动开关，将市电经开关电源接入照明设备中。

使用时，在本实用新型中，若超级电容器组或风机的输出电压不足以驱动照明设备，而由此时环境的光照度低于系统设定值时候，我们将采用市电作为照明系统的供电电源。此时系统控制器dsPIC30F3014单片机发出指令，联动开关作用，将市电经开关电源接入照明设备中。开关电源可将市电电压转换为照明系统工作需要的额定电压。

本实用新型根据我国西北地区的独特环境，充分利用了西北地区多风特点及超级电容器组工作温度宽、充电电流大、循环寿命长、耐冲击性好等特点，实现了风机输出电能的快速高效转换，有效的提高了能源利用率和照明系统的自动化程度。

Claims

1.基于风力发电和超级电容的智能照明系统，其特征在于，包括风机、系统控制器、超级电容器组、稳压驱动电路、光照度计、照明设备、联动开关和开关电源；

2.根据权利要求1所述的基于风力发电和超级电容的智能照明系统，其特征在于，系统控制器选择照明设备供电电源时，风机、超级电容器组和市电给照明设备的供电优先级依次降低。

3.根据权利要求1所述的基于风力发电和超级电容的智能照明系统，其特征在于，所述的系统控制器包括单片机、三相全桥整流电路、BUCK降压电路和采样电路；

4.根据权利要求3所述的基于风力发电和超级电容的智能照明系统，其特征在于，单片机采用dsPIC30F3014单片机，三相全桥整流电路由二极管D1-D6组成，BUCK降压电路包括电感L1、电容C1和电解电容C3，LC滤波电路包括电感L2和电容C2；

5.根据权利要求4所述的基于风力发电和超级电容的智能照明系统，其特征在于，采样电路由精密电阻R1-R4组成；开关管Q1的漏极经串联的电阻R1和电阻R2连接超级电容器组的负极；电阻R3和电阻R4依次串联在超级电容器组的正极和负极之间；采样电路的一个输入端连接在电阻R1和电阻R2之间，另一个输入端连接在电阻R3和电阻R4之间。

6.根据权利要求1所述的基于风力发电和超级电容的智能照明系统，其特征在于，稳压驱动电路由电感L3、二极管D9、电解电容C4和C5、以及LM7812稳压电路组成，超级电容器组的正极经电感L3连接LM7812稳压电路的电压输入端V1，LM7812稳压电路的电压输出端V0作为稳压驱动电路的输出端；电压输入端V1经正向连接的二极管D9连接电压输出端V0；电压输入端V1经正向连接的电解电容C4接地，电压输出端V0经正向连接的电解电容C5接地。

7.根据权利要求1所述的基于风力发电和超级电容的智能照明系统，其特征在于，所述的照明设备采用LED路灯，稳压驱动电路采用LED稳压驱动电路。