基于物聯網多功能智慧景觀樹太陽能能源系統設計

呂永旺，龔佳妮，周南旭，朱元彩

(江蘇建筑職業技術學院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

國內基建如火如荼，新的綠化卻總是跟不上。新路、新廣場種下的幾棵小樹不成蔭，移植大樹成本又太高。作為綠色景觀的補充以及公共安全設備，筆者團隊精心設計一種智慧樹，外觀上與真樹幾乎無差別，安裝太陽能或風力發電實現能量自持，無須外供電，同時可提供環境感知調光路燈、緊急一鍵報警、USB充電、視頻監視、LoRa自組織物聯網和嵌入式智能系統、人體檢測等功能。

多棵智慧景觀樹通過物聯網技術連接在一起，實現了樹樹聯動。產品配合由大數據中心、物聯網平臺以及人工智能云計算中心共同建構的管理云平臺，又實現了樹網聯動，使產品擁有極強的智慧處理能力[1]。

伴隨著城市基建的高速發展和電子行業新技術的不斷涌現，多功能綠色環保路燈的研制與開發仍有著很大的改善空間，比如目前的路燈大多還是老式傳統的直供電方式，太陽能或風電互補路燈也大多是單一功能的，且存儲電能有限、蓄電池供電時間短。本文主要針對智慧景觀樹的供電系統，設計了一種可靠的能夠實現電能自持的電能方案，通過蓄電池存儲的電量為智慧樹的各類功能供能，同時在環境亮度低于一定值時打開LED燈提供道路照明功能。方案實現白天通過太陽能聚能后輸出PWM波實現蓄電池充電，并著重介紹了合理的功率計算和器件選型[2]。

1 太陽能板PWM波充電原理

1.1 光照度下理想電流源的工作原理

電流源的特點：一是與外電路無關；二是端電壓可能是任意的，并隨著它的外接電路的不同而不同。太陽能是一種基于光的光電池電流源，其電流只與照度有關而與光電池本身的端電壓無關，所以在光照強度一定的情況下，光可以當做理想電流源。太陽能光照充電結構如圖1所示。

圖1 太陽能光照充電結構

1.2 PWM波直流充電及蓄電池放電設計

在獨立太陽能充放電系統中，為了降低使用成本、提高效率可靠性，既要使光伏電池輸出最大功率，又要使蓄電池正確充放電，同時還要最大限度地利用所輸出的電能。目前，光伏系統中通常只能兼顧一個方面，只追蹤光伏電池最大功率點將會放棄蓄電池的最佳充放電，從而限制了系統的效率和壽命[3]。因此，本團隊在選擇充電方法時應綜合考慮各種因素、使用利用太陽能光照的PWM波來完成蓄電池的充電過程。系統工作時通過太陽能電池將太陽輻射能轉化為電能，但是由于太陽能電池的輸出受溫度和太陽輻射強度影響很大，輸出功率不穩定。因而，在太陽輻射強度足夠大時(白天)，需要利用蓄電池將轉化的電能儲存起來，以便在需要照明時(晚上)向半導體照明負載供電。在太陽能半導體照明系統中，控制器是其核心部分，系統工作時通過控制器實現對系統工作狀態的控制和對蓄電池充放電過程的管理，以使系統在不同的工作狀態下均能穩定可靠地工作。太陽能光照度PWM波動分析如圖2所示。

圖2 太陽能光照度PWM波動分析

當所使用的太陽能板接收到太陽光的時候，太陽能板便會產生感應電流，獲取PWM波動信號，該電流經過充放電管理單元對感知節點的充電池充電。太陽能板是一個可產生感應電流的器件，它的供電由多級串聯產生約0.5 V的電能，而太陽能組件由多片的太陽能板經串聯和并聯組成。因此，太陽能組件等效于一個由多個電池經過串聯和并聯組成的組件。此外，太陽能組件的太陽能板數量與系統的工作電壓有關，其電壓就是充電部分，是充電池電壓的1.4～1.5倍。感知節點采用3.7 V 的充電鋰電池，故組件工作電壓為 3.7 V×1.4≈5 V。太陽能板的數量為 5 V/0.5 V=10片，串聯10片太陽能板可以獲得5 V的充電電壓，單列匯總電流約為100 mA。本設計可以采用并聯多級，以獲取更高功率，同時為防止并聯產生回路，在回路中配置功率二極管實現單向電流控制。太陽能PWM充電框如圖3所示。

圖3 太陽能PWM充電框

2 PWM充電實現

太陽能電池陣列和負載通過直流-直流電路連接，最大功率跟蹤器持續檢測光伏陣列的電流、電壓變化，并根據變化調整ADC/DAC轉換器的PWM驅動信號占空比。對于線性電路，如果負載電阻等于電源的內部電阻，則電源具有最大輸出[4-6]。太陽能電池和DC/DC轉換電路都有很強的非線性，也可以在很短的時間內將其視為線性電路。因此，本設計調整DC/DC轉換電路的等效電阻，實現始終等于太陽能電池的內部電阻的效果，進而實現太陽能電池的最大輸出。

2.1 恒電壓跟蹤法

在充電狀態，如果電池電壓低于恒壓充電電壓的66.5%(典型值)時，充電器進入涓流充電模式，此時充電電流為恒流充電電流的17.5%。在恒壓充電模式，充電電流逐漸下降。當充電電流下降到恒流充電電流的16%時，充電過程結束，外部P型場效應晶體管被關斷，充電電流變為零。恒流充電如圖3所示。

圖3 恒流充電

2.2 干擾觀察法

電池通過降壓DC/DC主電路為負載供電。DC/DC的作用是可以精確控制輸出電壓。直流系統的負載一般都是阻性負載，有時候可能是電阻串電池的形式。那么負載電流是和負載電壓密切相關的，即電壓越大、電流越大。而開關電源DC/DC的轉換效率較高，一般大于70%。因此，本設計可通過控制輸出電壓，改變輸出功率，同時改變輸入功率，即改變了光伏電池的輸出功率。

2.3 增量電導法

太陽能電池組件有內電阻和外電阻之分。當某一刻內電阻和外電阻相等時，此刻電池組件工作在最大功率點。即當外電阻和內電阻相等時，輸出功率最大。太陽能電池組件的內阻，主要體現在發電的時候，對電流的抑制作用。在發電的時候，主要參與的元素有電池片、內部焊條導線，還有外部鏈接線纜。這些參與的元素有一個共同的特性，就是在低溫的時候，電阻值全部都會變小。在同輻射強度的情況下，環境溫度越低，電池板的內阻越小，發電效果越高；反之，則溫度越高，內阻越大。PWM驅動信號調節如圖4所示。

圖4 PWM驅動信號調節

3 智慧樹電能配置與計算

3.1 蓄電池的功能簡介

蓄電池(電瓶)是太陽能供電系統的重要器件，它主是把太陽能電池板發的電能即時儲存在電池內，以供用電設備使用，起到具有儲存電能和穩定電壓的作用。

因為蓄電池的主要技術參數是電壓和容量，電壓實際是指蓄電池正常工作時的額定電壓，一般分為3 V，6 V，12 V，24 V，36 V等，容量是蓄電池的實際存儲電量的能力，一般常見的有4 AH，6 AH，12 AH，20 AH，40 AH，60 AH，120 AH等。

為了確保蓄電池可以正常使用，太陽能充電的電壓要超過蓄電池工作的電壓的20%～30%，給12 V的電池充電要用到15～18 V的太陽能充電模塊。

3.2 智慧樹供電系統蓄電池配置計算

對智慧樹供電系統蓄電池配置計算，首先要估算出全部用電總功率，再選定蓄電池工作電壓，通過功率計算即可得出可選用的最低蓄電池容量。全部用電器件及功率估算如表1所示。

表1 智慧樹總功率估算

考慮到20%損耗，得到每天總功耗為：811/0.8=1 013 Wh≈1 kWh。

為應對連續陰雨無法充電天氣，以3天無太陽能充電情況為例，蓄電池供電能應滿足3天使用來計算，則總共需要1 kWh×3=3 kWh。

智慧樹采用12 V系統，則可以知道所需的電池容量為：3 kWh/12 V=250 Ah。

因此，總計電池容量為滿足上述設定條件，應選用不低于250 Ah的電池作為能量保存和輸出器件。

設定選取250 Ah的電池使用，如上述計算，則其總能量約為3 kWh，如果這些損耗需要1天補充完全，即當天充滿3 kWh能量，則太陽能板的功率選擇計算如下。

以徐州地區為例，據徐州氣象局統計，徐州地區平均日照強度最高在12：00—13：00，日光照率為52%～57%，日照時數為2 284～2 495 h。因徐州近幾年受天氣變化不穩定因素影響，徐州地區光照長度約為5 h左右，再根據大數據分析及資料研究得出長江中下游的光照時間長度約4.5 h，考慮到損耗、天空明暗等因素，仍選擇4.5 h參與計算，并留出20%余量。

則單位時間(即1 h)需要的充電功率為：

(3 kWh / 80%)/4.5 h = 833 W

以上只是初步估算，精細的計算需要考慮電池板的峰值(WP)、太陽能輸出電壓變化等因素，就本文涉及的系統來說，以100 W為位數來選取900 W太陽能板充電板，是可以滿足能量自持需要的。

4 結語

根據本文計算結果和設計，目前實現的樣機運行正常，經斷開充電電路測試，所選的蓄電池能夠滿足全工況運行90 h以上，接近4天。同時，在電池耗盡的情況下，3月份天氣測試基本在下午4點左右能夠完成蓄電池充電。由測試結果可以得出，本文的計算過程簡單實用，能夠為智慧樹或其他類型的太陽能路燈可持續供電設計過程提供參考。