毕业设计太阳能风光互补发电系统.docx

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毕业设计太阳能风光互补发电系统

摘要

节能和环保已成为当今世界的两大主题。

利用风能、太阳能发电是对两种最为理想、无污染的绿色再生资源的利用，目前已成为开发研究的一项重大课题。

风光互补发电控制系统是为了弥补传统电力的不足而设计的独立发电设备。

它是由太阳能电池组件与风力发电机配合而成的一个系统，通过微型计算机的远程控制，并实现了免维护的功能。

关键词：

风能，太阳能，风光互补系统，微型计算机

Abstract

Economizingenergysourcesandprotectingenvironmenthasbeentwosubjectoftheworld,nowadays.Thewind-forceandsolar-energy,agreenrebornresourcefreefromthepollution,isthemostidealtogenerateelectricity.Now,thisisalreadyunimportantprojectforustodevelopandstudy.SolarandWindHybridGenerationSystemsistomakeuptheindependentgeneratingsetwhichthetraditionalelectricpowertheinsufficiencydesigns.Itisasystemwhichbecomesbythesolarcellmoduleandthewind-drivengeneratorcoordination,throughmicrocomputer'sremotecontrol,andrealizedhasexemptedthemaintenancethefunction.

Keyword:

Windpower，Solarpower，Wind-solarhybridpowersystem，Micro-computer

1绪论

电力在现实生活中占主导地位，但是受客观环境的限制，有些地区根本无法实现电业的发展和建设。

太阳能光伏发电,无运动部件,稳定可靠,但目前成本较高,而风力发电成本低但随机性大,供电可靠性差,将两者结合起来,可实现昼夜发电。

在太阳光资源和风资源丰富的地区,风光互补发电系统与单一风电系统和光电系统相比具有供电的连续性好、稳定性和可靠性高等特点,风光互补发电系统是相对较好的独立电源系统,已经在我国的西部很多地区得到了广泛的应用,解决了农牧民的用电问题。

此系统就是利用风和光两种自然能源相互补充发电，由太阳能电池板与风力发电机发电，经蓄电池充电，给负载供电的一种新型能源。

它既不消耗任何矿物燃料，又完成了对自然能源的合理利用。

此系统可以应用于微波通讯、基站、电台、野外活动、高速公路、无电扇区、村庄、海岛的电力提供。

而且为了适应偏远地区不便利的地理环境。

风光互补发电控制系统几乎完成了智能化，免维护。

尤其适合在内蒙古风力大的偏远山区。

风光互补发电系统还可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置，既可保证系统供电的可靠性，又可降低发电系统的造价。

无论是怎样的环境和用电要求，风光互补发电系统都可做出最优化的系统设计方案来满足用户的要求。

因此，风光互补发电系统可以说是最合理的独立电源系统。

这种合理性既表现在资源配置上，又体现在技术方案和性能价格上，正是这种合理性保证了风光互补发电系统的可靠性，从而为它的应用奠定了坚实的基础。

2系统框图

系统结构图如图1所示。

该系统是集风能、太阳能与蓄电池等多种能源发电技术与系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统。

图1系统框图

从图1中我们可以看出，它的主要组成设备有：

风力发电机：

风机采用具有特别适合大多内陆地区低风速、时发电特性好、发电量大的特点。

具有机械、电子刹车装置，可以确保在高风速时，风机转速稳定控制在安全可靠的范围内，使最高输出电压成为安全可控的电压[2]。

采用12V/150W风力发电机，当风力≥3m/s工作，10m/s风速时达到额定150W功率。

太阳能光电池板：

采用100W/14V，0.6㎡的硅光电池，它能将太阳能转化为电能，属于一种半导体元件，它的特点：

它是转换效率高达15%的单晶硅太阳能电池板。

具有抗风、防潮、工作稳定、无需维护等特点。

铅酸蓄电池：

蓄电池的选择要求：

重量轻、体积小、能量转换率高、自放电慢、充放电循次数多（即使用寿命长）等。

其次，还有些特殊要求如低温时能大电流放电、维护简单或无需维护、自放电（析氢）特别慢等。

微机控制系统：

微机控制系统是整个设计的核心内容。

它是整个系统安全运行的基本保证。

另外本系统受应用环境的要求，本身就要求实现免维护。

所以无论从硬件系统还是软件系统都要对系统有保护作用。

例如在本系统硬件设计中有蓄电池电压控制，因为直流充电的蓄电池，要求电压控制在10～12～16V之间，才能安全使用，不至于被烧坏。

所以电压控制用来保证其既不过充又不过放；继电器工作要求是：

在接受到指令后，要按指令要求来动作。

而且一旦出错就要有报警显示。

为了实现继电器正常工作，系统设有继电器动作检测，并对故障状态设有报警显示；为了保证整个系统工作的正常，执行动作正确，系统对ADC0809的转换也设有转换结果正确与否的检测，并在ADC0809不正常工作时报警显示；整个系统是一个严密完整的智能化系统，使用起来方便。

逆变器：

逆变系统是把蓄电池中的直流电变成标准的220V交流电，保证交流电在设备的正常使用。

同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量；在逆变器的电路结构形式上，主要是工频变压器和高频变压器两种形式。

对一个风光发电系统而言，逆变器是一种电力电子设备，抗过载，抗冲击的能力要相对弱一些，是最易出故障的单元。

3太阳能电池

3.1太阳能电池的原理

太阳能光伏电池（简称光伏电池）用于把太阳的光能直接转化为电能。

目前世界各国正在研究的太阳电池主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳电池。

在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池。

多晶硅比单晶硅转换效率略低，但价格更便宜。

另外，还有其它类型的太阳电池[5]。

太阳能电池的能量转换是应用P-N结的光伏效应（PhotovoltaicEffect）。

首先对P-N结二极管做一简单说明。

如图2所示，为一理想的P-N结二极管的电流-电压（I-V）特性图，其对应的方程式如下：

（1）

Ipn，Vpn：

P-N结二极管的电流与电压

k：

波尔兹曼常数（BoltzmannConstant：

1.38×10-23J/K）

q：

电子电荷量（1.602×10-19库仑）

T：

绝对温度（凯氏温度K＝摄氏温度＋273度）

Is：

等效二极管的逆向饱和电流

VT：

热电压（ThermalVoltage：

25.68mV）

太阳能电池将太阳光能转换为电能是依赖自然光中的的量子-光子（Photons），而每个光子所携带的能量为Eph：

（2）

h：

普郎克常数（PlanckConstant：

4.14×10-15eV·S）

c：

光速（3×108m/s）

λ：

光子波长

图2　P-N结二极管I-V特性图

但并非所有光子都能顺利地通过太阳能电池将光能转换为电能，因为在不同的光谱中光子所携带的能量不一样。

当光子所携带的能量大于禁带（BandGap）能量时，电子由价电带（ValenceBand）跃迁至导电带（ConductionBand）而产生所谓的“电流”，所以当光子所携带的能量若大于禁带能量时，便可以通过光电子转换成电能。

当入射太阳光的能量大于硅半导体的禁带能量时，太阳光子照射入半导体内，把电子从价电带激发到导电带，从而在半导体内部产生了许多“电子-空穴”对，在内建电场的作用下，电子向N型区移动，空穴向P型区移动，这样，N区有很多电子，P区有很多空穴，在P-N结附近就形成了与内建电场方向相反的光生电场，它的一部分抵消了内建电场，其余部分则使P区带正电，N区带负电，于是在N区与P区之间产生了光生伏打电动势，这就是所谓的“光生伏打效应”。

如果位太阳电池开路，即组成电池回路中，负载电阻为无穷大，则被P-N结分开的电子和空穴，就会全部积累在P-N结附近，于是出现了最大光生电动势，它的数值即为开路电压，记作Voc。

如果把太阳电池短路，即回路负载电阻为零，则所有P-N结附近的电子与空穴，由结的一边，流经外电路到达结的另一边，产生了最大可能的电流，即短路电流记作ISC。

太阳能电池相当于具有与受光面平行的极薄P-N结的大面积的等效二极管，因此可以假设太阳能电池为一个二极管与太阳光电流发生源所并联的等效电路，如图3所示。

图3太阳能电池的理想状态等效电路

3.2太阳能电池板的计算

硅太阳能发电板容量是指平板式太阳能板发电功率WP。

太阳能发电功率量值取决于负载24h所能消耗的电力H（WH），由负载额定电源与负载24h所消耗的电力，决定了负载24h消耗的容量P（AH），再考虑到平均每天日照时数与阴雨天造成的影响，计算出太阳能电池阵列工作电流IP（A）。

由负载额定电源，选取蓄电池公称电压，由蓄电池公称电压来确定蓄电池串联个数与蓄电池浮充电压VF（V），再考虑到太阳能电池因温度升高而引起的温升电压VT（v）与反充二极管P-N结的压降VD（V）所造成的影响，则可计算出太阳能电池阵列的工作电压VP（V），由太阳电池阵列工作电源IP（A）与工作电压VP（V），便可决定平板式太阳能板发电功率WP，从而设计出太阳能板容量，由设计出的容量WP与太阳能电池阵列工作电压VP，确定硅电池平板的串联块数与并联组数[7]。

太阳能电池阵列的具体设计步骤如下：

计算负载24h消耗容量P。

P=H/V　　　　　　　　　　　　　　（３）

V——负载额定电源

选定每天日照时数T（H）。

计算太阳能阵列工作电流。

IP=P（1+Q）/T　　　　　　　　　　　　　（４）

Q——按阴雨期富余系数，Q=0.21～1.00

确定蓄电池浮充电压VF。

镉镍（ＧＮ）和铅酸（ＣＳ）蓄电池的单体浮充电压分别为1.4～1.6V和2.2V。

太阳能电池温度补偿电压VT。

VT=2.1/430（T-25）VF　　　　　　　　　　　（５）

计算太阳能电池阵列工作电压VP。

VP=VF+VD+VT　　　　　　　　　　　（６）

其中VD=0.5～0.7，约等于VF

太阳电池阵列输出功率ＷＰ平板式太阳能电板。

WP=IP×UP　　　　　　　　　　　　　（７）

根据VP、WP在硅电池平板组合系列表格，确定标准规格的串联块数和并联组数。

太阳电池阵列的伏安特性如图5。

由图可知，该伏安特性曲线具有强烈的非线性。

太阳电池阵列的额定功率是在以下条件下定义的：

当日射S=l000W／㎡；太阳电池温度T=25；大气质量AM=1.5时，太阳电池阵列输出的最大功率便定义为它的额定功率。

太阳电池阵列额定功率的单位为“峰瓦”，记以“WP”。

当日射S<1000W／㎡时。

图4太阳电池阵列的伏安特性曲线

温度和日照强度的变化对太阳电池的伏安特性都有影响，在仅改变日照强度而保持其它条件（如太阳电池温度和大气质量等）不变的情况下。

计算出每天消耗的瓦时数（包括逆变器的损耗）：

逆变器的转换效率为90％，则当输出功率为100W时，则实际需要输出功率应为100W/90％=111W；若按每天使用8小时，则耗电量为111W*8小时=888Wh。

按每日有效日照时间为6小时计算，再考虑到充电效率和充电过程中的损耗，太阳能电池板的输出功率应为888Wh/6h/70%=210W。

其中70％是充电过程中，太阳能电池板的实际使用功率。

4蓄电池的工作特性

蓄电池的使用,最重要的是有效利用其充放电特性。

有效、科学地使用蓄电池,不仅对提高其使用效率、延长其使用寿命十分关键,同时也可以提高整个系统的工作效率。

4.1蓄电池充电状态的检测

准确判断蓄电池的充电状态是有效利用蓄电池的充放电特性和选择适当的充电方法的前提。

目前，绝大多数的太阳能控制器采用的是在线检测蓄电池的端电压,并以此作为自动切换充电方法的依据。

但众所周知,蓄电池的端电压受到很多因素的影响，尤其在充电过程中，蓄电池的端电压受到太阳能电池端电压的制约，不能准确反映其荷电状态。

比如，当系统所处温度较高时，容易出现蓄电池容量未满却已不能充入的现象，即“虚满”，这样就很难检测出蓄电池的准确荷电状态，影响整个系统的正常工作。

为此提出了一种新的检测方法——离线式检测。

在铅酸蓄电池的理论中，蓄电池的电动势可表示为：

（8）

式中:

E——电池电动势，（V）

E0——所有反应物的活度或压力等于1时的电动势，称为标准电动势（V）。

R——摩尔气体常数；T——温度,（K）；F——法拉第常数；n——电化学反应中的电子得失数目。

从（8）式可以看出，电动势与硫酸浓度有关，也就是与荷电状态有关。

而蓄电池的开路电压在数值上接近电动势。

根据有关文献，蓄电池的稳态开路电压与其荷电状态有良好的线性关系。

因此，由蓄电池的开路电压可以估算出其荷电状态。

4.2蓄电池的容量计算

蓄电池的容量由下列因素决定：

蓄电池单独工作天数。

在特殊气候条件下，蓄电池允许放电达到蓄电池所剩容量占正常额定容量的20%。

蓄电池每天放电量。

对于日负载稳定且要求不高的场合，日放电周期深度可限制在蓄电池所剩容量占额定容量的80%。

蓄电池要有足够的容量，以保证不会因过充电所造成的失水。

一般在选蓄电池容量时，只要蓄电池容量大于太阳能发电板峰值电流的25倍，则蓄电池在充电时就不会造成失水。

蓄电池自身漏掉的电能。

随着电池使用时间的增长与电池温度的升高，自放电率会增加。

对于新的电池自放电率通常小于容量的5%，但对于旧的质量不好的电池，自放电率可增至每月10%～15%。

蓄电池的额定容量C，单位安时（Ah），它是放电电流安（A）和放电时间小时（h）的乘积。

由于对同一个电池采用不同的放电参数所得出的Ah是不同的，为了便于对电池容量进行描述、测量和比较，必须事先设定统一的条件。

实践中，电池容量被定义为：

用设定的电流把电池放电至设定的电压所给出的电量。

也可以说电池容量是：

用设定的电流把电池放电至设定的电压所经历的时间和这个电流的乘积由于要一天工作8小时，阴雨天能连续工作三天，所以可得出太阳能蓄电池的容量。

取容量为12V/200Ah;采用全密闭免维护12V铅酸蓄电池,由于蓄电池放电不能低于10V充电不高于16V。

5控制电路

5.1控制电路原理

由图5可以看出，风力发电与太阳能光电池板发电，共同给蓄电池供电（为直流）。

此时风力发电机、太阳能电池板和蓄电池又共同为直流负载供电（风力发电机发出的电经过三相整流后便为直流）。

图5控制电路原理

微型单片机系统对蓄电池两端电压进行检测：

若蓄电池过充，则使继电器J1动作，断开充电回路，不再为蓄电池供电；若检测结果是蓄电池过放，则使继电器J2动作，断开负载电路，不再为负载供电，而给蓄电池充电。

为保护系统,增加了二极管Da和Db，它们的作用如下：

Da的作用是三相整流的二极管组。

因为蓄电池供电要求直流电压。

而风力发电机所发的是三相交流电。

为了把交流电能转换为直流电能，增设的三相整流二极管组。

Db的作用是防止在光电板内产生倒向电流，使得光电板遭到破坏。

5.28051单片机

单片机是一种高度集成的芯片，它的内容是一台完整的微型计算机。

由于体积小，使得它在计算机外部设备，过程与工业控制设备等领域应用广泛。

单片机是按工业标准设计的，所以它有很好的环境适应能力和抗干扰能力。

有很好的可靠性。

目前世界上常用的单片机有8051、MC6805、和MPD7811系列。

本设计主要采用8051单片机作为微机控制的核心。

8051型号的单片机属于单片机MCS-51系列，为CMOS芯片。

它的内部只有128字节的数据存储器（RAM），4K存储器（ROM）。

8051单片机是在一块芯片上集中了CPU、RAM，定时器/计数器和多功能的I/O线等计算机所需要的基本功能部件。

他们都是通过片内单一总线连接而成。

其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上却有了很大的变化。

采用了特殊功能寄存器（SFR）的集中控制方法。

5.3ADC0809逐次逼近式8位A/D转换器

5.3.1ADC0809特性介绍

ADC0809是8路模拟输入的8位模数转换器，逐次逼近式CMOS芯片，28线双列直插式封装。

ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，内部结构如图6所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D／A转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。

因此，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。

输入输出与TTL兼容[11]。

图6ADC0809内部结构框图

芯片的主要部分是一个8位逐次比较式A/D转换器和8位模拟转换电路。

转换器以8个时钟周期的时间完成一位转换值，在64个脉冲后完成8位的转换，时钟由外电路提供，典型频率为640KHz，8路模拟开关由3位二进制信息控制，以完成对某一路模拟信号转换。

转换得到的数字信号锁存在内部的输出锁存器中，由输出允许信号选通锁存器即可在输出线上得到转换结果数据。

ADC0809通过引脚IN0,IN1,…,IN7可输入8路单边模拟输入电压。

ALE将3位地址线ADDA,ADDB,ADDC进行锁存,然后由译码器选通8路中的一路进行A/D转换。

首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。

此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。

START上升沿将逐次逼近寄存器复位。

下降沿启动A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。

直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。

当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

5.3.2ADC0809与单片机的连接

8051通过74LS138译码器的输出端

和读、写控制线来控制转换器的模拟输入通道地址锁存、启动和输出允许。

ADC0809的时钟频率为640kHz，转换时间为100μｓ，微机的时钟频率5MHz或更高一些，因此系统时钟必须经分频器分频后接到ADC0809芯片的CLOCK引脚上。

另外，ADC0809的EOC端可在转换结束时发中断请求脉冲，若用中断输入数据的方式则可利用EOC引线。

如图7所示。

图7ADC0809与系统总线的连接

5.4显示接口电路

单片机应用系统中，使用的显示器主要有LED发光二极管和LCD液晶显示器。

这两种显示器的成本低廉，配置灵活，与单片机接口方便。

本设计中采用的则是发光二极管。

LED显示块是发光二极管显示字段的显示器件。

这种显示块有共阴极和共阳极两种。

共阴极LED显示块的发光二极管阴极共地。

当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；共阳极LED显示块的发光二极管阳极并接+5V电压，当某个发光二极管的阴极为低电平时，发光二极管点亮。

系统中需要做出报警显示的有图中几种情况。

所以在设计中采用六路LED完成显示工作。

每一路代表一种状态。

所有LED的阳极都接上了+5V电压，所以它属于共阳极显示器。

当某个LED的另一端接上低电平的时候，二极管即会发光，我们也就知道系统的运行状态，从而知道系统下一步工作。

每个LED的电压降为1.2～1.5V，接上+5V电压在驱动LED发光的情况下，它的大电流有可能烧坏8051的接口。

为了避免这一情况发生，我们接入560Ω电阻，可以使进入8051的电流在其允许的安全范围内，电路如图8所示。

图8六路LED显示器

5.5分频电路

8051CPU要与其他芯片协调工作，首先要完成它们的时钟配合。

ADC0809的选通信号的是由8051的ALE信号来担负的。

8051的ALE信号的时钟频率为2MHz，而ADC0809的时钟频率却不大于600KHz，为了使得ADC0809能正常工作，我们要对8051的ALE信号进行四分频。

其电路图9所示。

图9四分频电路结构图

本电路采用D触发器进行分频。

一个D触发器为2分频。

经过两个D触发器后，8051的ALE信号的时钟频率就变成了500KHz，也就能满足ADC0809的时钟频率要求了。

5.6模拟量输入电路

系统控制的模拟量是蓄电池两端的电压。

但是这个控制电压并不能满足微型计算机正常工作的电压要求。

因为我们要完成的蓄电池电压控制是使它在10~12~16之间运行，直接接受此电压的是ADC0809，而ADC0809的工作电压为5V。

因而为了使系统正常工作，我们要把外部模拟量的输入转换为小于5V的电压。

于是设计了如图10所示。

图10模拟量输入电路

电路中电阻R1和可调电阻R2构成分压电路，调节R2可以使得1端输入电压为标准值的时候，对应INO输入端为5V，运算放大器324接成电压跟随器电路，起阻抗隔离作用，电容C1为电解电容，起滤波作用，防止交流干扰；电容C2也为滤波电容，容值小，抑制交流干扰。

5.7光电隔离器工作电路

光电耦合器由发光源和受光器两部分组成，并封闭在同一个不透明的管壳内，由绝缘管的透明树脂隔开。

光电耦合器用途很多，如作为高压开关、信号隔离转换、脉冲系统间的电平配比以与各种逻辑电路等。

图11驱动继电器动作电路

图11所示电路为利用光电耦合器连接成的驱动继电器动作电路，当P1.4的电平被清为低电平时，在发光二极管中产生电流，于是在对应端产生电流，使J1线圈带电，按照指令的要求动作。

图12为利用光电耦合器连接成的反馈输入电路，当J1的常开触点动作闭合，使电路接通，于是产生电流，使P1.6产生低电平，即可由软件采集P1.6信号，根据要求对系统采用相应控制了。

图12反馈输入电路

5.8逆变电路

利用TL494组成的稳压逆变器电路。

TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。

TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求。

其主要特性集成了全部的脉宽调制电路；片内置线性锯齿波振荡器；外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）；内置误差放大器；内止5V参考基准电压源；可调整死区时间；内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力；推或拉两种输出方式。

TL494内部电路如图13所示

图13TL494内部电路

控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。

死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。

当把死区时间控制输入端接上固定的电压（范围在0—3.3V之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。

脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：

当反馈电压从0.5V变化到3.5时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。

两个误差放大器具有从-0.3V到（Vcc-2.0）的共模输入范围，这可能从电源的输出电压和电流察觉得到。

误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运算。

逆变器的主要指标：

DC10V～14.5V；输出电压：

AC200V～220V±10％；输出频率：

50Hz±5％；输出功率：

70W～150W；转换效率：

大于85％；逆变工作频率：

30kHz～50k