风光互补发电系统的研究.docx
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风光互补发电系统的研究
风光互补发电系统的研究
摘要风光互补发电系统近几年引起了许多专家学者的关注，也取得了一定的成果，并已经推广了日常生活中来。
风光互补照明供电系统，充分利用清洁能源，实现零耗电、零排放、零污染，产品广泛应用于道路、景观、小区照明及监控、通讯基站、船舶等领域。
本文通过对风光互补发电系统的现状分析，从其技术原理入手，将重点放在了风光互补的发电部分，主要通过对风光互补发电原理及电路分析，为风光互补发电系统提供了一个很好的基础。
并通过对风光互补系统的逐步分析，对风光互补发电系统做了一个整体研究，通过研究得出，作为两种新型能源的充分利用系统，风光互补发电系统更加适合现在生活需要。
关键词风光互补发电系统；太阳能电池板；太阳能发电原理；风光系统
Researchonwindandsolarpowergenerationsystem
AbstractSummaryofwindandsolarpowergenerationsystemsinrecentyearshasarousedtheconcernofmanyexpertsandscholars,butalsoachievedsomeresults,andhasbeenextendedtoeverydaylife.Windandsolarpoweredlightingsystem,fulluseofcleanenergy,toachievezeropower,zeroemissions,zeropollution,arewidelyusedinroads,landscape,residentiallightingandcontrol,communicationbasestations,shipsandotherfields.Basedonthestatusofwindandsolarpowersystemanalysis,technicalprinciplesfromstarttofocusonsomeofthewindandsolarpowergeneration,mainlywindandsolarpowerthroughtheprincipleandcircuitanalysisforwindandsolarpowergenerationsystemprovidesagoodbasis.Andthroughthesystemstepbystepanalysisofwindandsolar,windandsolarpowergenerationsystemtodoonacomprehensivestudy,obtainedthroughresearch,astwofulladvantageofnewenergysystems,windandsolarpowergenerationsystemismoresuitableforpresentneeds.
KEYWORDSWindandsolarpowergenerationsystems;solarpanels;solarpowerprinciple;scenerysystem
目次
1绪论……………………………………………………1
1.1风光互补的发展历程…………………………1
1.2风光互补技术原理……………………………1
1.3风光互补的应用………………………………2
2系统硬件设计…………………………………………4
2.1系统设计方案…………………………………4
2.2系统各部分介绍………………………………4
2.3开关器件………………………………………12
4测试结果分析…………………………………………14
4.1测试结果分析…………………………………14
4.2电路总图………………………………………15
5结论……………………………………………………17
参考文献………………………………………………18
致谢…………………………………………………19
1绪论
1.1风光互补的发展历程
风光互补，是一套发电应用系统，该系统是利用太阳能电池方阵、风力发电机（将交流电转化为直流电）将发出的电能存储到蓄电池组中，当用户需要用电时，逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电，通过输电线路送到用户负载处。
是风力发电机和太阳电池方阵两种发电设备共同发电。
最初的风光互补发电系统，就是将风力机和光伏组件进行简单的组合，因为缺乏详细的数学计算模型，同时系统只用于保证率低的用户，导致使用寿命不长。
近几年随着风光互补发电系统应用范围的不断扩大，保证率和经济性要求的提高，国外相继开发出一些模拟风力、光伏及其互补发电系统性能的大型工具软件包。
通过模拟不同系统配置的性能和供电成本可以得出最佳的系统配置。
其中coloradostateuniversity和nationalrenewableenergylaboratory合作开发了hybrid2应用软件。
hybrid2本身是一个很出色的软件，它对一个风光互补系统进行非常精确的模拟运行，根据输入的互补发电系统结构、负载特性以及安装地点的风速、太阳辐射数据获得一年8760小时的模拟运行结果。
但是hybrid2只是一个功能强大的仿真软件，本身不具备优化设计的功能，并且价格昂贵，需要的专业性较强。
在国外对于风光互补发电系统的设计主要有两种方法进行功率的确定：
一是功率匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的功率和风机的功率和大于负载功率，只要用于系统的优化控制；另一是能量匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的发电量和风机的发电量的和大于等于负载的耗电量，主要用于系统功率设计。
目前国内进行风光互补发电系统研究的大学，主要有中科院电工研究所、内蒙古大学、内蒙古农业大学、合肥工业大学等。
各科研单位主要在以下几个方面进行研究：
风光互补发电系统的优化匹配计算、系统控制等。
目前中科院电工研究所的生物遗传算法的优化匹配和内蒙古大学新能源研究中推出来的小型户用风光互补发电系统匹配的计算即辅助设计，在匹配计算方面有着领先的地位，而合肥工业大学智能控制在互补发电系统的应用也处在前沿水平。
据国内有关资料报道，目前运行的风光互补发电系统有：
西藏纳曲乡离格村风光互补发电站、用于气象站的风能太阳能混合发电站、太阳能风能无线电话离转台电源系统、内蒙微型风光互补发电系统等[1]。
1.2风光互补技术原理
1.2.1风光互补技术原理简介
风光互补是一套发电应用系统，该系统是利用太阳能电池方阵、风力发电机（将交流电转化为直流电）将发出的电能存储到蓄电池组中，当用户需要用电时，逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电，通过输电线路送到用户负载处。
是风力发电机和太阳电池方阵两种发电设备共同发电。
风光互补发电站
风光互补发电站采用风光互补发电系统，风光互补发电站系统主要由风力发电机、太阳能电池方阵、智能控制器、蓄电池组、多功能逆变器、电缆及支撑和辅助件等组成一个发电系统，将电力并网送入常规电网中。
夜间和阴雨天无阳光时由风能发电，晴天由太阳能发电，在既有风又有太阳的情况下两者同时发挥作用，实现了全天候的发电功能，比单用风机和太阳能更经济、科学、实用。
适用于道路照明、农业、牧业、种植、养殖业、旅游业、广告业、服务业、港口、山区、林区、铁路、石油、部队边防哨所、通讯中继站、公路和铁路信号站、地质勘探和野外考察工作站及其它用电不便地区[2]。
1.2.2风光互补系统发电结构
风光互补发电系统主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、蓄电池、逆变器、交流直流负载等部分组成。
该系统是集风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统。
（1）风力发电部分是利用风力机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电；
（2）光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电；
（3）逆变系统由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的220v交流电，保证交流电负载设备的正常使用。
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；
（4）控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节：
一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载。
另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。
发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性；
（5）蓄电池部分由多块蓄电池组成，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。
它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用[3]。
1.2.3风光互补系统发电技术优势
风光互补发电系统由太阳能光电板、小型风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器等几部分组成，发电系统各部分容量的合理配置对保证发电系统的可靠性非常重要。
由于太阳能与风能的互补性强，风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。
同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以降低，系统成本趋于合理。
1.3风光互补的应用
（1）无电农村的生活、生产用电
中国现有9亿人口生活在农村，其中5%左右目前还未能用上电。
在中国无电乡村往往位于风能和太阳能蕴藏量丰富的地区。
因此利用风光互补发电系统解决用电问题的潜力很大。
采用已达到标准化的风光互补发电系统有利于加速这些地区的经济发展，提高其经济水平。
另外，利用风光互补系统开发储量丰富的可再生能源，可以为广大边远地区的农村人口提供最适宜也最便宜的电力服务，促进贫困地区的可持续发展。
我国已经建成了千余个可再生能源的独立运行村落集中供电系统，但是这些系统都只提供照明和生活用电，不能或不运行使用生产性负载，这就使系统的经济性变得非常差。
可再生能源独立运行村落集中供电系统的出路是经济上的可持续运行，涉及到系统的所有权、管理机制、电费标准、生产性负载的管理、电站政府补贴资金来源、数量和分配渠道等等。
但是这种可持续发展模式，对中国在内的所有发展中国家都有深远意义。
（2）半导体室外照明中的应用
世界上室外照明工程的耗电量占全球发电量的12%左右，在全球日趋紧张的能源和环保背景下，它的节能工作日益引起全世界的关注。
基本原理是：
太阳能和风能以互补形式通过控制器向蓄电池智能化充电，到晚间根据光线强弱程度自动开启和关闭各类led室外灯具。
智能化控制器具有无线传感网络通讯功能，可以和后台计算机实现三遥管理（遥测、遥讯、遥控）。
智能化控制器还具有强大的人工智能功能，对整个照明工程实施先进的计算机三遥管理，重点是照明灯具的运行状况巡检及故障和防盗报警。
室外道路照明工程主要包括：
●车行道路照明工程（快速道/主干道/次干道/支路）；
●小区（广义）道路照明工程（小区路灯/庭院灯/草坪灯/地埋灯/壁灯等）。
目前已被开发的新能源新光源室外照明工程有：
风光互补led智能化路灯、风光互补led小区道路照明工程、风光互补led景观照明工程、风光互补led智能化隧道照明工程、智能化led路灯等。
（3）航标上的应用
我国部分地区的航标已经应用了太阳能发电，特别是灯塔桩，但是也存在着一些问题，最突出的就是在连续天气不良状况下太阳能发电不足，易造成电池过放，灯光熄灭，影响了电池的使用性能或损毁。
冬季和春季太阳能发电不足的问题尤为严重。
天气不良情况下往往是伴随大风，也就是说，太阳能发电不理想的天气状况往往是风能最丰富的时候，针对这种情况，可以用以风力发电为主，光伏发电为辅的风光互补发电系统代替传统的太阳能发电系统。
风光互补发电系统具有环保、无污染、免维护、安装使用方便等特点，符合航标能源应用要求。
在太阳能配置满足春夏季能源供应的情况下，不启动风光互补发电系统；在冬春季或连续天气不良状况、太阳能发电不良情况下，启动风光互补发电系统。
由此可见，风光互补发电系统在航标上的应用具备了季节性和气候性的特点。
事实证明，其应用可行、效果明显。
（4）监控摄像机电源中的应用
目前，高速公路道路摄像机通常是24小时不间断运行，采用传统的市电电源系统，虽然功率不大，但是因为数量多，也会消耗不少电能，采用传统电源系统不利于节能；并且由于摄像机电源的线缆经常被盗，损失大，造成使用维护费用大大增加，加大了高速公路经营单位的运营成本。
应用风光互补发电系统为道路监控摄像机提供电源，不仅节能，并且不需要铺设线缆，减少了被盗了可能，有效防盗。
但是我国有的地区会出现恶劣的天气情况，如连续灰霾天气，日照少，风力达不到起风风力，会出现不能连续供电现象，可以利用原有的市电线路，在太阳能和风能不足时，自动对蓄电池充电，确保系统可以正常工作。
（5）通信基站中的应用
目前国内许多海岛、山区等地远离电网，但由于当地旅游、渔业、航海等行业有通信需要，需要建立通信基站。
这些基站用电负荷都不会很大，若采用市电供电，架杆铺线代价很大，若采用柴油机供电，存在柴油储运成本高，系统维护困难、可靠性不高的问题。
要解决长期稳定可靠地供电问题，只能依赖当地的自然资源。
而太阳能和风能作为取之不尽的可再生资源，在海岛相当丰富，此外，太阳能和风能在时间上和地域上都有很强的互补性，海岛风光互补发电系统是可靠性、经济性较好的独立电源系统，适合用于通信基站供电。
由于基站有基站维护人员，系统可配置柴油发电机，以备太阳能与风能发电不足时使用。
这样可以减少系统中太阳电池方阵与风机的容量，从而降低系统成本，同时增加系统的可靠性。
（6）抽水蓄能电站中的应用
风光互补抽水蓄能电站是利用风能和太阳能发电，不经蓄电池而直接带动抽水机实行补丁时抽水蓄能，然后利用储存的水能实现稳定的发电供电。
这种能源开发方式将传统的水能、风能、太阳能等新能源开发相结合，利用三种能源在时空分布上的差异实现期间的互补开发，适用于电网难以覆盖的边远死去，并有利于能源开发中的生态环境保护[4]。
2系统硬件设计
2.1系统设计方案
2.1.1系统组成
一套完整的风光互补系统应该包括发电部分、蓄电池、风光互补控制部分、负载部分等组成。
系统框图如图1所示[3]。
图1风光互补系统框图
2.2系统各部分介绍
2.2.1风光互补控制部分
在风光互补发电系统中最主要也是最重要的就是其控制部分。
控制部分需要实时检测太阳能电池板和风机的电压，同时也要检测蓄电池的电压防止蓄电池出现过充而减小蓄电池的寿命，及防止蓄电池出现过访而直接导致蓄电池损坏。
同时还要采集周围的环境温度对蓄电池进行充电补偿等问题。
在本文中控制芯片采用AT89S52芯片作为控制芯片。
采用ADC0809A/D转换芯片来采集个点电压。
2.2.1.1AT89S52
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微处理控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
在单芯片上拥有灵巧的8位CPU和系统可编程Flash，同时它具有内部看门狗。
可以是系统运行更加的稳定，持久[5]。
AT89S52单片机引脚及其功能
图289S52管脚图
1.主电源引脚
●VCC：
接+5V电源
●VSS：
接电源地
2.时钟电路引脚
●XTAL2：
接外部晶体的一端。
在单片机内部，它是反相放大器的输入端，该放大器构成了片内振荡器。
在采用外部时钟电路试，对于HMOS单片机，此引脚必须接地；对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。
●XTAL2：
接外部晶体的另一端。
在单片机内部，它是反相放大器的输出端。
若采用外部时钟电路时，对于HMOS单片机，该引脚输入外部时钟脉冲；对于CHMOS单片机，此引脚应悬空。
3.控制信号引脚
●RST/VPD：
复位、备用电源输入脚。
单片机上电后，只要在该引脚上输入24个振荡周期（2个机器周期）宽度以上的高电平就会时单片机复位。
RST/VPD具有复用功能，可接上+5V备用电源。
当VCC下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压范围内时，VPD就向片内RAM提供备用电源，以保持片内RAM中的信息不丢失[7]。
●ALE（AddressLatchEnable）：
低8位地址锁存使能输出端。
当CPU访问外部存储器时，ALE可向低8位地址锁存器输出锁存控制信号；当不访问外部存储器时，ALE端仍以时钟振荡频率的1/6固定地输出正脉冲。
因此，它可用作外部定时或其他需要。
但要注意的是：
每当访问外部数据存储器时会丢失一个脉冲。
ALE端可驱动8个LSTTL负载。
●
（ProgramStoreEnable）：
外部程序存储器读选通信号。
CPU在访问外部程序存储器期间，每个机器周期，
信号两次有效。
当访问外部数据存储器时，则不会出现
信号。
端可以驱动8个LSTTL负载。
●
（EnableAddress）：
外部程序存储器地址允许使能端。
当
端输入高电平时，CPU从片内程序村痴情开始执行程序，当程序计数器PC的值超过内部程序存储器的最高地址（对于8051位0FFFFH）时，将自动转向片外程序存储器取指令并执行。
当
输入低电平时，CPU仅访问片外程序存储器。
对于8031来说，由于片内无程序存储器，所以
端必须接低电平。
4.并行I/O引脚
●P0.0~P0.7：
P0口是一个漏极开路的8位双向复用I/O端口。
●P1.0~P1.7：
P1口是一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O端口。
●P2.0~P2.7：
P2口是一个内部带上拉电阻的8位准双向复用I/O端口。
●P3.0~P3.7：
P3口是一个内部带上拉电阻的8位多功能双向I/O端口。
P3口除可作为通用I/O使用外，其主要的功能是它的第二功能，P3口的每一条引脚均可独立定义位第一功能的输入输出或第二功能。
作为第二功能使用时各引脚的定义见表1所示。
P3口能驱动4个LSTTL负载。
表1P3各口线的第二功能表
口线
第二功能
名称
P3.0
RXD
串行数据接收端
P3.1
TXD
串行数据发送端
P3.2
INT0
外部中断0申请输入端
P3.3
INT1
外部中断1申请输入端
P3.4
T0
定时器0计数输入端
P3.5
T1
定时器1计数输入端
P3.6
WR
外部RAM写选通
P3.7
RD
外部RAM读选通
2.2.1.2ADC0809
ADC0809是一个精度为8位的模数转换芯片。
它是CMOS器件，不仅包括一个8位的逐次逼近型的ADC部分，而且还提供一个8通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑，因而有理由把它作为简单的“数据采集系统”。
利用它可直接输入8个单端的模拟信号分时进行A/D转换，在多点巡回检测和过程控制、运动控制中应用十分广泛。
其主要技术指标和特性如下。
（1）分辨率：
8位。
（2）总的不可调误差：
ADC0809其误差为±1LSB。
（3）转换时间：
取决于芯片时钟频率，如CLK=500kHz时，TCONV=128μs。
（4）单一电源：
+5V。
（5）模拟输入电压范围：
单极性0～5V；双极性±5V,±10V（需外加一定电路）。
（6）具有可控三态输出缓存器。
（7）启动转换控制为脉冲式（正脉冲），上升沿使所有内部寄存器清零，下降沿使A/D转换开始。
（8）使用时不需进行零点和满刻度调节[6]。
2.2.1.2温度采样
由铅蓄电池的电压与温度的关系可知：
温度每升高1℃，单格电池的电压将下降4mV，也就是说，铅蓄电池的电压具有负温度系数。
其值为-3~-7mV/℃/节。
一般取-4mV/℃。
由此可知，环境温度为25℃时，工作很理想的充电器，当环境温度降到0℃时，电池就不能充足电，当环境温度为50℃时，电池将因严重过充而缩短寿命。
因此，为了保证在很宽的温度范围内都使电池刚好充足电，充电器的各种转换电压必须随电池电压的温度系数而变。
在本文中采用温度传感器DS18B20来采集温度。
DS18B20的主要特征如下：
（1）全数字温度转换输出。
（2）先进的单总线数据通信。
（3）最高12位分辨率，精度可达到±0.5摄氏度。
（4）12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒。
（5）可选择寄生工作方式。
（6）检测温度范围为-55℃~+125℃（-67F~+257CF）。
（7）内置EEPROM，限温报警功能。
（8）64位光刻ROM,内置产品序号，方便多机挂接。
（9）多样封装形式，适应不同硬件系统[7]。
其与单片机的接线图如下图所示。
图3DS18B20与单片机接线
2.2.2发电部分
发电部分主要包括太阳能电池板和风力发电机组成。
如图1所示。
由于白天光照强时风弱，夜间或阴天光弱时风强，时间上的互补性使得风光互补发电系统在资源分布上具有很好的匹配性，为风光互补电源系统建立提供了能源保障。
太阳能电池组件，要求用高透光率低铁钢化玻璃，外加阳极化优质铝合金边框，具有效率高、寿命长、安装方便、抗风、抗冰雹能力等特性；风力发电机产生交流电在选型时要求风力发电机是低速型风机，具有发电效率高、结构简单、质量稳定、维护量低、在恶劣的天气情况下自动偏航保护等特性。
1.现在的太阳板大多采用硅太阳能电池。
其工作原理是：
硅原子的外层电子壳层中有4个电子。
在太阳辐照时，会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，并同时在原来位置留出一个空穴。
电子带负电；空穴带正电。
在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。
如果在硅晶体中搀入能够俘获电子的3价杂质，如：
硼，鋁，镓或铟等，就成了空穴型半导体，简称p型半导体。
如果在硅晶体中搀入能够释放电子的磷，砷，或锑等5价杂质，就成了电子型半导体，简称n型半导体。
若将这两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交界面处便会形成p-n结，并在结的两边产生内建电场，又称势垒电场。
如图4所示
图4p-n结内建电场
当太阳光（或其他光）照射到太阳电池上时，电池吸收光能，能量大于禁带宽度的光子，穿过减反射膜进入硅中，激发出光生电子–孔穴对，并立即被内建电场分离，光生电子被送进n区，光生孔穴则被推进p区，这样在内建电场的作用下，光生电子-孔穴对被分离，在光电池两端出现异号电荷的积累，即产生了“光生电压”，这就是“光生伏打效应”（简称光伏）。
在内建电场的两侧引出电极并接上负载，在负载中就有“光生电流”流过，从而获得功率输出[8]。
2.风力发电机
超低速风力发电机为一由转动盘、固定盘、风轮叶片、固定轮、立竿、集电环盘、舵杆、尾舵和逆变器组成的系统。
转动盘和固定盘构成该系统的发电机，逆变器包括50赫正弦波振荡器、整形电路、低压输出电路和倒相推挽电路。
本系统中的发电机的优点，一是具有超低速建压特点，能在叶片转速低于每分钟100转时正常发电，为弱风地区风力资源的开发利用提供了新途径；二是结构简易，铁芯无开槽，也无电枢绕组，易维修，使用寿命长。
结构如图5所示。
图5风机结构图
把风能转变为电能是风能利用中最基本的一种方式。
风力发电机一般有风轮、发电机（包括装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。
风力发电机的工作
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