风光互补路灯系统毕业设计论文.docx
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风光互补路灯系统毕业设计论文
风光互补路灯系统毕业设计论文
毕业设计
学生姓名蔡亚学号330941051
院系文通学院
专业电气工程及其自动化
题目风光互补路灯系统设计?
硬件部分
指导教师周凯杰助教/硕士
2013年5月
摘要:
由于不断增加的能源危机和环境恶化,风和光伏发电是最有前途的新型能源技术。
此系统可将风能与太阳能合理的结合互补,风光互补型路灯是利用太阳能组件的光生伏特效应,将光能转换为电能,以及风力发电将风能转化为电能,并储存在蓄电池中供负载使用,它是集太阳能光伏技术、风能发电技术、蓄电池技术、照明光源技术于一体的新兴技术。
用MCS-51单片机系统来控制整个电路,在电路中利用光敏电阻来对路灯的开与关进行控制,最后MATLAB对MPPT算法进行仿真比较结果表明,论文所采用的控制方法更优越。
关键词:
新型能源,风光互补,MPPT仿真
Abstract:
Duetotheincreasingenergycrisisandenvironmentaldegradation,wind-solarhybridisthemostpromisingnewenergytechnologies.Thissystemcanbeareasonablecombinationofwindandsolarcomplementary,windandsolarstreetlightuseofsolarenergycomponentsofthephotovoltaiceffect,convertinglightenergyintoelectricalenergy,andwindpowerwindenergyintoelectricalenergyandstoredinbatteriesforloaduse,itisthesolarphotovoltaictechnology,windpowergenerationtechnology,batterytechnology,theilluminationlightsourcetechnologyinoneoftheemergingtechnologies.MCS-51microcontrollersystemtocontroltheentirecircuit,thephotosensitiveresistorinthecircuittocontrolstreetlightsonandoff,finallyusetheMATLABforMPPTsimulation,provethebestwaytocontrol.
Keywords:
newenergy,wind-solarhybrid,MPPTsimulation
1绪论5
1.1研究背景5
1.2我国太阳能,风能发电的发展趋势5
1.3本课题研究的意义6
2风光互补智能系统的基本原理7
2.1传统的风力发电系统的原理8
2.2光伏发电系统的组成及原理9
2.3蓄电系统11
2.4桥式整流、滤波电路14
2.5负载跟踪控制15
2.6光源跟踪控制15
2.7运行保护控制15
3风光互补发电的控制16
3.1风光互补发电系统的概述13
3.2风力控制器的方框原理图14
3.3风力发电控制图策略15
3.4路灯定时控制17
3.5风光互补系统时间控制部分的硬件实现18
4风光互补发电系统工况分析与仿真21
4.1系统工况分析21
4.2风光互补系统的充放电电路23
4.3MPPT算法仿真25
结论25
参考文献26
附录26
致谢29
1绪论
1.1研究背景随着科学技术的发展,我们的生活更美好,但我们周围的环境越来越差,一次能源的性质越来越少,所以被迫去寻找新能源。
我们发现有统一的能源,能源效率不高,成本相对是比较高的,所以我们必须寻求新的能源互补的技术,合理利用两种或两种以上的互补利用的新能源技术,使各种互补能源的能量储存的能量比较强的情况下,储存的能量释放能量的情况下合理使用能源相对较弱。
随着地球资源变得越来越稀缺,基础能源的投资成本上升,以及各种安全和污染问题可谓无处不在,太阳能作为一种“取之不尽,用之不竭”越来越多的环保新能源更重要。
1.2我国太阳能、风能发电的发展趋势
1.2.1太阳能发电的发展趋势
长期以来,人们一直在努力研究利用太阳能。
可谓是取之不尽,只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右,太阳表面的能量相当于全球所需总能量的3-4倍。
其次,宇宙空间没有昼夜和四季之分,没有乌云和阴影,辐射能量十分稳定。
从而产生比地面相对简单的系统,而且在无重量、高真空的宇宙环境中,的设备部件的强度要求不太高。
此外,太阳相比石油,煤炭和其他化石燃料,不会导致“温室效应”和全球气候变化,也不会造成环境污染。
正因为如此,许多国家的重视利用太阳能,我们都在竞相开发的各种光学和光电新材料,扩大利用太阳能应用。
尤其是在过去的10年中,在石油可开采量日渐见底,两大危机和生态环境日益恶化,越来越多的人期待太阳能时代“,从发电,供热,供水,各种太阳能发电厂,这是广泛使用的,在某些方面,利用太阳能已进入实用化阶段。
1.2.2风能发电的发展趋
1风力发电成本将大幅降低
随着风力发电技术的改进,所述风力涡轮机将被越来越便宜和高效的。
增加风力发电机组的单机容量在基础设施的投资来降低成本,而且同样的装机容量需要更少数目的机组,这也节约了成本。
减少融资成本和有经验的开发者,项目开发成本也可以相应降低。
风力发电机组可靠性的改进也减少了运行和维护的平均成本。
总体上,风力发电成本将得到大幅降低。
2技术装备国产化比例必然提高
风力发电技术和设备,中国的风电设备制造能力和技术水平,降低风力发电的成本,提高市场竞争力,促进中国风电技术的发展为大规模商用奠定了基础。
它的意义不仅仅在于降低风力发电成本,还将推动形成中国的风力涡轮机产业,我们的优势走向国际市场。
3海上风力发电悄然兴起并将成为重要能源形式海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域,最近成为海上风电技术研究和应用的热点。
多兆瓦风力发电机组投入商业运营的海上风电场是国内和国际风能利用的新趋势。
随着时代的风力发电发展,陆地上发电机组的总人数已经饱和,海上风电场将成为未来发展的重点。
海上风力发电是近年来国际风电产业,发展新的领域,是方向中的方向。
4风力发电机组不断向大型化发展
随着现代风力发电技术的发展日趋成熟,风力发电机是,保持大规模发展。
在一般情况下,有两个大型风力发电机组的发展模式。
基于土地的风电,低风速发电技术,主要机型的方向是2-5兆瓦的大型风力涡轮机,这种模式是向电网的输电。
海上风电,主要用于在相对较浅的近岸海域,安装5MW以上的大型风力发电机,布置大规模的风力发电场,这种模式的主要制约因素是规划建设风电场的成本,但海上风电的优势是显而易见的,即不占用土地,海上风能资源。
1.3本课题的研究意义传统的单一的风能或太阳能发电系统,可能会导致全国大部分地区在一个特定的时间,将会能源不够用枯竭,如果使用风能和太阳能可以解决单一能源的不足。
了解大部分城市,已几乎成为中国的风能和太阳能路灯的基本设施城市建设,在我国目前绝大多数单一的传统供应电能使用。
城市发展,道路建设,路灯架设,这是巨大的能源消耗,在这个能源短缺时代,我们怎么能这样被消耗?
新的措施,以减少能源消耗,而且可以在不影响城市的发展,它是必要的可以更换能量,寻找新的措施减少能源的消耗但又不影响城市的发展,根据初步了解引进风能和太阳能的使用,既不浪费了大量的能源消耗,不污染环境的新型路灯风光互补是我们新的城市绿色低碳生活的趋势。
2风光互补智能系统的基本原理
图2.1风光互补智能系统方框图
从节能的角度来看,整个的风能和太阳能的智能系统包括能源生产,储存,消耗三个部分。
风力发电和太阳能发电的部分,能量产生环节,分别不确定性的风能、太阳能转化为稳定的能源,最大可能消除能源供应和需求,由于天气和其他因素之间的不平衡,引进电池的能量匹配来调整与平衡,承担的储能电池系统,是指各种电气负载的能量消耗,有两种类型的流负载和交流负载。
匹配的直流负载的工作电压可以直接连接到电路,工作电压不匹配,然后通过一个直流负载通过直流变换器后接入电路;交流负载连入电路时需要配备逆变器。
2.1传统的风力发电系统的原理
2.1.1风力发电系统的原理将风能转换动力机械,工作机械,也被称为风车。
广义地说,它是一个以太阳光作为热源,以大气为工作介质的热利用引擎。
利用自然能源的风力发电。
风电作为备用电源,但可以长期使用。
风力发电的原理,风力带动风车叶片旋转,通过增压器的旋转速度更快,推动发电机发电。
根据目前的风车技术,大约（微风的程度）是每秒三公尺的微风速度,便可以开始发电。
保护电路的电源,逆变器,蓄电池化学成220V交流电源,方可确保系统的稳定。
机械连接与功率传递水平轴风力涡轮机叶片连接,将转矩传递到发电机的驱动轴通过齿轮箱及其高速轴与万能弹性耦合,这种耦合应具有良好的吸收阻尼和震动的特性,吸收适量的径向,轴向和一定角度的偏移,并且联轴器可阻止机制超载。
另一种直驱型风机桨叶通过齿轮箱与电机风扇电机直接连接[1]。
2.1.2风机输出特性风力涡轮机的启动,需要一定量的转矩克服内部电阻,这一刻被称为起动转矩。
的起动转矩和变速机构的摩擦阻力,从而有一个最低的工作风速,风速大于υfmin风力涡轮机的工作。
当风速超过设定值时,基于安全方面的考虑,风力涡轮机,应停止运行,还设置了最大经营风υf这个值和材料强度的风力发电机组。
在之间的υfminυf风速称为风速,风力发电机的输出功率,称为额定风速达到额定功率的风。
要充分利用风,根据当地风能资源确定υfmin和额定风速,然后选择合适的机型。
风力机只能从风能中获取小部分能量,吸收能量的程度可用风能利用系数Cp来衡量。
对于一台实际的风力机,其机械功率Pm可以用下式表PW是由风轮的风能扫过的面积,D为转子直径;CP为风能利用系数,它不是一个恒定值,风速的变化,风扇转速和风扇叶片参数变化,υ是风轮远前方风速。
在风力发电系统中,发电机及控制系统承担的功能的机械能转换为电能的发电机直接决定的转换过程中,效率和输出功率质量的性能。
因此,选择合适的发电机是风力发电工作的重要组成部分。
工程上使用风速功率曲线来表示风力发电机的运行特性[2]。
2.1.3风机的选择
本系统选用300W磁悬浮风力发电机,风机输出三相交流电,经过风光智能控制器给蓄电池充电。
全永磁悬浮风力发电机的低风速区域开发的应用程序与全尾款推力轴承永磁悬浮风力压力引起的轴向摩擦力,以减少传统风扇叶轮上的轴向压力增加,因为是专为大型风力叶轮旋转轴向摩擦力的作用下,这是提高风扇转速,减小轴向摩擦,并增加发电能力是显着的,而旋转的风扇转子系统径向摩擦力可减小70%或更多,大大降低了摩擦阻力,起始风速为1.5米/秒,明显优于普通的风力涡轮机
A、在性能方面:
新一代专利的永久磁铁转子的径向磁结构,无滑环,励磁绕组,定子和转子的气隙大,使发电机具有低速发电性能,高效率,高比功率大的特点,能够适应高速的应用程序的使用。
B、可靠性强:
采用全永磁悬浮轴承,使整个转子微摩擦状态,然后使用专用的辅助轴承宽系列双橡胶圈密封轴承（包括长寿命,高低温润滑脂）;浸泡先进真空技术发电机,可靠性高,寿命长,结构简单,免维护的特点,同时使发生器,在极其恶劣的环境条件下可靠地工作。
以下为技术参数:
型号FD1.5-0.30/10C安全风速:
50.0米/秒
叶片直径:
1.5米额定直流输出:
12V/24V
起动风速:
1.5米/秒额定功率:
300W
切入风速:
2.5米/秒过风保护方式电磁制动
额定风速:
10米/秒
2.1.4风力发电系统的不足最简单的风力发电机组也可以是由叶轮和发电机两部分组成的,叶轮和发电机的作用下叶轮上的空气流的动能,动能转换成机械能,从而推动旋转的叶轮。
如果连接到轴上和叶轮,将被驱动发电机轴发生器发出电。
但风力发电系统的不足也非常明显,主要有几点:
1）噪声,视觉污染给人们的生活带来不便并且造成了一些污染;
2）在当今土地资源匮乏的情况下增加了资源消费;
3不稳定,不可控,风是自然形成而不受人有效的控制;
4）由于材料成本还是技术成本都比较高,所以不能普遍的使用风力;
5大量的建造风力发电的设备让鸟类没有地方栖息,破坏了生态坏境。
2.2光伏发电系统的组成及原理
2.2.1太阳能电池的工作原理光伏发电系统分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。
在偏远地区,太阳能户用电源系统,通信信号电源,阴极保护,太阳能路灯,以及各种用电池可以独立运行的光伏电站供电系统是一个独立光伏系统。
图2.2是一个独立的光伏发电系统的概略结构图,光伏发电系统包括太阳能电池,阻塞二极管,调整控制器和电池。
图2.2为一独立光伏发电系统的结构示意图
2.2.2太阳能阵列的等效电路太阳能电池I-V特性与太阳辐射强度S和太阳能电池温度T有极大关系,即有IfU,S,T。
采用单结晶硅为材料的太阳能电池电路原理如图2.3所示
图2.3太阳能电池等效电路原理图
由于器件响应时间比光伏系统的时间常数要小很多,因此结电容可以忽略。
为沿电池边缘的等效并联电阻,为等效串联电阻。
由图2.3的太阳能太阳能电池等效电路得出:
（2.2）
其中:
I是太阳能模块输出电流,IL是光生电流,ID是流过二极管电流,Ish是太阳能模块漏电流。
2.2.3太阳能电池板的选择多晶硅太阳能电池与单晶硅比较,因为使用单晶硅小于,成本远远低于硅电池,具有独特的优势。
然而,因为它是存在的明显缺陷的晶界,位错,导致多晶硅光电转换率一直无法突破屏障的20%,低于硅太阳能电池。
实验室常规硅太阳能电池的转换效率最高为18%,10%的转换效率的工业规模生产。
然而,格鲁吉亚研究所光伏中心使用磷吸杂和双减反射膜技术,电池效率达到18.6%;新南威尔士大学的PERL的太阳能中心使用类似的电池技术,电池效率达到19.8%;日本Kysera公司技术,采用PECVD氮化硅钝化及抗反射扮演着双重角色,再加上表面纹理和背表面场技术,15×15Cln的区域多晶硅电池转换效率为17.1%,这种电池技术已经实现了工业化生产,商业化电池效率在14%以上。
最近德国弗劳恩霍夫协会的研究人员采用新技术,使世界上第一台多晶太阳能电池转换率达到20.3%。
如在工业生产中大规模使用这项新技术,成本低的优势的基础上,预计多晶硅太阳能电池将很快占领市场。
该设计采用了太阳能电池的性能指标:
75W多晶硅太阳能电池,光电转换效率≥15%,从性能和项目实施的角度着想,选择太阳能多晶硅电池板更好[3]。
2.2.4光伏发电系统弊端
1光电转换率是很低的。
太阳能光电转换效率低,仍然是全国乃至世界作为一个完整的研究小组一直希望妥善解决问题。
2光伏发电需要大量的面积。
太阳能电池板正越来越多地在城市建筑的屋顶,墙面的装饰,成为一个座成为一座座所谓“清洁无污染”的清洁电站,但是这种被称为“绿色电站”背后,潜伏着一个所谓的”清洁无污染的太阳能电站。
一系列的高能耗,高污染的生产过程。
这种电池面积扩大降低效率。
这是另一个太阳能发电需要充足的阳光和大面积区域的矛盾。
3所需要的复杂照明要求。
太阳能发电的必要条件是光照指数,如果在阴雨天,天气闷热的情况下,转换效率将大大降低太阳能光伏发电效果,但是,该系统还需要连续不断地供电。
4光伏发电成本太高。
的太阳能电池板的效率只达到22%,但目前的晶体硅太阳能电池晶片的主要材料,但是,使用的硅太阳能电池板中央,高纯度为99.9999%。
硅技术由德国,日本,美国和其他几个公司垄断,但国内高端材料的研发需求。
可以想像,太阳能硅都是进口的。
这是值得很多钱,成本太高。
2.3蓄电系统
2.3.1蓄电池的特性蓄电池的工作特性包括:
静止电动势、内阻、充电特性和放电特性。
而我们通常所说的静止电动势就是蓄电池处于静止状态时,正负极板之间的电位差（即开路电压）称为静止电动势。
蓄电池的内阻就是电流流过蓄电池时所受到的阻力,蓄电池的内阻包括以下几部分:
（1）极板内阻很小,随活性物质的变化而变化,充电时变小,放电时变大;
（2）隔板内阻与材料有关;
（3）电解液内阻温度升高,内阻下降;
（4）联条内阻很小,为定值。
在恒流充电过程中,蓄电池的端电压UC和电解液密度ρ25℃随时间tC而变化的规律,这个就是我们说的充电特性。
可是在恒流放电过程中,蓄电池的端电压Uf和电解液密度ρ25℃随时间tf而变化的规律。
在密度为1.05~1.30g/cm3范围内
ES0.85+ρ25℃（V）2.3
其中,ρ25℃（V）为25℃时电解液的相对密度ρ25℃ρT+0.0007（T-25）2.4
2.3.2铅蓄电池的工作原理铅蓄电池属于二次电池,其充放电过程是一种可逆式电化学
反应。
由于铅蓄电池的电解液是硫酸水溶液,所以在充放电过程
中,蓄电池内电流的形成就是靠正负离子的反方向运动来实现的。
一、铅蓄电池的放电过程
铅蓄电池的放电过程是化学能转变为电能的过程。
蓄电池供给外电路电流时称为放电,放电时电流从正极流出,经用电器流向负极。
在蓄电池内部的电流方向则与上述方向相反,电流是从负极流向正极的。
在电流的作用下,电解液内部处于电离状态,硫酸和正负极板上的活性物质反应形成硫酸铅,硫酸量逐渐减少,硫酸中的氢和正负极板上的二氧化铅的氧气发生反应变成水。
根椐电解液相对密度的大小可以判断蓄电池的放电程度和确定放电终了的主要标志。
必需注意在正常使用情况下,蓄电池不宜放电过度,否则,将使和活性物质在一起的细小硫酸铅结成较大的结晶,增大了极板电阻,影响充电时的还原。
整个放电过程的化学反应式是:
PbO2+Pb+2H2SO42PbSO4+2H2O2.5）
二、铅蓄电池的充电过程铅蓄电池的充电过程是电能转换成化学能的过程。
若使铅蓄电池在放电终了后,使正负极板上的生成物质恢复为原来的活性物质,就必须具备一定的条件,这个条件是利用直流电源进行充电。
充电的过程与放电过程正好相反,铅蓄电池内部电流方向是从正极流向负极,充电的电流即从负极流出,经过充电设备流向正极。
在充电电流的作用下,正负极板上硫酸铅分形成二氧化铅和铅,硫酸反回电解液中,当电池充电后,两极板活性物质被恢复为原来的状态,而且电解液中的硫酸成份增加,水份减少。
铅蓄电池充电终期可由电解液相对密度的大小来判断。
充电终期时,由于正负极上的硫酸铅（PbSO4）已大部分转变成二氧化铅（PbO2）和海绵状铅（Pb）。
如果再继续充电,充电电流只能起分解水（H2O）的作用,结果在负极板便有氢气逸出（H2）,在正极板则有氧气（O2）逸出,形成强烈的冒气现象。
因此充电终期,电流不宜过大,否则,产生气泡过于剧烈,易使极板活性物质脱落,所以充电电流应适当的减小[4]。
整个充电过程的化学反应式是:
2PbSO4+2H2OPbO2+Pb+2H2SO4（2.6）
2.3.4蓄电池的选择
铅酸蓄电池-免维护蓄电池:
1、寿命:
6年以上
2、电池仓:
须满足埋地、密封、防水、防潮、防冻要求。
要采用防盗螺丝,并具有蓄电池防盗措施。
3、点亮时间:
太阳能蓄电池充满电可满足3个晚上的道路照明使用。
2.3.5蓄电池的工作温度影响
独立运行的太阳能光伏发电系统,电池的关键部件,它的主要作用是存储和调节功率,我国还没有专门用于太阳能光伏发电系统的电池,而是使用了传统的铅酸电池,主要类型:
固定式铅酸蓄电池,工业型密封电池,小型密封电池、启动型蓄电池等.温度是影响蓄电池使用寿命的主要因素之一.蓄电池的工作受到温度影响的主要表现在蓄电池的容量上和寿命上,由于蓄电池在低温或高温环境工作都会影响其工作性能,尤其是在低温下,其工作容量将会下降很多,这是蓄电池特性所决定的。
在地表下1米-1.5米处,其环境温度受地温的影响较明显,起到一定的“恒温”作用,使其在冬季温度觉地表以上高,在夏季炎热时又比地表上温度低,有利于蓄电池性能的发挥。
由于发电系统的输入能量极不稳定,所以一般需要配置蓄电池系统才能工作。
电池容量的选择一般要遵循以下原则:
首先,以满足夜间照明,白天的能量尽可能的前提下,向下存放电池组,而且还能够存储连续阴雨天,夜间照明,以满足能源需求。
蓄电池容量过小不能够满足夜晚照明的需要,电池过大,而电池则一直处于亏电状态,影响电池寿命,但浪费了。
电池应该是太阳能电池,用电负荷（路灯）来匹配。
可以是一个简单的方法来确定它们之间的关系。
太阳能电池功率必须比负载功率,系统工作正常高出四倍以上。
太阳能电池的电压超过电池电压是20%-30%,以保证正常的电池的负极。
电池的容量必须大于6倍的消耗比适当的负载。
2.4桥式整流、滤波电路
2.4.1单相桥式整流滤波电路
图2.4单相桥式整流电路图及波形图
单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路。
在分析整流电路工作原理时,整流电路中的二极管是作为开关运用,具有单向导电性。
根据图2.4左图的电路图可知:
当正半周时,二极管D1,D3导通时,负载电阻,得到的正半周期的正弦波。
负半周时,二极管D2,D4导通时,负载电阻器,以获得负半周期的正弦波。
合成后的负半周的负载电阻,从而在同一个方向的单向脉动电压。
2.4.2三相桥式整流滤波电路
图2.5三相桥式整流电路电路图
由于风机是一个三相交流电的发电时,就需要使用三相整流桥整流滤波电路,具体电路2.5所示。
三相桥式整流电路的工作原理,分析方法和单相桥式整流电路基本相同,这里就不再重复分析。
单相桥式整流电路的三相桥式整流电路,即太阳能电池,风产生的交流电流转换成直流电路,因此电池的充电操作。
2.5负载跟踪控制负载跟踪控制环节和功耗方面的发电功率匹配控制。
负载的不确定性要求系统输出的能量应与蓄电池和负载所需求的能量相匹配,负载所需求能量不多时,该系统将不再需要跟踪最大功率点的太阳能电池板的输出。
根据系统要求,在电池板输出能量大于负载需求能量时,对太阳能电池板负载跟踪控制。
控制器计算可接受的最大负载电流,电池电流和电池的端电压值,计算出的负载和电池电源的需求,并且该电源的太阳能电池板的输出功率作为基准值的值,利用PI调节器调节DC/DC占空比实现功率匹配。
2.6光源跟踪控制要提高有效时间的光照和太阳能电池板发电效率,可跟踪光源的太阳能电池板开始被应用于风光互补发电系统中。
光敏传感器和驱动电机的基础上,常规的太阳能电池板,该系统可以通过一个特定的设备,光源跟踪控制的仰角和方位角的面板。
光源跟踪控制技术,可以有效地利用太阳能资源,增加发电能力。
然而光源跟踪装置电能消耗较大,他们失去了一定的实用价值。
该控制技术是适用于光源不稳定或快速变化的场合。
基于特定的场合所设计的风力发电和太阳能发电系统控制器的设计,太阳能电池板光源跟踪控制,使用光电晶体管作为感光传感器,驱动电机选用步进电机作为执行机构,其控制过程为:
早上选择跟踪太阳位置,太阳能电池板接收太阳辐射最强,当太阳下山,或返回到初始位置朝向东方的天空光板差,再次检测初升的太阳或天空光变得更强,继续按照光源。
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