1、 編號: 湖北文理學(xué)院理工學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 題 目 風(fēng)光互補(bǔ)家用充電電源的設(shè)計(jì) 系 別 機(jī)械系 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 班 級 1113班 學(xué) 號 11316348 姓 名 易夫 指導(dǎo)教師 朱文利 起訖日期 2014.11.202015.5.20 1 誠信保證我承諾，我的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）是獨(dú)立完成的，遵守學(xué)校有關(guān)規(guī)定，恪守學(xué)術(shù)規(guī)范，本人畢業(yè)論文內(nèi)容除特別注明和引用外，均為本人觀點(diǎn)，不存在剽竊、抄襲他人學(xué)術(shù)成果，偽造、篡改實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況，本文如涉及知識產(chǎn)權(quán)糾紛，由本人負(fù)完全責(zé)任。簽 名：易夫日 期：2014.12摘 要率隨著社會的飛速發(fā)展和能源需求的日益增長，能源問題已成為人類生

2、存發(fā)展的首要問題。像傳統(tǒng)的煤炭、石油、天然氣等，均為不可再生能源。隨著工業(yè)的采伐，這類資源會日益枯竭，那么，尋求和探索其他的可再生能源來漸漸替代傳統(tǒng)的不可再生能源，就變得日益緊迫了！而風(fēng)能、太陽能這類取之不盡用之不竭的可再生能源，無論從能源需求和生態(tài)保護(hù)方面，都是理想的替代品。從而，采取措施加大力度來開發(fā)并科學(xué)的利用這類資源就顯得尤為重要了。近年來，太陽能和風(fēng)能的利用日益受到各國的普遍重視。它們在新能源領(lǐng)域的開發(fā)與利用中，已具備了相當(dāng)成熟的理論和技術(shù)水平。而本課題所研究的就是，如何將風(fēng)能、太陽能這兩種極具互補(bǔ)性的能源加以利用，設(shè)計(jì)一款低成本、高效率的適合家庭使用的風(fēng)光互補(bǔ)家用充電電源，來減輕和

3、滿足普通家庭的供電需求。與單獨(dú)的光伏或風(fēng)力發(fā)電相比，風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)，更能夠提高供電的穩(wěn)定性，并且降低成本，提高能源利用率。這種技術(shù)，它能夠適應(yīng)天氣變化的局限性，不論在風(fēng)多日照少的秋冬，或是日照充足而風(fēng)少的春夏，都能將風(fēng)能與光能合理的加以利用。而由此種技術(shù)形成的充電系統(tǒng)，一定能夠極大的滿足家庭的日常用電生活。 關(guān)鍵詞：可再生能源 ， 風(fēng)光互補(bǔ) ， 穩(wěn)定性 ， 利用率Abstract Rate with the rapid development of society and the growing demand for energy, the energy problem has become a

4、 primary issue in the development of human survival. Like a traditional coal, oil, natural gas, etc., are non-renewable energy. Such as industrial logging, resources will be increasingly dried up, so, seek and explore other renewable energy to gradually replace the traditional non-renewable energy,

5、it becomes increasingly urgent! And this kind of wind power and solar energy inexhaustible renewable energy, no matter from the aspects of energy demand and ecological protection, is the ideal substitute. Thus, to take measures to intensify efforts to develop and scientific use of such resources is

6、particularly important. In recent years, the use of solar and wind power is paid great attention to by countries increasingly. They are in the field of new energy development and utilization, has the quite mature theory and technology level. And this topic research is, how will these two highly comp

7、lementary wind power and solar energy energy use, design a low cost, high efficiency, suitable for family use scenery complementary home charging power supply, to alleviate and to meet the demand of ordinary families Compared with the single solar or wind power, scenery complementary technology, mor

8、e can improve the stability of the power supply, and reduce cost, improve energy utilization. This technique, it can adapt to the limitations of the weather changes, no matter how less sunshine in the wind of autumn and winter, less or sunny and wind of spring and summer, can will be reasonable to u

9、se wind and light energy. And thus the charging system, the formation of technology will greatly meet family daily life. Keywords: Renewable energy , Scenery complementary,stability, unilization ratio目錄第1章 緒論 .6 1.1 課題的研究背景和意義 .6 1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及趨勢 .7 1.2.1 風(fēng)機(jī)發(fā)電現(xiàn)狀 .7 1.2.2 光伏發(fā)電現(xiàn)狀.7 1.2.3 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀.81.

10、3 課題的研究內(nèi)容.8第2章 風(fēng)光互補(bǔ)充家用充電電源系統(tǒng)設(shè)計(jì).92.1 系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理.102.2 光伏發(fā)電機(jī).10 2.2.1 光伏列陣發(fā)電量的計(jì)算.112.3 風(fēng)電發(fā)電機(jī).13 2.3.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電量的具體計(jì)算.132.4 風(fēng)光互補(bǔ)控制器.16 2.41 MPPT最大跟蹤點(diǎn)控制技術(shù).16 2.42 Boost/Buck變換器.17 2.43 單片機(jī)的選測與程序設(shè)計(jì).18 2.44 控制器的工作模塊.19 2.45 控制器的狀態(tài)模塊.192.5 逆變器.20 2.51 反饋控制.21 2.52 DC/DC模塊.22 2.53 DC/AC模塊.222.6 充放電蓄電池組.23 2.

11、6.1 蓄電池組的容量.232.7 三相雙電壓整流.242.8 并聯(lián)冗余智能均流電路.24第三章 課題總結(jié).25參考文獻(xiàn).26致謝.27第一章 緒論1.1 課題的研究背景和意義 當(dāng)今社會，能源問題已成為人類生存和發(fā)展的重大問題。人們的衣食住行都離不開能源，然而正在為人類利用消耗的能源，已經(jīng)原來越少，據(jù)科學(xué)估算不久的將來，煤炭、石油等資源就會枯竭。與此同時(shí)，這些能源使用過程中所產(chǎn)生的廢氣，也給我們空氣帶來的嚴(yán)重的污染。因此，開發(fā)和利用清潔的風(fēng)能、太陽能這些可再生能源來取代傳統(tǒng)的不可再生能源，就顯得越發(fā)緊迫和重要了。 太陽能風(fēng)能的利用日趨受到各國的重視，已成為新能源領(lǐng)域中開發(fā)水平最高，技術(shù)最成熟，

12、應(yīng)用最廣泛的新型能源。在我國，超過一半的地區(qū)每平方米日照年輻射量達(dá)到了502千焦。同時(shí)，我國的風(fēng)力資源也相當(dāng)豐富，據(jù)氣象部門統(tǒng)計(jì)，全國陸地按離地10米高度計(jì)算風(fēng)能資源總量約32億千瓦時(shí)。由此可見，我國是一個(gè)非常適合利用風(fēng)能與太陽能的國家。 進(jìn)入21世紀(jì)后，光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電在許多國家都取得了許多突破，同時(shí)也讓光伏與風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)得到了飛速的發(fā)展。在2010年舉行的“發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)應(yīng)對氣候變化”的主題報(bào)告上，國家發(fā)改委介紹了發(fā)展新能源的目標(biāo)：到2020年，風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到1億千瓦，可減排二氧化碳約1.6億噸；太陽能裝機(jī)達(dá)到2千萬千瓦時(shí)以上，每年可節(jié)約1萬噸煤炭，可減排二氧化碳約2千萬噸。近年來

13、，在風(fēng)能與太陽能的利用與開發(fā)上，國家給予了大量政策與資金支持，隨著節(jié)能減排目標(biāo)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，風(fēng)能和太陽能的開發(fā)和利用將得到更多的政策支持。所以，風(fēng)光互補(bǔ)的發(fā)展前途在未來一定會更加良好。 在世界范圍內(nèi)，越有5億人口仍未用上電，這些人群主要集中在偏遠(yuǎn)的地區(qū)。而我國也有將近2千萬的居民沒有用上電。各國政府都在竭力解決這些問題。顯然，給這些地區(qū)使用上風(fēng)光互補(bǔ)家庭供電系統(tǒng)就能夠很好地解決問題。這種系統(tǒng)，不僅能夠緩解各地區(qū)的供電壓力，同時(shí)提供了一種環(huán)保清潔的解決方法。 風(fēng)能和太陽能都是可再生的能源，同時(shí)也容易受到大自然的制約。在我國，風(fēng)能一般是秋冬季節(jié)豐富，而太陽能主要是春夏季節(jié)充足。顯然，他們是具有

14、互補(bǔ)性的，單獨(dú)的利用太陽能與風(fēng)能都有許多弊端。這種互補(bǔ)性不僅在于季節(jié)上，還在于時(shí)間上，如在我國的西北地區(qū)白天日照充足夜間風(fēng)大。所以將兩種能源互補(bǔ)使用，不但能夠提高利用率，還能提高應(yīng)用范圍。 本課題研究的正式這種將風(fēng)能太陽能互補(bǔ)利用，給家庭用戶提供清潔環(huán)保的電能。它的研究意義在于：節(jié)約能源，緩解能源危機(jī)，提供清潔環(huán)保的可再生能源；另外，一旦這種技術(shù)得到改善優(yōu)化，能夠大規(guī)模的使用，一定能帶來豐厚的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及趨勢1.2.1 風(fēng)機(jī)發(fā)電現(xiàn)狀經(jīng)過多年的發(fā)展，風(fēng)機(jī)產(chǎn)業(yè)日趨成熟，全球風(fēng)點(diǎn)裝機(jī)呈快速增長趨勢。從總體來看，歐洲、美洲、亞洲是風(fēng)點(diǎn)裝機(jī)增長速度最快的地區(qū)。據(jù)全球風(fēng)能

15、協(xié)會預(yù)測，在未來幾年，全球風(fēng)電裝機(jī)仍將快速增長。據(jù)估計(jì)，到2020年，風(fēng)能將滿足全球12%的能源需求，可減排二氧化碳100億噸。 在我國，風(fēng)力資源豐富，未來仍有很大的發(fā)展空間。到2009年，我國風(fēng)電裝機(jī)已達(dá)到2130萬千瓦，近三年風(fēng)點(diǎn)裝機(jī)增長率都保持在30%以上，現(xiàn)今已成為世界風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量第三的國家。預(yù)計(jì)未來我國風(fēng)電裝機(jī)仍將保持快速增長。1.2.2 光伏發(fā)電現(xiàn)狀近年全球光伏發(fā)電保持快速增長，到2010年全球太陽能裝機(jī)容量就達(dá)3000MW以上，期間，光電產(chǎn)業(yè)貸款融資金額增長近100億美元。雖然受到金融危機(jī)影響，德國、西班牙對光伏大點(diǎn)的投入有所降低，單騎政策扶持仍然在加大。據(jù)日本官方報(bào)道：太陽能發(fā)

16、電量到2030年將比目前增長40倍。2008年，美國對光伏產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了許多的減稅政策。 在我國，太陽能資源十分豐富，開發(fā)利用的潛力非常廣闊。現(xiàn)今，我國的光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快，僅2007就累計(jì)裝機(jī)10萬千瓦，太陽電池的生產(chǎn)達(dá)到300萬千瓦。2009年，我國又出臺了相關(guān)政策來扶持光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，讓光電產(chǎn)業(yè)相關(guān)的企業(yè)看到了機(jī)遇與希望。 1.2.3 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀國外開始研究風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)始于上世紀(jì)八十年代，針對風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)已開發(fā)出了相關(guān)軟件，可以根據(jù)系統(tǒng)相關(guān)配置、特性等計(jì)算出一年的發(fā)電量，而且可對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析。在我國，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)起步較晚，所做研究主要在系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算、系統(tǒng)模型建立

17、等領(lǐng)域，但仍處于初級階段。目前，無論風(fēng)機(jī)還是光伏發(fā)電都有一個(gè)能源轉(zhuǎn)化率低的問題，與水利、煤炭發(fā)電相比，所需的成本更高。 在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的研究中，提高該系統(tǒng)的發(fā)電效率是一個(gè)關(guān)鍵問題，另外由于系統(tǒng)原件的匹配及戶外氣候變化等問題，其運(yùn)行后保障它的穩(wěn)定性也是一個(gè)難題。1.3 課題的研究內(nèi)容 一般而言，風(fēng)光互補(bǔ)家用充電電源的主要構(gòu)成有：風(fēng)力發(fā)電機(jī)，太陽能電池方陣，智能控制器，蓄電池組，逆變器等。這個(gè)系統(tǒng)在未得到科學(xué)全面的設(shè)計(jì)之前，要保證它各方面協(xié)調(diào)、穩(wěn)定、高效地是存在很多問題的。其一，系統(tǒng)中存在多個(gè)控制器，而它們都是獨(dú)立工作的，需要各方面的技術(shù)的保障。其二，風(fēng)光互補(bǔ)充電電源與獨(dú)個(gè)的風(fēng)電光伏發(fā)電不同，

18、在電能存儲的過程中具有間歇非線性的特點(diǎn)，而功率的輸出大小也容易收到環(huán)境天氣的變化影響，風(fēng)電機(jī)和光伏電機(jī)分別在風(fēng)速和日照的影響下，存在一個(gè)最優(yōu)轉(zhuǎn)化的問題。其三，蓄電池組在儲能過程中，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)電量高于負(fù)載用電負(fù)荷時(shí)，蓄電池組可能產(chǎn)生過沖現(xiàn)象。其四，智能控制器中風(fēng)電轉(zhuǎn)換與光電轉(zhuǎn)換都會用到DC/DC轉(zhuǎn)換器，里面存在一個(gè)大功率需求和提高穩(wěn)定性的問題。其五，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電壓是隨風(fēng)速變化的，如果直接輸入到DC/DC模塊轉(zhuǎn)換，輸出的電流是波動很大的直流電，而且DC/DC模塊轉(zhuǎn)換的范圍也會很有限。針對以上問題，本課題采取了以下方式： 一，為了保障風(fēng)光電機(jī)的協(xié)調(diào)、穩(wěn)定、高效工作，文章會采取一個(gè)基于PIC16F

19、73單片機(jī)的智能控制器對系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)的控制。 二，為了使風(fēng)光電機(jī)在氣候變化的條件下，得到高效的輸出電壓,本課題會采用MPPT最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，得到一個(gè)最大功率跟蹤效果并得到MPPT控制。 三，為防止蓄電池組過沖的現(xiàn)象，保障工作壽命，課題在蓄電池組中采取了恒壓-恒流聯(lián)合充電，保障其正常運(yùn)行。 四，在風(fēng)光電機(jī)進(jìn)行DC/DC轉(zhuǎn)換過程中，為保障其最大功率需求和運(yùn)行穩(wěn)定性，課題會進(jìn)行一個(gè)并聯(lián)冗余電路設(shè)計(jì)，使其得到一個(gè)高效率，動態(tài)性能好的工作環(huán)境。 五，風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)過整流濾波后在DC/DC模塊中進(jìn)行交換，針對其中轉(zhuǎn)換效率不高的問題，課題會將原來的全橋整流電路改成三相雙電壓整流電路，從而減少電能的浪費(fèi)

20、。第2章 風(fēng)光互補(bǔ)充家用充電電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理 風(fēng)光互補(bǔ)家用充電電源系統(tǒng)主要由光伏列陣（太陽能電池板）、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、智能互補(bǔ)控制器、逆變器、蓄電池組組成。 結(jié)構(gòu)圖如下： 圖2.1 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 其中光伏列陣是將太陽能轉(zhuǎn)化成電能，然后將電能儲存在蓄電池組中，或者通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)化成交流電直接用于負(fù)載。光伏發(fā)電的原理是光生伏打效應(yīng)，原理是：在電池板的兩極的半導(dǎo)體中摻入了不同原子，使其成為一側(cè)是帶負(fù)電的N型半導(dǎo)體，一側(cè)是帶正電的P型半導(dǎo)體；當(dāng)太陽光照如PN結(jié)合部時(shí)，空穴由N極區(qū)往P極移動，而電子則由P極往N極移動，于是形成了電流。 而風(fēng)力發(fā)電機(jī)是由兩部分組成的，其中風(fēng)力

21、機(jī)先將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后帶動發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。在風(fēng)的吹動下，使空氣動力轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而風(fēng)輪固定在發(fā)電機(jī)軸上。風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動驅(qū)動發(fā)電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)，帶動永磁三相發(fā)電機(jī)發(fā)出三相交流電。而戶外風(fēng)速不斷變化，忽大忽小，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓與電流也隨之變化，發(fā)出的電經(jīng)過控制器的整流，由變成一定電壓的直流電，并向蓄電池組進(jìn)行充電。 風(fēng)光互補(bǔ)控制器是由主電路板和控制電路板組成。主電路板主要包括不控整流器、DC/DC變化器，防反充二極管組成。控制電路板的控制芯片為PIC16F73單片機(jī)，它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制工作，是控制核心部分。外圍電路包括電壓、電流采樣電路，功率管驅(qū)動電路，保護(hù)電路，輔助電路等。它采用了MP

22、PT最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，能夠高效率的轉(zhuǎn)化風(fēng)電機(jī)和光伏電機(jī)所產(chǎn)生的電能。工作原理：太陽能光伏控制器與風(fēng)力控制器分別對光伏電機(jī)和風(fēng)電機(jī)所產(chǎn)生電能進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制；另外，把調(diào)整好的電能輸送給直流負(fù)載或交流負(fù)載，而多余的能量按蓄電池的特征曲線對蓄電池組進(jìn)行充電，當(dāng)發(fā)電量低于負(fù)載需求時(shí)，控制器會把蓄電池組的電能輸往負(fù)載。蓄電池組充滿電后，控制器會控制電池不被過沖。當(dāng)蓄電池儲存的電能不足時(shí)，控制器會控制蓄電池不被過放電，保護(hù)蓄電池。 逆變器主要是由驅(qū)動電路、變壓器、濾波器、保護(hù)電路等組成組成。作用是將蓄電池組中儲存的直流電轉(zhuǎn)換成交流電提供給負(fù)載使用。它的工作原理是：蓄電池組中產(chǎn)生的直流電分兩路流經(jīng)逆變器，一

23、路給前級IC產(chǎn)生一個(gè)高頻率的控制信號，這個(gè)信號會控制流經(jīng)另一路的前級功率管，使高頻變壓器產(chǎn)生一個(gè)高頻交流電，再經(jīng)過一個(gè)全橋整流轉(zhuǎn)換成一個(gè)高頻的直流。高頻直流通過后級功率管后，由后級產(chǎn)生的控制信號控制后級功率管輸出220V50HZ的交流電，提供給負(fù)載使用。 充放電蓄電池組（以鉛酸蓄電池為例）主要由正極板（過氧化鉛）、負(fù)極板（海綿狀鉛）、電解液、隔離板等組成。充電過程中，陽極板與陰極板上的硫酸鉛在電解反應(yīng)中被分解還原成硫酸鉛和過氧化鋁，電解液的濃度增加，當(dāng)兩極的硫酸鉛被還原成原來的活性物質(zhì)時(shí)，即充電結(jié)束；放電過程，蓄電池連接外部負(fù)載時(shí)，稀硫酸會與陰極、陽極上的活性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成硫酸鉛，放電

24、過程硫酸從電解液中釋出，硫酸濃度變稀。2.2光伏發(fā)電機(jī) 前文介紹了光伏發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理，我們知道一臺光伏發(fā)電機(jī)的核心就是太陽能電池方陣。目前市場上太陽能電池種類繁多，按照電池的轉(zhuǎn)化效率從大到小有單晶硅、多晶硅、非晶硅等。在日照強(qiáng)度達(dá)到要求時(shí)，光電板開始工作產(chǎn)生電能，控制器將輸出的直流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電給蓄電池充電。本課題可采用的太陽能電池板為單晶硅或多晶硅太陽能電池板。課題會采用24V的太陽電池，參數(shù)如下：項(xiàng)目額定電壓額定電流開路電壓短路電流輸出串聯(lián)電阻標(biāo)稱功率參數(shù)36.53.3843.23.750.003120單位VVAAW 表2.2 太陽能硅電池參數(shù)表風(fēng)電機(jī)發(fā)電量是隨日照強(qiáng)度，環(huán)境溫度

25、變化的。日照強(qiáng)度與住戶所在地區(qū)、時(shí)間、海拔高度等有關(guān)。而太陽能光伏列陣的角度是可調(diào)的，對光伏列陣的平均發(fā)電量，課題給出了一種可行的方法。影響光伏發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的因素有： 一、用戶地區(qū)日照輻射情況 二、系統(tǒng)負(fù)載功率大小 三、系統(tǒng)輸出電壓 四、系統(tǒng)每天的工作時(shí)長 五、蓄電池組功率 2.2.1 光伏列陣發(fā)電量的計(jì)算 在實(shí)際計(jì)算中，光伏發(fā)電量是隨日照變化而變化的，為了表征太陽能發(fā)電的峰值功率，我們用WP表示；太陽能電池板的功率是由工作時(shí)長及給蓄電池組的供電量確定的，而我們知道，蓄電池的組的電能是由風(fēng)電機(jī)與光伏電機(jī)兩部分提供的，所以需要參考用戶所在地每天的日照及風(fēng)能資源的情況，來協(xié)調(diào)分配風(fēng)電機(jī)與光電的工作時(shí)

26、長。在光電板產(chǎn)生電能后的傳輸過程中，光電控制器效率和逆變器效率等都會影響到實(shí)際的傳輸效率，這種損耗是不可避免的，這就需要全面的考慮與科學(xué)的計(jì)算。光伏發(fā)電量的計(jì)算公式： 1. 首先根據(jù)公式 Sin (其中 太陽直射點(diǎn)的緯度），然后根據(jù)利用公式Sin h=SinSin+CosCosCos A 其中方位角A=（T-12）15（當(dāng)?shù)亟?jīng)度-116）是當(dāng)?shù)氐木暥仁翘柍嗑曁柲芨呓嵌萮：太陽光線與地平面之間的夾角2. 根據(jù)公式 tan 和支架安裝方位角，計(jì)算出太陽光在地面的投影與組件支架的夾角 （：太陽光與地面投影與支架的夾角 ，：光伏支架安裝傾角)3. 根據(jù)公式Sm=S0*Pm 計(jì)算出太陽能投射到地面的

27、輻射強(qiáng)度Sm； （太陽能在大氣層外的輻射強(qiáng)度 SO ， 當(dāng)?shù)卮髿馔该飨禂?shù) P ）4. 利用公式 c=h+ 計(jì)算出太陽能與光伏支架的夾角c5.由S，=Sm*Sin c 計(jì)算出直射到光伏組件的太陽能輻射強(qiáng)度S，根據(jù)光伏板輸出功率與太陽能直射輻射強(qiáng)度關(guān)系，計(jì)算出光伏板輸出功率；根據(jù)每天不同時(shí)刻的輸出功率計(jì)算每天的平均發(fā)電量 ，從而計(jì)算出年均發(fā)電量。 我們知道在一年中每天的日照小時(shí)數(shù)都不一樣，它是受到用戶地理位置與季節(jié)的影響的。另外，由于云霧影響，實(shí)際的日照數(shù)要小于理論值，我們用日照百分率（日照百分率=實(shí)際日照數(shù)/理論日照數(shù)×100%）來表示。根據(jù)國家規(guī)定的太陽能電池的測試條件，峰值日照數(shù)等

28、于標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下的日照數(shù)。（峰值日照數(shù)=光電池表面的太陽輻射/標(biāo)注光強(qiáng)） 如果光電池陣列獲得的是每日輻射，則計(jì)算出的是日峰值日照數(shù)；同樣的，年峰值日照數(shù)也能算出來。那么當(dāng)光電池陣列傾角確定后，就能夠根據(jù)電池板的功率計(jì)算出日均發(fā)電量。 圖2.2 光伏發(fā)電流程圖 圖2.3 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)圖2.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電量是由平均風(fēng)速和輸出特性決定的。風(fēng)能與風(fēng)速的三次方成正比，而地表的風(fēng)速隨高度上升而隨之變化，就是說風(fēng)葉轉(zhuǎn)軸架的高度對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出影響很大。即計(jì)算風(fēng)電機(jī)輸出時(shí)需把平均風(fēng)速這算到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸高度的相應(yīng)值。表達(dá)式： V/V0=(Z/Z0）a 其中V為一定高度處風(fēng)速；V0為參考高度處風(fēng)速；a

29、為地面粗糙度因子。由風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出特性方程和轉(zhuǎn)軸高度處的平均風(fēng)速可以很容易計(jì)算出發(fā)電機(jī)的發(fā)電量。 2.3.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電量的具體計(jì)算風(fēng)振影響系數(shù)圖如下總高度H10203040506070 地貌粗糙度A0.780.830.850.870.890.890.89B0.700.720.740.790.830.870.88C0.640.730.780.820.850.870.90D0.530.650.720.770.810.870.88 表2.3 風(fēng)振影響系數(shù)圖 表2.4 風(fēng)電機(jī)參數(shù)圖 我們知道，在密度一定的空氣中以V1吹到掃風(fēng)面積為S的風(fēng)輪上，能夠吸收的最大功率為空氣動能的0.593，此即為貝茲定理

30、。課題將采用直流電機(jī)輸出特性來模擬風(fēng)力機(jī)工作原理，直流電動機(jī)具有良好的調(diào)速特性，特別是優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩動態(tài)調(diào)節(jié)性能。直流電動機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)特性的本質(zhì)是，控制直流電動機(jī)的能量與轉(zhuǎn)矩與風(fēng)力機(jī)的能量與轉(zhuǎn)矩一致，即在風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速和直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速相同的情2況下，使直流電機(jī)輸出功率或轉(zhuǎn)矩與風(fēng)力機(jī)輸出功率或轉(zhuǎn)矩相同。風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電量的計(jì)算如下： 設(shè)風(fēng)速V ，空氣密度 ，發(fā)電機(jī)扇葉半徑R。動能：E=mv2=s2v風(fēng)輪從風(fēng)中吸收的功率如下：p=CpAv3 ;A=R2式中: p為輸出功率，Cp為風(fēng)輪機(jī)的功率系數(shù)， 風(fēng)電及葉片無法將風(fēng)能完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。根據(jù)德國物理學(xué)家阿爾勃特貝茨計(jì)算的風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)化效率的最大可能值，理論風(fēng)能

31、利用系數(shù)：整流風(fēng)機(jī)控制器逆變交流輸出交流負(fù)載蓄電池 圖2.3 風(fēng)力發(fā)電流程圖 圖2.4 風(fēng)電機(jī)系統(tǒng)圖 圖2.5 風(fēng)機(jī)具體結(jié)構(gòu)尺寸圖2.4 風(fēng)光互補(bǔ)控制器 前文介紹了風(fēng)光互補(bǔ)控制器的結(jié)構(gòu)及組成電路。本節(jié)先介紹它們的輸出特性。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出特性經(jīng)過二極管三相不整流控制，再通過大電容，其伏安特性和光伏電機(jī)輸出特性相似，都可以等效成帶一定電路的電源。控制器實(shí)際運(yùn)行時(shí)，當(dāng)負(fù)載阻值與電源內(nèi)阻相等時(shí)，輸出功率達(dá)到最大。如此，MPPT的控制問題就能轉(zhuǎn)化為阻抗匹配問題在輸出環(huán)節(jié)加入DC/DC斬波電路，將可將斬波電路和負(fù)載看做外負(fù)載。通過調(diào)整在斬波電路中開關(guān)上的占空比，我們可以得到等效的可變外負(fù)載。 光伏電機(jī)輸

32、出的伏安特性具有兩個(gè)階段，當(dāng)電壓不打時(shí)，電流變化小，當(dāng)電壓超過某一值時(shí)，電流迅速下降。光伏板輸出功率和輸出電壓表明，對于每一種工作環(huán)境，都有一個(gè)工作點(diǎn)使光伏板的輸出功率最大。 在蓄電池的外部端電壓一般變化不大，我們可以看做是不變的，即MPPT控制器的輸出電壓不變。而當(dāng)斬波電路中開關(guān)管驅(qū)動信號占空比變化時(shí)，控制器的輸出電壓也隨之變化。這個(gè)電壓就是輸出電源電壓，在系統(tǒng)搜索最大功率點(diǎn)時(shí)，它的變化范圍很廣，這個(gè)過程可看做是等效外負(fù)載在變化；在系統(tǒng)工作的最大功率點(diǎn)附近，占空比基本穩(wěn)定不變，控制器輸入電壓的變化主要在于加在風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速變化或光電板的工作環(huán)境變化而引起的。如果系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)的電壓值落在蓄電

33、池電壓的兩側(cè)，那么MPPT設(shè)計(jì)必須兼有升壓和降壓功能。本課題采用Boost/Buck結(jié)合的變化器在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。 2.41 MPPT最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù) 為了更有效地利用太陽能和風(fēng)能，風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)都希望在同樣的風(fēng)速、日照、溫度等條件下盡可能輸出更多的電能。MMPT控制就是去尋找風(fēng)電和光電總的最大功率點(diǎn)，通過這個(gè)最佳工作點(diǎn)，我們能夠高效地滿足家庭用戶風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的供電要求。 在風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)中，風(fēng)電機(jī)與光電是在相互影響的。由于風(fēng)能時(shí)刻在變化，風(fēng)光同時(shí)工作時(shí)，這一影響會很明顯。從理論上講，要想獲得最佳的最大功率跟蹤效果，應(yīng)該分別對風(fēng)電和光電進(jìn)行MPPT控制。風(fēng)電機(jī)和光電機(jī)發(fā)電分別會經(jīng)過一個(gè)DC/DC充

34、電控制器來實(shí)現(xiàn)MPPT控制，充電和放電控制點(diǎn)會隨著采樣溫度變化而變化，而逆變控制環(huán)節(jié)是由一個(gè)單片機(jī)來完成的。但是，這種MPPT控制方法和成本過高，對于普通的家庭用戶不夠經(jīng)濟(jì)劃算。 本課題會采取一種獨(dú)特的控制方式。在一般情況下，風(fēng)能資源通常在早晚大而中午小，太陽能正好相反，他們具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。那么，我們可以進(jìn)行這樣的控制設(shè)計(jì)：在早晚時(shí)，MPPT控制主要跟蹤風(fēng)電，而中午則在主要跟蹤光電，在夜間，MPPT全部跟蹤風(fēng)電。控制器控制規(guī)則表： 蓄電池未充滿風(fēng)電機(jī)與光電機(jī)均滿足蓄電池充電采用DC/DC變換電路，對蓄電池充電風(fēng)機(jī)發(fā)電滿足蓄電池發(fā)電，光伏發(fā)電不滿足蓄電池充電此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能利用DC/D

35、C電路為蓄電池充電，光伏電池切除，進(jìn)行卸荷風(fēng)電機(jī)不滿足蓄電池充電，光電機(jī)滿足蓄電池充電此時(shí)風(fēng)力機(jī)自鎖，停止發(fā)電；光伏電池利用DC/DC電路為蓄電池充電風(fēng)機(jī)與光伏發(fā)電均不滿足蓄電池充電風(fēng)電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，光電機(jī)取消充電，直到有一種方式滿足蓄電池發(fā)電蓄電池已充滿風(fēng)機(jī)與光伏發(fā)電中至少有一種能滿足蓄電池充電 此時(shí)風(fēng)電機(jī)自鎖，停止旋轉(zhuǎn)。光伏發(fā)電切除，進(jìn)行卸荷。取消充電過程風(fēng)機(jī)與光伏發(fā)電均不能滿足蓄電池充電 表2.5 MPPT控制表2.42 Boost/Buck變換器 常見的MPPT變換器有兩種：一種是Buck(降壓式）變換電路；一種是Boost(升壓式）變換電路。Buck變換電路的基本工作原理:當(dāng)開關(guān)管Q1

36、時(shí)，電感L將能量以磁場的形式儲存起來，隨著電源電壓對電感L的充電，L的電流對輸出電容C0充電，并提供負(fù)載電流I0，VD被反向偏置而截止。當(dāng)Q1截止時(shí)，L中消失的磁場使其極性顛倒，VD加正向偏壓而導(dǎo)通，電感和電容在提供負(fù)載電流 。Buck變換器輸出電壓平均值總是小于輸入電壓。 Boost變化電路的基本工作原理：當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，能量存儲在電感L 中，由于VD截止，所以Ton期間負(fù)載電壓和電流由電容提供，在 Q1截止時(shí)儲存在電感中的能量通過正向偏置的VD傳送到負(fù)載和電容，L放電電壓的極性與輸入電壓相同，且與其相串聯(lián)，因而提供一種升壓作用。Boost變換器的輸出平均值V0總是大于輸入電壓。 Buck/B

37、oost(升壓降壓）變換電路原理：當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，接在VIN兩端的L被充電，由于VD截止，所以Ton期間,負(fù)載的電壓和電流由電容提供。當(dāng)Q1截止時(shí)，存儲在L中的能量通過VD傳送到負(fù)載和電容CO，L上消失的磁場顛倒了電感器電壓的極性，因而提供了一種極性轉(zhuǎn)換作用。 在系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)附近時(shí)，占空比基本穩(wěn)定不變的，控制器輸入電壓的變化主要是由于加在風(fēng)電機(jī)上的風(fēng)速變化或光伏板的工作環(huán)境變化引起的。如果系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)的電壓值落在蓄電池電壓的兩側(cè)，那么MPPT控制器必須兼有升壓和降壓的功能。鑒于上述原因，本課題采用了一種Buck/Boost結(jié)合的變換器。 圖2.6 MPPT控制電路圖2.43 單片機(jī)的

38、選測與程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)控制器是基于RISC單片機(jī)PIC16F73設(shè)計(jì)。PIC16F73為工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的單片機(jī)，具有良好的抗干擾性和非常低的運(yùn)行功耗，其可靠性得到了充分證明，而且價(jià)格低廉，目前被廣泛使用中。基于PIC16F73控制器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)： 一，由于PIC16F73沒有硬件模塊，本設(shè)計(jì)要使用數(shù)字合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)SPWM信號的發(fā)生；二，系統(tǒng)需要一個(gè)定時(shí)中斷；三，由于通用I/O在系統(tǒng)上可能發(fā)生直通，為此在硬件電路上加入上電延時(shí)，可避免上電時(shí)的危險(xiǎn)。 PIC16F73的特點(diǎn)： 一，單指令周期，4個(gè)時(shí)鐘周期等于一個(gè)指令周期； 二，支持ISP編程模式； 三，8位采樣路；四，時(shí)鐘頻率20Hz 系統(tǒng)采用PI

39、C16F73作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)PWM驅(qū)動信號發(fā)生，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)的采樣，系統(tǒng)的閉環(huán)控制，人機(jī)交互功能。主程序是由PWM脈寬準(zhǔn)備程序、AD轉(zhuǎn)換程序、鍵盤掃描處理程序、控制程序和顯示程序等組成的一個(gè)閉合循環(huán)體。2.44 控制器的工作模塊 智能控制器的軟件部分也采用了模塊化設(shè)計(jì)，按照功能分為：初始化模塊；風(fēng)能轉(zhuǎn)換和監(jiān)控模塊；光能轉(zhuǎn)換控制和監(jiān)控模塊；蓄電池充放電控制模塊；負(fù)載控制模塊；控制器的運(yùn)行狀態(tài)和指示模塊；程序燒寫和通信模塊。各模塊功能如下： 初始化模塊，負(fù)責(zé)初始化單片機(jī)各個(gè)端口，以及系統(tǒng)初始值設(shè)定，比如蓄電池最大充電電壓，最大充電電流，三相雙電壓整流轉(zhuǎn)折電壓，風(fēng)力發(fā)電機(jī)過速保護(hù)電壓。 風(fēng)能轉(zhuǎn)換控

40、制和監(jiān)控模塊，負(fù)責(zé)風(fēng)能轉(zhuǎn)換模塊的整流控制盒DC/DC轉(zhuǎn)換控制。檢測三相整流電壓，輸入控制信號，和全橋電路；控制PWM信號的輸出使DC/DC轉(zhuǎn)換模塊輸出符合系統(tǒng)要求的電壓和電流。檢測風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓，在電壓輸出控制信號過高時(shí)制動風(fēng)力發(fā)電機(jī)。 光能轉(zhuǎn)化控制和監(jiān)控模塊，負(fù)責(zé)光能轉(zhuǎn)換模塊中DC/DC轉(zhuǎn)換模塊的控制。控制PWM信號的輸出使DC/DC轉(zhuǎn)換模塊輸出符合系統(tǒng)需求的電壓和電流。 蓄電池充放電控制模塊，負(fù)責(zé)蓄電池充放電控制，防止蓄電池因過沖過放損壞蓄電池。 負(fù)載控制模塊，負(fù)責(zé)檢測蓄電池電壓，根據(jù)電池電壓判斷是否關(guān)閉某些負(fù)載，防止蓄電池過度放電。 控制的運(yùn)行狀態(tài)的指示模塊，負(fù)責(zé)監(jiān)控控制器各部分的工

41、作狀態(tài)，并控制指示燈顯示這些狀態(tài)。 程序燒寫和通信模塊，負(fù)責(zé)控制器與主機(jī)的通信，進(jìn)行單片機(jī)燒寫；將系統(tǒng)運(yùn)行情況傳遞給主機(jī)。 2.45 控制器的狀態(tài)模塊 該模塊主要是顯示整個(gè)系統(tǒng)和風(fēng)光互補(bǔ)控制器的運(yùn)行狀態(tài)，主要品包括：風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常指示燈，風(fēng)力發(fā)電機(jī)過速指示燈，太陽能電池板正常指示燈，蓄電池充滿指示燈，蓄電池虧電指示燈，負(fù)載工作指示燈，和各DC/DC模塊正常工作指示燈。2.5 逆變器 在風(fēng)光互補(bǔ)整個(gè)過程中，逆變器室最終向獨(dú)立負(fù)載輸出電能的環(huán)節(jié)，能將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)化成交流電，逆變器的轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性直接影響了整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性，所以它也是系統(tǒng)的重要部分。 常用的變壓器結(jié)構(gòu)有兩種，工頻變壓

42、器和高頻變壓器，為了適應(yīng)逆變過程中蓄電池電壓較低、波動范圍較大的情況，本課題采用兩級式變壓器：前級采用隔離式DC/DC變換器，將蓄電池電壓升到380V，同時(shí)實(shí)現(xiàn)隔離作用；后記為DC/AC變換器，可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立、并網(wǎng)雙模式工作。2.51 反饋控制 為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，對于逆變器，就需要保證其輸出的電壓是穩(wěn)定的工頻交流，這樣，就需要反饋控來調(diào)節(jié)控制了。 對于家用風(fēng)光互補(bǔ)充電電源系統(tǒng)來說，課題采用了電壓反饋閉環(huán)控制，工作原理：檢測逆變器的輸出電壓，與給定的參考正玄波比較，誤差信號經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，生成控制信號，再經(jīng)過SPWM脈寬調(diào)制電路，將模擬電壓信號轉(zhuǎn)化成四路脈沖信號經(jīng)過驅(qū)動功率管。若輸出電壓下降，

43、則誤差信號換大，控制信號變大，脈沖信號變寬，逆變輸出電壓變寬；同樣的，當(dāng)輸出電壓上升時(shí)，結(jié)果一樣。這樣就實(shí)現(xiàn)了電壓的反饋控制。2.52 DC/DC模塊 DC/DC變換器是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也成直流斬波。工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制（周期不變，改變通用）二是頻率調(diào)制。 本課題提到的Buck/Boost電路，其輸出平均電壓U0大于后小于輸入電壓UI,極性相反，電感傳輸。它屬于非隔離型電路；隔離型電路有：正激電路、反激電路、半橋電路、全橋電路，推挽電路。 DC/DC變換器是將直流電先逆變(升壓或降壓)成交流電，然后再整流變換成另一種直流電壓的直流變換裝置。常用的直流-直流變換設(shè)備

44、一般是由直流-直流變換模塊、監(jiān)控模塊以及與之配套的用戶接口板和直流配電單元等組成的一個(gè)完整的電源系統(tǒng)。 系統(tǒng)中多個(gè)直流-直流變換模塊并聯(lián)均分負(fù)荷運(yùn)行，將48V直流電壓變換成24V(或+12V、+5V)直流電壓，再經(jīng)輸出分路保險(xiǎn)向負(fù)載輸出;監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)對變換器模塊及整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)及性能進(jìn)行監(jiān)控，并通過RS232通信口納入上一級監(jiān)控系統(tǒng)。 變換器模塊負(fù)責(zé)將48V直流電壓轉(zhuǎn)換為24V直流電壓，由功率電路和控制電路兩大部分組成。功率電路實(shí)現(xiàn)從直流輸入到直流輸出的變換;控制電路提供功率變換所需的一切控制信號，包括反饋回路、直流信號處理、模擬量和開關(guān)量的處理電路等。 功率電路上主要包括直流輸入濾波電路

45、、直流-直流變換電路、直流輸出濾波電路及輔助電源的部分。 直流輸入濾波電路包含有防浪涌器件、差模、共模濾波器等。遇有雷擊或其他高壓浪涌時(shí)，壓敏電阻和瞬態(tài)電壓抑制器可保護(hù)變換器免受沖擊。差模濾波器和共模濾波器可有效抑制模塊內(nèi)部產(chǎn)生的高頻噪聲，同時(shí)也使來自直流輸入電源的干擾不會影響模塊的正常工作。DC/DC變換電路主要包括變換電路和整流輸出電路，是整個(gè)變換模塊的重要組成部分。輔助電源電路為控制電路提供直流工作電壓，同時(shí)還提供直流輸入電壓取樣。控制電路主要包括直流-直流變換控制電路，保護(hù)電路、輸出電壓誤差放大電路以及數(shù)字顯示、告警、通信電路等。 圖2.7 DC/DC半橋電路圖2.53 DC/AC模塊

46、 DC/AC逆變技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)直流電能到交流電能的轉(zhuǎn)換，可以從蓄電池、太陽能電池等直流電能變換得到質(zhì)量較高的、能滿足負(fù)載對電壓和頻率要求的交流電能。 DC/AC逆變技術(shù)的基本原理是通過半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的開通和關(guān)斷作用，把直流電能變換成交流電能，因此是一種電能變換裝置。由子是通過半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的開通和關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的，因此轉(zhuǎn)換效率比較高。但轉(zhuǎn)換輸出的波形卻很差，是含有相當(dāng)多諧波成分的方波。 結(jié)合本課題所用的智能控制器，本文采用DC/DC轉(zhuǎn)換器為正激式結(jié)構(gòu)，它的優(yōu)點(diǎn)為： 一，結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)換效率高； 二，不會產(chǎn)生直流偏磁現(xiàn)象； 三，變壓器存儲的電能可以通過能量恢復(fù)二極管回饋到輸入電流源，不需

47、要磁復(fù)位。 圖2.6 DC/AC逆變電路圖 圖2.7 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)電路圖2.6 充放電蓄電池組 前文提到了本課題使用的是鉛酸蓄電池，在實(shí)際應(yīng)用中，其充電方式有多種，主要有：恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電，兩階段充電、三階段充電等。 恒流充電，恒流充電法是用調(diào)整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯(lián)電阻的方法，保持充電電流強(qiáng)度不變的充電方法。控制方法簡單，但由于電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進(jìn)行而逐漸下降的，到充電后期，充電電流多用于電解水，產(chǎn)生氣體，使出氣過甚，因此，常選用階段充電法。 恒壓充電，充電電源的電壓在全部充電時(shí)間里保持恒定的數(shù)值，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。與恒流充電法相比，其充電過程更接近于最佳充電曲線。用恒定電壓快速充電，由于充電初期蓄電池電動勢較低，充電電流很大，隨著充電的進(jìn)行，電流將逐漸減少，因此，只需簡易控制系統(tǒng)。 階段充電，此方法包括二階段充電法和三階段充電法二階段法采用恒電流和恒電壓相結(jié)合的快速充電方法，首先，以恒電流充電至