太阳能风光互补发电系统设计.doc

1、河南科技学院2009届本科毕业论文（设计）论文题目：太阳能风光互补发电系统 学生姓名：张 贝 贝 所在院系：机 电 学 院 所学专业：应用电子技术教育 指导老师：仝 祥 云 完成时间：2009年 05月 26日21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AbstractEconomi

2、zing energy sources and protecting environment has been two subject of the world, nowadays. The wind-force and solar-energy, a green reborn resource free from the pollution, is the most ideal to generate electricity. Now, this is already unimportant project for us to develop and study. Solar and Win

3、d Hybrid Generation Systems is to make up the independent generating set which the traditional electric power the insufficiency designs. It is a system which becomes by the solar cell module and the wind-driven generator coordination, through microcomputers remote control, and realized has exempted

4、the maintenance the function.Keyword: Wind power，Solar power，Wind-solar hybrid power system，Micro-computer目 录1 绪论12 系统框图13 太阳能电池23.1 太阳能电池的原理23.2 太阳能电池板的计算44 蓄电池的工作特性64.1 蓄电池充电状态的检测64.2 蓄电池的容量计算65控制电路75.1 控制电路原理75.2 8051单片机75.3 ADC0809逐次逼近式8位A/D转换器85.3.1 ADC0809特性介绍85.3.2ADC0809与单片机的连接95.4 显示接口电路95.

5、5分频电路105.6模拟量输入电路115.7 光电隔离器工作电路115.8逆变电路126 软件设计147 抗干扰问题14结论15致谢16参考资料17附录118附录2191 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

6、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

7、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。太阳能电池风力发电机微机控制系统逆变器蓄电池图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

8、，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

9、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101216V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

10、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

11、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（Photovoltaic Effect）。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结二极管的电流及电压k：波尔兹曼常数（Boltzmann Constant：1.3810-23J/K）q：电子电荷量（1.60210-19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（Thermal Voltage：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

12、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（Planck Constant：4.1410-15eVS）c：光速（3108m/s）：光子波长图2P-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（Band Gap）能量时，电子由价电带（Valence Band）跃迁至导电带（Conduction Band）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

13、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

14、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及阴雨天造成的影响，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

15、电压，由蓄电池公称电压来确定蓄电池串联个数及蓄电池浮充电压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)及反充二极管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（）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（）Q按阴雨期富余系数，Q=0.211.00确定蓄电池浮充电压VF。镉镍()和铅酸()蓄电池的单体浮充电压分别为