项目设计说明书

新型风能与光能互补发电系统

Wind Power and Solar Complementary Power Generation System

摘  要

通过介绍垂直轴风力发电机较之水平轴风力发电机所具有的优势, 以及对比三种典型的垂直轴风力发电机翼型的优缺点, 提出一种将S型和H 型叶片通过超越离合器连接的组合型垂直轴风机构想。绘制出这种风力发电机的三维立体仿真图, 阐述了其整体结构以及启动运转过程, 从理论上分析了该风机比单一翼型风机所具备的优良性能。

基于单片机C51 和小型风光互补发电系统的研究，设计了一个小功率风光互补充电控制器，更便携的将分散的风能、太阳能转变为电能储存在蓄电池。控制核心C51 通过检测电路对整个系统实时管理和监控，51的一个定时器产生充电路实现对蓄电池的智能充电。

最后通过把新型风机与太阳能发电组合成一种新的组合型风能与光能互补发电系统。

关键词：风光互补系统，新型风机模型，单片机C51，控制电路

Abstract

Through the introduction of the vertical axis wind-driven generator, compared to the horizontal axis wind-driven generator's superiority, and contrast of the three typical vertical axis wind power type and the advantages and disadvantages of the wing, and put forward a kind of will and type the H S leaf through the overrunning clutch of the connection of combination vertical axis fan conception. Draw out the wind generator of three dimensional simulation diagram, expounds its whole structure and start running process, from the theoretical analysis of the fan than a single wing type fan has the good performance. 

Based on single chip computer C51 and small wind-light complementary system research, design of a small power scenery complementary charging controller, more portable will the dispersed of wind and solar power into electricity stored in the battery. Control core C51 through the detection circuit for the whole system real time management and monitoring, and a timer realize to the battery charging and produce the intelligent charging.

At last, by the new air blower and the solar power mix into a new combination wind power and solar complementary power generation system. 

Keyword: scenery complementary system, new fan model, C51 single chip microcomputer, control circuit

第一章  绪论

1.1课题研究背景和选题依据

能源是人类生存的基本要素，也是国民经济发展的主要物质基础。随着国际工业化的进程，全球未来能源消耗预计仍将以3％的速度增长，常规能源资源面临日益枯竭的窘境。目前在众多可再生能源与新能源技术开发中，发展最成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景，最具竞争力、潜力最大的就是风力发电(以下简称为风电)和太阳能发电(以下简称光伏发电)。

尽管风电的发展面临着重重困难，但是随着社会和科技的发展，以及考虑到我国的具体国情，大力发展风电将是我国能源结构的必然发展方向，我国风电将具有一个美好的发展前景。

(1)必要性

我国具有丰富的风能资源，这为发展我国的风电事业创造了十分有利的条件。但就我国目前电力事业而言，火力发电仍是我国的主力电源。以燃煤为主的火电厂，正在大量排放C02和S02等污染气体，这对我国的环保极为不利。而发展风电，一方面有利于我国电源结构的调整，另一方面又有利于减少污染气体的排放而缓解全球变暖的威胁。同时，又有利于减少能源进口方面的压力，对提高我国能源供应的多样性和安全性将做出积极的贡献。

(2)支持

由于风电场建设成本较高，加之风能的不稳定性，因而导致风电电价较高，而无法与常规的火电相竞争。在这种情况下，为了支持发展风力发电，至今国家已经给予多方面支持，尤其是的特许经营，将极大地增强投资方的信心，吸引更多的技术力量和资金设备到风电的发展和研究上来。

(3)展望

风力发电是一个集计算机技术、空气动力学、结构力学和材料科学等综合性学科的技术。我国有丰富的风能资源，因此风力发电在我国有着广阔的发展前景，而风能利用必将为我国的环保事业、能源结构的调整，对减少进口能源的依赖做出巨大贡献。目前尽管有着各种各样的困难，但是随着科技的进步、资金以及投资方信心的增强，风电在开发、运行、管理方面都将取得进步和提高。展望未来，随着风电机组制造成本的不断降低，化石燃料的逐步减少及其开采成本的增加，将使风电逐步增强市场竞争力，因此其发展前景将是十分良好的。

1.2课题研究的目的和意义

太阳能和风能是最普遍的自然资源，也是取之不尽的可再生能源。太阳能与风能在时间上和季节上都有很强的互补性：白天太阳光照好、风小，晚上无光照、风较强；夏季太阳光照强度大而风小，冬季太阳光照强度弱而风大。这种互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性。另外，风力发电和光伏发电系统在蓄电池和逆变器环节上是可通用的。风／光互补发电系统可根据用户用电负荷和自然资源条件进行最佳的合理配置，既可保证系统的可靠性，又能降低发电成本，满足用户用电需求。本项目完成的意义在于：

1．由于目前全球的能源日益紧张，加之空气污染日趋严重，开发和利用绿色能源已成为全球的能源发展趋势。为响应国家号召，节约能源，减少污染，开发和利用太阳能与风能势在必行，研究与之相应的技术显得十分必要。

2．随着绿色能源的开发利用，相应的从业人员日益增加，培养相关专业学生或为从业人员提供一个较为理想的实验实习场所，有必要开发相关实验，使之能够掌握常用风力发电和太阳能发电的工作原理、基本过程、操作流程和常见问题解决方案。

3．能够为相关教师或技术人员提供科研研究对象，并为相关研究方向的工程硕士从事相关研究预留空间；同时兼顾校园景观。

1.3国内外研究现状

1.3.1国外研究现状

如今在全球的风能发展中，欧洲风能发电的发展速度很快。德国的风电发展处于领先地位，其中风电设备制造业已经超越汽车制造业和造船业。在近期德国制定的风电发展长远规划中指出，到2025年风电要实现占电力总用量的25％，到2050年实现占用量的50％的目标。德国正在实施的战略目标则是在2030年前建成总容量为25GW的海上风力发电场，其中1GW以上的至少有12个，发电量将占总发电量的15％，计划在2010年之前建成的部分海上风力发电场，其中容量在1GW以上者有10个，最大风电场容量将达4905MWtll。另外，丹麦的风能发电已经可满足18％的用电需求，法国也在制定风能发电的长远发展规划。同时，亚洲的风电也保持较快的发展势头。其中，印度积极推动风能的发展，鼓励大型企业进行投资发展风力，并实施优惠激励风能制造基地，目前印度已经成为世界第5大风电生产国。随着全球风能的快速发展，风能将会成为21世纪全球经济发展所需的重要能源，同时相信其他可再生能源也将会持续发展并得到充分利用，以满足人类对能源的不断增长的需求。

1.3.2国内研究现状

长期以来，我国一直以煤炭发电为主，污染大、成本高，且由于多年的开采，我国煤炭储量已经不能支持我国电力的发展。在这种情况下，开发利用风能等可再生能源已经到了刻不容缓的地步。近年来，中国加大了可再生能源，尤其是风能的开发和利用力度。我国风能资源丰富，理论储量16亿KW，实际可利用2．5亿KW，有巨大的发展潜力，、内蒙古、广东、辽宁、浙江、海南、河北、甘肃、福建、山东、吉林、黑龙江等省区都具备建设风电场的资源条件。

我国的风力发电于20世纪50年代后期开始进行研究和试点工作，当时在吉林、辽宁、等省、区建设了容量在10KW以下的小型风力发电场，但其后就处于停滞状态。到了20世纪70年代中期以后，在世界能源危机的影响下，特别是在农村、牧区、海岛等地方对电力迫切需求的推动下，我国的一些地区和部门对风力发电的研究、试点和推广应用又给予了重视与支持，但在这一阶段，其风电设备都是行动的，直到1986年，在山东荣城建成了我国第1座并网运行的风电场，从此并网运行的风电场建设进入了探索和示范阶段，但其特点是规模和单机容量均较小。总的来说，位于我国内陆的、内蒙古起步较早，装机容量名列前茅，装机功率占全国装机容量的62％。沿海地区的广东、辽宁、浙江紧跟其后，占全国装机容量的28％。海南、河北、甘肃、福建、山东、吉林、黑龙江等省正在起步。到2004年9月止，中国已建有41个风电场，风电装机容量已达685MW，其中运行的最大风电机组功率为1300KW，本土化生产的最大风电机组功率为750KW。但是到目前为止，我国风电场总装机容量仅占我国电网总容量的O．14％，发展潜力非常巨大。尽管我国具备发展风电的得天独厚的条件，但由于风电在发展初期电价较高，在国家现有的条件和市场环境下还无法与常规的能源发电竞争，全国风场建设成本较高。困此，目前我国的风力发电公司面临许多困难，如果不能克服这些困难，风力发电将很难进一步发展。这些困难包括以下两方面。

1．技术开发上的困难

技术开发上的困难主要表现在下述两个方面。

(1)风能资源的不确定性，前期测风工作不足。

(2)风电的高成本，某种程度上了风电的发展。

如何降低成本，促进风电机组的国产化是国内风电面临的问题。目前我国的风能资源测量工作主要是由投资方出资进行，这又增加了风力发电项目的初期投资。解决这一问题的关键是由国家直接出资或建立相关基金对国内优质风场进行前期测定：其次可以委托国际公认的风能资源勘测机构测风，并将其测得的数据向每一个潜在投资者公开，获得和相关机构的认可；最后，国家应对测风相关的项目和科研机构给予上的重视和资金上的支持。

我国并网型风力发电虽然经过了20多年的发展，但风力发展的总装机容量仅占电力总容量的O．14％，远远低于欧美国家，也低于日本和印度。我国的风电机组国产化率低，主要依赖进口，这是严重制约我国风力发电发展的因素之一。目前，我国风电设备主要依靠进口，而其设备的价格较高，约占风电场的综合造价的2／3，比火电高出50％。据专家估计，如果风电设备国产化，其价格约可降低30％，风力发电的上网电价将会降低20％左右，不含税风电电价可以大大降低，约可降至O．43元／(kw．h)，因此，应采取措施鼓励风电设备国产化。

2．资金上的困难

除技术上的困难外，市场及资金的困难也影响了风电的发展。

（1）可再生能源的激励机制不健全和风电电价问题。

（2）风电项目缺乏信心，贷款条件苛刻。

（3）能否保证对风力发电的全额收购。

近年来，我国对风力发电越来越重视，多次出台鼓励支持风电的发展，但仍然存在很多问题。其中主要障碍就是融资渠道不畅，生产规模过小和上网电价偏高等形成的恶性循环。首先，风电建设的融资使风电价格偏高，国家相关规定风电项目的还贷期为7年，火电项目的还贷期为13。18年，使得风电在还贷期平均上网电价是常规火电的3倍，上网价格没有竞争力。其次，税收对风电价格的影响也不容忽视，在方面，对风电征收的税率为17％，与火电相比，风力发电由于没有燃料消耗，所以没有进项税额的抵扣，从而风电的税率较高。而2003年开始实行的特许经营将使此状况得到一些改进。2003年5月，经批准，财政部和国家税务总局联合下发文件规定：对风力发电实行按应纳税额减半征收的优惠。2003年底，国家出台了关于风电特许权项目前期工作管理办法，对风电项目所涉及的技术、融资、等都作了详尽的规定。根据我国的风力资源以及我国风电事业发展的现状，国家计委、国家科委和国家经贸委规划到2010年并网风电机组的容量达到3000兆瓦。

1.4系统框图

系统结构图如图1-1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。

图1-1 系统框图

从图1-1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。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。

第二章 风力电机的设计

2.1风力电机现状

风力发电作为一种洁净无污染的可再生能源,是近期内技术成熟、具有大规模发展潜力的可再生洁净能源, 在远期有可能成为世界重要的替代能源。水平轴风机是目前技术最成熟、占据主流市场的产品。但水平轴风机由于结构原因, 具有一些不可避免的缺陷, 而且技术专利大多为国外公司所有, 对国内风力发电的发展极为不利。垂直轴风机因其设计方法先进, 风能利用率高,启动风速低, 基本不产生噪声等优点, 被人们认识和重视, 具有广泛的市场应用前景。

近10年风力发电增长迅猛, 2001年以来, 全球每年风电装机容量增长速度为20%~30%。全球风能协会发布最新一期全球风电的增长数据显示，2008年全球范围内新增风电装机容2705万kW，使得全球风电装机容量达到1. 20亿kW,，较2007年增长28. 8%。1998~2008年全球电装机容量的增长情况如图2-1所示。

图2-1 全球风电装机容量

我国的风电发展主要集中在2003年以后, 尤其是在风电特许权的带动下, 2006年我国除外增加风电机组1 454台, 增加装机容量133. 7万kW，比过去20年发展累积的总量还多, 仅次于美国、德国、西班牙和印度。2008 年又新增风电装机容量630万kW, 新增容量位列全球第2, 仅次于美国。截至2008年底总装机容量达到1 215. 3万kW, 同比增长106% , 总装机容量超过了印度, 位列全球第4 , 同时跻身世界风电装机容量超千万千瓦的风电大国行列。图2-2反映了2000年以来我国风电装机容量的增长情况。

图2-2 我国风电装机容量

风力发电系统主要由风轮、齿轮箱(可选)、发电机、功率变换器(可选)、变压器等部分构成, 其中, 发电机承担将风能转换为电能的任务, 是风力发电系统中的核心部件。随着风力发电整体技术的发展, 风力发电机由早期的直流发电机、笼型异步发电机等演变为当前的双馈异步发电机和低速直驱永磁同步发电机等。同时, 风力发电机自身技术水平的提高, 又有力地促进了风力发电整体技术的进步。例如, 双馈异步发电机及其控制技术的成熟, 使变速恒频风力发电得以实现, 成为当前风力发电系统的主流。因此, 风力发电机与风力发电系统互为因果, 相互促进。近年来风力发电系统的容量不断增大, 特别是低速直驱永磁风力发电系统的快速发展, 有力地促进了风力发电机的设计、制造、控制以及运行维护水平的提高, 各种新型风力发电机不断出现。本文将对主要类型风力发电机的技术特点、适用范围、发展前景等进行综述、比较, 并对风力发电机的最新研究进展做简要介绍, 以期起到抛砖引玉之效。

2.2风机基本类型和参数

2.2.1 风机基本类型

风机从结构上主要分为两种: 水平轴风机与垂直轴风机(见图2-3)。

水平轴风机是目前国内外研制最多、最常见、技术相对成熟的一种风力机, 其风轮叶片数一般为2~ 3叶, 叶片形状为翼形。垂直轴风力机可分为两个主要类型: 一类是用空气动力的阻力做功, 典型的结构是S型风轮; 另一类是利用翼型的升力做功, 最典型的是达里厄( Darrieus) 型风力机。达里厄风力机有多种形式, 5 型、H 型、Y 型和菱形。基本上是直叶片和弯叶片两种, 以H 型、Φ型风轮为典型。

图2-3 风力发电机基本类型

2.2.2 风机基本参数计算

(1) 风能利用系数

                                                                       （1）

式中: ρ为当地空气密度,/kg/； S 为风轮扫风面积, ；V为上游风速,m/s。

( 2) 尖速比λ

                                                                        (2)

式中: n为风轮转速, r/min；R为叶尖半径, m；V为上游风速, m/s；X为风轮角速度, rad/s

( 3) 风机转矩系数

                                                                        (3)

式中: M为转矩； D为风轮直径。

2.3 各类型风机的比较

2.3.1 水平轴风机与垂直轴风机的比较

( 1) 设计方法。

由于风轮结构原因, 水平轴风力机普遍采用动量——叶素理论进行分析, 忽略了较多因素, 对于复杂的流动过程, 不够准确；垂直轴风力机可以用先进的计算流体力学方法精确分析出复杂的流动过程。

( 2) 风叶特点。

水平轴风力机的风叶类似于荷兰风车, 形状复杂, 加工难度高。叶片受风旋转时只能利用升力产生机械能, 不能利用阻力产生机械能。叶片只能利用单方向来风, 必须安装昂贵的偏航装置实现风叶对风, 只有一次截风机会, 同时塔影效应与风剪作用也较大。

垂直轴风力机的叶片形式多样, 但总体来说,都是基本的几何构型, 易于加工。叶片受风旋转时利用升力与阻力的矢量和在叶片运动方向上的投影产生机械能。叶片可全方位接受来风, 无需偏航装置。可多次截风, 充分利用风能, 同时塔影效应与风剪作用也较小。

( 3) 运行情况。

水平轴风力机尖速比较高, 约为5-7, 气动噪声大, 叶片受交变载荷, 易疲劳变形。垂直轴风力机尖速比比较低, 约为1.5-2,基本不产生气动噪声, 叶片受恒定载荷, 耐用不易损坏。

( 4) 其他方面。

水平轴风力机的发电机架设在高空, 安装维修的成本很高, 同时风叶要定时清洁,保证高风速下的正常运转。垂直轴风力机的发电机位于低处甚至地面,极大的方便了安装和维修, 风叶对恶劣环境的适应力强。

( 5) 小结。

以上比较不难看出, 垂直轴风力机在诸多方面都表现得更为出色, 势必成为未来风力发电机型的主导方向。

2.3.2 垂直轴风机中S型,H型，Φ型的比较

在众多垂直轴风机类型中, 最为典型的是S型,H型,Φ型这三种类型。S型风轮由两个错开的半圆柱组成; H型风轮是简单的多叶片等界面结构; Φ型风轮看起来像是个巨大的打蛋器,叶片结构复杂(见图2-4)。正是由于叶片形状上的差异, 使它们的优缺点鲜明, 主要的不同点见表1。

图2-4 三种垂直轴风机风轮的示意图（从左到右分别为S型,H型,Φ型）

表1 S型,H型,Φ型的比较

第三章 新型风力发电机的设计

3.1 设计思路

鉴于两大类垂直轴风机各自的优缺点, 升力型风机效率高但低风速启动困难, 而阻力型低风速易启动但风机效率低, 试图接合二者的优点,同时利用自行车的超越离合器, 设计出一种新型风机模型。如同骑自行车, 无风踩脚踏板前进,有风不踩脚踏板前进。

3.2 主体结构

( 1) Savonius风叶

装置在风机顶部, 利用S型风叶在低风速下仍具有较大启动转矩的优势,带动主轴先转动。由两组互差90°角的S型风叶共垂直轴叠放而成, 每组叶片由两个半圆柱面型桨叶构成。两组四桨叶的设计保证不同风向的充分采集, 在低风速非集中风向的情况下,S型风叶能够自启动从而带动下部H型风叶的旋转。

定义风力机的单位宽度输出功率,等于风力机的输出功率P与风力机的水平宽度L的比值。JLMenet以L-σ准则为基础, 计算两叶片水平轴和Savon ius型风力机得到的单位宽度输出功率   和    分别为:

                                                                        (4)

                                                                        (5)

可以看出, 在同样条件下, 设计合理的Savonius风力机的单位宽度输出功率远远大于水平轴风力机, 具有明显的优越性。

( 2) Darrieus式H型风叶。

装置在风机中部, 由互差120°的3个叶片组成, 选择3叶片组可明显降低扭矩波动的影响且平衡性较好, 每个叶片可由小短杆调节垂直翻转角度, 以达到最佳旋转状态。

H型风叶制造起来比水平轴风叶和Darrieus式Φ型风叶简单得多, 后两种叶片是变截面的, 而且有可能扭曲, 制造运输都比较困难。H型叶片截面不变,也不扭曲,形状简单,可批量生产,降低成本。同时三叶片设计可接受来自各个方向的风, 不需要昂贵的偏航系统。其自身低风速不启动的缺憾已被上部的S型风叶弥补。

( 3) 超越离合系统。

装置在S型叶片和H型叶片之间, 在低风速的时候, S 型叶片先开始转动, 通过超越离合器带动H 型风叶转动, 随着风速逐渐增大, H 型叶片转速迅速增大, 远大于S型叶片转速, 超越离合系统保证了“一轴两速”的和谐运转。

类似于骑自行车,上坡时脚踏板带动后轮转动, 下坡时脚踏板几乎不转, 而车轮飞速旋转。具体结构如图3-1所示。

图3-1 结构示意图

3.2 辅助系统

该新型风机的辅助结构分为内外风轮支撑装置、风叶角度固定装置、塔筒以及其内部的发电机、底座等5个主要部分(见图3-2)。

(1) 外风轮支撑装置。

从设在S型风叶下部的三爪支架引3 根张紧的另一端固定于地面的斜拉钢丝绳支撑风轮,保证风轮主轴的垂直。

(2) 内风轮支撑装置。

内层3根短缆用于保证H型风叶水平竖直, 避免由于重力引起的风叶下垂。

(3) 风叶角度固定装置。

由上下两个连结环构成, 用于固定H 型风叶三叶片的相对位置, 使其保持在互差120°。

(4) 塔筒以及其内部的发电机。

采用立式永磁三相交流发电机, 额定功率100W, 额定转速60r/min。发电机安放在塔筒内上部, 通过联轴器与主轴连接。

图3-2 风机的整体结构图

与传统的风机比较，新的风机具有以下性能优势

(1) 较好地解决了H 型风机低风速不启动的问题, 实现了S型机和H 型风机的优势互补。

(2) 风叶结构简单, 无变截面、扭曲等复杂叶形, 易批量生产, 降低生产成本, 突破国外专利垄断水平轴风叶制造的局面。

(3) 发电机位置距地表较低, 易于维修和并网。

(4) 全方位接收来风, 无需偏航系统和调向装置, 降低了架机难度和运行成本。

第四章 太阳能电池

4.1 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。

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4-1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： 

                              （6）

：P-N结二极管的电流

：P-N结二极管的电压

k：波尔兹曼常数（Boltzmann Constant：1.38×10-23J/K）

q：电子电荷量（1.602×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的量子-光子（Photons），而每个光子所携带的能量为Eph：

　           　　　　             　                               　　（7）

h：普郎克常数（Planck Constant：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（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4-2所示。

图4-2 太阳能电池的理想状态等效电路

4.2 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。

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　　　　　                                       　（8）

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　　　　                                   　（9）

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                    　　　　　　　　（10）

计算太阳能电池阵列工作电压VP。

　　　　　　　　  VP=VF+VD+VT                                    　　　（11）

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        　　　　　　　　　　                （12）

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4-3。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4-3 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。

4.3 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。 

4.3.1 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： 

                                                                      （13）

式中:E——电池电动势，单位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(10)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。

4.3.2 蓄电池的容量计算

蓄电池的容量由下列因素决定：

（1）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%。

（2）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。

（3）蓄电池自身漏掉的电能。

随着电池使用时间的增长及电池温度的升高，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。 

第五章 控制电路

5.1 控制电路原理

由图5-1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5-1 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。

5.2 8051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，过程及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。

5.3 ADC0809逐次逼近式8位A/D转换器

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。

图5-2  ADC0809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，在个脉冲后完成8位的转换，时钟由外电路提供，典型频率为0KHz，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。

ADC 0809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。

5.4ADC0809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。

ADC 0809的时钟频率为0kHz，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5-3所示。

图5-3 ADC0809与系统总线的连接

5.5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5-4所示。

图5-4 六路LED显示器

5.6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5-5所示。

图5-5 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。

5.7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5-6所示。

图5-6 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。

5.8 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及各种逻辑电路等。

图5-7 驱动继电器动作电路

图5-7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5-8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5-8 反馈输入电路

5.9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5-9所示下载本文