【正文】 2021 年統(tǒng)計(jì)，全世界風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單位造價(jià)已降為 1000 美元 /KW，單位發(fā)電成本為 4~7 美分 /kWh；而火力發(fā)電單位造價(jià)為 700~800 美元 /KW，單位發(fā)電成本為 5~8 美分 /kWh。由于采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)自診斷功能，安全保護(hù)措施更加完善，并且實(shí)現(xiàn)了單機(jī)獨(dú)立控制、多機(jī)群控和遙控，完全可以無人職守。 風(fēng)能發(fā)電技術(shù) 20 世紀(jì) 90 年代中后期，在世界范圍內(nèi)形成了一股風(fēng)力發(fā)電熱，風(fēng)力發(fā)電量增長速度居全球之首。半導(dǎo)體 PN 結(jié)器件在陽光下的光電轉(zhuǎn)換效率最高，通常稱這類光伏器件為 “ 太陽能電池（ Solar Cell） ” 。 可以看出，太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電對于改善能源結(jié)構(gòu)、推動生態(tài)環(huán)境建設(shè)，特別是對邊遠(yuǎn)地區(qū)的生產(chǎn)、生活用電等諸多領(lǐng)域的發(fā)展將發(fā)揮積極的作用，具有廣闊的市場前景。隨著礦物燃料的逐漸消耗，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)將越來越顯示其重要性和發(fā)展?jié)摿Α? 風(fēng)能太 陽能的概況 太陽能分布廣泛 ，可自由利用，取之不經(jīng)，用之不竭，是人類最終可以依賴的能源。當(dāng)前，包括我國在內(nèi)的絕大多數(shù)國家都以石油和煤炭等礦物燃料為主要能源。 Control。最 后 ,利用單片機(jī)仿真軟件 proteus對系統(tǒng)進(jìn)行仿真并給出仿真原理圖及仿真波形。設(shè)計(jì)針對目前市場上傳統(tǒng)充電控制器對蓄電池的充放電控制不合理，同時(shí)保護(hù)也不夠充分，使得蓄電池的壽命縮短這種情況，研究確定了一種基于單片機(jī)的太陽能充電控制器的方案。蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12kw 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電部分 摘 要 進(jìn)入二十一世紀(jì)，人 類面臨著實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，而能源問題日益嚴(yán)重 。 本 設(shè)計(jì)重點(diǎn)針對 小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng) 中蓄電池充放電控制模塊和逆變器模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)及 仿真。軟件設(shè)計(jì)中，采用瞬時(shí)電壓反饋，增加了電路保護(hù)等功能，論文闡述了軟件設(shè)計(jì)總體思想構(gòu)架，給出了程序代碼。 Solar power。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 52kw 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電部分 1 緒論 能源問題 能源是不僅僅是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的基礎(chǔ)，也是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要制約因素。太陽能和風(fēng)能被看作是最具有代表性的新能源和可再生能源，作為這兩種能源的高級利用，太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電技術(shù)受到世界各國的高度重視。它是今后可替代礦物燃料的戰(zhàn)略性能源，又是當(dāng)前邊遠(yuǎn)地區(qū)能源供應(yīng)的一種有效的補(bǔ)充。全球的風(fēng)能約為 109WM，其中可利用的風(fēng)能為 2 107WM，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大 10 倍。 1880 年， Charles Ffitts 開發(fā)出以硒為基蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 62kw 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電部分 礎(chǔ)的太陽能電池，以后人們即把能夠產(chǎn)生光生付打效應(yīng)的器件稱為 “ 光伏器件 ” 。今天，幾乎所有的人造衛(wèi)星都是靠光伏電池供電，包括通信衛(wèi)星、軍事衛(wèi)星和科學(xué)家實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星?？衫寐蕪脑瓉淼?50%提高到 98%，風(fēng)能利用系數(shù)超了 40%。第二，風(fēng)力發(fā)電具有經(jīng)濟(jì)性。美國 %的陸地面積安裝了風(fēng)力發(fā)電機(jī)，便可以滿足美國目前電力需求的 20%。第五，風(fēng)力發(fā)電是實(shí)現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展的需要。綠色能源 —— 風(fēng)力發(fā)電將為人類最終解決能源問題帶來新的希望。獨(dú)立的風(fēng)力發(fā)電裝置在無風(fēng)天氣下無法提供電能的連續(xù)供應(yīng)，而太陽能發(fā)電裝置在夜晚以及陰雨天等氣候條件下無法保證電能的連續(xù)供應(yīng)。風(fēng)和光在時(shí)間上的互補(bǔ)性使得風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)在保障供電連續(xù)性上有重大意義，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)具有電力輸出穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性高、對環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，也解決了太陽能發(fā)展中對電網(wǎng)沖擊等影響。 圖 1 系統(tǒng)框圖 從圖 1 中我們可以看出，它的主要組成設(shè)備有： 風(fēng)力發(fā)電機(jī)：風(fēng)機(jī)采用具有特別適合大多內(nèi)陸地區(qū)低風(fēng)速、時(shí)發(fā)電特性好、發(fā)電量大的特點(diǎn)。具有抗風(fēng)、防潮、工作穩(wěn)定、無需維護(hù)等特點(diǎn)。它是整個(gè)系統(tǒng)安全運(yùn)行的基本保證。同時(shí)還具有自動穩(wěn)壓功能，可改善風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量；在逆變器的電路結(jié)構(gòu)形式上，主要是工頻變壓器和高頻變壓器兩種形式。在能量轉(zhuǎn)換效率和使用壽命等綜 合性能方面，單晶硅和多晶硅電池優(yōu)于非晶硅電池。首先對 PN結(jié)二極管做一簡單說明。 當(dāng)入射太陽光的能量大于硅半導(dǎo)體的禁帶能量時(shí)，太 陽光子照射入半導(dǎo)體內(nèi)，把電子從價(jià)電帶激發(fā)到導(dǎo)電帶，從而在半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生了許多 “ 電子 空穴 ” 對，在內(nèi)建電場的作用下，電子向 N 型區(qū)移動，空穴向 P 型區(qū)移動，這樣， N 區(qū) 有很多電子， P 區(qū)有很多空穴，在 PN 結(jié)附近就形成了與內(nèi)建電場方向相反的光生電場，它的一部分抵消了內(nèi)建電場，其余部分則使 P 區(qū)帶正電， N 區(qū)帶負(fù)電，于是在 N 區(qū)與 P 區(qū)之間產(chǎn)生了光生伏打電動勢，這就是所謂的 “光生伏打效應(yīng) ”。 圖 32 太陽能電池的理想狀態(tài)等效電路 太陽能電池 板 的 計(jì)算 硅太 陽能發(fā)電板容量是指平板式太陽能板發(fā)電功率 WP。 P=H/V （３） V——負(fù)載額定電源 選定每天日照時(shí)數(shù) T(H)。 太陽能電池溫度補(bǔ)償電壓 VT。 太陽電池陣列的伏安特性如圖 5。當(dāng)日射 S1000W／㎡時(shí)。其中 70％是充電過程中，太陽能電池板的實(shí)際使用功率。 系統(tǒng)層次原理圖 系統(tǒng)層次原理圖 如圖 41 所示，電路設(shè)計(jì)以 STC89C52 單片機(jī) 作為主控芯片構(gòu)成控制電路模塊對整個(gè)電路控制。串口通信模塊采用 MAX232 芯片進(jìn)行TTL 電平和 RS232 電平之間的轉(zhuǎn)換，加入串口的目的主要是使控制器具有遠(yuǎn)程通信或遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，同時(shí)方便將每天的異常狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄下來，供工作人員查看。 在芯片 內(nèi)部 ，擁有 很高頻率 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案 ?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 單片機(jī)的 最小系統(tǒng)及擴(kuò)展電路 單片機(jī)是系統(tǒng)的主控芯片，為了使整個(gè)電路得到很好的控制，首先必須構(gòu)建最小系統(tǒng)是單片機(jī)可以工作起來。 時(shí)鐘電路如 圖 42 所示。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵重新啟動。 復(fù)位電路雖然簡單，但其作用非常重要。工作狀態(tài)指示燈電路如圖 44 所示。 在對蓄電池電壓 實(shí)時(shí)監(jiān)測的過程中，一旦發(fā)現(xiàn)檢測 電壓 值連續(xù)超出閾值范圍，便啟動自身報(bào)警電路，即當(dāng) 電壓 超過 程序 設(shè)定的最高 值 或最低 值 時(shí)， 單片機(jī)的 引腳 (beep端 )輸出低電平， 三極管 隨之 導(dǎo)通， 驅(qū)動 蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號。 分析可知， 通過控制 MOSFET 管 閉合 和 斷開的時(shí)間（即 PWM—脈沖寬度調(diào)制），就可以控制輸出電壓。 當(dāng)光耦U2 斷開 時(shí)，由于 Q1 的 G 極電壓 接近蓄電池電壓 ， S 極是接地，使得 Vgs0，當(dāng) G 極電壓達(dá)到一定值時(shí)， Q1 導(dǎo)通 。當(dāng)用戶將蓄電池反 接至控制器時(shí)，續(xù)流二極管 D3 可以進(jìn)行續(xù)流，從而保護(hù)控制器不被毀壞。光耦驅(qū)動電路如圖 47 所示。 1243U2Q817Q3NPN805010KR7500R610KR8200R9VCC(5V)PWMPV+K11243U3Q817Q4NPN805010KR11500R1010KR12200R13VCC(5V)FUZAIBAT+K2 圖 47 光耦驅(qū)動電路 A/D 轉(zhuǎn)換電路 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 STC89C52 單片機(jī)沒有內(nèi)置的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊，因此 需要先 采集 蓄電池 的電壓 ，然后 經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換才可接入單片機(jī)。 ADC0804 的簡介 AD 轉(zhuǎn)換就是模數(shù)轉(zhuǎn)換，顧名思義，就是把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。 ADC0804 引腳 圖如圖 48 所示，其各個(gè)引腳的 功能 ： CS — 芯片片選信號輸入端，低電平有效，一旦 CS 有效，表明 A/D 轉(zhuǎn)換器別選中，可啟動工作。 圖 48 ADC0804 引腳圖 CLK IN— 時(shí)鐘信號輸入端 CLK R：內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的外接電阻端，與 CLK 配合可有芯片自身產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，其振蕩頻率為 1/（ ） INTR — 中斷請求信號輸出 ,端，低地平動作 .，表明本次轉(zhuǎn)換已完成。由分壓公式得出采集的電壓為 ADIN，當(dāng)蓄電池充滿電時(shí)電壓大概為 ，計(jì)算出采集到的電壓為 ，符合 A/D 轉(zhuǎn)換芯片的 ADC0804 的輸入值。 LCD 顯示電路 液晶具有體積小、功耗低，顯示清晰的優(yōu)點(diǎn)，所以比較適合作顯示使用。 表 41 1602 的主要技術(shù)參數(shù) 顯示容量 16? 2 個(gè)字符 芯片工作電壓 ~ 工作電流 （ ） 模塊最佳工作電壓 字符尺寸 ? （ W? H） mm 顯然， 1602 液晶可以滿足要求，接下來介紹其各個(gè)引腳的功能，為后面設(shè)計(jì)電壓顯示電路做準(zhǔn)備。 EN 使能 端接單片機(jī)的 引腳，用來實(shí)現(xiàn)片選； RS 接單片機(jī) 引腳，進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令選擇； R/W 接單片機(jī) 引腳，進(jìn)行讀寫控制； 為防止直接加 5V 電壓燒壞背光燈，在 15 腳串接一個(gè) 10 的電阻用于限流。若采用普通存儲器，在掉電時(shí)需要備用電池供電，并需要在硬件上增加掉電檢測電路，但存在電池不可靠及擴(kuò) 展芯片占用單片機(jī)過多口線的缺點(diǎn)。 AT24C02 內(nèi)部 有一個(gè) 8 字節(jié)頁寫 入數(shù)據(jù) 緩沖器。所有接到 I2C 總線設(shè)備上的串行數(shù)據(jù) SDA 都接到總線的 SDA 上，各設(shè)備的時(shí)鐘線 SCL接到總線的 SCL 上。通信有并行和串行兩種方式。而且系統(tǒng)采用易于實(shí)現(xiàn)的異步串行通信方式，用最簡單也最實(shí)用的奇偶校驗(yàn)作為串行通信錯(cuò)誤校驗(yàn)方式。其引腳圖如圖 413 所示。 第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。 TTL/CMOS 電平從 T1IN、 T2IN 輸入轉(zhuǎn)換成 RS232 電平從 T1OUT、 T2OUT 送到電腦 DB9 插頭； DB9 插頭的 RS232 數(shù)據(jù)從 R1IN、 R2IN 輸入轉(zhuǎn)換成 TTL/CMOS 數(shù)據(jù)后從 R1OUT、 R2OUT 輸出。 設(shè)計(jì)中 T1IN 連接 CMOS 電平的單片機(jī)的串行發(fā)送端； T1OUT 連接電腦的 RS232C串口的接收端 PCRXD；同理， R1IN 連接電腦的 RS232C 串口的發(fā)送端 PCTXD； R1OUT連接 CMOS 電平的單片機(jī)的串行接收端。既便于調(diào)試，連接，又便于移植、修改。 開 始初 始 化主 函 數(shù) 和 子 函 數(shù)蓄 電 池 電 壓采 集 轉(zhuǎn) 換V b a t 0V b a t 1 4 . 5 V蓄 電 池 反 接關(guān) 閉 充 放 電 電 路停 止 充 電關(guān) 斷 負(fù) 載P W M 浮 充 充 電直 充 充 電NYYYYNNNN關(guān) 斷 負(fù) 載開 啟 充 電結(jié) 束NV b a t 1 2 VV b a t 1 0 . 8 V 圖 415 系統(tǒng) 主程序流程圖 系統(tǒng) 主程 序是整個(gè) 電壓 測控系統(tǒng)中最重要的程序，是一個(gè)順序執(zhí)行的無限循環(huán)程序。 軟件調(diào)試的過程：首先根據(jù)太陽能充電控制器軟件設(shè)計(jì)要完成的設(shè)計(jì)任務(wù)，蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 272kw 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電部分 然后按照 C 語言模塊化設(shè)計(jì)的編程方法，設(shè)計(jì)出各個(gè)子模塊和主程序的算法流程圖，最后在 KEIL C51 中去編寫相應(yīng)的程序去實(shí)現(xiàn)。 Proteus 軟件為單片機(jī)系統(tǒng)提供了良好的仿真環(huán)境，所以程序調(diào)試完成后，把在 KEIL 中生成的目標(biāo)文件 HEX 文件，下載在仿真系統(tǒng)的單片機(jī)中，進(jìn)行 KEIL 和 proteus 聯(lián)合調(diào)試，看系統(tǒng)是否能正常工作。這里僅列出系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)下的仿真圖，如下圖 416 所示，以便更形象的看出充電控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)功能。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 302kw 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電部分 5 逆變主電路的設(shè)計(jì) 獨(dú)立光伏發(fā)電 系統(tǒng)逆變電路的設(shè)計(jì)主要包括逆變主電路的設(shè)計(jì)、控制電路、驅(qū)動電路等的設(shè)計(jì)。采用電壓瞬時(shí)值反饋，對輸出電壓進(jìn)行采樣隔離，反饋信號送給控制芯片，通過 PWM 生成環(huán)節(jié)產(chǎn)生各功率管的開關(guān)信號，控制功率管的通斷，使輸出電壓盡可能跟蹤給定信號。 PIC 單片機(jī)是采用 RISC結(jié)構(gòu)的高性價(jià)比嵌入式控制器，采取數(shù)據(jù)總線和地址總線分離的 Harvard 雙總線結(jié)構(gòu)，具有很高的流水處理速度。 控制電路 供電電源 由于本文設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電系統(tǒng)只有蓄電池提供的 12V 電壓，故此芯片的 5V供電電源需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，采用 78L05 三端集成穩(wěn)壓器 ，其電路接法如圖 52所示： 圖 52 78L05 電平轉(zhuǎn)換電路 時(shí)序和死區(qū)電路 在電路工作中 ,開關(guān)管的關(guān)斷時(shí) 間往往長于接通建立時(shí)間 ,會出現(xiàn)上下橋臂直通的危險(xiǎn) ,為此 ,