【文章內容簡介】 池的選擇要求：重量輕、體積小、能量轉換率高、自放電慢、充放電循次數多（即使用壽命長）等。其次，還有些特殊要求如低溫時能大電流放電、維護簡單或無需維護、自放電（析氫）特別慢等。 微機控制系統：微機控制系統是整個設計的核心內容。它是整個系統安全運行的基本保證。另外本系統受應用環(huán)境的要求，本身就要求實現免維護。所以無論從硬件系統還是軟件系統都要對系統有保護作用。 逆變器：逆變系統是把 蓄電池中的直流電變成標準的 220V 交流電，保證交流電在設備的正常使用。同時還具有自動穩(wěn)壓功能，可改善風光互補發(fā)電系統的供電質量；在逆變器的電路結構形式上，主要是工頻變壓器和高頻變壓器兩種形式。對一個風光發(fā)電系統而言，逆變器是一種電力電子設備，抗過載，抗沖擊的能力要相對弱一些，是最易出故障的單元。 太陽能電池 風力發(fā)電機 微機控制系統 逆變器 蓄電池 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 92kw 風光互補發(fā)電系統設計光伏發(fā)電部分 3 光伏發(fā)電介紹 太陽能光伏電池的原理 太陽能光伏電池 (簡稱光伏電池 )用于把太陽的光能直接轉化為電能。目前世界各國正在研究的太陽電池主要有單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽電池。在能量轉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。多晶硅比單晶硅轉換效率略低，但價格更便宜。另外，還有其它類型的太陽電池。 太陽能電池的能量轉換是應用 PN 結的光伏效應 （ Photovoltaic Effect）。首先對 PN結二極管做一簡單說明。如圖 31 所示，為一理想的 PN 結二極管的電流 電壓（ IV）特性圖，其對應的方程式如下： ???????? ?????????????????? ???????? ?? 1e x p1e x pTpnspnspn nVVIn k TqVII （ 1） Ipn， Vpn： PN 結二極管的電流及電壓 k：波爾茲曼常數（ Boltzmann Constant： 1023J/K） q：電子電荷量（ 1019 庫侖） T：絕對溫度（凱氏溫度 K＝攝氏溫度＋ 273 度） Is：等效二極管的逆向飽和電流 VT：熱電壓（ Thermal Voltage： ） 太陽能電池將太陽光能轉換為電能是依賴自然光中的的量子 光子（ Photons），而每個光子所攜帶的能量為 Eph： ? ? ?? hcEph ? （ 2） h：普郎克常數（ Planck Constant： 1015eVS） c：光速（ 3108m/s） λ：光子波長 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 102kw 風光互補發(fā)電系統設計光伏發(fā)電部分 圖 31 PN結二極管 IV特性圖 但并非所有光子都能順利地通過太陽能電池將光能轉換為電能，因為在不同的光譜中光子所攜帶的能量不一樣。 當光子所攜帶的能量大于禁帶（ Band Gap）能量時，電子由價電帶（ Valence Band）躍遷至導電帶（ Conduction Band）而產生所謂的 “ 電流 ” ，所以當光子所攜帶的能量若大于禁帶能量時，便可以通過光電子轉換成電能。 當入射太陽光的能量大于硅半導體的禁帶能量時，太 陽光子照射入半導體內，把電子從價電帶激發(fā)到導電帶，從而在半導體內部產生了許多 “ 電子 空穴 ” 對，在內建電場的作用下，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 結附近就形成了與內建電場方向相反的光生電場，它的一部分抵消了內建電場，其余部分則使 P 區(qū)帶正電， N 區(qū)帶負電，于是在 N 區(qū)與 P 區(qū)之間產生了光生伏打電動勢，這就是所謂的 “光生伏打效應 ”。 如果位太陽電池開路，即組成電池回路中，負載電阻為無窮大，則被 PN 結分開的電子和空穴，就會全部積累在 PN 結附近，于是出現了最大光生電動 勢，它的數值即為開路電壓，記作 Voc。 如果把太陽電池短路，即回路負載電阻為零，則所有 PN 結附近的電子與空穴，由結的一邊，流經外電路到達結的另一邊，產生了最大可能的電流，即短路電流記作 ISC。 太陽能電池相當于具有與受光面平行的極薄 PN 結的大面積的等效二極管，因此可以假設太陽能電池為一個二極管與太陽光電流發(fā)生源所并聯的等效電路，如圖 32所示。 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。太陽能發(fā)電功率量值取決蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 112kw 風光互補發(fā)電系統設計光伏發(fā)電部分 于負載 24h 所能消 耗的電力 H(WH)，由負載額定電源與負載 24h 所消耗的電力，決定了負載 24h 消耗的容量 P(AH)，再考慮到平均每天日照時數及陰雨天造成的影響，計算出太陽能電池陣列工作電流 IP(A)。 由負載額定電源，選取蓄電池公稱電壓，由蓄電池公稱電壓來確定蓄電池串聯個數及蓄電池浮充電壓 VF (V)，再考慮到太陽能電池因溫度升高而引起的溫升電壓 VT(v)及反充二極管 PN 結的壓降 VD(V)所造成的影響，則可計算出太陽能電池陣列的工作電壓 VP(V)，由太陽電池陣列工作電源 IP(A)與工作電壓 VP(V)，便可決定平板式太陽能板 發(fā)電功率 WP，從而設計出太陽能板容量，由設計出的容量 WP 與太陽能電池陣列工作電壓 VP，確定硅電池平板的串聯塊數與并聯組數。 太陽能電池陣列的具體設計步驟如下： 計算負載 24h 消耗容量 P。 P=H/V （３） V——負載額定電源 選定每天日照時數 T(H)。 計算太陽能陣列工作電流。 IP=P(1+Q)/T （４） Q——按陰雨期富余系數， Q=～ 確定蓄電池浮充電壓 VF。 鎘鎳 (ＧＮ )和鉛酸 (ＣＳ )蓄電池的單體浮充電壓分別為 ～ 和 。 太陽能電池溫度補償電壓 VT。 VT=(T25)VF （５） 計算太陽能電池陣列工作電壓 VP。 VP=VF+VD+VT （６） 其中 VD=～ ，約等于 VF 太陽電池陣列輸出功率ＷＰ平板式太陽能電板。 WP=IPUP （７） 根據 VP、 WP 在硅電池平板組合系列表格，確定標準規(guī)格的串聯塊數和并聯組數。 太陽電池陣列的伏安特性如圖 5。由圖可知，該伏安特性曲線具有強烈的非線性。太陽電池陣列的額定功率是在以下條件下定義的 ：當日射 S=l000W／㎡；太陽電池溫度T=25；大氣質量 AM= 時，太陽電池陣列輸出的最大功率便定義為它的額定功率。太陽電池陣列額定功率的單位為 “峰瓦 ”，記以 “WP”。當日射 S1000W／㎡時。 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 122kw 風光互補發(fā)電系統設計光伏發(fā)電部分 圖 33 太陽電池陣列的伏安特性曲線 溫度和日照強度的變化對太陽電池的伏安特性都有影響，在僅改變日照強度而保持其它條件 (如太陽電池溫度和大氣質量等 )不變的情況下。計算出每天消耗的瓦時數 (包括逆變器的損耗 )： 逆變器的轉換效率為 90％，則當輸出功率為 100W 時，則實際需要輸出功率應為 100W/90％ =111W；若按每天使用 8 小時，則耗電量為 111W*8 小時 =888Wh。按每日有效日照時間為 6 小時計算，再考慮到充電效率和充電過程中的損耗，太陽能電池板的輸出功率應為 888Wh/6h/70%=210W。其中 70％是充電過程中，太陽能電池板的實際使用功率。 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 132kw 風光互補發(fā)電系統設計光伏發(fā)電部分 4 蓄電池 充電控制器的 設計 在整體方案的指導下，依據工程設計的常見思路，本論文從硬件電路設計和軟件設計兩個方面入手，運用模塊化的設計方法去進行控制器的設計。 硬件電路主要由以下幾部分組成：單片機最小系統、充放電電路、光耦驅動電路、A/D 轉換電路、 LCD 顯示電路、 E2PROM 數據存儲電路、串口通信電路等。下面先從系統層次原理圖入手，對系統原理進行詳細的分析，然后再對具體電路地進行一一介紹。 系統層次原理圖 系統層次原理圖 如圖 41 所示，電路設計以 STC89C52 單片機 作為主控芯片構成控制電路模塊對整個電路控制。首先采用并聯分壓方式對蓄電池電壓采集后，送到 AD 模塊中的 A/D 轉換 器進行轉換 得到一個數字信號的電壓值，再將 此信號 送入到 控制模塊中 單片機進行處理 ；然后在軟件程序控制下， 單片機輸出 控制信號送到充放電模塊中，經光耦 驅動 電路 來 控制 MOSFET?？刂?MOSFET管導通的方式是脈沖寬度調制 (PWM)，根據 載荷 變化來調制 MOSFET 管柵的偏置，達到實現開關功能。 VCCGNDPWMFUZAI充放電模塊充放電電路 .SchDocVCCGNDPWMFUZAIAD[0..7]CSADWRRD2728TXDRXD控制器和顯示模塊STC 單片機最小系統設計 .SchDocVCCGNDAD[0..7]CSADWRRDAD 模塊AD 轉換 .SchDocVCCGNDSCKSDA數據保存模塊E2PROM 存儲電路 .SchDocVCCGNDPCRXDPCTXD串口調試模塊RS232 串口通信 .SchDoc 圖 41 系統原理圖 最后通過通信模塊實現數據的傳送和保存。串口通信模塊采用 MAX232 芯片進行TTL 電平和 RS232 電平之間的轉換，加入串口的目的主要是使控制器具有遠程通信或遠程監(jiān)控功能，同時方便將每天的異常狀態(tài)數據記錄下來，供工作人員查看。數據存儲電路模塊，使得當電壓出現異常時，讓蜂鳴器報警，同時把異常電壓值通過 I2C 總線存放在 E2PROM 中，作為以后分析使用。 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 142kw 風光互補發(fā)電系統設計光伏發(fā)電部分 單片機最小系統 STC89C52 的簡介 STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系統可編程 Flash存儲器 。 使用 STC 公司高密度非易失性 高加密性 存儲器技術制造 ， 與工業(yè) 80C51 產品指令和引腳完全兼容 。 在芯片 內部 ，擁有 很高頻率 8 位 CPU 和在系統可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、有效的解決方案 。 。 STC89C52 具有以下標準功能 ： 8k字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數據指針，三個 16 位定時 器 /計數器，一個 6 向量 2 級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。另外， STC89C52 具有低功耗設計， 支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， RAM 內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。同時該芯片還具有 PDIP、 TQFP 和 PLCC 等三種封裝形式，以適應不同產品的需求。 而且 STC89C52 的工作頻率很寬，可以在 0~35MHz之間選擇，芯片具有超強抗干擾性，加密性強。 單片機的 最小系統及擴展電路 單片機是系統的主控芯片，為了使整個電路得到很好的控制，首先必須構建最小系統是單片機可以工作起來。本設計 單片機 最小系統擴展 電路包括上電復位電路， 時鐘電路 ， 工作 指示燈 和蜂鳴器報警電路等。 （ 1）時鐘電路 單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，此放大器的輸入 端 和輸出端分別是引腳 XTAL1 和 XTAL2，在 XTAL1 和 XTAL2 上外接時鐘源即可構成時鐘電路，CPU 的所有操作均在時鐘脈沖同步下進行。片內振蕩器的振蕩頻率非常接近晶振頻率，一般多在 ~12MHz 之間選取。 時鐘電路如 圖 42 所示。 電路中 C C7 是反饋電容，其值在 5pF~30pF 之間選取 ， 本電路選用的電容為 30pF，晶振頻率為 。 12C633PFC733PFXTAL1XTAL2C810uFR1510KVCCRESTR141KS1SWPB 圖 42 時鐘電路 圖 43 復位電路 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 152kw 風光互補發(fā)電系統設計光伏發(fā)電部分 （ 2）復位電路 復位是單片機的初始化操作。其主要功能是把 PC 初始化為 0000H，使單片機從0000H 單元開始執(zhí)行程序。除了進入系統的正常初始化之外，當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需按復位鍵重新啟動。 單片機的復位電路如圖 43 所示。本系統采用的是上電 +電平按鈕復位，