【正文】 電不足的問(wèn)題尤為嚴(yán)重。目前已被開(kāi)發(fā)的新能源新光源室外照明工程有：風(fēng)光互補(bǔ)led智能化路燈、風(fēng)光互補(bǔ)led小區(qū)道路照明工程、風(fēng)光互補(bǔ)led景觀照明工程、風(fēng)光互補(bǔ)led智能化隧道照明工程、智能化led路燈等。智能化控制器還具有強(qiáng)大的人工智能功能，對(duì)整個(gè)照明工程實(shí)施先進(jìn)的計(jì)算機(jī)三遙管理，重點(diǎn)是照明燈具的運(yùn)行狀況巡檢及故障和防盜報(bào)警?；驹硎牵禾?yáng)能和風(fēng)能以互補(bǔ)形式通過(guò)控制器向蓄電池智能化充電，到晚間根據(jù)光線強(qiáng)弱程度自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉各類(lèi)led室外燈具。但是這種可持續(xù)發(fā)展模式，對(duì)中國(guó)在內(nèi)的所有發(fā)展中國(guó)家都有深遠(yuǎn)意義。我國(guó)已經(jīng)建成了千余個(gè)可再生能源的獨(dú)立運(yùn)行村落集中供電系統(tǒng)，但是這些系統(tǒng)都只提供照明和生活用電，不能或不運(yùn)行使用生產(chǎn)性負(fù)載，這就使系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性變得非常差。采用已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)有利于加速這些地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高其經(jīng)濟(jì)水平。在中國(guó)無(wú)電鄉(xiāng)村往往位于風(fēng)能和太陽(yáng)能蘊(yùn)藏量豐富的地區(qū)。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電比單獨(dú)風(fēng)力發(fā)電或光伏發(fā)電有以下優(yōu)點(diǎn)：●利用風(fēng)能、太陽(yáng)能的互補(bǔ)性，可以獲得比較穩(wěn)定的輸出，系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性和可靠性；●在保證同樣供電的情況下，可大大減少儲(chǔ)能蓄電池的容量[5]；●通過(guò)合理地設(shè)計(jì)與匹配，可以基本上由風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)供電，很少或基本不用啟動(dòng)備用電源如柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組等，可獲得較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。它將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，以備供電不足時(shí)使用。另一方面把多余的電能送往蓄電池組存儲(chǔ)。(1)風(fēng)力發(fā)電部分是利用風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，再通過(guò)控制器對(duì)蓄電池充電，經(jīng)過(guò)逆變器對(duì)負(fù)載供電；(2)光伏發(fā)電部分利用太陽(yáng)能電池板的光伏效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能，然后對(duì)蓄電池充電，通過(guò)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電；(3)逆變系統(tǒng)由幾臺(tái)逆變器組成，把蓄電池中的直流電變成標(biāo)準(zhǔn)的220v交流電，保證交流電負(fù)載設(shè)備的正常使用。三、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽(yáng)能光伏電池組、控制器、蓄電池、逆變器、交流直流負(fù)載等部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)附圖。目前中科院電工研究所的生物遺傳算法的優(yōu)化匹配和內(nèi)蒙古大學(xué)新能源研究中推出來(lái)的小型戶用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)匹配的計(jì)算即輔助設(shè)計(jì)，在匹配計(jì)算方面有著領(lǐng)先的地位，而合肥工業(yè)大學(xué)智能控制在互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用也處在前沿水平。目前國(guó)內(nèi)進(jìn)行風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)研究的大學(xué)，主要有中科院電工研究所、內(nèi)蒙古大學(xué)、內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等。但是hybrid2只是一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真軟件，本身不具備優(yōu)化設(shè)計(jì)的功能，并且價(jià)格昂貴，需要的專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)。其中colorado state university和national renewable energy laboratory合作開(kāi)發(fā)了hybrid2應(yīng)用軟件。近幾年隨著風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，保證率和經(jīng)濟(jì)性要求的提高，國(guó)外相繼開(kāi)發(fā)出一些模擬風(fēng)力、光伏及其互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)性能的大型工具軟件包。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是利用風(fēng)能和太陽(yáng)能資源的互補(bǔ)性，具有較高性價(jià)比的一種新型能源發(fā)電系統(tǒng)，具有很好的應(yīng)用前景。但是人類(lèi)在使用化石燃料的同時(shí)，帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)系統(tǒng)破壞。300瓦約需7000元左右。初步估算，研制一套系統(tǒng)的組件、材料費(fèi)約需2萬(wàn)元左右。單體蓄電池額定電壓為12 V，蓄電池組可選1塊或多塊蓄電池串聯(lián)組合而成總?cè)萘繚M足要求。按1000瓦負(fù)載計(jì)算，電流約為5安培，要保證在連續(xù)2天無(wú)風(fēng)、無(wú)晴天時(shí)．蓄電池組可獨(dú)立保證系統(tǒng)給重要負(fù)載正常供電。光伏系統(tǒng)輸入能量穩(wěn)不穩(wěn)定，控制環(huán)節(jié)具有舉足輕重的作用。以光伏充電系統(tǒng)為例，光伏電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，蓄電池將轉(zhuǎn)變出來(lái)的電能儲(chǔ)存起來(lái)，充電控制環(huán)節(jié)在系統(tǒng)中起著樞紐作用。自適應(yīng)充電系統(tǒng)遵循各類(lèi)電池的充電規(guī)律進(jìn)行充電。它綜合了常規(guī)充電法和快速充電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，使蓄電池保持較高的容量和較長(zhǎng)的使用壽命,是目前光伏系統(tǒng)應(yīng)用最多的一種控制方式。當(dāng)電池電壓下降到浮充電壓的90％時(shí)，充電器將轉(zhuǎn)入大電流充電狀態(tài)，使上述充電過(guò)程重新開(kāi)始。在浮充電模式下，充電器輸出電壓下降到較低的浮充電壓值，充電電流通常只有10～30mA，用以補(bǔ)償電池因自身放電而損失的電量。當(dāng)充電電流下降到足夠小時(shí)，電池容量己達(dá)到額定容量的100％，充電過(guò)程實(shí)質(zhì)上己經(jīng)完成，轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)。(3)過(guò)充電如果從大電流充電狀態(tài)直接轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)，電池容量只能恢復(fù)到額定容量的80％～90％。在大電流快速充電這段時(shí)間里，電池電量迅速地恢復(fù)。(2)大電流快速充電在這種模式下充電器以恒定的最大允許電流給電池充電。隨著涓流充電繼續(xù)，電池電壓逐漸升高，當(dāng)電壓升高到閾值電壓時(shí)立即轉(zhuǎn)入大電流快速充電。該充電模式需要設(shè)計(jì)單片機(jī)嵌入式軟件進(jìn)行才能進(jìn)行精確控制。其綜合了恒壓和恒流充電法優(yōu)點(diǎn)，使蓄電池保持較高的容量和較長(zhǎng)的使用壽命。其中鉛酸蓄電池價(jià)格低廉、性能可靠、安全性高，且技術(shù)上又不斷進(jìn)步和完善，得到了廣泛的應(yīng)用。項(xiàng)目開(kāi)發(fā)應(yīng)將重點(diǎn)放在系統(tǒng)控制器與逆變器的核心技術(shù)上，只有擁有系統(tǒng)控制器與逆變器核心技術(shù)作為自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，該產(chǎn)品才有市場(chǎng)和技術(shù)生命力。是項(xiàng)目重點(diǎn)攻關(guān)的技術(shù)難點(diǎn)。（8）逆變器還應(yīng)有輸出過(guò)電壓防護(hù)措施，以使負(fù)載免受過(guò)電壓的損害。(6)防雷保護(hù)：逆變器應(yīng)有防雷保護(hù)。(4)輸出短路保捷逆變器短路保護(hù)動(dòng)作時(shí)間應(yīng)不超過(guò)0．5s。(3)過(guò)電流保護(hù)：逆變器的過(guò)電流保護(hù)，應(yīng)能保證在負(fù)載發(fā)生短路或電流超過(guò)允許值時(shí)及時(shí)動(dòng)作，使其免受浪涌電流的損傷。此外，逆變器還應(yīng)具備如下保護(hù)功能或措施，以應(yīng)對(duì)在實(shí)際使用過(guò)程中出現(xiàn)的各種異常情況，使逆變器本身及系統(tǒng)其他部件免受損傷：(1)輸入欠壓保捷當(dāng)輸入端電壓低于額定電壓的85％ 時(shí)，逆變器應(yīng)有保護(hù)和顯示。正弦波輸出的逆變器控制電路，可采用微處理器控制，這些單片機(jī)均具有多路PWM發(fā)生器，并可設(shè)定上、上橋臂之間的死區(qū)時(shí)間，完成正弦波信號(hào)的發(fā)生，并檢測(cè)交流輸出電壓，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。推挽電路和全橋電路的輸出都必須加升壓變壓器，由于升壓變壓器體積大，效率低，價(jià)格也較貴，隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，采用高頻升壓變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)逆變，可實(shí)現(xiàn)高功率密度逆變，這種逆變電路的前級(jí)升壓電路采用推挽結(jié)構(gòu)，但工作頻率均在20KHz以上，升壓變壓器采用高頻磁芯材料，因而體積小、重量輕，高頻逆變后經(jīng)過(guò)高頻變壓器變成高頻交流電，又經(jīng)高頻整流濾波電路得到高壓直流電(一般均在300V以上)再通過(guò)工頻逆變電路實(shí)現(xiàn)逆變。該電路的缺點(diǎn)是上、下橋臂的功率晶體管不共地，因此必須采用專(zhuān)門(mén)驅(qū)動(dòng)電路或采用隔離電源。全橋逆變電路克服了推挽電路的缺點(diǎn)，功率晶體管調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度，輸出交流電壓的有效值即隨之改變。中、小容量逆變器一般有推挽逆變電路、全橋逆變電路和高頻升壓逆變電路三種，推挽電路，將升壓變壓器的中性插頭接于正電源，兩只功率管交替工作，輸出得到交流電力，由于功率晶體管共地邊接，驅(qū)動(dòng)及控制電路簡(jiǎn)單，另外由于變壓器具有一定的漏感，可限制短路電流，因而提高了電路的可靠性。逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，若直流電壓較低，則通過(guò)交流變壓器升壓，即得到標(biāo)準(zhǔn)交流電壓和頻率。當(dāng)此交替導(dǎo)通的頻率與負(fù)載所需的交流頻率相同時(shí)，其輸出的電壓為方波電壓。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，脈寬調(diào)制技術(shù)的普及，SPWM型正弦波逆變器逐漸成為逆變器的主流產(chǎn)品。逆變器通過(guò)全橋電路，采用正弦波脈寬調(diào)制SPWM技術(shù)經(jīng)過(guò)調(diào)制、濾波、升壓等，得到與電網(wǎng)負(fù)載頻率、額定電壓等相匹配的正弦交流電供用戶使用。意法半導(dǎo)體的STM32F103單片機(jī)芯片功能強(qiáng)大，有較強(qiáng)的PWM控制功能，且研發(fā)人員均已熟練掌握該芯片的使用，因此控制器設(shè)計(jì)擬選STM32F103單片機(jī)。e、過(guò)風(fēng)速和過(guò)電壓剎車(chē)：在大風(fēng)或過(guò)電壓狀態(tài)下，本控制器將自動(dòng)啟動(dòng)電磁剎車(chē)，以保護(hù)風(fēng)機(jī)和蓄電池。d、蓄電池開(kāi)路保護(hù)：長(zhǎng)期使用后，蓄電池可能會(huì)發(fā)生開(kāi)路或接觸不良。如果不加保護(hù)，則必然會(huì)損壞蓄電池和設(shè)備本身。b、防雷保護(hù)：內(nèi)帶有避雷裝置，能將雷電產(chǎn)生的瞬時(shí)強(qiáng)電壓和電流釋放掉，以保護(hù)本控制器及后級(jí)設(shè)備不受雷擊損傷。(5)完善的保護(hù)功能：a、太陽(yáng)能防反充：在夜間等光線不好的情況下，蓄電池的電壓可能會(huì)高于太陽(yáng)能電池陣列的端電壓。本控制器通過(guò)單片機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池的充電電壓和充電電流，并通過(guò)控制光伏充電電流和風(fēng)機(jī)充電電流來(lái)限制蓄電池的充電電壓和充電電流，從而確保了蓄電池的使用壽命。從而保證了最佳的蓄電池充電特性，使得電能得到充分利用，并確保了蓄電池的使用壽命。有的則采用分階段接上卸荷，則階段越多，控制效果越好，但一般只能做到五六級(jí)左右，所以效果仍不夠理想。(2)PWM無(wú)級(jí)卸載：在太陽(yáng)電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電能超過(guò)蓄電池和逆變輸出需要時(shí)，控制系統(tǒng)必須將多余的能量通過(guò)卸荷釋放掉。具有如下設(shè)計(jì)指標(biāo)：(1)PWM整流電路：采用具有PWM端口的單片機(jī)軟件控制與外圍整流電路相結(jié)合的方法，調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達(dá)到控制充電電流的目的。裝置采用單片機(jī)控制系統(tǒng)，具備防雷、PWM卸載、太陽(yáng)能防反充、過(guò)電壓自動(dòng)剎車(chē)、蓄電池反接和開(kāi)路保護(hù)等完善的保護(hù)功能，并有液晶顯示。據(jù)淘寶網(wǎng)檢索，多晶硅價(jià)格為10元~15元/瓦，則300瓦價(jià)格為3000元~4000元左右。薄膜式太陽(yáng)電池是太陽(yáng)能電池今后的發(fā)展方向。非晶硅太陽(yáng)能電池是近年開(kāi)始應(yīng)用的一種新型薄膜式太陽(yáng)電池，它與單晶硅和多晶硅太陽(yáng)電池的制作方法完全不同，工藝過(guò)程大大簡(jiǎn)化，硅材料消耗很少，電耗更低，它的主要優(yōu)點(diǎn)是在弱光條件也能發(fā)電。多晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率約12％，使用壽命也要比單晶硅太陽(yáng)能電池短，制作成本相對(duì)較低。太陽(yáng)能光伏電池陣列單晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，最高的達(dá)到24％，是所有種類(lèi)的太陽(yáng)能電池中光電轉(zhuǎn)換效率最高的。水平式風(fēng)力發(fā)電機(jī)價(jià)格比較便宜，但因旋轉(zhuǎn)直徑過(guò)大，對(duì)風(fēng)向要求較嚴(yán)，不適宜安裝在漁船上。根據(jù)淘寶網(wǎng)檢索價(jià)格，300瓦垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)價(jià)格為2000元左右，超過(guò)500W的垂直式風(fēng)力發(fā)電機(jī)價(jià)格6000~10000元以上。本裝置的風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用交流永磁同步發(fā)電機(jī)。小型風(fēng)力發(fā)電裝置可使用的發(fā)電機(jī)類(lèi)型較多，有直流發(fā)電機(jī)、電磁式交流發(fā)電機(jī)、磁阻式發(fā)電機(jī)及感應(yīng)子式發(fā)電機(jī)等。新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)(H型)采用了新型結(jié)構(gòu)和材料，具有啟動(dòng)風(fēng)速低、噪音低、抗風(fēng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，1米/秒微風(fēng)就可起步發(fā)電。垂直軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸與地面垂直，葉輪不需改變方向。風(fēng)力發(fā)電機(jī)按主軸旋轉(zhuǎn)方向分為兩類(lèi)：水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸與地面平行，需隨風(fēng)向變換調(diào)整葉輪的朝向。在日照不足時(shí)，儲(chǔ)存在蓄電池中的直流電能經(jīng)過(guò)逆變器，變換成交流電供給交流負(fù)載使用。如圖所示：其工作原理是：風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成交流電能，先經(jīng)整流器整流成為直流電，由控制器對(duì)蓄電池充電，然后再通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電才能供給交流負(fù)載。為將來(lái)太陽(yáng)能光伏發(fā)電大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用做好技術(shù)儲(chǔ)備。因此，應(yīng)該將項(xiàng)目考慮定位為：獨(dú)立的離網(wǎng)型小型風(fēng)力與太陽(yáng)能光伏互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。將兩者結(jié)合起來(lái)，可實(shí)現(xiàn)晝夜發(fā)電，提高系統(tǒng)供電的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性。太陽(yáng)能發(fā)電穩(wěn)定可靠，但成本較高，而風(fēng)力發(fā)電成本較低，但隨機(jī)性大，供電可靠性差。但由于地表溫差變化大而風(fēng)能加強(qiáng)。三、項(xiàng)目技術(shù)定位分析風(fēng)能和太陽(yáng)能由于受地理分布、季節(jié)變化、晝夜交替等影響，其能量密度變化較大。目前，在浙江、江蘇省沿海一帶，在政府的倡導(dǎo)下，漁船開(kāi)始普及安裝300瓦~1000瓦的微小型風(fēng)力與太陽(yáng)能光伏互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng),節(jié)省了大量燃油，應(yīng)用效果比較好。購(gòu)置柴油發(fā)電機(jī)和發(fā)電用油的成本并不低。漁船出海作業(yè)需要保證衛(wèi)星導(dǎo)航、通信設(shè)施、安全指示燈、標(biāo)志燈、燈光作業(yè)燈等的供電，泊港后需要有人留守，留守人員需要照明、電視、冰箱等生活用電。而且高速公路上由于車(chē)輛行駛速度很快，不斷卷起的氣流會(huì)使公路兩旁常年處于有風(fēng)狀態(tài)，保證風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)常年處于運(yùn)行供電狀態(tài)。高速公路的外場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備一般采用直接敷設(shè)電纜的供電方式，諸如互通立交、彎道、坡道、特大橋等需重點(diǎn)監(jiān)控的路段往往離電源點(diǎn)的距離很遠(yuǎn)，采用傳統(tǒng)電纜供電方式，就必須使用比較粗大的銅芯線纜來(lái)降低電壓衰減，從而導(dǎo)致建設(shè)費(fèi)用過(guò)高，同時(shí)運(yùn)營(yíng)期間也因電纜經(jīng)常被盜而給業(yè)主造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和運(yùn)營(yíng)管理的不便。將大大降低電源配置成本。移動(dòng)通信基站用電負(fù)荷都不會(huì)太大，若采用市電供電，架桿鋪線代價(jià)很大，若采用柴油發(fā)電機(jī)供電，存在柴油儲(chǔ)運(yùn)成本高，系統(tǒng)維護(hù)困難、可靠性不高的問(wèn)題。這些地方遠(yuǎn)離電網(wǎng)，迫切需要用電改善工作和生活條件，使用柴汽油發(fā)電