【正文】 1 第 1 章 緒論 課題背景 隨著生活水平的不斷提高，人們對能源的使用依賴性越來越大，煤礦類 等 不可再生資源將逐漸減少。 系統(tǒng)采用分模塊方式來實現(xiàn)，更好實現(xiàn)電路的調(diào)試和改進。 本文介紹 的風光互補發(fā)電 LED路燈控制裝置 設計主要由三部分組成。五邑大學本科畢業(yè)設計 I 摘 要 離網(wǎng)風光互補發(fā)電技術是一種嶄新的能源技術，隨著其技術的不斷成熟，涉及的應用領域越來越廣泛 。 如獨立運行于無電地區(qū)的集中風光補供系統(tǒng)和用戶風光互補發(fā)電系統(tǒng)，廣泛應用于電網(wǎng)無法覆蓋的邊遠山區(qū)、牧區(qū)及通信基站、氣象站、高速公路和鐵路，用于森林防火等的監(jiān)測站、部隊邊防哨所、航標燈、油電等。第一，基于LM2567ADJ穩(wěn)壓芯片的小功率風光互補發(fā)電的硬件設計；第二，以 NE555為核心的鉛酸蓄電池充電電路的設計；第三，基于 STC12C5A60S2單 片機的 LED路燈控制裝置。 關鍵 詞 風光發(fā)電； 鉛酸 蓄電池 充電 ； NE555； STC12C5A60S2； LED 路燈控制 五邑大學本科畢業(yè)設計 II Abstract From the s windlight plementary technology is a new energy technology, with its technology continues to mature, involves the application field of more and more widely. Such as independent operation in the area with no electric power for the concentration of scenery for system and user windlight plementary system, widely used in power grid can39。為此，利用可再生資源來滿足人類 對 能源使用 的需求已受到世界各國的普遍重視 。 本課題 將以 風光發(fā)電的技術以及對蓄電池充放電點的管理應用到日常生活中的 路燈 控制中。最初的風光互補發(fā)電系統(tǒng)只是將風力機和光伏組件進行簡單的組合。 隨著風光互補發(fā)電系統(tǒng)研究的深入 ， 產(chǎn)生了一批初步的研究成果。 Colorado State University和 National Renewable Energy Laboratory（ 美國可再生能源實驗室 ） 合作開發(fā)了 hybrid2應用軟件。 近年來 ， 國內(nèi)外對風光互補發(fā)電系統(tǒng)的研究主要集中在系統(tǒng)的優(yōu)化設計和合理配置方面。 在國內(nèi) ， 香港理工大學同中科院廣州能源所、 半導體研究所合作提出了一整套利用 CAD進行風光互補發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設計的方法。另外 ， 合肥工業(yè)大學能源研究所提出了風光發(fā)電系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)仿真模型 ， 用戶可以重構(gòu)多種結(jié)構(gòu)的風光復合發(fā)電系統(tǒng)并進行計算機仿真計算 ， 從而能夠預測系統(tǒng)的性能、控制策略的合理性以及系統(tǒng)運行的效率等。 五邑大學本科畢業(yè)設計 2 本文主要研究的內(nèi)容 風能和太陽能發(fā)電是 取之不盡，用之不竭的可再生能源，風力發(fā)電（風電）和太陽能發(fā)電（光電）系統(tǒng)在我國已得到初步的應用，這兩種發(fā)電方式各有其優(yōu)點。根據(jù)太陽能和風能的時間分布規(guī)律，從自然資源利用時間最大的角度出發(fā)，通過太陽能電池、風力發(fā)電機和蓄電池的有效組合，可以 有效解決單一發(fā)電的不連續(xù)問題，保證基本穩(wěn)定的供電。例如，對于日常生活中道路兩旁的路燈管 理系統(tǒng)就必須智能化了。因此，路燈 亮度的 智能控制就顯得十分重要了。其中 風光發(fā)電部分采用集成 IC芯片 LM2567ADJ來穩(wěn)定電壓的輸出，蓄電池的充電管理由 NE555通過滯回比較來實現(xiàn)恒壓限流充電， 最后 采用帶 10位 A/D轉(zhuǎn)換的單片機 STC12C5A60S2來控制 LED的亮度。 目前光伏 （ PV） 系統(tǒng)中使用的太陽能電池多為硅太陽電池，包括單晶硅、多晶硅以及多晶硅薄膜太陽能電池。太陽能電池板于 4點 15分左右的光照強度下 不同負載時負載兩端的電壓以及回路電流的大小見表 21。 圖 21 太陽能電池伏安特性曲線 太陽能電池輸出的最大功 率就是它的額定功率。最大功率跟蹤 （ MPPT）的目的是將 PV組件的最大直流電能及時的盡可能地提供給負載，通過調(diào)節(jié)負載阻抗大小的方式來 達到最大功率輸出是很難實現(xiàn)的。要實現(xiàn) MPPT功能，不同的控 制算法效果差別很大，如常用的算法有：恒定電壓跟蹤法、擾動觀察法、 功率回授、增量電導法等 [13]。 CVT控制的有點：控制簡單，容易實現(xiàn)，可靠性高；系統(tǒng)不會出現(xiàn)震蕩，又很少的穩(wěn)定性；可以方便地通過硬件實現(xiàn)。其原理是每隔一段時間增加或者減少光伏電池的電壓，觀測增加或減少后輸出功率的變化情況，如果增加電壓后功率也增加則繼續(xù)增加電壓，若減小電壓后功率增加，則繼續(xù)減小電壓。還有一種基于占空比的擾動觀察：光伏陣列和負載間一般采用 PWM變換器進行能量流動與轉(zhuǎn)換，在此種結(jié)構(gòu)中采用占空比為控制變量 。由 圖 22可以看出，陣列在最大功率點處功率對電壓的斜率近似為 0， 也即 dP/dV=0， 而 P=IV，那么 dP/dV=I+V(dI/dV)=0，也即dI/dV=I/V。此法控制精確，響應速度較快，適用于大氣條件變化較快的場合。因此，具有 MPPT功能的控制器在 50W以下 PV系統(tǒng)中優(yōu)勢不不明顯，很少采用，而主要應用在比較大的系統(tǒng)中 [4]。 在風力發(fā)電機中 ， 目前 已采用的發(fā)電機有三種，即直流發(fā)電機、同步交流發(fā)電機和異步交流發(fā)電機。發(fā)電機在風輪軸的帶動下旋轉(zhuǎn)發(fā)電。由于低轉(zhuǎn)速風力發(fā)電機的成本較高，而且 不便于進行實驗的測試， 因此使用直流穩(wěn)壓源模擬風力發(fā)電機輸出的功率。 由于 風 力發(fā)電 機 在實際中 電壓非常不穩(wěn)定 的 ， 根據(jù)小功率直流 型 風力 電機的 電壓電流特性，風 力發(fā)電機 的設計應采用寬頻 電壓輸入， 窄 寬度的電壓輸出 。 蓄電池的選用 及充電控制 所謂蓄電池即是貯存化學能量，與必要時放出電能的一種電氣化學設備。它的工作原理：充電時利用外部的電能使內(nèi)部活性物質(zhì)再生，把電能儲存為化學能，需要放電時再次把化學能轉(zhuǎn)換為電能輸出。 起動型蓄電池：主要用于汽車、摩托車、 拖拉機、柴油機等起動和照明；固定型蓄電池：主 要 應 用于通訊、發(fā)電廠 、 計算機系統(tǒng)作為保護、自動控制的備用電源； 牽引型蓄電池：主要應用于各種蓄電池車、叉車、鏟車等動力電源 ；鐵路用蓄電池：主要用于鐵路內(nèi)燃機車、電力機車、客車起動、 照明之動力；儲能用蓄電池：主要用于風力、 太陽能 等發(fā)電用電能儲存。 新的蓄電池投入使用后，必須定期地進行充電和放電。放電的目的是及時地檢驗蓄電池容量參數(shù)，及促進電極活性物質(zhì)的活化反應。目前對蓄電池充電的方法很多，選擇科學合理的充電方法將會大大提高蓄電池的維護效果。在充電過程中由于蓄電池電壓逐漸升高，充電電流逐漸下降，為保持充電電流不致因蓄電池端電壓升高而減小，充電過程必須逐漸升高電源電壓， 以維持充電電流始終不變，這對于充電設備的自動化程度要求較高，一般簡陋的充電設備是不能滿足恒流充電要求的。若從時間上考慮，采用此法有利的。所以，這種充電方法很少采用。由于恒壓充電開始至后期，電源電壓始終保持一定，所以在充電開始時充電電流相當大，大大超過正常充電電流值。當蓄電池端電壓和充電電壓相等時，充電電流減至最小甚至為零。但其缺點是，在剛開始充電時，充電電流過大，電極活性物質(zhì)體積變化收縮太快，影響活性物質(zhì)的機械強度，致使其脫落。所 以這種充電方法一般只適用于無配電設備或充電設備較簡陋的特殊場合。階段恒流充電法，一般可分為兩個階段進行，也可分為多個階段進行。由于充電后期改用較小電流充電，這樣減少了氣泡對極板活性物質(zhì)的沖刷，減少了活性物質(zhì)的脫落。一般蓄電池第一階段以 10h率電流進行充電，第二階段以 20h率電流進行充電。 本課題使用的是恒壓限流的充電方法完成對蓄電池的充電。 LED 路燈的控制 對于 LED路燈的控制部分，其 供電來源是蓄電池。為了實現(xiàn)對 LED路燈的智能控制，選用 光電式傳感器 光敏電阻來測量光強， 當無光照時，光敏電阻值（暗電阻）很大；當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時，它的阻值（亮電阻）急劇減少 [5]。 LED的調(diào)光原理有三種 ，第一種， 脈沖寬度調(diào)制調(diào)光（ Pulse Width Modulation，簡稱PWM） ，其原理是 將電源方波數(shù)位化，并控制方波的占空比，從而達到控制電流的目的。第三種， 分組調(diào)控 ， 將多顆 LED分組，用簡單的分組器調(diào)控。利用脈沖寬度調(diào)變來設定循環(huán)和工作周期可能是實現(xiàn)數(shù)字電光的最簡單的方法，原因是相同的技術可以用來控制大部分的開關轉(zhuǎn)換器。 脈沖寬度調(diào)制（ PWM）是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。 PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ ON），要么完全無（ OFF）。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。 是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。所以對于電壓的采樣以及 PWM的輸出調(diào)節(jié)，使用內(nèi)置 10位 的 A/D轉(zhuǎn)換器以及帶 PWM輸出的 MCU同時實現(xiàn)兩個功能，不僅 減少元器件的數(shù)量 ，而且 大大減少干擾 ， 在一定程度上減少功耗。與太陽能電池方陣、風力發(fā)電機配套的蓄電池通常工作在浮充電壓狀態(tài)下，其電壓隨太陽能電池組件發(fā)電量、風力發(fā)電機發(fā)電量和負載用電量的變化而變化。離網(wǎng)風光互補發(fā)電系統(tǒng)必須配備蓄 電池才能工作，基于如下原因。如果要在太陽能電池組件和風力發(fā)電不能進行光 /電和風 /電轉(zhuǎn)換期間 為用電負載提供電能，離網(wǎng)風光互補發(fā)電系統(tǒng)必須配備蓄電池，而蓄電池必須儲備當?shù)剡B續(xù)幾個陰雨與低于風力發(fā)電機啟動風速天數(shù)差值期間的用電負載所需的電能。 關于 蓄電池及 供電 負載的匹配 蓄電池的容量對保證連續(xù)供電是很重要的。 （ 1） 蓄電池單獨工作天數(shù)。 （ 2） 蓄電池每天放電量。 （ 3） 蓄電池要有足夠的容量，以保證不會因過充電造成蓄電池失水。 計算蓄電池容量的基本步驟如下。 （ 2） 將計算得到的蓄電池容 量除以蓄電池的允許最大放電深度（因為不能讓蓄電池在自給天數(shù)中完全放電，所以需要除以最大放電深度）得到所需的蓄電池容量。設計中蓄電池容量的基本公式為 CB =24( 1P 1N )/( bK V ) 1P (21) 五邑大學本科畢業(yè)設計 8 式中 1P 為日平均耗電量； 1N 為自給天數(shù) ； bK 為安全系數(shù)； V 為工作電壓。 CB = 1Q ( 1N +1) (23) 1Q 為日平均耗電量； 1N 為自給天數(shù)。 根據(jù)本課題的設計要求， 模擬裝置中 LED路燈的 平均耗電量為 10W由式 (23)得到蓄電池容量 BC=10*(1/8+1)=于是選定 容量 為 W 風力發(fā)電機與太陽能電池組件的功率分配計算 例如，風力發(fā)電機選用 50~200W系列的產(chǎn)品，太陽能電池組件選用 3~120W非晶硅系列，其轉(zhuǎn)換效率取 6%，壽命 20年。根據(jù)資料對當?shù)仫L力發(fā)電機與太陽能電池組件的年發(fā)電量及二者互補的發(fā)電量進行預算，根據(jù)負載要求，選擇 可能的發(fā)電模式，設負載功率 130W，每天工作 5h，每年需要 240kW可以選擇 100W風力發(fā)電機單獨發(fā)電，或者兩組 100W太陽能電池組件并聯(lián)單獨發(fā)電，或者50W風力發(fā)電機加一組 50W太陽能電池板組件互補發(fā)電。發(fā)電系統(tǒng)中各部分容量配置應考慮的幾方面因素。用電負荷日用電量按下式計算 iQ = iP it (24) 式中， iQ 為用電負荷日用電量； iP 為用電設備額定功率； it 為日用電小時數(shù)。 h）； iP 為每種相同設備的額定功率（ kW）； iN 為具有相同額定功率的設備的數(shù)量； it 為該類設備的日平均使用時間（ h）； i 為 1， 2，?， n個不同的設備數(shù)量。 Q = 1Q + 2Q (26) 式中， 1Q 為風力發(fā)電機組的日平均發(fā)電量； 2Q 為太陽能電池組件的日平均發(fā)電量。影響太陽能電池組件發(fā)電能力的因素很多，如五邑大學本科畢業(yè)設計 9 溫度、日照強度、陰影、晶體結(jié)構(gòu)以及負載阻抗等。 太陽能電池方陣提供給系統(tǒng)的電量用下式計算 Q =(~) PW Pt (27) 式中， Q 為日平均發(fā)電量， PW 為太陽能電池組件峰值功率； Pt 當?shù)胤逯等照諘r間數(shù)。在文中 研究部分已經(jīng)講述了風力發(fā)電機的電能部分由直流穩(wěn)壓電流源替換，因此對于風力發(fā)電機的實際電能計算就不在討論了。 （ 2） 風力發(fā)電機組功率與太陽能電池組件功率按 3:7~7:3的范圍進行匹配設計。 綜合上面的討論， 根據(jù) 的計算 中關于蓄電池及供電負載的匹配的第（ 3） 點可知，太陽能電池組、風力發(fā)電機發(fā)電峰值電流和 Im? ，即 Im? 576mA。 h，當日照時間為 4小時（中午 12點左右至下午 4點左右）選定太陽能電池板的 額定 功率為 ， 太陽能日平均發(fā)電量 6 W 本章通過對風光互補發(fā)電系統(tǒng)中效率轉(zhuǎn)換問題的研究，采用了帶集成開關電源功能的芯片來設計供電電源，對于鉛酸蓄電池的充電采用安全可靠的恒壓限流 法，利用目前成熟的 PWM技術來進行 LED路燈調(diào)光