【正文】 ...................................................................................................... 35 程序設(shè)計(jì)原理 ........................................................................................................ 36 系統(tǒng)仿真 ................................................................................................................ 36 結(jié)論 .......................................................................................................................................... 39 致謝 .......................................................................................................................................... 40 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 41 附錄 1 充放電控制源程序 ....................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 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(wèn)題 能源是不僅僅是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要制約因素。隨著礦物燃料的日益枯竭和全球環(huán)境的日益惡化，很多國(guó)家都在認(rèn)真探索能源多樣化的途徑，積極開(kāi)展新能源和可再生能源的研究開(kāi)發(fā)工作。太陽(yáng)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(jí)利用，太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電技術(shù)受到世界各國(guó)的高度重視。而光伏發(fā)電技術(shù)是太陽(yáng)能利用技術(shù)中最具有發(fā)展前景的方式之一。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。 風(fēng)是地球上的一種自然現(xiàn)象，它是由太陽(yáng)輻射造成地球表面受熱不均引起的，引起大氣層壓力分布不均，以致空氣流動(dòng)所形成的動(dòng)能稱(chēng)為風(fēng)能。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(kāi)發(fā)利用的水能總量還要大 10 倍。 風(fēng)光發(fā)電的發(fā)展概況 光伏發(fā)電技術(shù) 1839 年，法國(guó)物理學(xué)家 EdmondBecquerel 意外 的發(fā)現(xiàn)，用兩片金屬浸入溶液結(jié)構(gòu)的付打電池在 光照下會(huì)產(chǎn)生額外的電勢(shì) ，他將這種現(xiàn)象稱(chēng)為 “ 光生付打效應(yīng)（ Photovoltaic Effect） ” 。 1880 年， Charles Ffitts 開(kāi)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(yáng)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(chēng)為 “ 光伏器件 ” 。 1954 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們第一次用晶體硅材料制成了 光伏電池，光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 4%。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。全世界風(fēng)力發(fā)電迅猛發(fā)展的原因主要有一下幾個(gè)：第一，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)比較成熟。可利用率從原來(lái)的 50%提高到 98%，風(fēng)能利用系數(shù)超了 40%。現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)技術(shù)是現(xiàn)代高科技的完善組合。第二，風(fēng)力發(fā)電具有經(jīng)濟(jì)性。第三，全球有豐富的風(fēng)能資源。美國(guó) %的陸地面積安裝了風(fēng)力發(fā)電機(jī)，便可以滿(mǎn)足美國(guó)目前電力需求的 20%。美國(guó)政府為風(fēng)力機(jī)行業(yè)提供 40%的信貸；德國(guó)政府也給風(fēng)力機(jī)投資者提供資助，資助金額最高達(dá)單臺(tái)風(fēng)力機(jī)投資的 60%；丹麥政府對(duì)風(fēng)力機(jī)投資者提供資助， 20 世紀(jì)80 年代初期為 30%，以后逐年減少，到 1990 年資助完全取消。第五，風(fēng)力發(fā)電是實(shí)現(xiàn)人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展的需要。據(jù)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，煤炭還可以開(kāi)采221 年，石油還可以開(kāi)采 39 年，天然氣只能用 60 年。綠色能源 —— 風(fēng)力發(fā)電將為人類(lèi)最終解決能源問(wèn)題帶來(lái)新的希望。丹麥的 和 Kllenbach（ 1981 年）提出了太陽(yáng)能和風(fēng)能混合利用技術(shù)問(wèn)題；美國(guó)的 （ 1981）研究太陽(yáng)能 —— 風(fēng)能混合轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的氣象問(wèn)題；前蘇聯(lián)的 等根據(jù)概率原理，統(tǒng)計(jì)出近似的太陽(yáng)能風(fēng)能潛力的估計(jì)值；余華楊等（ 1987）也提出了太陽(yáng)能、風(fēng)能發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換裝置。獨(dú)立的風(fēng)力發(fā)電裝置在無(wú)風(fēng)天氣下無(wú)法提供電能的連續(xù)供應(yīng)，而太陽(yáng)能發(fā)電裝置在夜晚以及陰雨天等氣候條件下無(wú)法保證電能的連續(xù)供應(yīng)。我國(guó)屬季風(fēng)氣候區(qū)，一般冬季風(fēng)大，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度 ??；夏季風(fēng)小，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大。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(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，也解決了太陽(yáng)能發(fā)展中對(duì)電網(wǎng)沖擊等影響。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 82kw 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電部分 2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。 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)。采用 12V/150W 風(fēng)力發(fā)電機(jī)，當(dāng)風(fēng)力 ≥3m/s 工作， 10m/s 風(fēng)速時(shí)達(dá)到額定 150W 功率 。具有抗風(fēng)、防潮、工作穩(wěn)定、無(wú)需維護(hù)等特點(diǎn)。其次，還有些特殊要求如低溫時(shí)能大電流放電、維護(hù)簡(jiǎn)單或無(wú)需維護(hù)、自放電（析氫）特別慢等。它是整個(gè)系統(tǒng)安全運(yùn)行的基本保證。所以無(wú)論從硬件系統(tǒng)還是軟件系統(tǒng)都要對(duì)系統(tǒng)有保護(hù)作用。同時(shí)還具有自動(dòng)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。 太陽(yáng)能電池 風(fēng)力發(fā)電機(jī) 微機(jī)控制系統(tǒng) 逆變器 蓄電池 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 92kw 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電部分 3 光伏發(fā)電介紹 太陽(yáng)能光伏電池的原理 太陽(yáng)能光伏電池 (簡(jiǎn)稱(chēng)光伏電池 )用于把太陽(yáng)的光能直接轉(zhuǎn)化為電能。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。另外，還有其它類(lèi)型的太陽(yáng)電池。首先對(duì) PN結(jié)二極管做一簡(jiǎn)單說(shuō)明。S） c：光速（ 3108m/s） λ：光子波長(zhǎng) 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 102kw 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電部分 圖 31 PN結(jié)二極管 IV特性圖 但并非所有光子都能順利地通過(guò)太陽(yáng)能電池將光能轉(zhuǎn)換為電能，因?yàn)樵诓煌墓庾V中光子所攜帶的能量不一樣。 當(dāng)入射太陽(yáng)光的能量大于硅半導(dǎo)體的禁帶能量時(shí)，太 陽(yáng)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(duì)，在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，電子向 N 型區(qū)移動(dòng)，空穴向 P 型區(qū)移動(dòng)，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(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)，它的一部分抵消了內(nèi)建電場(chǎng)，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(dòng)勢(shì)，這就是所謂的 “光生伏打效應(yīng) ”。 如果把太陽(yáng)電池短路，即回路負(fù)載電阻為零，則所有 PN 結(jié)附近的電子與空穴，由結(jié)的一邊，流經(jīng)外電路到達(dá)結(jié)的另一邊，產(chǎn)生了最大可能的電流，即短路電流記作 ISC。 圖 32 太陽(yáng)能電池的理想狀態(tài)等效電路 太陽(yáng)能電池 板 的 計(jì)算 硅太 陽(yáng)能發(fā)電板容量是指平板式太陽(yáng)能板發(fā)電功率 WP。 由負(fù)載額定電源，選取蓄電池公稱(chēng)電壓，由蓄電池公稱(chēng)電壓來(lái)確定蓄電池串聯(lián)個(gè)數(shù)及蓄電池浮充電壓 VF (V)，再考慮到太陽(yáng)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(jié)的壓降 VD(V)所造成的影響，則可計(jì)算出太陽(yáng)能電池陣列的工作電壓 VP(V)，由太陽(yáng)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(yáng)能板 發(fā)電功率 WP，從而設(shè)計(jì)出太陽(yáng)能板容量，由設(shè)計(jì)出的容量 WP 與太陽(yáng)能電池陣列工作電壓 VP，確定硅電池平板的串聯(lián)塊數(shù)與并聯(lián)組數(shù)。 P=H/V （３） V——負(fù)載額定電源 選定每天日照時(shí)數(shù) T(H)。 IP=P(1+Q)/T （４） Q——按陰雨期富余系數(shù)， Q=～ 確定蓄電池浮充電壓 VF。 太陽(yáng)能電池溫度補(bǔ)償電壓 VT。 VP=VF+VD+VT （６） 其中 VD=～ ，約等于 VF 太陽(yáng)電池陣列輸出功率ＷＰ平板式太陽(yáng)能電板。 太陽(yáng)電池陣列的伏安特性如圖 5。太陽(yáng)電池陣列的額定功率是在以下條件下定義的 ：當(dāng)日射 S=l000W／㎡；太陽(yáng)電池溫度T=25；大氣質(zhì)量 AM= 時(shí)，太陽(yáng)電池陣列輸出的最大功率便定義為它的額定功率。當(dāng)日射 S1000W／㎡時(shí)。計(jì)算出每天消耗的瓦時(shí)數(shù) (包括逆變器的損耗 )： 逆變器的轉(zhuǎn)換效率為 90％，則當(dāng)輸出功率為 100W 時(shí)，則實(shí)際需要輸出功率應(yīng)為 100W/90％ =111W；若按每天使用 8 小時(shí)，則耗電量為 111W*8 小時(shí) =888Wh。其中 70％是充電過(guò)程中，太陽(yáng)能電池板的實(shí)際使用功率。 硬件電路主要由以下幾部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、充放電電路、光耦驅(qū)動(dòng)電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、 LCD 顯示電路、 E2PROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、串口通信電路等。 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(duì)整個(gè)電路控制。控制 MOSFET管導(dǎo)通的方式是脈沖寬度調(diào)制 (PWM)，根據(jù) 載荷 變化來(lái)調(diào)制 MOSFET 管柵的偏置，達(dá)到實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能。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(lái)，供工作人員查看。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 142kw 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電部分 單片機(jī)最小系統(tǒng) STC89C52 的簡(jiǎn)介 STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash存儲(chǔ)器 。 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 。 STC89C52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能 ： 8k字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門(mén)狗定時(shí)器， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí) 器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路?？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。同時(shí)該芯片還具有 PDIP、 TQFP 和 PLCC 等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 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(lái)。 （ 1）時(shí)鐘電路 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)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(shí)鐘源即可構(gòu)成時(shí)鐘電路，CPU 的所有操作均在時(shí)鐘脈沖同步下進(jìn)行。 時(shí)鐘電路如 圖 42 所示。 12C633PFC733PFXTAL1XTAL2C810uFR1510KVCCRESTR141KS1SWPB 圖 42 時(shí)鐘電路 圖 43 復(fù)位電路 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 152kw 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電部分 （ 2）復(fù)位電路 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。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(dòng)。本系統(tǒng)采用的是上電 +電平按鈕復(fù)位，上電復(fù)位是 通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 復(fù)位電路雖然簡(jiǎn)單，但其作用非常重要。初步檢查可用示波器探頭監(jiān)視 RST 引腳，按下復(fù)位鍵，觀察是否有足夠幅度的波形輸出 (瞬時(shí)的 )，還可以通過(guò)改變復(fù)位電路 電阻和電 容值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。工作狀態(tài)指示燈電路如圖 44 所示。串聯(lián)的電阻的目的是為了限制通過(guò)發(fā)光二極管的電流太大而將其燒毀。 在對(duì)蓄電池電壓 實(shí)時(shí)