1、通信工程专业综合课程设计报告题目：风光互补发电系统设计1. 专业综合设计任务1.1 设计题目风光互补发电系统设计1.2 设计背景随着低碳环保的持续要求，新能源技术得到快速发展。风光互补型发电是较为理想的新能源发电形式。通过课题的分析与设计，培养学生的学习研究能力，提高学生的综合应用分析能力电力在现实生活中占主导地位，但是受客观环境的限制，有些地区根本无法实现电业的发展和建设。太阳能光伏发电,无运动部件,稳定可靠,但目前成本较高,而风力发电成本低但随机性大,供电可靠性差,将两者结合起来,可实现昼夜发电。在太阳光资源和风资源丰富的地区,风光互补发电系统与单一风电系统和光电系统相比具有供电的连续性好
2、、稳定性和可靠性高等特点,风光互补发电系统是相对较好的独立电源系统,已经在我国的西部很多地区得到了广泛的应用,解决了农牧民的用电问题。此系统就是利用风和光两种自然能源相互补充发电，由太阳能电池板与风力发电机发电，经蓄电池充电，给负载供电的一种新型能源。它既不消耗任何矿物燃料，又完成了对自然能源的合理利用。此系统可以应用于微波通讯、基站、电台、野外活动、高速公路、无电扇区、村庄、海岛的电力提供。而且为了适应偏远地区不便利的地理环境。风光互补发电控制系统几乎完成了智能化，免维护。尤其适合在内蒙古风力大的偏远山区。风光互补发电系统还可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置，既可保证
3、系统供电的可靠性，又可降低发电系统的造价。无论是怎样的环境和用电要求，风光互补发电系统都可做出最优化的系统设计方案来满足用户的要求。因此，风光互补发电系统可以说是最合理的独立电源系统。这种合理性既表现在资源配置上，又体现在技术方案和性能价格上，正是这种合理性保证了风光互补发电系统的可靠性，从而为它的应用奠定了坚实的基础。1.3 设计要求（1）设计出风光互补发电系统的原理架构，分析各组成模板的工作原理及特点（2）五人合作完成设计报告，要有明确的分工，报告最后要有每个人总结，包括所作部分的工作和感受。并由组长签字证明该同学在本设计小组中所占地位，供评分老师参考。（3）设计报告格式专业综合课程设计报
4、告模板以便统一装订成册。1.4 设计提示（1）熟悉太阳能及风能发电技术的发展现状和目前存在的问题（2）查找资料了解风光互补发电系统的各组成部分，包括各部分的结构，功能，原理，实现方式1.5 设计时间安排本次课程设计完成时间为一周，2011-12-26 至 2011-12-3012 月 26 日小组成员通过网络或者图书馆书籍等途径了解风光互补发电的相关知识及组成架构；27 日组长对小组成员进行分组及任务分配；29 日前各小组成员上交所负责部分的内容；29 日小组成员集合讨论将各部分组合成完整设计并完成设计报告30 日以设计小组为单位由组长交主管老师处2 方案设计及论证本次课程设计分工明确，由墨玉
5、峰负责太阳能发电部分，刘楠楠负责风力发电部分，王治国负责储电部分，钟勇负责控制部分，高全负责逆变器部分，师双双负责资料搜索和文档整理部分2.1 系统框图系统结构图如图 1 所示。该系统是集风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统。太阳能电池 风力发电机微机控制系统 逆变器蓄电池图 1 系统框图从图 1 中我们可以看出，它的主要组成设备有：风力发电机：风机采用具有特别适合大多内陆地区低风速、时发电特性好、发电量大的特点。具有机械、电子刹车装置，可以确保在高风速时，风机转速稳定控制在安全可靠的范围内，使最高输出电压成为安全可控的电压 2。采用 12V/
6、150W 风力发电机，当风力3m/s 工作，10m/s 风速时达到额定 150W 功率。太阳能光电池板：采用 100W/14V ，0.6的硅光电池，它能将太阳能转化为电能，属于一种半导体元件，它的特点：它是转换效率高达 15%的单晶硅太阳能电池板。具有抗风、防潮、工作稳定、无需维护等特点。铅酸蓄电池：蓄电池的选择要求：重量轻、体积小、能量转换率高、自放电慢、充放电循次数多（即使用寿命长）等。其次，还有些特殊要求如低温时能大电流放电、维护简单或无需维护、自放电（析氢）特别慢等。微机控制系统：微机控制系统是整个设计的核心内容。它是整个系统安全运行的基本保证。另外本系统受应用环境的要求，本身就要求实
7、现免维护。所以无论从硬件系统还是软件系统都要对系统有保护作用。例如在本系统硬件设计中有蓄电池电压控制，因为直流充电的蓄电池，要求电压控制在 101216V 之间，才能安全使用，不至于被烧坏。所以电压控制用来保证其既不过充又不过放；继电器工作要求是：在接受到指令后，要按指令要求来动作。而且一旦出错就要有报警显示。为了实现继电器正常工作，系统设有继电器动作检测，并对故障状态设有报警显示；为了保证整个系统工作的正常，执行动作正确，系统对 ADC0809 的转换也设有转换结果正确与否的检测，并在 ADC0809 不正常工作时报警显示；整个系统是一个严密完整的智能化系统，使用起来方便。逆变器：逆变系统是
8、把蓄电池中的直流电变成标准的 220V 交流电，保证交流电在设备的正常使用。同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量；在逆变器的电路结构形式上，主要是工频变压器和高频变压器两种形式。对一个风光发电系统而言，逆变器是一种电力电子设备，抗过载，抗冲击的能力要相对弱一些，是最易出故障的单元。2.2 太阳能电池部分负责人： 墨玉峰2.2.1 太阳能电池的原理太阳能光伏电池(简称光伏电池)用于把太阳的光能直接转化为电能。目前世界各国正在研究的太阳电池主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳电池。在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池。多晶硅比单晶硅转换效率略低，
9、但价格更便宜。另外，还有其它类型的太阳电池 5。太阳能电池的能量转换是应用 P-N 结的光伏效应（Photovoltaic Effect） 。首先对 P-N结二极管做一简单说明。如图 2 所示，为一理想的 P-N 结二极管的电流-电压（I-V）特性图，其对应的方程式如下： （1）1exp1expTnsnspn VIkTqVIIpn，Vpn：P-N 结二极管的电流及电压k：波尔兹曼常数（Boltzmann Constant：1.3810-23J/K）q：电子电荷量（1.60210-19 库仑）T：绝对温度（凯氏温度 K摄氏温度273 度）Is：等效二极管的逆向饱和电流VT：热电压（Thermal
10、 Voltage：25.68mV）太阳能电池将太阳光能转换为电能是依赖自然光中的的量子-光子（Photons） ，而每个光子所携带的能量为 Eph：（2）hcEph：普郎克常数（Planck Constant：4.1410-15eVS）c：光速（3108m/s）：光子波长图2 P-N结二极管I-V特性图但并非所有光子都能顺利地通过太阳能电池将光能转换为电能，因为在不同的光谱中光子所携带的能量不一样。子所携带的能量大于禁带（Band Gap）能量时，电子由价电带（Valence Band）跃迁至导电带（Conduction Band）而产生所谓的 “电流”，所以当光子所携带的能量若大于禁带能量时
11、，便可以通过光电子转换成电能。当入射太阳光的能量大于硅半导体的禁带能量时，太阳光子照射入半导体内，把电子从价电带激发到导电带，从而在半导体内部产生了许多“电子-空穴”对，在内建电场的作用下，电子向 N 型区移动，空穴向 P 型区移动，这样，N 区有很多电子，P 区有很多空穴，在 P-N 结附近就形成了与内建电场方向相反的光生电场，它的一部分抵消了内建电场，其余部分则使 P 区带正电，N 区带负电，于是在 N 区与 P 区之间产生了光生伏打电动势，这就是所谓的“光生伏打效应” 。如果位太阳电池开路，即组成电池回路中，负载电阻为无穷大，则被 P-N 结分开的电子和空穴，就会全部积累在 P-N 结附
12、近，于是出现了最大光生电动势，它的数值即为开路电压，记作 Voc。如果把太阳电池短路，即回路负载电阻为零，则所有 P-N 结附近的电子与空穴，由结的一边，流经外电路到达结的另一边，产生了最大可能的电流，即短路电流记作 ISC。太阳能电池相当于具有与受光面平行的极薄 P-N 结的大面积的等效二极管，因此可以假设太阳能电池为一个二极管与太阳光电流发生源所并联的等效电路，如图 3 所示。当光图 3 太阳能电池的理想状态等效电路2.2.2 太阳能电池板的计算硅太阳能发电板容量是指平板式太阳能板发电功率 WP。太阳能发电功率量值取决于负载 24h 所能消耗的电力 H(WH)，由负载额定电源与负载 24h
13、 所消耗的电力，决定了负载 24h消耗的容量 P(AH)，再考虑到平均每天日照时数及阴雨天造成的影响，计算出太阳能电池阵列工作电流 IP(A)。由负载额定电源，选取蓄电池公称电压，由蓄电池公称电压来确定蓄电池串联个数及蓄电池浮充电压 VF (V)，再考虑到太阳能电池因温度升高而引起的温升电压 VT(v)及反充二极管 P-N 结的压降 VD(V)所造成的影响，则可计算出太阳能电池阵列的工作电压 VP(V)，由太阳电池阵列工作电源 IP(A)与工作电压 VP(V)，便可决定平板式太阳能板发电功率WP，从而设计出太阳能板容量，由设计出的容量 WP 与太阳能电池阵列工作电压 VP，确定硅电池平板的串联
14、块数与并联组数 7。太阳能电池阵列的具体设计步骤如下：计算负载 24h 消耗容量 P。P=H/V （）V负载额定电源选定每天日照时数 T(H)。计算太阳能阵列工作电流。IP=P(1+Q)/T （）Q按阴雨期富余系数，Q=0.211.00确定蓄电池浮充电压 VF。镉镍()和铅酸()蓄电池的单体浮充电压分别为 1.41.6V 和 2.2V。太阳能电池温度补偿电压 VT。VT=2.1/430(T-25)VF （）计算太阳能电池阵列工作电压 VP。VP=VF+VD+VT （）其中 VD=0.50.7，约等于 VF太阳电池阵列输出功率平板式太阳能电板。WP=IPUP （）根据 VP、WP 在硅电池平板组
15、合系列表格，确定标准规格的串联块数和并联组数。太阳电池阵列的伏安特性如图 5。由图可知，该伏安特性曲线具有强烈的非线性。太阳电池阵列的额定功率是在以下条件下定义的：当日射 S=l000W；太阳电池温度 T=25；大气质量 AM=1.5 时，太阳电池阵列输出的最大功率便定义为它的额定功率。太阳电池阵列额定功率的单位为“峰瓦” ，记以“WP” 。当日射 S1000W时。图 4 太阳电池阵列的伏安特性曲线温度和日照强度的变化对太阳电池的伏安特性都有影响，在仅改变日照强度而保持其它条件(如太阳电池温度和大气质量等)不变的情况下。计算出每天消耗的瓦时数(包括逆变器的损耗)： 逆变器的转换效率为 90，则
16、当输出功率为 100W 时，则实际需要输出功率应为100W/90=111W；若按每天使用 8 小时，则耗电量为 111W*8 小时=888Wh。按每日有效日照时间为 6 小时计算，再考虑到充电效率和充电过程中的损耗，太阳能电池板的输出功率应为 888Wh/6h/70%=210W。其中 70是充电过程中，太阳能电池板的实际使用功率。心得体会:通过这次课程设计我了解到新能源的利用，虽然我只负责光电转换部分，但是风光互补发电系统的设计大体原理已经了然于胸，尤其是光电转换部分的原理与结构。对未来电源的发展充满信息。同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的
17、精神。某个人的离群都可能导致导致整项工作的失败。实习中 只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。而这 次实习也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。 对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！ 2.3 风力发电负责人：刘楠楠风力发电部分是利用风力机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电20 世纪 90 年代中后期，在世界范围内形成了一股风力发电
18、热，风力发电量增长速度居全球之首。全世界风力发电迅猛发展的原因主要有一下几个：第一，风力发电技术比较成熟。近 20 年来，美国、丹麦等国家投入了大量的人力、物力和财力研究可以商业运营的风力机，取得了突破性的进展。可利用率从原来的 50%提高到 98%，风能利用系数超了 40%。由于采用计算机技术，实现了风机自诊断功能，安全保护措施更加完善，并且实现了单机独立控制、多机群控和遥控，完全可以无人职守。现代风力机技术是现代高科技的完善组合。目前，百千瓦级风机已经商品化，投入批量生产，兆瓦级机组也正小批量生产。第二，风力发电具有经济性。目前据美国能源部 2000 年统计，全世界风力发电机组的单位造价已
19、降为1000 美元/KW，单位发电成本为 47 美分/kWh；而火力发电单位造价为 700800 美元/KW，单位发电成本为 58 美分/kWh。第三，全球有丰富的风能资源。据统计全球风能潜力约为目前全球用电量的 5 倍。美国 0.6%的陆地面积安装了风力发电机，便可以满足美国目前电力需求的 20%。第四，政府的优惠政策。美国政府为风力机行业提供 40%的信贷；德国政府也给风力机投资者提供资助，资助金额最高达单台风力机投资的 60%；丹麦政府对风力机投资者提供资助，20 世纪 80 年代初期为 30%，以后逐年减少，到 1990 年资助完全取消。这些优惠政策，促进了风力商品化进程，这也是以上
20、3 个国家能成为世界上风电生产大国的一个主要原因。第五，风力发电是实现人类可持续发展的需要。随着现代工业的飞速发展，人类对能源的需求明显增加，而地球上可利用的常规能源日趋匮乏。据专家预测，煤炭还可以开采 221 年，石油还可以开采 39 年，天然气只能用 60 年。国际能源专家预言：21 世纪是风力发电的世纪。绿色能源风力发电将为人类最终解决能源问题带来新的希望。风力发电原理风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微 风的程度） ，便可以开始发电。 风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电没
21、有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机+充电器+数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体， 定子绕组切割磁力线产生电能。 风力发电机因风量不稳定，故其输出的是 1325V 变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电 能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交
22、流 220V 市电，才能保证稳定使用。 机械连接与功率传递水平轴风机桨叶通过齿轮箱及其高速轴与万能弹性联轴节相连,将转矩传递到发电机的传动轴,此联轴节应按具有很好的吸收阻尼和震动的特性，表现为吸收适量的径向、轴向和一定角度的偏移，并且联轴器可阻止机械装置的过载。另一种为直驱型风机桨叶不通过齿轮箱直接与电机相连风机电机类型发电机结构、工作原理及电路图在此所提出的系统采用蓄电池组为励磁功供电，并在蓄电池组合励磁绕组之间串联励磁调节器。其电路图如图示。发电机的定子由定子铁心和 定子绕组组成，定子绕组为三相，Y型连接，放在定子铁芯内圆槽内。转子由转子铁芯、转子绕组（即励磁绕组）和转子轴组成，转子铁芯可
23、做成凸极式或形，一般都用爪形磁极，转子励磁绕组的两端接到滑环上，通过与滑环接触的电刷与硅整流器的直流输出端相连，从而获得直流励磁电流。 7串联励磁调节器独立运行的小型风电机组的风力机叶片多数是固定桨距的，当风力变化时风力机转速随之变化，与风力机相连的发电机的转速也随之变化，因而发电机的出口电压也会产生波动，这将导致硅整流器输出的直流电压及发电机励磁电流的变化，并造成励磁磁场的变化，这样又造成发电机出口电压的波动。这种连锁反应是的发电机的出口电压的波动范围不断增加。显而易见，如果电压的波动得不到控制，在向负载供电的情况下，将会影响供电质量，甚至损坏用电设备。此外独立运行的风力发电系统都带有蓄电池
24、组，电压的波动会导致蓄电池组的过充电，从而降低蓄电池组的使用寿命。为了消除发电机输出端电压的波动，该硅整流交流发电机配有励磁调节器，如图所示，励磁调节器由电压继电器 V1、电流继电器 I1、逆流继电器 I2 及其所控制的动断触电 V1、I1和动合触电 I2 以及电阻 R2 等组成。励磁调节器的作用是使发电机能自动调节其励磁电流（即励磁磁通）的大小，来抵消因风速变化而导致的发电机转速变化对发电机端电压的影响。当发电机转速较低，发电机端电压低于额定值时，电压继电器 V1 不动作，其动断触点 V1闭合，硅整流器输出端电压直接施加在励磁绕组上，发电机属于正常励磁状态；当风速加大，发电机转速增高，发电机
25、端电压高于额定电压时，动断触电 V1 断开，励磁回路中被串入了电阻 R2，励磁电流及磁通随之减小，发电机输出端电压随之下降；当发电机电压降至额定值时，触点 V1 重新闭合，发电机恢复到正常励磁状态。电压继电器工作时发电机端电压与发电机转速的关系如图所示。发电机端电压与发电机转速的关系风力发电机组运行时，当用户投入的负载过多时，可能出现负载电流过大超过额定值的状况，如果不加以控制，使发电机过负荷运行，会对发电机的使用寿命有较大的影响，甚至损坏发电机的定子绕组。电流继电器的作用是为了抑制发电机过负荷运行。电流继电器 I1的动断触点 I1 串接在发电机的励磁回路中，发电机输出的负荷电流则通过电流继电
26、器的绕组；当发电机的输出电流低于额定值时，继电器不工作，动断触点 I1 闭合，发电机属于正常励磁状态；当发电机输出电流高于额定值时，动断触点 I1 断开，电阻 R2 被串入励磁回路，励磁电流减小，从而降低了发电机输出端的电压，并减小了负载电流。电流继电器工作时，发电机负载电流与发电机转速的关系如图所示。发电机负载电流与发电机转速的关系为了防止无风或风速太低时，蓄电池组向发电机励磁绕组送电，及蓄电池组由充电运行变为反响放电状态，这不仅会消耗蓄电池组所储电能，还可能烧毁励磁绕组，因此在励磁调节器装置内，还装有逆流继电器 I2。发电机正常工作时，逆流继电器的电压线圈及电流线圈内流过的电流产生的吸力是
27、动合触点 I2 闭合；当风速太低，发电机端电压低于蓄电池组电压时，继电器电流线圈瞬间流过反向电流，此电流产生的磁场与电压线圈内流过的电流产生的磁场作用相反，而电压线圈内流过的电流由于发电机电压下降也减小了，由其产生的磁场也减弱了，故由电压线圈及电流线圈内电流所产生的总磁场的吸力减弱，是的动合触点 I2 断开，从而断开了蓄电池想发电机励磁绕组送电的回路。采用励磁调节器的硅整流交流发电机，与永磁发电机比较，其特点是能随风速变化自动调节输出端电压，防止产生对蓄电池组过充电，延长蓄电池组的使用寿命；同时还实现了对发电机的过负荷保护，但由于励磁调节器的动断、动合触点动作频繁，需对出头材质及断弧性能做适当
28、的处理。而且用该交流发电机进行发电时，发电机的转速必须达到在该转速下的电压时才能对蓄电池组充电。由于自然界风力的不稳定性，交流发电机输出的是不稳定的交流电，频率和幅值都在不断地变化，而用户需要的是正常频率（即 50HZ）的稳定交流电，因此必须进行 ACDCAC变换，即先经过整流变成直流电，之后在经过你变电路将之变成标准的交流电。如果电能足够充足的话或者空载时还可以将多余的直流电储存在蓄电池组内。电路图和工作原理 目前在所有的整流电路中采用最广泛的是三相桥式全波整流电路，本系统亦采用了该整流电路。三相桥式全控整流电路其电路图如图所示，习惯将阴极连接在一起的 3 个二极管（VD1、VD3、VD5）
29、称为共阴极组；阳极连在一起的 3 个二极管（VD2、VD4、VD6）称为共阳极组。此外，习惯上希望二极管按照从 16 的顺序导通，为此将二极管按照图示顺序编号，按此编号，二极管的导通顺序为 VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6。该电路中，对于共阴极组的 3 个二极管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的 3 个二极管，则是阴极所接交流电压值最低的导通。这样任意时刻共阴极组与共阳极组中各有一个二极管处于导通状态，施加于负载（或者蓄电池组）的电压为某一线电压。电路工作波形如图所示。电路工作波形从相电压波形看，共阴极组二极管导通时，整流输出电压 为相电压再正半周的包络线；1d
30、U共阳极组导通时，整流输出电压 为相电压在负半周的包络线。总的整流输出电压2dU是两条包络线见的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周12ddU的包络线。心得体会这次课程设计由我负责风力发电部分，前期的资料查询和搜集，让我对这风光互补发电这优势互补洁净有效的发电方式有个一定的了解，科技改变人类的生活，科技让我们充分利用资源。本次课程设计进行了明确的分工，小组成员之间分工合作，让我们在了解知识巩固所学内容的同时学会了与人相处，为我们以后步入工作岗位做好铺垫。2.4 控制部分控 制 部 分 根 据 日 照 强 度 、 风 力 大 小 及 负 载 的 变 化 ， 不 断 对 蓄 电 池 组
31、 的 工 作 状 态 进 行 切 换和 调 节 ： 一 方 面 把 调 整 后 的 电 能 直 接 送 往 直 流 或 交 流 负 载 。 另 一 方 面 把 多 余 的 电 能 送 往蓄 电 池 组 存 储 。 发 电 量 不 能 满 足 负 载 需 要 时 ， 控 制 器 把 蓄 电 池 的 电 能 送 往 负 载 ， 保 证 了整 个 系 统 工 作 的 连 续 性 和 稳 定 性 。控 制 器 的 工 作 原 理太 阳 能 光 伏 、 风 力 发 电 控 制 器 是 对 光 伏 电 池 板 和 风 力 发 电 机 所 发 的 电 能 进 行 调 节和 控 制 ， 一 方 面 把 调 整 后 的 能 量 送 往 直 流 负 载 或 交 流 负 载 ， 另 一 方 面 把 多 余 的 能 量 按 蓄电 池 的 特 性 曲 线 对 蓄 电 池 组 进 行 充 电 ， 当 所 发 的 电 不 能 满 足 负 载 需 要 时 ， 控 制 器 又 把 蓄电 池 的 电 能 送 往 负 载 。 蓄 电 池 充 满 电 后 ， 控 制 器 要 控 制 蓄 电 池 不 被 过 充 。 当 蓄 电 池 所 储存 的 电 能 放 完 时 ， 控 制 器 要 控 制 蓄 电 池 不 被 过 放 电 ， 保 护 蓄 电 池 。
