毕业设计（论文）-风光互补发电系统.doc

第一章 绪论第一章 绪论1.1课题的背景及意义随着经济社会的发展，能源供需矛盾和环境问题压力将会进一步显现，能源结构也将面临重大挑战。目前，全球化石能源日渐紧缺，能源压力越来越大。在此大环境下，可再生能源取之不尽、用之不竭的特性决定了其在未来能源格局中的重要地位，全球各国均把清洁能源作为自身能源变革的重要发展方向。从20世纪70年代开始，尤其是近年来，可再生能源已逐渐成为常规化石燃料的一种替代能源，世界上许多国家或地区将可再生能源作为其能源发展战略的重要组成部分；美国的加利福尼亚，2017年20%的电力将来自可再生能源(2002年已经达到12%)；欧盟，2010年22%的电力或整个能源的12%将来自可再生能源(1999年可再生能源电力为14%)1997年占整个能源的6%)旧本，2010年光伏发电要达到483万千瓦(2003年为88.7万千瓦)；拉丁美洲，2010年整个能源的10%要来自可再生能源。我国新能源产业的开展已有多年，我国大型风电设备制造业也已进入一个新的高速发展阶段，到2008年12月底，我国己有近70家企业进入并网风力发电机组整机制造行业，中、小型风力发电机组制造业也在快速发展。太阳能产业近年在我国发展迅速。截至2007年底，全国推广农村太阳能热水器4286万平方米、太阳房1468万平方米、太阳灶112万台。纵观世界可再生能源发展，有以下几大趋势。(1)技术水平不断提高，成本持续下降。(2)发展速度加快，市场份额增加。(3)可再生能源己成为各国实施可持续发展的重要选择。(4)可再生能源是一种朝阳的产业，孕育着巨大的潜在经济利益。因此，不管从缓解能源危机、解决环境污染、保护人类生存环境、有效开发和利用自然资源，还是从社会和经济的发展要求出发，开发和利用风能、生物质能和太阳能等可再生能源都有极其重要的现实意义。从长远处看，用洁净的可再生能源取代常规化石能源，不仅是人类普遍的美好愿望，也是世界能源发展的必然趋势。1.2风光互补发电的提出及应用前景1.2.1风能、太阳能特点在常规能源(如煤、石油)日益紧缺并严重污染环境的今天，太阳能和风能越来越被重视。它们具有常规能源所没有的优越性：第一，太阳能和风能都可以永续利用或循环利用，只要有太阳照射地球地面就会增温，空气就会流动，风能也同样用之不尽。第二，利用太阳能和风能的设备，一次投资就可常年使用，除了维修开支外，基本上没有经常性的耗费，是廉价的。第三，太阳能和风能不会造成大气污染。常规能源利用过程中，会释放出大量对人类有害物质，而太阳能和风能在利用过程中不会给环境带来污染，也不会破坏生态系统。第四，太阳能和风能到处都有，特别是那些缺乏常规能源的农村、野外、沙漠、高原、海洋，不需长途运输。第五，太阳能和风能的总量是巨大的。有人估计过，将长300公里、宽100公里的沙漠地带的太阳能全部利用起来，就可满足全球的能量需求。当然，虽然风能、太阳能存在上述诸多优点，但也存在着一些缺陷:第一，这两种能源甚为分散，不管是太阳能还是风能都是一种能量密度极低的可再生能源，不易集中起来而形成巨大的功率。第二，受天气影响而变化，不稳定。不论太阳能还是风能，都随天气和气候的变化而不断变化。在利用这两种能源时存在一些困难。第三，受地形影响大，地区差异显著。尽管太阳能和风能的优点很多，但是这些缺陷的存在，使得单独利用其中一种清洁能源转变为经挤可靠的电能过程中仍存在着诸多技术难题。但是，随着现代科技的发展与进步，风能和太阳能资源的利用在技术上都有很大突破和进展，特别是在风能、太阳能综合利用方面，充分利用两种能源在诸多方面的互补性，可以建立起经济合理、更加稳定可靠的能源利用系统。1.2.2风光互补发电系统的提出所谓风光互补，顾名思义，强调的就是风能与太阳能的结合。事实上，风能与太阳能的结合有着天然优势。风能是太阳能的另一种转化，太阳照射地球引起温度变化产生风。我们可以注意到，一般白天风小太阳辐射大，夜晚风大太阳辐射小，夏季风小太阳辐射大，冬季风大而太阳辐射小，晴天风小雨天风大。风能和太阳能在时间和季节上如此吻合的互补性，决定了风光互补结合后发电系统可靠性更高、更具有实用价值。因此，风光互补发电系统的出现可以很好的弥补太阳能和风能提供能量间歇性和随机性的缺陷，实现不间断供电。风光互补发电系统大体上可以分为两类，一类是并网型发电系统，即和公用电网通过标准接口相连接，像一个小型的发电厂，将接受来的能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流;另一类是离网型发电系统，即在自己的闭路系统内部形成电路，系指采用区域独立发电、分户独立发电的离网型供电模式，将接收来的能量直接转换成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池。离网型较并网发电而言投资小、见效快，占地面积小，从安装到投入使用的时间视其工程量，少则一天多则二个月，无需专人值守，易于管理。本系统选取离网型风光互补发电系统作为研究对象。1.3本课题研究的内容此次课题设计的目标是设计一个输出功率在600W的小功率离网型风光互补发电系统，采用了最大功率点跟踪(MPPT)技术，此项技术能提高光伏阵列和风力发电机组对蓄电池的充电效率和增加两支路的输出能量，此外，还能实现对蓄电池的恒流恒压浮充三段式充电。针对小功率风光互补发电系统风机选型，光伏组件，控制器的诸多问题的进行选型，论文将展开以下几方面主要内容：1.风机的选型，风机功率的计算2.光伏组件的选型，光伏组件的计算3.风光互补的特点，风光互补的控制器选型4.逆变器的功能介绍，逆变器的选型5.600W的风光互补发电系统设计，以及对风机和光伏组件的选型6.蓄电池的计算和选型。27第二章 风光互补发电系统的原理与特性第二章 风光互补发电系统概述2.1风光互补发电系统的整体结构本风光互补发电系统结构如图2-1所示。它主要由太阳能光伏电池组、风力发电机组、控制器、蓄电池、交流直流负载、逆变器等部分组成。该系统是集太阳能、风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。图2-1风光互补发电系统结构图(1)风力发电部分是利用风力机捕获风能并将其转换为机械能，然后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进行充电，可直接对直流负载供电，也可经过逆变器对交流负载供电。(2)光伏发电部分利用太阳能光伏阵列的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，可直接对直流负载供电，也通过逆变器将直流电转换为交流电对交流负载供电。(3)逆变器部分的作用是将风光互补发电系统所发出的直流电能转换成交流电能。在很多场合，都需要提供AC220V；AC110V的交流电源。由于蓄电池的直接输出一般都是DC12V；DC24V；DC48V。为能向AC220V的电器提供电能，因此需要使用DC-AC逆变器。同时它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。(4)控制器部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，协调风力发电机组、光伏阵列的最大功率跟踪，以及实现对蓄电池的充放电控制、过充过放保护等功能。它不断对蓄电池组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。(5)蓄电池部分由多块蓄电池组成，在风光互补系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将光伏发电系统和风力发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用，从而保证负载工作的连续性和稳定性。2.2太阳能光伏发电理论光伏电池能量转换的原理是PN结的光生伏特效应。当太阳光照射到PN结上时，产生电子一空穴对，在半导体内部PN结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内建电场的吸引，空穴流入P区，而电子则流入N区，导致N区积累了过多的电子，P区则积累过多的空穴。它们在PN结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使P区带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。将晶体硅太阳电池的正、负电极和外接电路连接，那么外接电路中就有光生电流流过。晶体硅太阳电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池以及非晶硅薄膜太阳能电池三种。单体太阳电池工作电流一般为20mAlcm2，工作电压一般为0.450SV，固通常不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串、并联和封装后，成为具有一定电性能的太阳电池串，然后就可以封装成具有机械强度的太阳电池组件，将多个组件固定在支架上，用导线连在一起，就可成为光伏阵列，从而产生系统所需的电压电流。1)光伏阵列的重要参数太阳电池的I-V特性曲线是指在一定温度和日照强度时，太阳电池输出电流与电压的关系。图2-2所示为某一确定的日照强度和温度时的I-V特性曲线。图2-2太阳能电池特性曲线由图2-2可见，太阳电池的I-V特性曲线表明太阳电池既非恒流源，也非恒压源，而是一种非线性直流电源，它的输出电流在大部分工作电压范围内相当恒定，但电压升高到一个足够高的电压之后，电流迅速下降至零。通常太阳电池的额定功率定义如下:当日照强度为1000W/m2，太阳电池温度为250C，并且大气电压为AM1.5时，太阳电池输出的最大功率为额定功率。在图2-2中的M点即为“最大功率点(MPP)”。此时电流为几，电压为气。太阳电池额定功率的单位是“峰瓦”，符号为“Wp”。根据特性曲线定义太阳能电池的几个重要参数如下:(1)短路电流(Isc)在给定温度日照条件下所能输出的最大电流；(2)开路电压(Voc):在给定温度日照条件下所能输出的最大电压；(3)最大功率点电流(Im):在给定温度日照条件下最大功率点上的电流；(4)最大功率点电压(Vm):在给定温度日照条件下最大功率点上的电压；(5)最大功率点功率(Pm):在给定温度日照下所能输出的最大功率；Pm=ImVm光伏阵列在恒定温度不同辐射强度下的I-V与P-V特性图2-3与图2-4分别是光伏阵列在恒定温度250C时，不同的辐射强度(S)下表现出的电流一电压(I-V)和功率一电压(P-V)特性。从图2-3中我们可以看出当辐射强度从2001000W/m2上升时，光伏阵列的输出短路电流(Isc)以及最大功率点电流(Im)都显著增大，而输出的开路电压随辐射强度的增大，增大并不明显。而从图2-4中我们可以出，最大输出功率随辐射强度的增大有明显的增大，其中最大输出功率点为图2-3中虚线与各实线的交点所示。图2-3不同辐射强度条件下光伏阵列的I-V关系图图2-4不同辐射强度条件下光伏阵列的P-V关系图3)光伏阵列在相同日照不同温度下的I-V与P-V特性图2-5与图2-6分别给出了光伏阵列在恒定辐射强度1000W/m2时，在变化的温度(0C)下的条件下，表现出来的典型电流一电压(I-V)和功率一电压(P-V)特性。从图2-5中我们可以看出当辐射强度为1000W/m2恒定不变时，温度从00C到500C上升时，光伏阵列的输出开路电压(Voc)以及最大功率点电压(Vm)都显著减小，而输出的短路电流随温度的上升，增大并不明显。而从图2-6中我们可以出，最大输出功率随温度的上升而有明显的减小，因而对最大输出功率影响明显，其中最大输出功率点为图中虚线与各实线的交点所示。图2-5不同温度下光伏阵列的I-V关系图图2-6不同温度下光伏阵列的P-V关系图由图2-3到图2-6可知，在温度相同时，随着太阳辐射强度的增加，对光伏阵列的电流影响显著，对电压则影响不明显，结果导致最大输出功率的增加；而在辐射强度相同时，随着温度的上升，对光伏电池的电压影响显著，对电流则影响不明显，结果导致最大输出功率的减小。此外，从图2-4和图2-6我们还可以看出，无论在任何温度和辐射强度下，光伏阵列总有一个最大功率点，温度(或辐射强度)不同，最大功率点位置也不同。我们设计的系统就是要跟踪最大功率点的位置，从而使光伏阵列的输出功率最高，提高太阳能利用率。2.3风力发电理论依据风轮的结构及其在气流中的位置不同，风力机可以分为水平轴式和垂直轴风力机。水平轴风力机的风轮工作时围绕一个水平轴旋转，风轮的旋转平面与风向垂直。目前，它是国内外使用最广泛、研制最多的一种风力机。一般叶片数为23片，叶片在安装时与风轮的旋转平面呈一定角度。水平轴风力机的特点是风轮的起动力矩较大，风能利用系数高，但是为了保持风轮迎风，需装有调向装置。对于风力机来说，无论是水平轴或垂直轴，要想使其在风速变化时依然保持最大功率输出的状态，主要的方法就是调整风叶的受风面积，当风速过大时，在保证风力机安全的前提下，适当地减小风叶受风面，使风力机转速不至于过快；当风速小于风力机最大功率输出要求的风速时，就要增大风叶的受风面，以提高风力机的转速。小型发电系统中常用的发电机有异步型(包括笼型异步发电机和绕线式双馈异步发电机)和同步型(包括永磁同步发电机和电励磁同步发电机)两种。随着永磁材料的技术发展，永磁材料磁能积的大大提高，目前主要使用直驱永磁同步发电机(DDPMG)。该类型发电机采用永磁体励磁，消除了励磁损耗，提高了效率，实现了发电机无刷化；并且运行时，不需要从电网吸收无功功率来建立磁场，可以改善电网的功率因数；采用风力机对发电机直接驱动的方式，取消了齿轮箱，提高了风力发电机组的效率和可靠性，降低了设备的维护量，减少了噪声污染。直驱永磁风力发电系统从众多变速恒频风力发电系统中脱颖而出，具有很好的发展前景。2.4储能装置蓄电池在风光互补发电系统中作为储能装置。在日照和风能充足的情况下可存储供给负载后剩余部分的电能;而当日照和风力不佳时又能从蓄电池输出电能供给负载使用。可以看出，蓄电池在系统中起到平衡负载和能量调节两大作用。目前常用的蓄电池主要有铅酸蓄电池、碱性镍蓄电池和铁镍蓄电池。其中VRLA铅酸蓄电池具有质量稳定、性能可靠、价格低廉、容量较大的优点，是目前我国风光互补发电系统中首选的储能装置。本文讨论的风光互补发电系统选用VRLA铅酸蓄电池作为储能装置。铅酸蓄电池一般有三种主要工作状态:放电状态、充电状态和浮充状态。上述三个状态构成蓄电池的一个完整的工作循环。图2-7表示的就是一个蓄电池典型的工作循环。图中分别列出了工作电压、工作电流以及温度的变化特性曲线。首先，一个充满电的蓄电池刚接入负载时，由于内部的化学反应，电池电压陡降，随后有一个明显的回升，接着蓄电池开始以恒定电流放电，随着放电的进行，端电压开始降低，当电压降到一定值时会出现一个急剧下降，此时电池电压降到放电终止电压，断开负载，电压有一个明显的回升。如果在蓄电池端加一个大于开路电压的电压，蓄电池进入充电阶段，电流方向与放电电流相反，电压开始慢慢回升，当达到浮充电压时，充电电流按照指数规律递减，直到蓄电池充足，而后保持蓄电池满荷电状态所需的电流。蓄电池温度在进入充电状态后开始升高，温升程度跟蓄电池本的散热能力和充电电流有关，一般情况下会有5-100C的温升。图2-7蓄电池循环工作状态示意图2.5本章小结本章首先给出风光互补发电系统的整体拓扑结构，然后分析了太阳能光伏电池阵列和风力发电机的原理及特性，本系统选用单晶硅太阳能电池和永磁同步发电机。另外还研究了蓄电池的工作原理,特性参数和工作状态，选用24V铅酸蓄电池作为本系统平衡负载和能量调节的储能装置。第三章 风光互补发电系统设计第三章 风光互补发电系统设计3.1风光互补发电系统整体计算风光互补作为一套发电应用系统，是利用太阳能电池方阵、风力发电机（将交流电转化为直流电）将发出的电能存储到蓄电池组中，当用户需要用电时，通过输电线路送到用户负载处。是风力发电机和太阳电池方阵两种发电设备共同发电。风光互补发电站采用风光互补发电系统，风光互补发电站系统主要由风力发电机、太阳能电池方阵、智能控制器、蓄电池组、电缆及支撑和辅助件等组成一个发电系统，系统构成如图3-1所示，主要组成部分的功能介绍如下。图3-1系统构成图发电部分：由风力发电机和太阳能电池板矩阵组成，完成风电；光电的转换，并且通过充电控制器与直流中心完成给蓄电池组自动充电的工作。蓄电部分：由多节蓄电池组成，完成系统的全部电能储备任务。风光互补供电控制部分：由风能和太阳能充电控制器、直流中心、控制柜、避雷器等组成。完成系统各部分的连接、组合以及对于蓄电池组充电的自动控制。供电部分：将蓄电池中的直流电能供给用电器。逆变器：蓄电池的24V直流输出经过逆变器逆变后，转化为220V交流输出电源，用以替代原有的220V市电电源，向家用电器供电供电，前端设备备有电源适配器进行交直流转换以及变压。风光互补供电系统可以在夜间和阴雨天无阳光时由风能发电，而晴天由太阳能发电，在既有风又有太阳的情况下两者同时发挥作用，实现了全天候的发电功能，比单用风机和太阳能更经济、科学与实用。因此，非常适用于需要24小时不间断供家用电器供电。考虑到出现连续无风无日照的天气情况，因此建议采用250Ah的蓄电池，一次充满可持续供电1天。风光互补系统设计参数如下所示(具体计算方法见附录)：小型风力发电机：300W（3叶片）24V蓄电池额定电压24V输出功率：300W单晶硅太阳能板75W4块。风光互补蓄电池：单块额定电压12V，额定容量125Ah，采用4块组合成额定电压24V，额定容量250Ah的蓄电池组。风力发电机技术参数如下所示：起动风速：1.5（m/s）额定风速：12（m/s）切入风速：2（m/s）额定电压：24V（DCV）额定功率：480（W）最大功率：520（W风叶直径：1.5（m）风叶数量：3（pcs）安全风速：60（m/s）整机重量：23（kg）。3.1.1对淮安太阳能和风能资源调查本文分析了淮安的太阳能利用现状，并根据太阳能资源评估办法的行业标准，对淮安地区的太阳能资源进行了评估。分析发现：1、淮安地区历年太阳能平均总辐射量为在4322.65MJ/m24895.97MJ/m2，属资源丰富区。2、日照辐射量受天气影响较大，5-7月太阳总辐射值为较大值，但是由于梅雨的原因，6月出现较低值。3、根据历年统计淮安全地区可日照时数大于6小时的平均天数为200天，其太阳能资源具有可利用价值。4、淮安各县区历年各月日照时数大于6小时的天数最大值与最小值的比值都在1.5以下，这说明长期统计显示淮安地区太阳能资源全年辐射量变化不大，且总辐射量较大，应以全年总辐照量为主要利用依据。在太阳能利用方面应考虑太阳能在少数年份不稳定性所产生的问题，对于使用要求严格的地方需要相应的解决措施，如加大蓄热量与贮电量、使用节能设备、预留辅助设施等采用合适方案解决。5、太阳能的平均辐射强度是一天内最强的时段是1113时，因此淮安地区最佳太阳能利用时间是中午前后。最后本文对淮安地区太阳能资源的合理利用提出了建议，建造太阳房、推广运用真空管集热器及平板型集热与聚焦集热器、充分利用太阳能发电技术等。风力发电资源。淮安全市年平均风速在2.9m/s3.6m/s，拥有洪泽湖、高邮湖、白马湖等宽阔的水域和滩涂，风能资源较为丰富，可以建设一定规模的风电场。同时盱眙县山区由于由于特殊地理优势，适合发展低风速风力发电机厂。其风资源特性如下：70m高度年平均风速为8.64m/s，大风月为1月，小风月为八月；根据测风塔各高度的风剪切指数综合分析，初步确定如东风电场70m高度的风剪切指数值0.3；按70米高度计算，年风速可利用小时为7941小时，风功率密度381w/，风能密度为3325Kwh/，折合年满发小时为2444小时，风速频率分布的韦布尔参数：K=2.3，A=7.99，风场湍流强度为IT=8.785%；如东风电场场址处的主风向以东南风为主，ESE方向的风向频率最大；风电场风能最大值出现在NNNE和EESE方向。风是一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的。从太阳传到地球的能量中，大约有2% 的能量转变成风能。地球上全部风能估计约为1017千瓦，其中，可利用的约为1010千瓦，这个能量是相当大的。风的变化众所周知，风随时间、离地高度、地形和环境而变化。风随时间的变化：在一天之内，风的强弱可能不同。在地面上，白天风大，而夜间风小；相反，在高空中却是夜间风大，白天风小。在沿海地区，由于陆地和海洋热容量不同，白天产生海风（从海洋吹向陆地）；夜间产生陆风（从陆地吹向海洋）。在不同的季节，太阳和地球的相对位置也发生变化，使地球上存在季节性温差，因此，风向和风的强度也会发生季节性变化。在我国，大部分地区的风的季节性变化情况是：春季最强，冬季次强，秋季第三，夏季最弱。风随高度的变化：由于空气的粘性和地面摩擦的影响，风速随高度而变化，可用下面的公式表示：V=V1(h1/h2)n其中V1高度为h1处的风速；h1高度（一般为10米）V待测高度h处的速度；h待测点离地高度；n指数，由大气稳定度和地表的粗糙程度来决定，其值约为1/21/8。稳定度居中的开阔平地取1/7，粗糙度大的大城市常取1/3，一般上下风速差较小，n较小，反之n值取大。风速随高度变化及其大小情况，因地面的平坦度，地表粗糙度以及风通道上的气温变化不同而异。特别是受地表粗糙度的影响程度最大。3.1.2耗电具体运算采用风光互补供电的主要用电设备为家用电器功率为600W，额定工作电压为直流220V。根据消耗电能计算，系统全天功耗可计算为：1.3W*23.5h+600W*0.5h=0.3355kWh风光互补供电系统同时配置两种电源以保证设备正常工作主要是为了满足在一定的恶劣气候影响下系统能够在一定时期内仍能正常运转工作，故配置时，其任一种电源配置均应可单独满足设备的工作需求。假设设备安装区域太阳能全年每天的平均有效利用时间为4h，低速(按可工作风速3m/s)风力平均有效利用时间为5h，而无可用风力也无可用光能的最不利连续时间为5天。3.1.3太阳能供电方案太阳能电池方阵的功率计算根据太阳能电池组件的串并联数，即可得出所需太阳能电池方阵的功率P：P=PoNsNpW式中：Po为太阳能电池组件的额定功率。太阳能电池板最小功率：0.3355kWh/4h=8.3875W。考虑太阳能组件设备的系统损耗和衰减率，取可靠系数1.4。综合考虑最不利因素，太阳能电池板的功率应为：0.3355kWh*1.4*5/4h=58.7125W则应选择额定功率75W的太阳能电池板。太阳能电池组件串联数Ns：将太阳能电池组件按一定数目串联起来，就可获得所需要的工作电压，但是，太阳能电池组件的串联数必须适当。串联数太少，串联电压低于蓄电池浮充电压，方阵就不能对蓄电池充电。如果串联数太多使输出电压远高于浮充电压时，充电电流也不会有明显的增加。因此，只有当太阳能电池组件的串联电压等于合适的浮充电压时，才能达到最佳的充电状态。计算方法如下：Ns=UR/Uoc=（UfUDUc）/Uoc式中：UR为太阳能电池方阵输出最小电压；Uoc为太阳能电池组件的最佳工作电压；Uf为蓄电池浮充电压；UD为二极管压降，一般取0.7V；UC为其它因数引起的压降。3.1.4风力供电方案风能的大小实际就是气流流过的动能，因此可以推导出气流在单位时间内垂直流过单位截面积的风能，即风功率为:=0.5V3式中为风能(w)；为空气密度(kg/m)；V为风速(m/s)。由于风速是一个随机性很大的量，必须通过一段时间的观测来了解它的平均状况，一个地方风能潜力的多少要视该地常年平均风能密度的大小。因此需要求出在一段时间内的平均风能密度，这个值可以将风能密度公式对时间积分后平均来求得。在风速V的概率分布(V)知道后，平均风能密度还可根据下式求得:=0.5V3P(V)dV风力发电机最小功率：0.3355kWh/5h=6.71W。考虑风力发电组件设备的系统损耗和衰减率，取可靠系数1.4。综合考虑最不利因素，风力发电机的功率应为：0.3355kWh*1.4*5/80h=293.3W则应选择额定功率300W的风力发电机。3.1.5蓄电池组方案为了保证在无可用风力和无可用光能的情况，系统至少能连续稳定工作35天，除发电设备外，还需要配置一套储能设备，一般选用高性能蓄电池。选择计算如下：根据用电设备组全天功耗及额定电压，可知系统平均电流为：0.3355kWh/(24h*24V)=0.5824A考虑蓄电池的放电效率和衰减率，取可靠系数3.5。综合考虑最不利因素，蓄电池的额定容量应为：0.5824A*3.5*24h5=244.608Ah则应选择额定容量250Ah的蓄电池组。3.2风光互补控制器选型3.2.1概述风光互补控制器风光互补发电系统控制器适合于风光互补供电系统，尤其适用于风光互补路灯系统，不仅能够高效率地转化风力发电机和太阳能电池所发出的电能，而且还提供了强大的控制功能。智能型风光互补路灯控制器提供了太阳能电池防反冲、太阳能电池接反、蓄电池过充电、蓄电池过放电、蓄电池接反、蓄电池开路、风机自动刹车和手动刹车等多种保护。采用先进的MPPT功率跟踪技术,保证风能和太阳能的最高利用。可电脑远程监控，软件升级和参数设置。具有2路负载独立输出功能，负载过载保护功能。具有负载短路保护功能，浮充功能，智能滤除短时光照干扰功能，有风力发电机智能停机系统，有湿度补偿功能，具有温度传感器自动识别功能，精确的时间控制，显示当前的年、月、日。两种点灯控制模式，光控模式、时控模式。时控模式下自动学习天黑、天亮时间，自动开灯至指定时长。可以设置各项运行参数，大功率负载输出能力，大电流风能充电控制能力，大电流太阳能充电控制能力。3.2.2风光互补控制器风光互补控制器(600W风光互补控制器)技术参数（如表3.1）表3.1控制器技术参数型号SN-WSRL-24VB风光互补控制器蓄电池额定电压24V风力发电机最大额定功率600W输入电流范围0-30A风机最大输入功率600W智能停机系统启动电压29V太阳能充电最大电流12A蓄电池过放保护电压21V蓄电池过放恢复电压24.6V输出保护功率单路220W(阻性负载)1路输出额定电流10A1路输出额定电流本系统中光伏阵列的额定电压35.64V，风力发电机的额定输出电压为36V,而蓄电池的额定电压为24V，因此对两部分电路来说，需要Buck变换器来对蓄电池进行充电。Buck斩波电路控制容易，相对于其它斩波电路的波形波动小，并且完全可以实现最大功率跟踪功能，因此可以满足本系统的要求。3.3.3太阳能发电MPPT技术原理由前面的介绍的太阳能电池特性可知，太阳能电池的输出电流与输出电压具有非线性。从图2-3到图2-6可知最大功率点也是随环境改变的。因此，通过跟踪最大功率点来提高太阳能电池的利用率是必要的。图3-1是太阳能最大功率点跟踪的原理图。它是采用一定的控制算法，通过图3-1 MPPT原理示意图调整外接阻抗，从而调整输出电压而实现最大功率点跟踪的。现在对图3-1作如下解释:假设当前太阳能电池工作在特性曲线1的最大功率点A，此时外接阻抗为负载1，如果突然环境条件改变，使太阳能电池工作在特性曲线2，而负载1并没有改变，那么此时太阳能电池工作在特性曲线2的A点，并不是曲线2的最大功率点B，此时需要调整阻抗到负载2，从而调整输出电压，使太阳能电池工作在最大功率点B点。3.2.4光伏发电系统最大功率跟踪算法研究光伏发电系统的输出功率是随着外界环境变化而改变的，为实现光伏发电系统的最大功率点跟踪，我们首先要选用合适的跟踪控制算法，然后通过合适的控制电路使光伏阵列工作在最大功率点。本节对目前跟踪算法的优缺点进行分析，然后提出本系统的跟踪控制算法。恒定电压控制法：从图2-3到图2-6的特性曲线得知，外界的温度不变，日照强度发生变化时太阳能电池的最大功率点电压基本不变。我们预先在某一环境下，测得最大功率点的输出电压作为参考电压，当环境变化时，调整输出电压为此前测得的参考电压，即可实现最大功率点的跟踪。此法简单、可靠、被广泛使用，但是它只能大约的估计出最大功率点，准确性较差，容易造成能量的损失。恒定电压控制法已经很少被用在最大功率点追踪上。图3-2恒定电压控制结构图3.3逆变器3.3.1逆变器工作原理逆变器是一种DC to AC的变压器，它其实与转化器是一种电压逆变的过程。转换器是将电网的交流电压转变为稳定的12V直流输出，而逆变器是将Adapter输出的12V直流电压转变为高频的高压交流电；两个部分同样都采用了用得比较多的脉宽调制（PWM）技术。其核心部分都是一个PWM集成控制器，Adapter用的是UC3842，逆变器则采用TL5001芯片。TL5001的工作电压范围3.640V，其内部设有一个误差放大器，一个调节器、振荡器、有死区控制的PWM发生器、低压保护回路及短路保护回路等。输入接口部分：输入部分有3个信号，12V直流输入VIN、工作使能电压ENB及Panel电流控制信号DIM。VIN由Adapter提供，ENB电压由主板上的MCU提供，其值为0或3V，当ENB=0时，逆变器不工作，而ENB=3V时，逆变器处于正常工作状态；而DIM电压由主板提供，其变化范围在05V之间，将不同的DIM值反馈给PWM控制器反馈端，逆变器向负载提供的电流也将不同，DIM值越小，逆变器输出的电流就越大。电压启动回路：ENB为高电平时，输出高压去点亮Panel的背光灯灯管。PWM控制器：有以下几个功能组成：内部参考电压、误差放大器、振荡器和PWM、过压保护、欠压保护、短路保护、输出晶体管。直流变换：由MOS开关管和储能电感组成电压变换电路，输入的脉冲经过推挽放大器放大后驱动MOS管做开关动作，使得直流电压对电感进行充放电，这样电感的另一端就能得到交流电压。LC振荡及输出回路：保证灯管启动需要的1600V电压，并在灯管启动以后将电压降至800V。输出电压反馈：当负载工作时，反馈采样电压，起到稳定I逆变器电压输出的作用。逆变器是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成交流电（一般为220v50HZ正弦或方波）。通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。广泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、DVD、VCD、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱，录像机、按摩器、风扇、照明等 。简单地说，逆变器就是一种将低压(12或24伏或48伏)直流电转变为220伏交流电的电子设备。因为我们通常是将220伏交流电整流变成直流电来使用，而逆变器的作用与此相反，因此而得名。我们处在一个“移动”的时代，移动办公，移动通讯，移动休闲和娱乐。在移动的状态中，人们不但需要由电池或电瓶供给的低压直流电，同时更需要我们在日常环境中不可或缺的220伏交流电，逆变器就可以满足我们的这种需求。3.3.2技术参数表3.2技术参数型号YTP-300YTP-500YTP-1000额定输出功率300w500w1000w最大输出功率360w600w1200w峰值功率600W1000W2000W输入电压12V/24V输出电压110VAC/220VAC输出频率50Hz/60Hz效率(满载)87%空载电流8W工作指示纯正弦波输出波形过载，短路，过温，反接（保险），欠/过压存储温度自动控制制冷风扇3.4小型600W风光互补发电系统具体选型3.4.1风机选型南京欧陆电气传动有限公司生产的小型风力发电机有三种型号，分别是：FA1.2-200W,FA1.2-300W;FA1.2-400W，这三种分别是200400W功率的小型风力发电机。由于本次我们的课题是完成600W的风光互补发电系统的设计，所以我们这次的选用300W的风机（型号：FA1.2-300W）。3.4.2光伏电池选型光伏电池我们选着的是宁波旭峰太阳能有限公司生产的型号XF60W18VM的光伏电池，每个光伏电池板是由36小片光伏电池串连而成的，它的工作电压为17.28V，短路电流为3.7A，工作电流3.5A，开路电压为21.6，最大功率为60W。我们需要两块光伏电池板串连接在一起，这样光伏电池板的工作电压就在36V左右。3.4.3风光互补控制器选型风光互补控制器我们选用的是，风力和光伏结合在一起的光伏控制器。应为这样方便我们施工和安装。我们选用的型号是SN-WSRL-24VB风光互补控制器它的具体参数可以看表3.2，它的各项都是符合我们的风机和光伏电池板的选型的。3.4.4逆变器选型逆变器我们选用的型号：YTP-500的逆变YTP-500的逆变器器。它的具体的参数可以看表格3-3所有的参数都是符合我们的选型的。3.4.5蓄电池选型选用24V铅酸蓄电池作为本系统平衡负载和能量调节的储能装置，因为我们的光伏电池最大输出24V。3.5本章小结本章先介绍了风光互补控制的功能和特点，然后给出了风光互补控制（600W的技术参数），系统选用了变换器与太阳能发电MPPT技术原理，光伏发电系统最大功率跟踪算法研究。另外介绍了逆变器的工作原理，以及逆变器的工作原理和逆变器的技术参数。第四章 600W供电系统方案第四章 600W供电系统方案4.1系统技术指标年平均风速3m/s以上，淮安太阳能资源属类可利用地区（太阳能年辐射总量45005500MJ）。供电量： 1KWH/天 （相当于600W用电设备每天工作5小时）。系统在连续没有风没有太阳能补充能量的情况下能正常供电3-5天。系统供电参数：600W系统供电功率：500VA（逆变器功率）供电电压：单相220VAC供电频率：50Hz4.2系统配置表4.1系统配置部件型号及规格数量备注小型风力发电机300W/24V1台水平轴风机太阳能电池组件75W/12V4块单晶硅/多晶硅风光互补控制逆变器YTP-500-500W1台正弦波塔杆60*31套高6m，8m自选蓄电池200AH / 12V2只铅酸阀控免维护式太阳能支架1套订做风光互补控制器SN-WSRL-24VB-600W1只4.3系统供电示例表4.2供电示例名称规格标称功率（W）平均日 使用时间日用电量 （千瓦时）电灯（照明）20瓦3个605小时0.3卫星接收设备305小时0.15彩色电视机54英寸1805小时0.4电风扇602.5小时0.15总用电量100注：用电器工作时最大总工作功率不能大于300W。根据用户实际情况提供最佳配置。4.4水平轴风机4.4.1 FA1.2-300W 主要技术参数输出功率：300W风速2m/s-2W风速4m/s-15W风速7m/s-100W风速8m/s-150W风速9m/s-220W风速10m/s-300W风速12m/s-350W风速15m/s以上-400W注：风速超过15m/s启动电子超速刹车系统。具体模型如图4-1图4-1是水平轴风力发电机真实图片起动风速：1.5（m/s）额定风速：12（m/s）切入风速：2.0（m/s）额定电压：12V/24V额定功率：300W最大功率：400W风叶直径：0.3（m）风叶数量：3（pcs）安全风速：40（m/s）整机重量：10（kg）大风保护泄荷及电磁制动4.4.2特点和用途FD-300W小型风力发电机适合在风力资源较好，市电保证不便的地区或场合使用，尤其是组合成风光互补型供电系统，可以部分或完全取代市电，满足在其额定输出功率范围内各种电器的用电要求。具有体积小重量轻，切入风速低，使用免维护，可靠性高，安装架设方便，工作寿命长等特点。特别是在城市建设中，采用风光互补控制的路灯供电系统，在利用绿色能源的同时更给城市增加一道亮丽的风景线。4.5太阳能电池组件4.5.1太阳能电池分类1) 晶体硅电池板：多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池。2) 非晶硅电池板：薄膜太阳能电池、有机太阳能电池。3) 化学染料电池板：染料敏化太阳能电池。4) 柔性太阳能电池本次课题我们主要是介绍单晶单晶硅太阳能电池，所以接下来我们来重点看一下多晶硅太阳能电池的特性。多晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24%，这是所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被普遍地使用。由于多晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。4.5.2结构组成1）钢化玻璃其作用为保护发电主体（如电池片），透光其选用是有要求的：1.透光率必须高（一般91%以上）；2.超白钢化处理2）EVA用来粘结固定钢化玻璃和发电主体（如电池片），透明EVA材质的优劣直接影响到组件的寿命，暴露在空气中的EVA易老化发黄，从而影响组件的透光率，从而影响组件的发电质量除了EVA本身的质量外，组件厂家的层压工艺影响也是非常大的，如EVA胶连度不达标，EVA与钢化玻璃、背板粘接强度不够，都会引起EVA提早老化，影响组件寿命。3）电池片主要作用就是发电，发电主体市场上主流的是晶体硅太阳电池片、薄膜太阳能电池片，两者各有优劣晶体硅太阳能电池片；设备成本相对低，但消耗及电池片成本很高，但光电转换效率也高，在室外阳光下发电比较适宜薄膜太阳能电池，相对设备成本较高，但消耗和电池成本很低，但光电转化效率相对晶体硅电池片一半多点，但弱光效应非常好，在普通灯光下也能发电，如计算器上的太阳能电池。4）EVA作用如上，主要粘结封装发电主体和背板，如图4-2可见太阳能电池板真实图片。图4-2光伏电池真实图片5）背板作用，密封、绝缘、防水（一般都用TPT、TPE等材质必须耐老化，大部分组件厂家都质保25年，钢化玻璃，铝合金一般都没问题，关键就在与背板和硅胶是否能达到要求）。6）铝合金保护层压件，起一定的密封、支撑作用。7）接线盒 保护整个发电系统，起到电流中转站的作用，如果组件短路接线盒自动断开短路电池串，防止烧坏整个系统接线盒中最关键的是二极管的选用，根据组件内电池片的类型不同，对应的二极管也不相同。8）硅胶 密封作用，用来密封组件与铝合金边框、组件与接线盒交界处有些公司使用双面胶条、泡棉来替代硅胶，国内普遍使用硅胶，工艺简单，方便，易操作，而且成本很低。4.5.3太阳能电池板工作原理太阳能电池是把光能直接转换成电能的一种半导体器件。太阳能发电具有许多优点，如安全可靠，无噪音，无污染；能量随处可得，无需消耗燃料；无机械转动部件，维