毕业论文(设计)：小型风力供电系统设计.doc

本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书 中中文文题题目目 小型风力供电系统的设计小型风力供电系统的设计 学学生生姓姓名名 学学 院院 电电力力学学院院 系系 别别 自自动动化化 专专 业业 自自动动化化 班班 级级 自自动动化化0 07 7 2 2 指指导导教教师师 摘摘 要要 风能作为一种清洁的可再生能源越来越受到人们的重视 风力发电也逐渐成为了 时下的朝阳产业 本论文详细阐明了小型独立风力供电系统的设计方案 对风力发电 机进行了简单的介绍和对蓄电池的充 放电做了深入的研究 本文的题目是小型风力供电系统的设计 要求是可以在连续两天无风的情况下持 续提供 10w 的 12v 的直流电 并有缺电报警和输出保护功能 本文提出的解决方案为 风力发电机发出的电 通过 DC DC 变换为需要的标准直流电 并且考虑到风力的不稳 定性 在系统中并入蓄电池组 通过控制电路的监控实现系统的控制 保证系统在风 能充足时可蓄能 在两天无风时可以连续为负载供电 系统的运行状况主要采用单片 机控制 本论文的重点在于控制电路的设计 并对各种不同风力情况下系统的运行状况进 行了全面而严谨的分析 关键词 发电机 关键词 发电机 DC DCDC DC 变换 蓄电池 单片机变换 蓄电池 单片机 Abstract As a clean and renewable energy Wind power has aroused more and more attention and gradually become a sunrise industry nowadays This paper spells out the small independent wind power system design wind generators on a simple presentation and the battery charge and discharge depth study done This topic is small scale wind power system design requirements for two consecutive days in the case of no wind continues to provide the 12v 10w DC and lack of electricity and output protection alarms The proposed solution given the power of wind generator through the DC DC conversion for the required standard DC And taking into account the instability of the wind adding batteries in the system control circuit monitoring and control by the control system to ensure the system can be sufficient in wind energy storage in the days when no wind is a continuous load Health of the system mainly uses the microcontroller This paper focuses on the design of the control circuit and a variety of wind conditions in the operational status of the system conducted a comprehensive and rigorous analysis Keywords generator DC DC conversion battery MCU 目录目录 第一章 绪论 1 1 1 课题的目的和意义 1 1 1 11 1 1 风力发电的优点风力发电的优点 1 1 1 1 21 1 2 课题的目的和意义课题的目的和意义 2 2 1 2 风力发电概述 2 1 2 11 2 1 国外风力发展国外风力发展 2 2 1 2 21 2 2 国内风力发电的基本情况国内风力发电的基本情况 3 3 1 2 31 2 3 风力发电的特点风力发电的特点 3 3 1 3 本文的主要研究内容 3 第二章小型风力发电系统的基本组成 5 2 1 风力发电机组 5 2 1 12 1 1 小型风力发电机的分类小型风力发电机的分类 5 5 2 1 22 1 2 小型风力发电机的结构小型风力发电机的结构 6 6 2 2 整流器 7 2 3 DC DC 变换器 8 2 4 蓄电池 9 2 4 12 4 1 蓄电池的工作原理蓄电池的工作原理 9 9 2 4 22 4 2 影响铅酸蓄电池寿命的因素影响铅酸蓄电池寿命的因素 1111 2 4 32 4 3 阀控式铅酸蓄电池的使用原则阀控式铅酸蓄电池的使用原则 1212 2 4 42 4 4 铅酸蓄电池的充电方法铅酸蓄电池的充电方法 1212 2 5 控制器 13 2 5 12 5 1 控制器的作用控制器的作用 1313 2 5 22 5 2 控制器的类型控制器的类型 1313 2 5 32 5 3 控制器的其他功能控制器的其他功能 1414 第三章 供电系统电路的硬件设计及及软件实现 14 3 1 发电机 蓄电池的选择 14 3 2 设计实例 15 3 3 DC DC 变换芯片及单片机的选择 16 3 3 13 3 1 DC DCDC DC 芯片的选择芯片的选择 1616 3 3 23 3 2 单片机的选择单片机的选择 1717 3 4 控制器电路图的设计 21 3 4 1 3 4 1 工作原理工作原理 2121 3 4 23 4 2 系统电路图组成系统电路图组成 2121 3 5 统软件的实现 24 第四章 结论 26 参 考 文 献 27 致 谢 28 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 1 第一章第一章 绪论绪论 风能是一种清洁的 储量极为丰富的可再生能源 它和存在于自然界的矿物质 燃料能源 如煤 石油 天然气等不同 它不会随着其本身的转化和利用而减少 因此可以说是一种取之不尽 用之不竭的能源 而矿物质燃料储量有限 正在日趋 减少 况且其带来的严重的污染问题和温室效应正越来越困扰着人们 因此风力发 电正越来越引起人们的关注 1 1 课题的目的和意义 1 1 1风力发电的优点风力发电的优点 风是人类最熟悉的一种自然现象 风无处不在 太阳辐射造成地球表面大气层 受热不均 引起大气压力分布不均 在不均压力作用下 空气沿水平方向运动就形 成风 风能是一种最具活力的可再生能源 它实质上是太阳能的转化形式 因此是 取之不尽的 风能中的风向和风速在时空分布上较为复杂 如有海陆差异对气流运动的影响 而形成的季风和海陆风 在山区由于热力原因引起的谷风和山风 风力的随机性和 风速的变化多端使得它的利用效率较低 在风能的实际利用上仍存在很多技术困难 尽管如此 风能资源具有如下优越性 1 边远地区由于远离电网 同时这些地区的居民用电和所设置的微波中继站 气象台 电视调频差转台以及边防哨所需要的电功率大都在 10 千瓦以下 在这种条 件下 由输电线将电力输送到边远地区耗资巨大显然是不利的 从世界风能分布图 上可以看出全世界约有三分之二的地区具有风能利用价值 若合理地利用太阳能 风能 建设独立的小功率发电装置 具有明显的优越性 2 风力发电的经济性日益提高 不存在建厂房 筑坝 淹地 移民等问题 风力发电机分散安装 占地面积少 发电后除折旧费和维护费外 不消耗燃料 无 三废处理问题 其成本接近火电 低于油电 核电和光伏发电 从综合经济效益看 具有较强的竞争力 3 人类在利用矿物燃料的过程中 必然释放出大量有害物质 使人类赖以生 存的环境受到破坏和污染 此外 其他新能源中的水电 核能 地热能等 在开发 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 2 利用的过程中 也都存在着一些不能忽视的环境问题 但风能在利用中不会给空气 带来污染 也不破坏生态 是一种清洁安全的能源 4 风力发电在新能源发电中技术最为成熟 是一种安全 可靠的能源 综上所述 风力发电对于改善能源结构 推动生态环境建设 特别是对边远地 区的生产 生活用电等诸多领域的发展将发挥积极作用 具有广阔的市场前景 1 1 2 课题的目的和意义 风能利用的能量密度低且具有随机性 不稳定性和分布的不均匀性 这些给风 能的利用带来了许多问题 本文研究的目的是在分析现有的小型风力发电系统的基 础上 设计一套独立运行的小型风力发电供电系统为野外无电地区独立的小型设备 提供电力 1 2 风力发电概述 1 2 1 国外风力发展国外风力发展 国际能源研究报告表明 如果各国采取有力措施 风力发电到2010年可提供世 界电力需求的10 创造170万个就业机会 并在全球范围内减少100多亿吨二氧化碳 废气 风能将成为发展最快的能源 到2010 年风电总装机容量达到40 00GW 2020 年达到0 1TW 到2010年德国新增500万千瓦 西班牙新增520万千瓦 年生产能力将 达到800万千瓦 可满足全国电力需求的10 美国和加拿大是北美利用风能最好的国 家 在美国的50个州中 大约有30个州已经开始利用风能资源 在1998 2004年期 间 美国风力发电的总装机容量已经超过6740MW 可以满足160万个中等家庭的日常 用电需求 随着技术的进步和规模的扩大 风电发电成本继续下降 估计10年后它 完全可以和清洁的燃煤电厂竞争 由于风力发电是可再生洁净能源 其环境效益也 十分明显 随着风力发电技术的日益成熟 发电成本的进一步降低 风力发电会越 来越被更多的人认识和接受 这也是全世界很多国家都热衷风力发电的主要原因 风力发电的迅猛发展也使那些本地能源短缺的发展中国家收益 如巴西 阿根廷 摩洛哥 埃及和哥斯达黎加等国是发展中国家风力发电的佼佼者 中国 印度也在 积极发展风电 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 3 1 2 2 国内风力发电的基本情况国内风力发电的基本情况 我国幅员辽阔 陆疆总长2万多千米 海岸线1 8万多千米 是一个风力资源丰 富的国家 全国约有2 3的地带为多风带 风能总储量为32 26亿千瓦 实际可开发 的风能储量为2 53亿千瓦 为可再生能源和新能源利用技术提供了强大的资源条件 两大风能地带 西北 华北 东北和东南沿海为风能资源丰富区 跨全国21个省 市 自治区 到1999年底已开发微小户用型风力发电机16万台 并网型风电场24座 总装机容量26万千瓦 其中绝大多数机组是从丹麦 德国 美国 比利时 瑞典引 进的 最大单机容量为600kW 据相关资料报道 到2020年 预计我国将新增发电能 力500GW 其中121GW为可再生能源 2010年以前 我国计划新建20座风力发电场 每座风场的发电能力达到100MW以上 且达到4000MW的风力发电总目标 并要求风力 发电设备本土化 1 2 3 风力发电的特点风力发电的特点 风力发电有如下特点 1 可再生 且清洁无污染 2 风速随时变化 风电机组承受着十分恶劣的交变载荷 3 风电的不稳定性会给电网或负载带来一定的冲击影响 风力发电的运行方式主要有两种 一类是独立运行的供电系统 即在电网未通 达的地区 用小型发电机组为蓄电池充电 再通过逆变器转换为交流电向终端电器 供电 另一类是作为常规电网的电源 与电网并联运行 本论文讨论的是前者 即 独立运行风电系统的解决方案 1 3 本文的主要研究内容 本文以小型风力发电系统为研究对象 对风力发电原理 系统结构以及小型 风力发电系统中的储能装置蓄电池的充放电控制等方面做了较为深入的理论分析和 研究 对实现运行及可靠运行具有一定的参考价值 本文的主要研究内容和章节安 排如下 第一章 介绍课题提出的背景 目的和意义 论述国内外风力发电发展概况 概括总结风力发电相关技术的发展概况 第二章 介绍了小型风力发电原理及系统的基 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 4 本组成 并详细介绍各个部分的组成以及原理 第三章 讲述了小型风力供电系统电路的 设计及各部分器件的选择 以及部分计算 第四章 本章简述了小型风力供电系统软 件的实现 及部分编程 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 5 第二章小型风力发电系统的基本组成第二章小型风力发电系统的基本组成 风力发电系统的组成 本文的独立运行小型风力发电机系统 如图2 1所示 它主要包括风力发电机 整流器 DC DC变换器 蓄电池以及控制系统几个部分 图 2 1 小型风力发电系统的框图 2 1 风力发电机组 一般把发电功率在 10 千瓦及其以下的风力发电机称作小型风力发电机 2 1 1 小型风力发电机的分类小型风力发电机的分类 1 按照风力发电机的风轮轴位置分类 按照风力发电机风轮轴的位置分 可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发 电机 图2 2水平轴风力发电机 1 水平轴风力发电机 水平轴风力发电机的风轮围绕一个水平轴旋转 风轮轴与风向平行 风轮上的叶片式径向安装的 与旋转轴垂直 并与风轮的旋 转平面成一角度 称为安装角 风轮叶片数目为1 4 片 大多为 2 片和 3 片 他在高速运行时有较高的风能利用率 但启动时需要较高的风速 2 垂直轴风力发电机 垂直轴风力发电机的风轮围绕一个垂直轴旋转 风 力 发 电 机 整 流DC DC 变换器蓄电池 控制器 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 6 图2 3垂直轴风力发电机 风轮轴与风向垂直 其优点是可以接受来自任何方向的风 因而当风向改变时 无需对风 2 按照风力发电机的功率分 按风力发电机的功率可分为大 中 小型风力发电机 功率在10 千瓦以 下的称为小型风力发电机 功率在 10 千瓦至 100 千瓦的称为中型风力发电机 功率在 100 千瓦以上的称为大型风力发电机 3 风力发电机又分直流发电机和交流发电机两种 1 直流发电机机 电励磁式直流发电机 主要有他励 自励和复励几种形式 小型直流发电系 统大都用于1KW以下的微 小型风力发电装置 与蓄电池储能配合使用 这种直流发 电系统在风速变化时 一般通过调节励磁来保持输出电压的恒定 永磁式直流发电机 这种发电机主要是励磁不可调节 结构较电励磁式直流 发电机简单 系统采用输出电压随风速变化的系统 在发电机和负载间设置储能设 备 如蓄电池 和整流 逆变设备来变换 以满足用户对输出电压的要求 2 交流发电机 交流发电机主要有两种 一种是同步发电机 一种是异步发电机 前者运行于 电机极数和频率所决定的同步转速 后者则以稍高于同步速成的转速运行 主要有 感应发电机发电模式 硅整流自励交流发电机发电模式 无刷爪极自励发电机发电 模式 永磁发电机发电模式 2 1 2 小型风力发电机的结构小型风力发电机的结构 小型风力发电机组的组成 小型风力发电机组一般由下列几部分组成 风轮 发电机 调速和调向机构 停车机构 塔架及拉索等 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 7 风轮 小型风力机的风轮大多用 2 3 个叶片组成 它是把风能转化为机 械能的部件 目前风轮叶片的材质主要有两种 一种是玻璃钢材料 一般用玻璃 丝布和调配好的环氧树脂在模型内手工糊制 在内腔填加一些填充材料 手工糊 制适用于不同形状和变截面的叶片但手工制作费工费时 产品质量不易控制 国 外小风机也采用机械化生产等截面叶片 大大提高了叶片生产的效率和产品质量 发电机 小型风力发电机一般采用的是永磁式交流发电机 由风轮驱动发 电机产生的交流电经过整流后变成可以储存在蓄电池中的直流电 调向机构 调速机构和停车机构 为了从风中获取能量 风轮旋转面应垂 直于风向 在小型风机中 这一功能靠风力机的尾翼作为调向机构来实现 同时 随着风速的增加 要对风轮的转速有所限制 这是因为一方面过快的转速会对风 轮和风力机的其他部件造成损坏 另一方面也需要把发电机的功率输出限定在一 定范围内 由于小型风力机的结构比较简单 目前一般采用叶轮侧偏式调速方式 这种调速机构在风速风向变化转大时容易造成风轮和尾翼的摆动 从而引起风力 机的振动 因此 在风速较大时 特别是蓄电池已经充满的情况 应人工控制风 力机停机 在有的小型风力机中设计有手动刹车机构 另外在实践可采用侧偏停 机方式 即在尾翼上固定一软绳 当需要停机时 拉动尾翼 使风轮侧向于风向 从而达到停车的目的 小型风力发电系统的装机容量较小 一般都是选择小型风力发电机作为发电机 组 按照空气动力学原理分类的话 最常见的是托举型水平轴风力发电机 目前小 型风力发电机主要是低速永磁发电机 这主要是因为小型风力发电机的风轮是直接 祸合在发电机轴上 省去了升速机构 故不用增速齿轮箱增速 这就要求发电机只 有几百转每分 所以采用低速发电机 由于风向经常变化 为了有效地利用风能 必须有迎风的偏航装置 个别小型风力发电机还具备抗大风自动折尾装置 本文所使用的小型交流永磁风力发电机是永磁同步发电机的一种 其运行原理与 电励磁同步发电机相同 由于用永久磁钢取代励磁线圈励磁 永磁同步发电机结构 简单 加工及装配比较容易 一般小型永磁风力发电机的励磁磁钢安置在转子上 由于这类发电机省掉了一般同步发电机的电刷 滑环和励磁绕组 从而节约了成本 特别是小型风力发电机组的发电机直接与风轮耦合 安置于机组顶端的空中无需经常 对电刷和滑环维护 提高了机组运行的可靠性 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 8 2 2 整流器 整流电路按组成的器件可分为不可控 半控 全控三种 按电路结构可分为桥式电路和零式电路 按交流输入相数分为单相电路和多相电路 整流器的主要功能是对风力发电机输出的三相交流电进行整流 整流后的直流 电经过控制器再对蓄电池进行充电 根据风力发电系统的容量不同 整流器分为可 控与不可控两种 可控整流器主要应用在功率较大的系统中 可以减小电感过大带 来的体积大 损耗大等缺点 不可控整流器主要应用于小功率系统中 目前在我国小型型风力发电系统中大量使用的是桥式不可控整流方式 如图 2 13所示 因为它由二极管组成 具有功耗低 电路简单等特点 图2 4 三相不可控整流 三相整流器除了把输入的三相交流电能整流为可对蓄电池充电的直流电能之 外 另外一个重要的功能是在外界风速过小或者基本没风的时候 风力发电机的输 出功率也较小 由于三相整流桥的二极管导通方向只能是由风力发电机的输出端到 蓄电池 所以防止了蓄电池对风力发电机的反向供电 2 3 DC DC 变换器 DC DC功率变换器的种类很多 按照输入 输出电路是否隔离来分 可分为非隔 离型和隔离型两大类 非隔离型的DC DC变换器又可分为降压式 升压式 极性反转 式等几种 隔离型的DC DC变换器又可分为单端正激式 单端反激式 双端半桥 双 端全桥等几种 DC DC 变换器将直流电源能量传送到负载并加以控制 得到另一个直流输出电 压或电流 通过对开关管的导通或关断时间长短控制 即控制从电源端到负载端传 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 9 送的能量 DC DC 变换器主要包括 Buck Boost Buck Boost Cuk 变换器4种 以 Buck变换器为例 如图2 5 通过在功率开关管的控制端施加周期一定 占空比可调 的驱动信号 使其工作在开关状态 当开关管Q导通时 二极管D截止 发电机输出 电压整流后通过能量传递电感向负载供电 同时使电感 能量增加 当开关管截止时 电感释放能量使续流二极管D导通 在此阶段 电感L把前一段的能量向负载释放 使输出电压极性不变且比较平直 滤波电容C使输出电压的纹波进一步减小 显然 功率管在一个周期内导通时间越长 传递的能量越多 输出电压越高 图2 5 Buck变换电路 DC DC 变换器的输入阻抗的大小可以通过控制开关电源的占空比来改变 这种 控制性能正好被用在小型风力发电系统中 通过控制发电机的输出电流 改变风力 发电机的负载特性 即调节了发电机的转矩 转速特性 从而控制风力机转速用来改 变叶尖速比 这样就控制了风能转换效率和风力发电机的输出功率 2 4 蓄电池 2 4 1 蓄电池的工作原理蓄电池的工作原理 在小型风力发电系统中 蓄电池起着储存和调节电能的作用 其它器件或技术 也有被利用来进行能量存储的 比如微型水泵 压缩空气或飞轮等 但是在小规模 风力发电应用中 这些储能方式都不是很经济 近年来 随着燃料电池和电解槽技 术的发展 氢气作为一种能量存储介质进入人们的视野 这是一种比较有前途的技 术方向 但是要大范围的应用 还有很多技术难题待解决 在本系统中 当风力很大致使产生的电能过剩时 蓄电池将多余的电能储存起 来 反之 当系统发电量不足或负载用电量大的时候 蓄电池向负载补充电能 并保 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 10 持供电电压的稳定 铅酸蓄电池由于具有容量大 成本低 循环寿命长等优点 一 直是小型电力系统的首选储能设备 蓄电池正负极板上的活性物质分别是二氧化铅 2 pbo 和海绵状铅 pb 它们与电解液中的硫酸接触 负极板上铅不断解离为正二价的铅离子 2 pb 和电 子 铅离子融入电解液中 电子留在负极板上 随着化学反应不断的进行 负极板 上的负电荷逐渐增加 对电解液中的铅离子的吸引力也不断的加大 使得部分的铅 离子获得电子沉积到负极板的表面 当离开和沉积到负极板表面的铅离子相等 即 氧化和还原的速度趋于平衡时 负极板与电解液间形成稳定的电位差 大约 0 358V 正极板上的二氧化铅 2 pbo 在电解液的作用下解离为铅离子 2 pb 既 2 pbo 从极板获得电子还原为 2 pb 进入电解液 同时电解液中的部分 2 pb失去 电子氧化为 4 pb 当氧化和还原的速度平衡时 正极板与电解液之间形成 l 685V的电位差 正 负极板与电解液之间的都存在着电位差 从整体看正极与负 极的电位差有2 04V也就是蓄电池的单体电压 蓄电池与负载相接时 是它的放电过程 其化学反应方程式为 pb 42SO H 2 pbo 2 4 pbso OH2 2 1 放电过程中 负极板上的海绵状铅 pb 正极板上二氧化铅 2 pbo 与电解 液中的硫酸 42SO H 反应 生成硫酸铅 4 pbso 电解液中消耗了硫酸 42SO H 分 子 增加了水 OH2 分子 电解液中的硫酸浓度降低 蓄电池内阻逐渐增大 电动 势逐渐降低 蓄电池的充电过程是放电过程的逆过程 是在外电源作用下的电化学反应 其化学反应方程式为 4 pbso 4 pbso OH2 pb 42SO H 2 pbo 2 2 充电过程中 在外电源的作用下 正极板上的硫酸铅 4 pbso 逐渐恢复成 二氧化铅 2 pbo 负极板上的硫酸铅 4 pbso 逐渐恢复成海绵状铅 pb 电解 液中的硫酸浓度增大 蓄电池内阻逐渐减小 电动势逐渐增大 传统的开口式铅酸蓄电池 由于水的蒸发以及电解液的分解 需要经常对电 解液的浓度进行检测 以确定是否对其添加蒸馏水 另外 在电池充电过程中 由 于化学反应剧烈 会产生大量有害气体形成酸雾 污染室内空气 对工作人员会产 生职业危害 而采用阀控式铅酸蓄电池就会避免这些缺点 阀控式铅酸蓄电池是相 对于传统的开口式的铅酸蓄电池来讲的 它是一种密封的电池 内外气压的平衡通 过阀门来控制 它具有一系列优点 首先是安全 电池的阀门密封可阻止空气中的 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 11 氧气流入 当电池过充时 内部压力过大 这时候阀门会自动打开 排出气体 防 止电池内部气压过大而产生膨胀或爆炸 其次是使用方便 传统的开口电池不能倾 斜安装使用 而阀控式铅酸蓄电池就不存在这个问题 它既可立放也可横放 但是 不能倒置 第三是少维护 由于阀控式铅酸蓄电池密封性能好 水分不易蒸发 这 样在进行电化学反应的时候将放电时产生的水蒸汽完全吸收 所以不需要进行补水 作业 但是阀控式铅酸蓄电池并不是完全不需要维护 尤其是对电池的充放电维护 是必不可少的 由于阀控式铅酸蓄电池具有显著的优点 所以在小型电力系统中 它渐渐成为主流的储能器件 2 4 2 影响铅酸蓄电池寿命的因素影响铅酸蓄电池寿命的因素 l 环境温度 铅酸蓄电池的的电能是通过化学反应产生的 不同温度下的化学反应速率是不 一样的 温度高时 蓄电池内部电解液与极板的化学反应加速 电解液浓度下降 减小了电池内阻 增加了电池的容量 充放电过程中容易出现过充和过放现象 温 度低时 电解液和极板间的反应速度变慢 电解液的浓度升高 加大了电池的内阻 减少了电池的容量 缩短了蓄电池的寿命 生产厂家一般要求蓄电池的运行环境温 度为15一25 当环境温度超过25 后 每升高8 电池寿命就要缩短一半 2 过度放电 蓄电池被过度放电是影响蓄电池使用寿命的另一重要因素 蓄电池为负载供电 期间 若控制器突发故障或者过放控制点设置过低时 均会可能导致过放现象的发 生 过放现象会减少蓄电池的容量 并且难以恢复 严重时将会导致电池失效 蓄 电池被过度放电到输出电压为OV时 会导致电池内部有大量的硫酸铅被吸附到电池 的阴极表面 形成电池阴极的 硫酸盐化 由于硫酸铅本身是一种绝缘体 将会 阻碍蓄电池内部化学反应的 阴极板上的硫酸铅越多 电池的内阻越大 电池的充 放电性能就越差 电池的寿命就越短 3 过度充电 蓄电池的充电电压也是影响其寿命的重要因素 在开路状态下 铅合金和二氧 化铅在硫酸溶液中 各自与电解液建立不同的平衡电极电位 蓄电池的充电电压过 高时 将会出现过充现象 此时正极栅板由于析氧反应 水不断的被消耗 H增 加 从而导致正极附近的酸度增高 栅板与电解液反应加速 析出的气体由于一部 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 12 分排出 不可能全部还原为水 蓄电池内部的电解液浓度增加 这样也会促使栅板 的腐蚀加速 活性物质减少 导致蓄电池的容量和寿命减少 当失水5 5 时 容量 降低75 失水达到25 时 容量基本消失 4 长期浮充电 蓄电池长期工作在浮冲状态下 只充电不放电 这种工作状态会造成蓄电池阳 极的钝化 使电池的内阻急剧增大 实际容量远远低于其标准容量 从而导致电池 所能提供的后备时间大大缩短 减少了其使用寿命 2 4 3 阀控式铅酸蓄电池的使用原则阀控式铅酸蓄电池的使用原则 使用阀控式铅酸蓄电池的时候要遵循一些原则 有些原则是铅酸蓄电池都要遵 守的基本原则 有些则是阀控式铅酸蓄电池所特有的 这样可以提高蓄电池的使用 寿命 1 尽量使阀控式铅酸蓄电池工作在15 一35 之内 2 单体阀控式铅酸蓄电池的应浮充电压设计为2 3v 节 48v系统的浮充电压应 设置为55 2V 这些都是在25 标准情况下得到的值 当温度以25 为原点进行变化 时 必须进行温度补偿 当温度升高时 要降低浮充电压 反之 则要升高浮充电压 3 电池隔板寿命在环境温度为30 40 时仅为5一6个月 长时间存放的电池 每六个月必须充电一次 电池必须存放在干燥凉爽的环境中 4 电池的周期寿命取决于放电率 放电深度和充电方式 其中最重要的因素是 放电深度 放电深度越浅 电池生命周期越长 所以 要尽量避免阀控式蓄电池深 度放电 5 禁止不同容量和不同厂家的电池混用 否则会严重降低电池使用寿命 新旧 电池也不要混用 否则会降低新电池的寿命 2 4 4 铅酸蓄电池的充电方法铅酸蓄电池的充电方法 铅酸蓄电池的充电方法一般有恒流充电法 恒压充电法和分段充电法等 恒流充电法在充电过程中保持充电电流始终不变 充电电压自动逐渐升高 该 方法的缺点是充电后期水分解多 易使活性物质脱落 故较少采用 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 13 恒压充电法在充电过程中充电电压始终不变 充电电流自动逐渐减少 这种方 法有初期电流过大 极板深处的硫酸铅不易还原的缺陷 故仅在小功率的简单系统 中大量使用 本文中是采用恒压后的浮充的充电方法 2 5 控制器 2 5 1 控制器的作用控制器的作用 小型风力发电供电系统中 通常用蓄电池起储存和调节电能的作用 而蓄电池 的正常运行离不开控制器 控制器根据风力的大小以及负荷的变化 不断的对蓄电 池的工作状态进行切换和调节 使其在充电 放电或浮充等多种工作情况下运行 从而保证风力发电系统的连续性和稳定性 当风力很大致使产生的电能过剩时 蓄 电池将多余的电能储存起来 反之 当发电系统发电量不足时 蓄电池向负载补充 电能 并保持供电电压的稳定 同时保护蓄电池不受过度充放的损害 控制器通过 检测蓄电池两端的电压状态 可以发出蓄电池继续放电 减少放电或停止充电的指 令 2 5 2 控制器的类型控制器的类型 应用于风力发电系统的控制其主要由旁路控制器 多阶控制器和脉冲控制器 1 旁路控制器 旁路控制器的原理是控制器检测电路监控蓄电池端电压 当达到标志着电池充 满的电压阀值时 开关元件接通负载将蓄电池旁路 过充电流将开关元件转移到耗 能负载 将多于的功率变为热能 当蓄电池端电压下降到恢复充电的电压时 开关 元件断开耗能负载 同时接通蓄电池的充电回路 2 多阶控制器 多阶控制器的原理是 其核心部件是一个受充电电压控制的 多阶充电信号发生器 多阶充电信号发生器根据充电电压的不同 产生多阶充电信号 控制开关元件按 顺序接通 实现对蓄电池组充电电压和电流的调节 此外 还可以将开关元件换成 大功率的半导体器件按 通过线性控制实现对蓄电池充电的平滑调节 3 脉冲控制器 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 14 脉冲控制器的控制原理是 其核心器件是一个受充电电压调治的 充电脉冲 发生器 脉冲控制器以 斩波 方式工作 对蓄电池进行脉冲充电 开始时脉冲 控制器以宽脉冲充电 随着充电电压的上升 充电脉冲宽度逐渐变窄 平均充电电 流减小 当充电电压达到预定电压时 充电脉冲宽度变为零 充电终止 2 5 3 控制器的其他功能控制器的其他功能 控制器除了对蓄电池进行充放电控制之外 还控制输出保护功能 本文使用的控制器主要的器件是单片机 通过对单片机的编程对蓄电池的充 放电进行控制 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 15 第三章第三章 供电系统电路的硬件设计及软件实现供电系统电路的硬件设计及软件实现 独立小型风力发电机尽管装机容量较小 技术不太复杂 但为了安全可靠的运 行 必须做好风力发电机 蓄电池以及相关芯片的选型 3 1 发电机 蓄电池的选择 一 风力发电机的选择条件 风力发电机以风作为动力 就要要求风力发电机安装地点风力资源必须满足一 定的条件 根据经验 风力发电机一般要求当地年平均风速在3m s以上 全年3 sm 20有效风累计时数在3000h左右 全年3 sm 20有效风能密度要达到 2 100mw 1 额定风速 一般把风力发电机产生额定输出功率时的最低风速称为额定风速 对风能的利 用水平而言 具有相同结构形式及功率发两台风力发电机组 额定风速较低的性能 更好些 我国小型风力发电机组的额定风速有sm 5 sm 8和sm 10三种 选择风 力发电机时 要根据当地的气象 合理确定风力发电机发额定风速 这样才能充分 的利用当地的风力能源 最大限度的发挥风力机发效率 2 工作风速范围 由于风力的大小是时刻变化的 风力发电机不可能全部利用 只能利用一个范围的 风速 利用风速的下限称为切入风速 即风能装置能驱动发电机发最低风速 利用 风速的上限称为切出风速 这个风速下风能装置输出功率就是风力发电机的最大功 率 一般切出风速越高 可利用的风速范围就越大 选择合适的切入风速 切出风 速是风力发电机的基本参数 二 蓄电池的选择 风力发电机所发出的实际功率是受风速影响的 不是一个常量 所以 风力发 电机和蓄电池的容量选择都是可用电量来确定的 1 负载用电量的计算 负载用电量可用公式 TPW ll 3 1 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 16 式中 l W为负荷的用电量 kwh l P为计算负荷 w T为负荷的平均利用 小时数 h 2 蓄电池容量的计算 蓄电池的容量可根据公式 Q 3 2 式中 L W 为负荷日消耗量 wh b U 为蓄电池组端电压 v c y为蓄电池放电 深度 三 风力发电机功率的选择 风力发电机实际的输出功率公式为 3 3 式中 W P 为机组的额定输出功率 w 1 V为实际风速 sm V为额定风速 sm 3 2 设计实例 1 设计目标 本文设计的供电系统的要求是 可以在连续两天无风的情况下持续提供10w 12v 的电流为野外无电地区独立运行的小型设备提供电力 2 负载用电量计算 TPW ll 10 24 2 480wh 3 蓄电池容量的计算 50ah 这里选择了容量为65ah电压为12v的铅酸蓄电池 其具体的参数如表 表 3 1 标准电压12v 标准容量65ah 20HR 外壳材料ABS塑料 内阻 25 10 m 自放电 20 每周 0 8 浮充寿命6 9年 使用温度范围 20 45 电池外形尺寸 长 宽 高 330 171 172mm cb L yU W cb L yU W Q 8 012 480 P V V P W 3 1 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 17 充电方法循环使用浮充使用 充电电压14 6 15v13 6 13 8v 最大电流19 5A19 5A 充电时间12h 60 DOD 24h 100 DOD 48h 4 风力发电机容量的选择 按满发时数每天6小时计算 风力发电机的额定功率选150w就可以满足条件 即 150 6 900wh大于负载用电量 本文选用的小型风力发电机是 表 3 2 品牌奥风 型号fd 2 2 200W 额定功率200 W 输出电压24 V 额定风速 8 m s 叶片数目3 片 风轮直径2 2 m 启动风速2 5米 秒 安全风速40米 秒 3 3 DC DC 变换芯片及单片机的选择 3 3 1 DC DC 芯片的选择芯片的选择 DC DC变换芯片是介于风力发电机与蓄电池之间的中间的重要的器件 由于风速 不稳定 风力发电机输出的电压也随着变化 这样对蓄电池充电会对蓄电池的受用 寿命有很大的影响 所以 这里采用一个DC DC变换芯片对蓄电池进行充电 对DC DC芯片的选择有以下要求 输出电压可调 输出功率与发电机的功率相匹配 输入电压与发电机的输出电压相匹配 根据以上要求本文选择了 产品品牌 尖诺 产品型号 JDM150 48S15 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 18 输入特性 电压范围 24VDC 额定值 18 36 VDC 输出特性 电压精度 1 电流限制点 120 typ 输出电压调整范围 10 响应速度 400us 电压调整率 主路 0 2 输出电流 2 15A任选 负载调整率 主路 0 4 输出电压 1 8 48V 输出功率 100 300w 3 3 2 单片机的选择单片机的选择 本文选用了C8051F系列的单片机 其系列单片机的特点为 1 片内资源 8 12位多通道ADC 1 2路12位DAC 1 2路电压比较器 内部或外部电压基准 内置温度传感器 16位可编程定时 计数器列阵可用于PWM等 3 5个通用16位定时器 8 64个通用I O口 8 64K Flash 存储器 片内时钟源 内置电源检测 看门狗定时器 2 主要特点 工作电压为2 7 3 6v 典型值为3v I O RST JTAG引脚均匀许5v电压输入 高速的 20MIPS 25MIPS 与8051全兼容的CIP 51内核 本文选用了 C8051F020 器件是完全集成的混合信号系统级 MCU 芯片 具有 64 个数字 I O 引脚 C8051F020 下面列出了一些主要特性 1 高速 流水线结构的 8051 兼容的 CIP 51 内核 可达 25MIPS 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 19 2 全速 非侵入式的在系统调试接口 片内 3 真正 12 位 C8051F020 100 ksps 的 8 通道 ADC 带 PGA 和模拟多路 开关 4 真正 8 位 500 ksps 的 ADC 带 PGA 和 8 通道模拟多路开关 5 两个 12 位 DAC 具有可编程数据更新方式 6 64K 字节可在系统编程的 FLASH 存储器 7 4352 4096 256 字节的片内 RAM 8 可寻址 64K 字节地址空间的外部数据存储器接口 9 硬件实现的 SPI SMBus I2C 和两个 UART 串行接口 10 5 个通用的 16 位定时器 11 具有 5 个捕捉 比较模块的可编程计数器 定时器阵列 12 片内看门狗定时器 VDD 监视器和温度传感器 具有片内 VDD 监视器 看门狗定时器和时钟振荡器的 C8051F020 是真正能独立 工作的片上系统 所有模拟和数字外设均可由用户固件使能 禁止和配置 FLASH 存 储器还具有在系统重新编程能力 可用于非易失性数据存储 并允许现场更新 8051 固件 片内 JTAG 调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品 MCU 进行非侵入 式 不占用片内资源 全速 在系统调试 该调试系统支持观察和修改存储器和 寄存器 支持断点 观察点 单步及运行和停机命令 在使用 JTAG 调试时 所 有的模拟和数字外设都可全功能运行 每个 MCU 都可在工业温度范围 45 到 85 内用 2 7V 3 6V 的电压工作 端口 I O RST 和 JTAG 引脚都容许 5V 的 输入信号电压 C8051F020 为 100 脚 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 20 图 3 1 C8051F020引脚图 与 8051 完全兼容 C8051F020 系列器件使用 Silicon Labs 的专利 CIP 51 微控制器内核 CIP 51 与 MCS 51TM 指令集完全兼容 可以使用标准 803x 805x 的汇编器和编译器进行软 件开发 CIP 51 内核具有标准 8052 的所有外设部件 包括 5 个 16 位的计数器 定时器 两个全双工 UART 256 字节内部 RAM 128 字节特殊功能寄存器 SFR 地址空间及 8 4 个字节宽的 I O 端口 CIP 51 采用流水线结构 与标准的 8051 结构相比指令执行速度有很大的提高 在一个标准的 8051 中 除 MUL 和 DIV 以外所有指令都需要 12 或 24 个系统时钟 周期 最大系统时钟频率为 12 24MHz 而对于 CIP 51 内核 70 的指令的执行时 间为 1 或 2 个系统时钟周期 只有 4 条指令的执行时间大于 4 个系统时钟周期 CIP 51 共有 111 条指令 下表列出了指令条数与执行时所需的系统时钟周期 数的关系 表3 3 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 21 CIP 51 工作在最大系统时钟频率 25MHz 时 它的峰值性能达到 25MIPS C8051F020 系列 MCU 对 CIP 51 内核和外设有几项关键性的改进 提高了整体 性能 更易于在最终应用中使用 扩展的中断系统向 CIP 51 提供 22 个中断源 标准 8051 只有 7 个中断源 允许大量的模拟和数字外设中断微控制器 一个中断驱动的系统需要较少的 MCU 干预 因而有更高的执行效率 在设计一个多任务实时系统时 这些增加的中断源 是非常有用的 MCU 可有多达 7 个复位源 一个片内 VDD 监视器 一个看门狗定时器 一个时 钟丢失检测器 一个由比较器 0 提供的电压检测器 一个软件强制复位 CNVSTR 引 脚及 RST 引脚 RST 引脚是双向的 可接受外部复位或将内部产生的上电复位信号 输出到 RST 引脚 除了 VDD 监视器和复位输入引脚以外 每个复位源都可以由用 户用软件禁止 使用 MONEN 引脚使能 禁止 VDD 监视器 在一次上电复位之后的 MCU 初始化期间 WDT 可以被永久性使能 MCU 内部有一个独立运行的时钟发生器 在复位后被默认为系统时钟 如果需 要 时钟源可以在运行时切换到外部振荡器 外部振荡器可以使用晶体 陶瓷谐振 器 电容 RC 或外部时钟源产生系统时钟 时钟切换功能在低功耗系统中是非常有 用的 它允许 MCU 从一个低频率 节电 外部晶体源运行 当需要时再周期性地切 换到高速 可达 16MHz 的内部振荡器 CIP 51 有标准的 8051 程序和数据地址配置 它包括 256 字节的数据 RAM 其 中高 128 字节为双映射 用间接寻址访问通用 RAM 的高 128 字节 用直接寻址访 问 128 字节的 SFR 地址空间 数据 RAM 的低 128 字节可用直接或间接寻址方式 访问 前 32 个字节为 4 个通用寄存器区 接下来的 16 字节既可以按字节寻址也 可以按位寻址 C8051F020 中的 CIP 51 还另有位于外部数据存储器地址空间的 4K 字节的 RAM 块和一个可用于访问外部数据存储器的外部存储器接口 EMIF 这个片内的 4K 字节 RAM 块可以在整个 64K 外部数据存储器地址空间中被寻址 以 4K 为边界重叠 外部数据存储器地址空间可以只映射到片内存储器 只映射到片外存储器 或两 者的组合 4K 以下的地址指向片内 4K 以上的地址指向 EMIF EMIF 可以被配 置为地址 数据线复用方式或非复用方式 MCU 的程序存储器包含 64K 字节的 FLASH 该存储器以 512 字节为一个扇区 可以在系统编程 且不需特别的外部编程电压 从 0 xFE00 到 0 xFFFF 的 512 字节被 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 22 保留 由工厂使用 还有一个位于地址 0 x10000 0 x1007F 的 128 字节的扇区 该 扇区可作为一个小的软件常数表使用 C8051F020 系列具有片内 JTAG 边界扫描和调 试电路 通过 4 脚 JTAG 接口并使用安装在最终应用系统中的产品器件就可以进行 非侵入式 全速的在系统调试 该 JTAG 接口完全符合 IEEE 1149 1 规范 为生产和 测试提供完全的边界扫描功能 3 4 控制器电路图的设计 3 4 1 工作原理工作原理 系统由两个DC DC变换芯片 两个电压采集电路 单片机 放电电路和输出保护 电路组成 原理图如图3 2所示 其工作原理如下 充电时单片机通过内部的A D转 换器实时采集充电时风力发电机输出的电压和蓄电池两端的电压 从而调节DC DC芯 片的输出电压给蓄电池分阶段的充电 放电时单片机通过内部的A D转换器实时采集 放电时蓄电池两端的电压从而实时的发出适合的指令进行放电 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 23 3 4 2 系统电路图组成系统电路图组成 1 充电电路 充电主电路其实是一个升降压斩波电路 图3 3 充电主电路 2 电压检测电路 风速是不可控的 所以输出的电压也是随着变化的 给蓄电池充电电压在 一定范围的 所以需要对发电机发出的电压进行检测传给单片机来控制 因为发电 机发出的电压超出了单片机所能承受的电压 这里采用了分压电路如图3 4所示 1 R和 2 R是分压电阻 1 D和 2 D 为二极管这里起到保护作用 为了使进入单片机的电 压更加稳定这里加入了电容 1 C 起到滤波作用 图3 4 电压检测1 R1 RES R2 RES GND D1 TUNNEL D2 TUN