风光互补充电控制系统设计

摘要
进入二十一世纪，人类面临着现实经济和社会可持续发展的重大挑战，而能源问题日益严重，一方面是常规能源的匮乏，另一方面石油等常规能源带来了一系列的问题，如环境污染、温室效应等。

人类需要解决能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模开发利用可再生能源和新能源。

而太阳能和风能被看做是最具代表的新能源和可再生能源，作为这两种能源的高级利用，太阳能发电和风力发电技术受到各国的高度重视。

由于风能发电和太阳能发电系统均受到外部条件的影响，仅仅依靠独立的风力或太阳能发电系统经常会难以保证系统供电的连续性和稳定性，因此，采用风光互补的混合发电系统实现稳定连续的供电，成为新能源研究和应用的热点。

本文即以风光互补发电为研究对象，设计了一套能够实现风能和太阳能互补发电的家用发电系统。

关键词：可再生能源；风光互补发电；家用系统
ABSTRACT
Entering the 21st century, human beings are facing to realize the sustainable development of economy and society, and energy problem becomes more and more serious, on the one hand, conventional energy is serious short, on the other hand, the development of oil and other conventional energy brings a series of problems, such as the environmental pollution, the greenhouse effect and so on. Only by relying on the progress of science and technology and the large-scale exploitation and utilization of renewable energy and new energy can human solve the problem of energy, and legalize the sustainable development. And solar and wind power are considered the most representative of new and renewable energy. The power technology of solar energy and wind attract world’s attention. Because of wind power and solar power system under external conditions, and only by independent wind or solar power system often hard to ensure the continuity and consistency of power system therefore, using hybrid power system of complementary scenery of complement each other, realize the continuous, stable power supply. Wind-light complementary with its unique advantages become a new energy research hotspot. In order to take wind-light complementary electrical power generation as the research object, I designed a power generating household system to achieve it.
KEY WORDS：renewable energy, wind/solar hybrid generation, household system
目录
第一章绪论 (5)
1.1 课题来源 (5)
1.2 发展情况 (6)
1.2.1风力发电的现状 (6)
1.2.2太阳能发电的现状 (7)
1.3 设计内容 (9)
第二章系统总体方案 (10)
第三章系统电池设计 (13)
3.1太阳能电池的原理 (13)
3.2太阳能光伏电池板的工作特性 (15)
3.3 蓄电池的容量计算 (16)
第四章硬件电路设计 (17)
4.1控制电路原理 (17)
4.2 微控制器 (18)
4.3单片机最小系统 (19)
4.4 显示接口电路 (19)
4.5 电源模块 (21)
4.6 过压检测电路 (21)
4.7继电器控制电路 (22)
4.8 逆变电路 (23)
第五章软件设计 (26)
5.1 主程序流程图 (26)
5.2 电池状态侦测子程序—过压监测流程图 (27)
5.3电池状态侦测流程—欠压检测流程图 (28)
5.4 LCD显示程序的流程图 (29)
5.5 中断子程序流程图 (30)
参考资料 (31)
致谢 (33)
总结与展望 (34)
附录Ⅰ (37)
附录Ⅱ (38)
第一章绪论
当代社会，“电”已经成为人类生活中不可或缺的一个部分，第二次工业革命之后，一个以电能为核心的能源系统被建立起来，覆盖了一切工业生产和人们的平日生活。

因此，发电技术已经成为世界关注的焦点。

我国目前最主要的发电方式依然是传统的燃煤火力发电，但是这种发电方式不仅受到资源储量的限制，也对环境产生一定程度上的威胁。

于是，我们需要开发一套环保高效的独立发电系统来缓解现状。

该系统能够实现由光能和风能为蓄电池充电并满足正常家庭负载的基本需求。

1.1课题来源
随着新能源领域中的风力发电技术和和太阳能发展技术的迅速发展，以及不可再生能源如煤、石油、天然气的大量消耗，可再生能源的开发利用也显得越来越重要。

与此同时，风能和太阳能已经逐步进入了人们的生活，并在日后的能源比例中将会占据越来越重的比例。

这两种清洁能源是许多国家重点发展的新能源项目，其推广有利于节能减排和可持续发展。

如今，人们的生活已经与电密不可分，无论是农业、工业还是新型的第三产业，用电量都在逐年增加，几乎可以说，没有电能，人民的生活将陷入高度的无秩序状态。

也正是因为电力在人们的生活中占的比重越来越大，才使得人们生活的地区差异表现的越来越明显。

比如说，我们知道我国的能源分布具有很大的不均衡性，有些偏远地区，如农牧区、山区、沿海以及岛屿等地，部队的边防哨所、邮电通讯的中继站、公路和铁路的信号站、地质勘探和野外考察的工作站，都需要低成本、高可靠性的独立电源系统，因为地方上根本就没有矿物燃料的存储，甚至因为地区偏远，对于燃料的运输都几乎不可能；中国现有7.3亿人口生活在农村，其中5%左右目前还未能用上电。

在中国无电乡村往往位于风能和太阳能蕴藏量丰富的地区。

因此利用风光互补发电系统解决用电问题的潜力很大。

采用
已达到标准化的风光互补发电系统有利于加速这些地区的经济发展，提高其经济水平。

另外，利用风光互补系统开发储量丰富的可再生能源，可以为广大边远地区的农村人口提供最适宜也最便宜的电力服务，促进贫困地区的可持续发展。

；当然越来越严重的环境污染问题，也不由得让我们在电力的建设发展上小心又谨慎。

这种种情况造成了我国许多地方的人民，在日常生活中长期承受着电力缺少的困难。

所以在远离电网的地区, 独立供电系统就成为人们最需要的电源系统。

在此种环境下采用风光互补供电系统较为合理, 因为现代能源服务尚不能达到的地方往往是蕴藏着丰富风能和太阳能资源的地方。

而且风、光互补系统本身独有的一些性质也恰好与这些地区的自然条件相吻合。

因此对于满足偏远地区能源需要和中国最贫困地区的可持续发展, 风光互补发电是一项关键的能源建设技术手段。

风光互补供电系统是由太阳能电池与风力发电机发电, 经蓄电池贮能, 给负载供电的一种新型电源, 目前广泛应用于家用、微波通信、基站、电台、野外活动、高速公路、无电山区、村庄和海岛。

1.2发展情况
1.2.1风力发电的现状
我国有丰富的风能资源, 近十几年来，对全国风能资源的状况做了大量地深入地勘测调查, 编制完成了《全国风能资源分布和区划图》以及全国各省的风能贮量调查,从宏观上基本摸清了风力资源总量和分布特点, 对具有开发前景地区的资源进行了详查。

全国可开发利用的风能资源为2.53亿千瓦。

在我国东南沿海及岛屿以及内蒙古、新疆和甘肃一带有效风能密度一般大于200W/㎡有效风力出现的时间百分率均在70%以上, 完全不亚于其它类型的能源资源。

自80年代以来, 根据我国的具体情况,为解决地处边远、居住分散、电网难以到达地区的农牧群众的用电问题, 重点推广了户用微型风力机, 至今已投入商品化生产的有100W、200W、300W、500W、1kW、5kW等不同功率等级的机组, 其中1kW以下的微型风机年生产能力达到3万台左右, 全国有数十家生产企业已经形成一个生产、销售到维修服务的较为完善的体系, 产品技术性能好, 价格低, 部分产品出口国外, 其年产量和推广量均居世界之首。

根据国家有关部门计划, 在“ 十二五” 期间还
要继续提高质量、完善性能、增加品种、扩大应用。

到2015年微型风力发电机推广量再增加30万台。

风力发电场的建设是使风能成为补充能源和发挥规模效益的主要方式。

近几年随着我国电网覆盖面的扩大以及大型风电技术经济性能的提高, 我国在新疆、内蒙古、广东、福建、浙江、海南、辽宁等地区建设了14座风电场, 这些风电场多数建在电网末端, 对缓解当地电力供应矛盾, 提高供电质量起到了很好作用。

截止2010年底, 总计安装风力发电机183台, 最大单机容量为2.5MW ，总装机容量为2000MW, 年发电量接近1900亿kWh 。

最大的风电场容量已超过10MW 。

风机性能先进, 自动化程度高, 运行安全可靠。

由于技术和经济性能上的突破, 使风力发电成为近期比较经济最易实现大规模利用的可再生能源发电项目, 在国际上受到越来越多的国家重视。

我国发展风电既有丰富的资源条件, 又有国外先进成熟的技术可供借鉴, 同时风力发电本身也有许多其它发电方式无法相比的优势, 如建设周期短、装机规模灵活、不消耗燃料、不污染环境、占用土地少等。

但是与国外相比还存在着相当的差距,表现在我国目前还不具备大型风力发电机组关键部件的制造技术和能力, 在风电场的选择、风电场建设上还缺乏科学的手段和标准规范, 这些差距很大程度上制约着我国风电的发展, 也是我国发展风电近期要重点解决的问题。

在“十二五” 期间, 计划结合工程建设以技贸结合的方式, 引进、消化、吸收国外先进技术, 使我国具备大型风机整体设计、组装以及主要部件(如电机、一齿轮箱、控制系统、叶片等)的生产能力, 更大幅度的降低设备造价, 为更大规模的发展创造条件。

1.2.2太阳能发电的现状
我国地处北半球,太阳能资源丰富。

全国各地太阳能辐射总量达930—2330年㎡·kWh ，中值为1630年㎡·kWh 。

年日照时数大于2000小时, 辐
射总量高于1630年㎡·
kWh 的地区占全国总面积的32以上, 尤其是我国青藏高原大部地区年辐射量超过2000年㎡·
kWh ,日照时数超过3000小时, 在世界上也属高值区之一, 具有很高的开发利用价值。

太阳能发电方式一般有两种, 其中能量转换形式为光一热一电的叫光热发电, 而通过太阳电池直接将光能变成电能的称为光伏发电。

光热发电我国目前只是从科研角度开展了一些基础研究工作,
进行热发电关键技术的攻关研究和小规模的实验装置, 总体上说尚属于空白。

但国外太阳能热发电利用程度还是较高的, 已建成数座较大规模的热发电站, 其中最大的是位于美国加州莫哈韦沙漠等8.9万千瓦的热电站, 发电成本降到8
美分，已进入大规模商业化开发阶段。

我国电力部门计划利用国外技术kWh
在西藏拉萨建设一座35MW的热电站, 该项目已完成初步可行性研究, 争取在“十二五”期间得以实施。

光伏发电技术经过多年努力, 无论是器件生产还是推广应用都具备相当的水平和基础, 已在秦皇岛、昆明、宁波、哈尔滨、开封、深圳等地分别建成太阳能电池的专业生产厂, 总设计能力为4.5MW其中单晶硅电池3.5MW，非晶硅电池1MW , 太阳能光伏技术已在交通、通信、电视、气象、石油、国防等领域得到了广泛应用, 同时也在解决边远地区无电地区群众生活用电方面发挥子一定的作用,已经在全国推广户用电源系统上万套, 并且在西藏无电县革吉、改则、拱勤、双湖建成4座10一25kW的光伏电站, 解决了4县县城地区群众的生活用电,使我国光伏发电技术上了一个新的台阶。

截止1995年, 我国太阳电池累积用量超过6MW, 目前每年的使用量约1.4MW还在不断增加。

我国现在生产的单晶硅太阳电池及组件, 性能稳定, 能量转换效率大约为12%左右, 每峰瓦价格在45元左右。

独立运行电站的系统造价约为10kW
万元。

太阳能发电
由于无污染、无噪音、运行维护简单、使用寿命长、规模灵活, 既可一家一户的分散供电, 也可大规模集中供电或并网运行, 应用几乎不受地域条件的限制,资源量又非常丰富, 因而始终受到青睐,尤其是工业发达国家如美国、日本、欧共体国家长期投入大量的财力、人力, 致力于提高效率, 降低成本的研究, 使成本一直呈下降趋势, 目前全世界使用量巳达到65MW ,而且始终保持着较快的增长速度, 被誉为21世纪的主要能源。

虽然目前成本较高,尚不能和常规能源发电相竞争, 但是在有些特殊地区, 如常规能源缺乏的边远地区,利用太阳能发电较之长途运输燃料或长距离架设输电线路更为经济。

随着太阳能发电技术的研究发展和市场扩大, 发电成本将会进一步的降低。

我国政府对太阳能发电是积极支持的, 许多省（区）也计划针对当地实际, 配合农村通电工程、推广户用系统建设小型的独立电站以及风一光互补、光一柴油机互补电站, 解决无电地区的用电需要, 并且提供一定的财政支持和优惠政策。

从技术上来说, 要改进完善现有太阳电池的生产工艺和技术, 提高太阳电池面积、提高效率, 减少原材料消耗, 扩大工业化生
产规模, 降低成本。

同时要积极研制开发新型低成本太阳电池, 研制开发高性能、低成本、智能化的控制和逆变等配套设备，加强系统技术的研究。

3.1设计内容
本次设计的基本目标是设计合理的光伏发电和风能发电系统，利用两者在时间上的互补关系达到为小型用户（如家庭）实现连续可靠的不间断供电。

并以单片机为控制核心，设计充放电控制系统，防止过充和过放保障蓄电池的使用寿命。

第二章系统总体方案
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。

系统结构图如图2-1所示:
图2-1 系统框图
本系统中，利用光伏电池板和风力发电机为为蓄电池充电，再又蓄电池经过逆变器将储存的电能提供给负载。

其中，微控制系统作为系统的设计核心，为整套系统的正常工作提供了保障，完成风光互补充电的设计要求。

系统的原理方框图如图2-2所示:
图2-2 风光互补发电系统原理图
从上两个图中我们可以看出，它的主要组成设备有：
(1)光伏组件：小型风光互补充电控制系统中的一个重要电能环节是太阳能
光伏电池板，它负责将太阳光辐射转化为电能。

在本套系统中为了符合家用的特性，我们采用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，它是能转换效率高达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。

(2)风机：本设计中的风机采用5KW小型风力发电机组拥有稳定的使用可靠
性。

三叶片的水平轴机构形式，叶片采用高强度、低重量流行的玻璃钢材料，有防腐、防酸雨、防盐碱的特性。

风力发电机选用钕铁硼永磁发电机，超载能力强，电机的体积小，重量轻且发电效率高。

偏航方式采用尾翼自动风向调节，超强风控制功能，提高接受风能的效率。

限速方式采用自动偏侧限速，对发电机有保护作用。

充电方式采用智能充电控制。

在叶片的材料、发电机选用的永磁材料和防水、防锈性都具有先进的技术，整套机组安装，使用简单，维护方便，适合家庭使用，达到了设计的目的。

(3)蓄电池组：在风光互补充电控制系统中，蓄电池是必不可少的设备。

蓄
电池在整个系统中起到三个作用：一是储能，由于自然风和日照是不稳定的，在风、日照充足的条件下，可以储存供给负载后多余的电能；在风力，日照不佳的情况下，可以输出电能给负载；二是稳压，风力发电机的转速和输出电压的大小取决于风速的大小，由于自然风的变化极大，随机性强，电压浮动范围很大，通过蓄电池调节，供电电压可保持稳定；
三是风光互补，风力发电和光伏发电是两个独立发电系统，利用蓄电池可以将二者产生的电能结合起来，实现二者的互补。

在本次设计中蓄电池选用铅酸蓄电池。

(4)微机控制系统：微机控制系统作为整套系统的设计核心，是整个系统正
常工作的保障。

根据本系统基于风光互补充电的设计要求，该控制系统利用硬件和软件两方面对整套系统进行控制和保护。

在本系统中，需要对蓄电池的端电压（电压应控制在10～16V之间）进行检测，并保证其在额定电压内。

另外，微机控制系统还需要通过继电器来控制蓄电池不
处于过充或过放状态。

对于继电器，设计要求为在接收到来自单片机的指令后能立即动作。

为了保障整套系统处于正常、安全的工作状态，系统加入了故障状态报警显示，通过LED灯、蜂鸣器和LCD液晶显示屏及时报告整套系统的工作状态。

(5)逆变器：逆变器是把来自于蓄电池的直流电转化成交流电（此处为220V，
50Hz正弦波），以保证家庭使用时家用电器能正常工作。

与此同时，逆变器还具有稳压功能，提高供电效率和质量，逆变器主要分两类，一类是正弦波逆变器，另一类是方波逆变器。

正弦波逆变器可以满足我们大部分的用电需求，效率高，噪音小，售价适中，因而成为市场中的主流产品。

第三章 太阳能电池板及蓄电池组件的选用
3.1太阳能电池的原理
太阳能电池是用半导体材料制成的，当太阳光照射到太阳能电池的半导体P-N 结上时，电池吸收光能，在半导体导带和价带中产生非平衡载流子：电子-空穴对。

在电池内建电厂作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏打效应”。

若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。

这样，太阳能的光能就直接变成了可以付诸实用的电能。

首先对P-N 结二极管做一简单说明。

如图3-1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：
⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣
⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=1exp 1exp T pn s pn s pn nV V I nkT qV I I （3-1） Ipn ，Vpn ：P-N 结二极管的电流及电压 k ：波尔兹曼常数（Boltzmann Constant ：1.38×10-23J/K ）
q ：电子电荷量（1.602×10-19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 V oltage ：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 ：
()λλhc
E ph = （3-2）
H ：普朗克常数（Planck Constant ：4.14×10-15eV·S ）
C ：光速（3×108m/s ）
λ：光子波长
图3-1 P-N 结二极管I-V 特性图
为了便于分析光伏电池的工作特性，常常把光伏电池和其负载系统用一个等效电路来表示，图3-2所示为理想太阳电池的一个等效电路。

图3-2 太阳能电池等效电路
图3-2中把太阳能电池看成稳定产生电流sc I 的电流源，他表示太阳能电池板收到光照时产生恒定电流sc I 的能力。

这个等效电路说明：太阳能电池收到光照射后产生了一定的光电流，其中一部分用来抵消P-N 结的结电流d I ，另一部分即为供给负载的电流L I 。

负载电压0V 、结电流d I 、负载电流L I 的大小都与负载有关，但负载并不是唯一的决定因素，这只是理想情况，实际的太阳能电池的等效电路更为复杂。

为了更准确地表达太阳能电池的特性，图3-3给出了实际等效
电路图。

图3-3 太阳能电池实际等效电路图
3.2太阳能光伏电池板的工作特性
太阳能电池板的V-Ⅰ特性如图3-4所示，这是在某一确定的日照强度和温度下，太阳能电池的输出电压和输出电流的关系。

从V-Ⅰ特性可以看出，太阳电池是输出电流在大部分工作电压范围内近似恒定，在接近开路电压时，电流下降率很大。

图3-4 太阳能电池V-Ⅰ特性曲线
对太阳能电池特性曲线，其相应的几个最重要参数的定义如下：
短路电流I SC，在给定温度和日照强度下所能输出的最大电流；
(1) 开路电压U OC，在给定温度和日常强度下所能输出的最大电压；
(2) 最大功率点电流I m，在给定温度和日照强度下相应于最大功率点的电流；
(3) 最大功率点电压V m，在给定温度和日照强度下相应于最大功率点的电流；
(4) 最大功率点功率P m，在给定温度和日照强度下可能输出的最大功率，P m=I m·V m。

3.3蓄电池的容量计算
蓄电池的容量由下列因素决定：
(1) 蓄电池单独工作天数。

在特殊气候条件下，蓄电池允许放电达到蓄电池所剩容量占正常额定容量的20%。

(2) 蓄电池每天放电量。

对于日负载稳定且要求不高的场合，日放电周期深度可限制在蓄电池所剩容量占额定容量的80%。

(3) 蓄电池要有足够的容量，以保证不会因过充电所造成的失水。

一般在选蓄电池容量时，只要蓄电池容量大于太阳能发电板峰值电流的25倍，则蓄电池在充电时就不会造成失水。

(4) 蓄电池自身漏掉的电能。

随着电池使用时间的增长及电池温度的升高，自放电率会增加。

对于新的电池自放电率通常小于容量的5%，但对于旧的质量不好的电池，自放电率可增至每月10%～15%。

(5) 蓄电池的额定容量C，单位安时（Ah），它是放电电流安（A）和放电时间小时（h）的乘积。

由于对同一个电池采用不同的放电参数所得出的Ah是不同的，为了便于对电池容量进行描述、测量和比较，必须事先设定统一的条件。

实践中，电池容量被定义为：用设定的电流把电池放电至设定的电压所给出的电量。

也可以说电池容量是：用设定的电流把电池放电至设定的电压所经历的时间和这个电流的乘积由于要一天工作8小时，阴雨天能连续工作三天，所以可得出太阳能蓄电池的容量，取容量为12V/200Ah；采用全密闭免维护12V铅酸蓄电池。

第四章系统硬件设计
4.1控制电路原理
由图4-1可以看出，风力发电与太阳能光电池板发电，共同给蓄电池供电（为直流）。

此时风力发电机、太阳能电池板和蓄电池又共同为直流负载供电（风力发电机发出的电经过三相整流后便为直流）。

图4-1 控制电路原理
微型单片机系统对蓄电池两端电压进行检测：若蓄电池过充，则使继电器J1动作，断开充电回路，不再为蓄电池供电；若检测结果是蓄电池过放，则使继电器J2动作，断开负载电路，不再为负载供电，而给蓄电池充电。

为保护系统，增加了二极管Da和Db，它们的作用如下：
Da的作用是三相整流的二极管组。

因为蓄电池供电要求直流电压。

而风力发电机所发的是三相交流电。

为了把交流电能转换为直流电能，增设的三相整流二极管组。

Db的作用是防止在光电板内产生倒向电流，使得光电板遭到破坏。

4.2微控制器
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

常用的单片机有8051、MC6805、和MPD7811系列。

本设计主要采用STC12C5A16S2单片机作为微机控制的核心。

STC12C5A16S2系列单片机是高速、低能耗、超抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051单片机，但速度快8-12倍。

内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速A/D转换。

STC12C5A60S2系列单片机的内部结构框图如下图4-2所示。

STC12C5A60S2单片机包含中央处理器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI 接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。

STC12C5A60S2系列单片机几乎包含了据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。

图4-2 STC12C5A16S2系列单片机内部结构框图。