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引 言
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。为了弥补传统电力的不足,我们设计了风光互补发电系统。
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。
本次设计就是对风光互补发电系统的详细介绍。设计中对整个发电系统作了简
要介绍,但对系统所用的单片机、其他芯片及附加电路作了详细介绍。并介绍了系
统中的抗干扰措施。最后介绍了系统的软件设计。
由于我所学知识和时间有限,设计中有不少漏洞和不足,敬请老师给与批评和
指正。谢谢。
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第一章 概 述
在我们的日常生活中,所用电力几乎都是由传统的电力提供的,但是受到外界
环境限制,它并不能遍及每一个用电领域。于是我们需要开发新的独立的供电系统。
1.1 课题来源
在当今世界,电已经成为人们生活中最常用的动力来源,随着人们生活水平的
不断提高和技术进步,人们对电的依赖越来越强。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。因为我们知道,传统的电力行业以消耗煤等矿物燃料为主,
生产过程中科学技术的要求也比较高,随之带来的环境污染也比较严重。这就使得
有些根本不具备发展传统电力的条件。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,但是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;而还有些地区,则由于人
力资源不丰富,长时间以来也一直很难建设自己的电力事业,也就限制和制约了许
多用电行业的的发展;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。
从这些客观的条件中我们可以看出,在远离电网的地区,建立独立供电系统成
为人们最需要的电源。哪种独立电源最合理,这是人们一直在研究和探讨的问题。
如今我们发现风和光等自然能源,在部分地区很丰富,而且这些能源清洁无污染,
取之不尽,用之不竭,对它们的合利用既可以节省矿物燃料,又能给人们带来很大
方便,是理想的能源。于是智能化风光互补发电控制系统就应用而生了。
风光互补发电控制系统就是利用风和光两种自然能源相互补充发电,在不消耗
任何矿物燃料的情况下提供可靠的免费电力,为农牧区、山区、沿海以及岛屿等边
远地区的人民解决缺少电力的困境。它的工作原理很简单,就是永磁交流发电机,
利用风能发出三项交流电;光电池板则在太阳能的照射下,自动的将太阳能转化为
电能。二者所发的电共同为蓄电池供电。其间微机控制系统是整个发电系统的核心
部件,它完成对系统的监测、报警、信号传输以及问题处理、自动维护等工作,也
就是让整个系统几乎实现了智能化。
1.2 系统简述
风光互补发电系统的硬件设计中,为了实现智能化,为了保证蓄电池既不过充,
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也不过放,系统设置了蓄电池电压控制系统;对于继电器在指令执行后,是否按要
求动作,系统设置了继电器动作检测,并且对故障状态设置了报警显示电路,为了
让单片机 8031 在执行程序后能正常复位,系统设置了‘看门狗’电路,等等。不只在
电路设计上这样,在参数选择上也有讲究,比如说,在系统设置经济合理,简单明
了的前提下,系统选择了 6—Q—90 型号的蓄电池,因为它重量轻,体积小,而且
充放电循环次数多,也就是说电池的使用寿命长;继电器选择 JTX—1 型的小型继
电器,大大减少了系统总重量和占地面积。下面对系统作简要介绍。系统的原理方
框图如下
图 1-1 风光互补发电系统原理图
从图中我们可以看出,它的主要组成设备有:
(1)风力发电机:采用 200W 永磁交流发电机
风机特点:
(A)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。
(B)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)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,它的特点如下:
(A)它是转换效率高达 15%的单晶硅太阳能电池板。
(B)具有抗风、防潮、工作稳定、无需维护等特点。
其结构图如下:
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图 1-2 光电池板结构图
它实质上是一个大面积的半导体 PN 结,用单晶硅制成,分为 ZCR 和 ZDR 两
种类型。其中 ZCR 硅光电池以 N 型单晶硅制造,ZDR 以 P 型单晶硅制造,其工作
原理是光生伏特效应,即在热平衡条件下 PN 结能够弯曲,在热势垒区内电场的方
向由 N 指向 P。当有光照时,可以把自己的能量传给价带中的电子,使得电子获得
足够的能量,从价带中跳到导带,即从束缚状态变为自由状态,与此同时,在价带
中产生空穴,在结的势垒区内产生光生电子、空穴时,它们会被结电场拉开:电子
被推到 N 区,空穴被推到 P 区,由于电子和空穴在 N 区和 P 区积累,N 区和 P 区两
端就产生了电动势,即产生电流。
(3)铅酸蓄电池:
规格:90 安时 12 伏
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。
图 1-3 蓄电池型号
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本系统选择 6—Q—90 型铅酸蓄电池两块串联,该电池用直流电源充电,因而
风力发电机发出的交流三相电应该经过整流后供给电池。
为了避免蓄电池过充过放将蓄电池的电压控制在 20~24~28V 之间。
(4)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 20~24~28V 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;由于 8031 芯片执行 EPROM
内程序时,为保证程序在故障死机后,能使 8031 正常复位,系统又设有“看门狗”电
路等等。整个系统是一个严密完整的智能化系统,使用起来方便。
由系统框图可以看出,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)。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 1C 动作,接通泄载电路,不再为蓄电池供
电;若检测结果是蓄电池过放,则使继电器 2C 动作,断开负载电路,不再为负载
供电,而给蓄电池充电。为保护人为地误操作给系统带来不利,我们又增加了二极
管 D1、D2 和 D3,它们的作用如下:
D1 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。
D2 的作用是防止泄载时蓄电池也在泄电流。
D3 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。
综上所述,系统的整体结构是非常合理的,因此也就决定了它有很多特点,比方说:
★ 独立供电
★ 安装方便
★ 无人值守
★ 维护量少
★ 搬迁方便
★ 一次性投资,免交电费
★ 无污染,属于环保能源
这些都使得它比同样的发电系统有了很大优势,同时智能化风光互补发电控制
的使用范围也很广,例如:
★ 适应于偏远地区无法供电的场所。
★ 适用于无人职守用电设备的供电。
★ 适用于中小型供电场所(100W—200W)。
★ 在有电池房的条件下,可以工作在零上 40 度、零下 40 度,湿度可达 0—
95%,瞬间承受风力达 12 级。
★ 在中小型供电时与普通拉线方式相比有着明显的优势。
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