基于單片機控制的小型風光互補發(fā)電裝置

趙凡　張碩

摘要：能源是發(fā)展國民經(jīng)濟和提高人民生活水平的重要物質(zhì)基礎，在目前眾多可再生能源與新能源技術(shù)中潛力最大、最具開發(fā)價值的是風能和太陽能。風能和太陽能具有極強的互補性，同時風能和太陽能發(fā)電的功率還會隨著外部環(huán)境的變化而變化，因此在風能和太陽能的利用過程中迫切需要控制器來使風能和太陽能的輸出功率和電壓維持在一個比較穩(wěn)定的范圍內(nèi)，提高風能和太陽能使用的穩(wěn)定性和利用率。

關鍵詞：單片機、風光互補發(fā)電、新能源、環(huán)保。

0 引言

風光互補發(fā)電控制系統(tǒng)幾乎完成了智能化，免維護。尤其適合在內(nèi)蒙古風力大的偏遠山區(qū)。風光互補發(fā)電系統(tǒng)還可以根據(jù)用戶的用電負荷情況和資源條件進行系統(tǒng)容量的合理配置，既可保證系統(tǒng)供電的可靠性，又可降低發(fā)電系統(tǒng)的造價。無論是怎樣的環(huán)境和用電要求，風光互補發(fā)電系統(tǒng)都可做出最優(yōu)化的系統(tǒng)設計方案來滿足用戶的要求。因此，風光互補發(fā)電系統(tǒng)可以說是最合理的獨立電源系統(tǒng)。這種合理性既表現(xiàn)在資源配置上，又體現(xiàn)在技術(shù)方案和性能價格上，正是這種合理性保證了風光互補發(fā)電系統(tǒng)的可靠性，從而為它的應用奠定了堅實的基礎。

1 作品介紹

1.1 作品功能

本項目擬設計一款基于單片機作為控制器的具有電壓電流實時監(jiān)測和控制功能的小型風光互補發(fā)電控制裝置。系統(tǒng)的主要功能如下：

（1）主電路具有短路保護，過載保護，系統(tǒng)安全可靠性高；

（2）輸出電壓穩(wěn)定，可以有效利用的電壓范圍廣；

（3）實時準確地控制輸出電壓，并帶有故障檢測和顯示功能；

（4）蓄電池和負載所需的功率由風力發(fā)電機和光伏電池提供；

（5）電路簡單，成本低，供電可靠性高。

（6）電路強弱電可靠隔離，安全系數(shù)高。

1.2 作品特點

（1）可充電的電壓范圍廣，風光互補性強

風力發(fā)電機和光伏電池板輸出電壓為0-18V，當風力發(fā)電機或者光伏電池板輸出電壓達到7V時就可以給12V的蓄電池和負載供電，風光互補性強，可充電電壓低，實現(xiàn)了風能和太陽能的高效利用。

（2）可以在風光發(fā)電和電網(wǎng)之間自由切換

在正常情況下，由風力發(fā)電機和光伏電池給蓄電池和負載供電，當天氣條件非常惡劣時，比如連續(xù)幾天的陰雨天氣和風速很低時，蓄電池儲存的能量耗盡，為了使系統(tǒng)和負載正常工作，將由電網(wǎng)給負載供電。減小了外界氣候條件對系統(tǒng)的影響，提高了負載供電的可靠性。

（3） 系統(tǒng)各個部分均設有狀態(tài)檢測和狀態(tài)顯示

系統(tǒng)的各個部分都設有相應的LED燈來顯示當前系統(tǒng)各個部分運行的狀態(tài)。可以很方便的幫助系統(tǒng)的操作人員了解系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

2 風光互補原理

2.1 風力發(fā)電

風力發(fā)電的原理：是利用風力帶動風車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。依據(jù)目前的風車技術(shù)，大約是每秒三公尺的微風速度（微風的程度），便可以開始發(fā)電。

風力發(fā)電機是將風能轉(zhuǎn)換為機械功的動力機械，又稱風車。廣義地說，它是一以大氣為工作介質(zhì)的能量利用機械。

機艙：機艙包容著風力發(fā)電機的關鍵設備，包括齒輪箱、發(fā)電機。

轉(zhuǎn)子葉片：捉獲風，并將風力傳送到轉(zhuǎn)子軸心。

軸心：轉(zhuǎn)子軸心附著在風力發(fā)電機的低速軸上。

低速軸：風力發(fā)電機的低速軸將轉(zhuǎn)子軸心與齒輪箱連接在一起。

齒輪箱：齒輪箱左邊是低速軸，它可以將高速軸的轉(zhuǎn)速提高至低速軸的50倍。

高速軸及其機械閘：高速軸以1500轉(zhuǎn)每分鐘運轉(zhuǎn)，并驅(qū)動發(fā)電機。

發(fā)電機：通常被稱為感應電機或異步發(fā)電機。

風速計及風向標：用于測量風速及風向。

2.2 光伏發(fā)電

（1）本征半導體

當太陽光照射p-n結(jié)時（如圖1），在半導體內(nèi)的電子由于獲得了光能而釋放電子，相應地便產(chǎn)生了電子——空穴對，并在勢壘電場的作用下，電子被驅(qū)向型區(qū)，空穴被驅(qū)向P型區(qū)，從而使凡區(qū)有過剩的電子，P區(qū)有過剩的空穴。于是，就在p-n結(jié)的附近形成了與勢壘電場方向相反的光生電場。

如果半導體內(nèi)存在P—N結(jié)，則在P型和N型交界面兩邊形成勢壘電場，能將電子驅(qū)向N區(qū)，空穴驅(qū)向P區(qū)，從而使得N區(qū)有過剩的電子，P區(qū)有過剩的空穴，在P—N結(jié)附近形成與勢壘電場方向相反光的生電場。

物質(zhì)的導電性能決定于原子結(jié)構(gòu)。導體一般為低價元素，它們的最外層電子極易掙脫原子核的束縛成為自由電子，在外電場的作用下產(chǎn)生定向移動，形成電流。高價元素（如惰性氣體）或高分子物質(zhì)（如橡膠），它們的最外層電子受原子核束縛力很強，很難成為自由電子，所以導電性極差，成為絕緣體。常用的半導體材料硅（Si）和鍺（Ge）均為四價元素，它們的最外層電子既不像導體那么容易掙脫原子核的束縛，也不像絕緣體那樣被原子核束縛的那么緊，因而其導電性介于二者之間。

將純凈的半導體經(jīng)過一定的工藝過程制成單晶體， 即為本征半導體。晶體中的原子在空間形成排列整齊的點陣，相鄰的原子形成共價鍵。

晶體中的共價鍵具有極強的結(jié)合力，因此，在常溫下，僅有極少數(shù)的價電子由于熱運動（熱激發(fā)）獲得足夠的能量，從而掙脫共價鍵的束縛變成為自由電子。與此同時，在共價鍵中留下一個空穴。原子因失掉一個價電子而帶正電，或者說空穴帶正電。在本征半導體中，自由電子與空穴是成對出現(xiàn)的，即自由電子與空穴數(shù)目相等。

自由電子在運動的過程中如果與空穴相遇就會填補空穴，使兩者同時消失，這種現(xiàn)象稱為復合。在一定的溫度下，本征激發(fā)所產(chǎn)生的自由電子與空穴對，與復合的自由電子和空穴對數(shù)目相等，故達到動態(tài)平衡。

（2）雜質(zhì)半導體

雜質(zhì)半導體：通過擴散工藝，在本征半導體中摻入少量雜質(zhì)元素，便可得到雜質(zhì)半導體。

按摻入的雜質(zhì)元素不用，可形成N型半導體和P型半導體；控制摻入雜質(zhì)元素的濃度，就可控制雜質(zhì)半導體的導電性能。

N型半導體： 在純凈的硅晶體中摻入五價元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半導體。

由于雜質(zhì)原子的最外層有五個價電子（如圖2），所以除了與其周圍硅原子形成共價鍵外，還多出一個電子。多出的電子不受共價鍵的束縛，成為自由電子。N型半導體中，自由電子的濃度大于空穴的濃度，故稱自由電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。由于雜質(zhì)原子可以提供電子，故稱之為施主原子。P型半導體：在純凈的硅晶體中摻入三價元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半導體。

由于雜質(zhì)原子的最外層有三個價電子（如圖3），所以當它們與其周圍硅原子形成共價鍵時，就產(chǎn)生了一個“空位”，當硅原子的最外層電子填補此空位時，其共價鍵中便產(chǎn)生一個空穴。因而P型半導體中，空穴為多子，自由電子為少子。因雜質(zhì)原子中的空位吸收電子，故稱之為受主原子。

3 電路設計

風力發(fā)電與太陽能光電池板發(fā)電，共同給蓄電池供電（為直流）。此時風力發(fā)電機、太陽能電池板和蓄電池又共同為直流負載供電（風力發(fā)電機發(fā)出的電經(jīng)過三相整流后便為直流）。

若蓄電池過充，則使繼電器J1動作，斷開充電回路，不再為蓄電池供電；若檢測結(jié)果是蓄電池過放，則使繼電器J2動作，斷開負載電路，不再為負載供電，而給蓄電池充電。（如圖4）Da的作用是三相整流的二極管組。因為蓄電池供電要求直流電壓。而風力發(fā)電機所發(fā)的是三相交流電。為了把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能，增設的三相整流二極管組。Db的作用是防止在光電板內(nèi)產(chǎn)生倒向電流，使得光電板遭到破壞。逆變電路利用TL494組成。TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關電源控制所需的全部功能，廣泛應用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關電源。

4結(jié)束語

風光互補發(fā)電系統(tǒng)由太陽能光電板，風力發(fā)電機，控制系統(tǒng)，蓄電池等幾部分組成。發(fā)電系統(tǒng)各部分容量的合理配置對保證發(fā)電系統(tǒng)的可靠性非常重要。

光電系統(tǒng)是利用光電板將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，然后通過控制系統(tǒng)對蓄電池充電，最后用電負荷供電的一套系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點是供電可靠性高，運行維護成本低，缺點是系統(tǒng)造價高。

風電系統(tǒng)是利用風力發(fā)電機將風能轉(zhuǎn)換成電能，然后通過控制系統(tǒng)對蓄電池充電。最后通過逆變器對用電負荷供電的一套系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)發(fā)電量較高，造價較低，運行維護成本低。缺點是風力發(fā)電機可靠性低。

由于太陽能與風能的互補性強，風光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源上彌補了風電和光電獨立系統(tǒng)在資源上的缺陷。同時，風電和光電系統(tǒng)在蓄電池和逆變環(huán)節(jié)是可以通用的。

從能源上來說，太陽能與風能在時間上和地域上都有很強的互補性。白天太陽光最強時，風很小，晚上太陽落山后，光照很弱，但由于地表溫差變化大而風能加強。在夏季，太陽光強度大而風小，冬季，太陽光強度弱而風大。太陽能和風能在時間上的互補性使風光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性，而且太陽能和風能都是潔凈能源，對環(huán)境無污染。所以風光互補發(fā)電系統(tǒng)是資源條件最好的獨立系統(tǒng)。