发表于：2013/7/19 10:25:57
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摘要 文章介绍了风和太阳能发展现状，风电互补发电系统和风光互补控制器。
1 风和太阳能发展现状
目前在风力发电领域，欧美发达国家起步早而且发展较快，技术相对比较成熟。我国风电产业起步较晚，尽管我国近几年风力发电增长很快，但无论是在装备制造水平，还是在总装机容量上，和欧美一些风电发达国家相比仍存在较大差距。截止2007年底，我国风机装机总量将近6gw，年发电量站全国发电量的0.8%左右，比2000年风电发电增加近10倍。2008年一年新增风电装机容量6154.2 mw，比过去20年累计的总量还多，累计风电装机容量约为12153 mw，约占全国装机总量的15%，累计装机增长率为103%。为了推动我国风电的发展，国家发展改革委员会明确提出我国风电发展的规划目标：2005年全国风电装机总量达到100万千瓦，2010年全国风电装机总量达到400万千瓦，2015年全国风电装机总量达到1000万千瓦，2020年全国风电装机总量达到2000万千瓦，占全国总装机容量2%左右。
2 风电互补发电系统
我国具有丰富的太阳能、风能资源，并已经应用于许多领域。但不能避免的是，无论风力资源还是太阳能资源都是不确定的，由于资源的不确定性，风力发电和太阳发电系统发出的电具有不平衡性，不能直接用来给负载供电。为了给负载提供稳定的电源，必须借助蓄电池这个“中枢”才能给负载提供稳定的电源，由蓄电池、太阳能电池板、风力发电机以及控制器等构成的智能型风光互补发电系统能将风能和太阳能在时间上和地域上的互补性很好的衔接起来。
2.1 风力发电机
风力发电机是将风力机的机械能转化为电能的设备。风力发电机分为直流发电机和交流发电机。
1)直流发电机。电励磁直流发电机。该类发电机分自励、它励和复励三种形式，小型直流发电系统一般和蓄电池匹配使用，装置容量一般为1000 w以下。永磁直流发电机。这种发电机与电励磁式直流发电机相比结构简单，其输出电压随风速变化，需在发电机和负载间增加蓄电池和控制系统，通过调节控制系统占空比来调节输出电压。由于直流发电机构造复杂、价格昂贵，而且直流发电机带有换向器和整流子，一旦出现故障，维护十分麻烦，因此在实际应用中此类风力发电机较少采用。
2)交流发电机。交流发电机分：同步发电机和异步发电机。同步发电机在同步转速时工作，同步转速是由同步发电机的极数和频率共同决定，而异步发电机则是以略高于同步发电机的转速工作。主要有无刷爪极自励发电机、整流自励交流发电机、感应发电机和永磁发电机等。目前在小型风力发电系统中主要使用三相永磁同步发电机。三相永磁同步发电机一般体积较小、效率较高、而且价格便宜。永磁同步发电机的定子结构与一般同步电机相同，转子采用永磁结构，由于没有励磁绕组，不消耗励磁功率，因而有较高的效率。另外，由于永磁同步发电机省去了换向装置和电刷，可靠性高，定子铁耗和机械损耗相对较小，使用寿命长。
2.2 太阳能光伏电池原理
光伏电池是直接将太阳能转换为电能的器件，其工作原理是：当太阳光辐射到光伏电池的表面时，光子会冲击光伏电池内部的价电子，当价电子获得大于禁带宽度eg的能量，价电子就会冲出共价键的约束从价带激发到导带，产生大量非平衡状态的电子-空穴对。被激发的电子和空穴经自由碰撞后，在光伏电池半导体中复合达到平衡。
2.3 蓄电池
蓄电池作为风光互补发电系统的储能设备，在整个发电系统中起着非常重要的作用。首先，由于自然风和光照是不稳定的，在风力、光照过剩的情况下，存储负载供电多余的电能，在风力、光照欠佳时，储能设备蓄电池可以作为负载的供电电源;其次，蓄电池具有滤波作用，能使发电系统更加平稳的输出电能给负载;另外，风力发电和光伏发电很容易受到气候、环境的影响，发出的电量在不同时刻是不同的，也有很大差别。作为它们之间的“中枢”，蓄电池可以将它们很好的连接起来，可以将太阳能和风能综合起来，实现二者之间的互补作用。常用蓄电池主要有铅酸蓄电池、碱性镍蓄电池和镉镍蓄电池。随着电储能技术的不断发展，产生了越来越多新的储能方式，如超导储能、超级电容储能、燃料电池等。由于造价便宜、使用简单、维修方便、原材料丰富，而且在技术上不断取得进步和完善，因此在小型风力发电及光伏发电中铅酸蓄电池已得到广泛的应用。本文设计的智能型风光互补发电系统采用铅酸蓄电池作为储能设备。
2.4 风光互补发电系统
风力资源还是太阳能资源都是不确定的，由于资源的不确定性，风力发电和太阳发电系统发出的电具有不平衡性，不能直接用来给负载供电。为了给负载提供稳定的电源，必须借助蓄电池这个“中枢”才能给负载提供稳定的电源，由蓄电池、太阳能电池板、风力发电机以及控制器等构成的智能型风光互补发电系统能将风能和太阳能在时间上和地域上的互补性很好的衔接起来。
3 风光互补控制器
风光互补控制器由主电路板和控制电路板两部分组成。主电路板主要包括不控整流器、dc/dc变换器、防反充二极管等。控制电路板中的控制芯片为pic16f877a单片机，它负责整个系统的控制工作，是控制核心部分，其外围电路包括电压、电流采样电路，功率管驱动电路，保护电路，通讯电路，辅助电源电路等。风力发电机输出的三相交流电接u、v、w，经三相不控整流器整流和电容c0稳压后给蓄电池充电。sp、sn分别为太阳能电池板的正、负极接线端子，d1为防反充二极管，其作用是防止蓄电池电压和风力发电机的整流电压对太阳能电池阵列反向灌充，确保太阳能电池的单向导电性。r0是风力发电机的卸荷电阻，当风速过高时，风力发电机输出电压大于蓄电池过充电压，单片机输出脉冲(pwm)来控制q3开通，使多余的能量被消耗在卸荷电阻上，从而保护蓄电池。二极管d2和保险丝f1是为了防止蓄电池接反，当蓄电池接反时，蓄电池通过d2与f1构成短路回路，烧毁保险丝而切断电路，从而保护控制器和蓄电池。主电路中间部分是两个输出并联的buck型dc/dc变换器，为了抑制mosfet管因过压、du/dt或者过流、di/dt产生的开关损耗，本设计的dc/dc变换器采用具有缓冲电路的buck变换器。主电路是由两个互相独立输出端并联的buck电路组成，一路是光伏发电系统主电路，一路是风力发电系统主电路。缓冲电路由于电路中存在分布电感和感性负载，当mos管关断时，将会在mos管上产生很大的浪涌电压。为了消除浪涌电压的危害，提高mos管工作可靠性和效率，常用的方法是使用缓冲电路。
随着社会的发展和能源的短缺，高科技和新技术得到广泛的应用。新能源的发展和开发是人类发展的趋势。风能和太阳能必将在这个资源稀缺的年代得到大力推广和使用。我国可以在这方面努力，争取在新能源方面走在世界的前列。
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1 风和太阳能发展现状
目前在风力发电领域，欧美发达国家起步早而且发展较快，技术相对比较成熟。我国风电产业起步较晚，尽管我国近几年风力发电增长很快，但无论是在装备制造水平，还是在总装机容量上，和欧美一些风电发达国家相比仍存在较大差距。截止2007年底，我国风机装机总量将近6gw，年发电量站全国发电量的0.8%左右，比2000年风电发电增加近10倍。2008年一年新增风电装机容量6154.2 mw，比过去20年累计的总量还多，累计风电装机容量约为12153 mw，约占全国装机总量的15%，累计装机增长率为103%。为了推动我国风电的发展，国家发展改革委员会明确提出我国风电发展的规划目标：2005年全国风电装机总量达到100万千瓦，2010年全国风电装机总量达到400万千瓦，2015年全国风电装机总量达到1000万千瓦，2020年全国风电装机总量达到2000万千瓦，占全国总装机容量2%左右。
2 风电互补发电系统
我国具有丰富的太阳能、风能资源，并已经应用于许多领域。但不能避免的是，无论风力资源还是太阳能资源都是不确定的，由于资源的不确定性，风力发电和太阳发电系统发出的电具有不平衡性，不能直接用来给负载供电。为了给负载提供稳定的电源，必须借助蓄电池这个“中枢”才能给负载提供稳定的电源，由蓄电池、太阳能电池板、风力发电机以及控制器等构成的智能型风光互补发电系统能将风能和太阳能在时间上和地域上的互补性很好的衔接起来。
2.1 风力发电机
风力发电机是将风力机的机械能转化为电能的设备。风力发电机分为直流发电机和交流发电机。
1)直流发电机。电励磁直流发电机。该类发电机分自励、它励和复励三种形式，小型直流发电系统一般和蓄电池匹配使用，装置容量一般为1000 w以下。永磁直流发电机。这种发电机与电励磁式直流发电机相比结构简单，其输出电压随风速变化，需在发电机和负载间增加蓄电池和控制系统，通过调节控制系统占空比来调节输出电压。由于直流发电机构造复杂、价格昂贵，而且直流发电机带有换向器和整流子，一旦出现故障，维护十分麻烦，因此在实际应用中此类风力发电机较少采用。
2)交流发电机。交流发电机分：同步发电机和异步发电机。同步发电机在同步转速时工作，同步转速是由同步发电机的极数和频率共同决定，而异步发电机则是以略高于同步发电机的转速工作。主要有无刷爪极自励发电机、整流自励交流发电机、感应发电机和永磁发电机等。目前在小型风力发电系统中主要使用三相永磁同步发电机。三相永磁同步发电机一般体积较小、效率较高、而且价格便宜。永磁同步发电机的定子结构与一般同步电机相同，转子采用永磁结构，由于没有励磁绕组，不消耗励磁功率，因而有较高的效率。另外，由于永磁同步发电机省去了换向装置和电刷，可靠性高，定子铁耗和机械损耗相对较小，使用寿命长。
2.2 太阳能光伏电池原理
光伏电池是直接将太阳能转换为电能的器件，其工作原理是：当太阳光辐射到光伏电池的表面时，光子会冲击光伏电池内部的价电子，当价电子获得大于禁带宽度eg的能量，价电子就会冲出共价键的约束从价带激发到导带，产生大量非平衡状态的电子-空穴对。被激发的电子和空穴经自由碰撞后，在光伏电池半导体中复合达到平衡。
2.3 蓄电池
蓄电池作为风光互补发电系统的储能设备，在整个发电系统中起着非常重要的作用。首先，由于自然风和光照是不稳定的，在风力、光照过剩的情况下，存储负载供电多余的电能，在风力、光照欠佳时，储能设备蓄电池可以作为负载的供电电源;其次，蓄电池具有滤波作用，能使发电系统更加平稳的输出电能给负载;另外，风力发电和光伏发电很容易受到气候、环境的影响，发出的电量在不同时刻是不同的，也有很大差别。作为它们之间的“中枢”，蓄电池可以将它们很好的连接起来，可以将太阳能和风能综合起来，实现二者之间的互补作用。常用蓄电池主要有铅酸蓄电池、碱性镍蓄电池和镉镍蓄电池。随着电储能技术的不断发展，产生了越来越多新的储能方式，如超导储能、超级电容储能、燃料电池等。由于造价便宜、使用简单、维修方便、原材料丰富，而且在技术上不断取得进步和完善，因此在小型风力发电及光伏发电中铅酸蓄电池已得到广泛的应用。本文设计的智能型风光互补发电系统采用铅酸蓄电池作为储能设备。
2.4 风光互补发电系统
风力资源还是太阳能资源都是不确定的，由于资源的不确定性，风力发电和太阳发电系统发出的电具有不平衡性，不能直接用来给负载供电。为了给负载提供稳定的电源，必须借助蓄电池这个“中枢”才能给负载提供稳定的电源，由蓄电池、太阳能电池板、风力发电机以及控制器等构成的智能型风光互补发电系统能将风能和太阳能在时间上和地域上的互补性很好的衔接起来。
3 风光互补控制器
风光互补控制器由主电路板和控制电路板两部分组成。主电路板主要包括不控整流器、dc/dc变换器、防反充二极管等。控制电路板中的控制芯片为pic16f877a单片机，它负责整个系统的控制工作，是控制核心部分，其外围电路包括电压、电流采样电路，功率管驱动电路，保护电路，通讯电路，辅助电源电路等。风力发电机输出的三相交流电接u、v、w，经三相不控整流器整流和电容c0稳压后给蓄电池充电。sp、sn分别为太阳能电池板的正、负极接线端子，d1为防反充二极管，其作用是防止蓄电池电压和风力发电机的整流电压对太阳能电池阵列反向灌充，确保太阳能电池的单向导电性。r0是风力发电机的卸荷电阻，当风速过高时，风力发电机输出电压大于蓄电池过充电压，单片机输出脉冲(pwm)来控制q3开通，使多余的能量被消耗在卸荷电阻上，从而保护蓄电池。二极管d2和保险丝f1是为了防止蓄电池接反，当蓄电池接反时，蓄电池通过d2与f1构成短路回路，烧毁保险丝而切断电路，从而保护控制器和蓄电池。主电路中间部分是两个输出并联的buck型dc/dc变换器，为了抑制mosfet管因过压、du/dt或者过流、di/dt产生的开关损耗，本设计的dc/dc变换器采用具有缓冲电路的buck变换器。主电路是由两个互相独立输出端并联的buck电路组成，一路是光伏发电系统主电路，一路是风力发电系统主电路。缓冲电路由于电路中存在分布电感和感性负载，当mos管关断时，将会在mos管上产生很大的浪涌电压。为了消除浪涌电压的危害，提高mos管工作可靠性和效率，常用的方法是使用缓冲电路。
随着社会的发展和能源的短缺，高科技和新技术得到广泛的应用。新能源的发展和开发是人类发展的趋势。风能和太阳能必将在这个资源稀缺的年代得到大力推广和使用。我国可以在这方面努力，争取在新能源方面走在世界的前列。
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