風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)報告

1、2014年項目總結(jié)報告 項目名稱： 風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)_ 團(tuán)隊成員: _ 指導(dǎo)老師: _ 2014 年 月 日目錄1.概述41.1設(shè)計背景41.2設(shè)計意義42需求分析52.1基本功能52.2拓展功能53.方案論證63.1系統(tǒng)構(gòu)成63.2控制中心設(shè)計方案論證73.2.2制作方案73.3太陽能電池板的選型及架設(shè)83.4風(fēng)機的選型及安裝93.5蓄電池的選型113.6顯示模塊的選型124.系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)134.1控制柜的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計134.2控制面板的設(shè)計135.實驗結(jié)果及分析155.1調(diào)試過程155.2 調(diào)試結(jié)果156.參考文獻(xiàn)171.概述1.1設(shè)計背景 基于社會的需要，學(xué)校首次組織了一個以強電與弱

2、電并重、硬件與軟件兼?zhèn)?、網(wǎng)絡(luò)與信息相融、裝置與系統(tǒng)結(jié)合為特色的工程實踐班，這是學(xué)校一種新的教學(xué)模式的嘗試，目的是為了培養(yǎng)德智體全面發(fā)展，具有較扎實的自然科學(xué)與工程技術(shù)基礎(chǔ)及一定的人文社會科學(xué)背景知識，能從事自動化領(lǐng)域各類裝置與系統(tǒng)的分析、設(shè)計、運行、研發(fā)和企業(yè)管理工作的高級工程技術(shù)人才。在工程實踐班的計劃安排下，暑期本小組在老師的帶領(lǐng)下一同合作完成了一個小功率家用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)。小組能在實踐中發(fā)現(xiàn)問題，運用所學(xué)的知識解決問題，在實踐中積累工程經(jīng)驗。1.2設(shè)計意義武漢市屬亞熱帶濕風(fēng)氣候，日照充足，溫度較高，素有“三大火爐”之稱。年日照總時數(shù)1810小時-2100小時。一年之中多數(shù)為晴天，適合太

3、陽能發(fā)電技術(shù)的推廣。下雨天一般也伴隨著狂風(fēng)現(xiàn)象。由于武漢的工業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口眾多，空氣質(zhì)量較差。據(jù)了解，2012年武漢全社會用電量403.26億千瓦時用電量巨大，預(yù)測顯示，武漢市全社會用電量2015年將達(dá)到570億千瓦時。由于用電量巨大，武漢郊區(qū)市民居住會時常出現(xiàn)斷電現(xiàn)象，影響人們的日常生活?？偟膩碚f，使用太陽能風(fēng)能等綠色能源，減少化石原料的使用對于改善環(huán)境和方便人們?nèi)粘Ｉ钣秒娋哂兄匾囊饬x。2需求分析2.1基本功能1.實現(xiàn)太陽能和風(fēng)能互補發(fā)電。通過控制器穩(wěn)定風(fēng)光互補發(fā)的電，并將其儲存在鉛蓄電池中。2.通過逆變器將蓄電池放出的電逆變程220V交流電。3.通過穩(wěn)壓模塊將其變成5VUSB輸出。

4、可以供手機充電等。4.通過采樣顯示模塊將太陽能發(fā)電直流電壓電流顯示出來。5.通過采樣顯示模塊將負(fù)載輸出交流電壓電流顯示出來。6.總的輸出功率可以達(dá)到200W左右?？梢怨┬⌒图矣秒娖魇褂?，例如燈泡、電風(fēng)扇等。2.2拓展功能 1.電壓電流上位機采集顯示。通過上位機系統(tǒng)將太陽能電池板和風(fēng)機采集到的電壓電流等參數(shù)反饋到pc機上，以便對系統(tǒng)的監(jiān)控。2. 太陽能自動跟蹤交流云臺控制系統(tǒng)。通過控制器可以使云臺方向自動跟蹤太陽。3.方案論證3.1系統(tǒng)構(gòu)成風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)由發(fā)電部分，逆變部分，蓄電部分，充電控制器及直流中心部分以及顯示部分組成。以下是各個部分的構(gòu)成及功能。發(fā)電部分：由1臺風(fēng)

5、力發(fā)電機和1塊太陽能電池板矩陣組成，完成風(fēng)電；光電的轉(zhuǎn)換，并且通過充電控制器與直流中心完成給蓄電池組自動充電的工作。逆變部分：由一臺逆變器組成，可把蓄電池中的直流電能變換成標(biāo)準(zhǔn)的220V交流電能，供給各種用電器。蓄電部分：由鉛蓄電池組成，完成系統(tǒng)的全部電能儲備任務(wù)。 充電控制器及直流中心部分：由風(fēng)能和太陽能充電控制器、直流中心、控制柜等組成，完成系統(tǒng)各部分的連接、組合以及對于蓄電池充電的自動控制。顯示部分：由采樣電路、開關(guān)以及顯示屏組成，可用來顯示太陽能電池產(chǎn)生的電壓電流、顯示系統(tǒng)輸出的功率。圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.2控制中心設(shè)計方案論證3.2.1外形的設(shè)計方案論證 控制中心是整個系統(tǒng)的核心部分，

6、其設(shè)計方案尤為重要，便捷與成本是控制中心設(shè)計的重要考慮因素。以下三種控制中心設(shè)計方案。 方案一：拉桿行李箱式 方案二：普通控制柜 方案三：萬向輪控制柜方案二采用普通控制柜成本較低，但過于普通，不便于移動，因而放棄方案二；方案三與方案一比較，拉桿行李箱式更輕巧方便，但考慮到成本以及機械設(shè)計等客觀因素，首選方案三。3.2.2制作方案 確定控制中心的外形，解決了控制中心便捷的要求；其制作方案必須考慮成本這個客觀條件，通過市場調(diào)研，最終確定了制作方案，調(diào)研結(jié)果如表一所示。表一 市場調(diào)研結(jié)果 調(diào)研公司調(diào)研方式制作材質(zhì)成本總計制作周期正麥電氣網(wǎng)絡(luò)調(diào)研鐵柜噴塑800左右20景天電氣網(wǎng)絡(luò)調(diào)研不銹鋼柜1200左

7、右18微圖電子本地調(diào)研鋼材1200左右15 考慮到成本的同時，制作周期也是一個重要的指標(biāo)，鐵柜雖然便宜，但制作周期較長且材質(zhì)不合適，綜合售后服務(wù)等因素，最終確定就近本地制作控制柜。3.3太陽能電池板的選型及架設(shè)3.3.1太陽能電池板的選型 太陽能電池板的作用是將太陽的光能轉(zhuǎn)化為電能后，輸入直流電存入蓄電池中。太陽能電池板是風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)中重要的部件之一，其轉(zhuǎn)換率和使用壽命是決定電池是否具有使用價值的重要因素。表二 太陽能的電池板資料序號太陽能板類型轉(zhuǎn)換效率備注 1 單晶硅18%目前光電轉(zhuǎn)換效率最高，成本高 2 多晶硅17%目前光電轉(zhuǎn)換效率較高，成本較高 3 非晶硅8.6%目前光電轉(zhuǎn)換效率最低，成

8、本較高如表二所示，單晶硅以及多晶硅的轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)大于非晶硅，保證太陽能電池板的發(fā)電功率充足必須放棄非晶硅。單晶硅電池和多晶硅電池的壽命和穩(wěn)定性都很好，單晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率比多晶硅低，而且單晶硅的成本比多晶硅低，所以單晶硅更符合要求。3.3.2太陽能電池板的架設(shè) 太陽能的架設(shè)為了固定太陽能電池板，其穩(wěn)定性、外觀以及成本是考慮方案可行性的重要因素，有如下兩種方案。一、利用三角架；二、工業(yè)型材組裝支架。 兩種方案的穩(wěn)定性都較好，但三角架較為普通，不易移動；工業(yè)型材造型美觀，價格便宜，方便移動，更為了后期拓展傳感器方便，最終選定了工業(yè)型材作為組裝支架。通過資料的查找，結(jié)合實際的需要以及成本的預(yù)算，最終我

9、們選定APS-8-4040 ，40*40 ， 8mm槽寬的工業(yè)鋁型材系列 。這款4040的型材適用于應(yīng)力及強度較大的框架組合結(jié)構(gòu)，它的外型采用圓角過渡，表面經(jīng)過陽極氧化處理，高雅美觀并抗腐蝕，它通常采用M8X20高強度專用螺栓加彈性扣件的內(nèi)部連接方式，堅固而又可靠，是工業(yè)框架應(yīng)用最廣泛的型材之一。滿足我們的需求，所以我們最終決定以工業(yè)鋁型材4040來搭建一個電池板的支撐架。如圖3所示：圖2 工業(yè)型材的技術(shù)參數(shù)3.4風(fēng)機的選型及安裝3.4.1風(fēng)機的選型風(fēng)機是系統(tǒng)的重要組成部分之一，由于地理位置的限定，全年風(fēng)力平均較小，啟動風(fēng)速必須?。桓鶕?jù)基本功率要求選定合

10、適額定功率的風(fēng)機；風(fēng)能利用率、體積大小，外型、運行振動等都是選型參考因素。風(fēng)機技術(shù)參數(shù)如表三所示。表三 風(fēng)機發(fā)電機的技術(shù)參數(shù)風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)參數(shù)型號參數(shù)名稱NE-100SNE-200SNE-300SNE-400S額定功率100W200W300W400W最大功率130W220W320W410W啟動風(fēng)速2.0m/s2.0m/s2.0m/s2.0m/s額定風(fēng)速10m/s11.5m/s12.5m/s13m/s安全風(fēng)速45m/s45m/s40m/S35m/S風(fēng)輪直徑1.2m1.3m1.3m1.4m葉片數(shù)量3/5葉片材料尼龍纖維/碳纖維發(fā)電機三相交流永磁同步發(fā)電機控制系統(tǒng)電磁/風(fēng)輪偏側(cè)該款風(fēng)機風(fēng)輪葉片采用新

11、工藝經(jīng)精密注射成型，配以優(yōu)化的氣動外設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，風(fēng)能利用系數(shù)高，發(fā)電機采用專利技術(shù)的永磁轉(zhuǎn)子交流發(fā)電機，配以特殊的定子設(shè)計，有效地降低發(fā)電機的阻轉(zhuǎn)矩，同時使風(fēng)輪與發(fā)電機具有更為良好的匹配特性，機組運行的可靠性較高，完全符合要求。3.4.2風(fēng)機的安裝風(fēng)機需要風(fēng)來驅(qū)動扇葉轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電能，風(fēng)機的架設(shè)地點必須選在風(fēng)源良好的高處；考慮到避雷防護(hù)措施，確定支架高度。接著如圖3 組裝風(fēng)機，考慮支桿的固定方法。方案一：是在房梁打定位孔，用拉鎖固定支桿；方案二：是用水泥砌一個水泥墩子固定； 打定位孔干凈美觀，但由于使用工具的限制，打定位孔的工作只能由專業(yè)人士來完成，而水泥墩子可以由制作較簡單，考慮到成本問題，

12、所以最終我們采用第二種方案。方案的實施過程中，通過查找資料，我們確定了水泥墩子的高度，水泥的用量以及砂漿的配比等問題。 圖 3 風(fēng)機的分解圖  3.5蓄電池的選型 蓄電池的使用壽命、成本、電氣特性等是選型應(yīng)該考慮的重要因素，市面上蓄電池的種類較多，其中鉛酸蓄電池、鉛晶蓄電池符合要求。鉛晶電池使用壽命較長且環(huán)保，然而鉛晶電池的價格昂貴且市場小，不易購買。鉛酸蓄電池成本低廉，輸出電壓穩(wěn)定，壽命較長，型號齊全，美觀大方。所以選定鉛酸蓄電池作為儲能元件。 3.6顯示模塊的選型 直流顯示模塊為了顯示太陽能電池板的產(chǎn)生的電壓與電流，電壓在20以下，電流也較小，大約1A左右。經(jīng)過討論，結(jié)合成本，最

13、終選定了創(chuàng)鑫電子儀表公司的一款YB27VA型的雙色電表。交流顯示模塊顯示系統(tǒng)輸出的220V交流以及輸出電流，電流較小，最小分辨要求較高，選定創(chuàng)鑫電子儀表公司的YB4835型的分體式電表。顯示電表的參數(shù)如表四所示：表四 電表技術(shù)參數(shù) 參數(shù)電表測試電流測試電壓供電電壓測量速度直流電表DC0-10.0ADC0-100VDC3.5-30V約每秒2次交流電表AC0-50.0AAC100-300V不需供電約每秒2次4.系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)4.1控制柜的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計控制柜，最先考慮的是設(shè)計控制柜的外形、尺寸。如何設(shè)計更符合人們的感官，更符合人體學(xué)設(shè)計。以下是我們最開始的三種方案的正視圖，毋庸置疑，這三種方案

14、都可以滿足基本要求。但考慮到美觀和控制界面的設(shè)計，我們選擇了第一種。第一種最上面斜面方便安裝人機接口，而平面方便附上一些LOGO標(biāo)志。 圖（a） 圖（b） 圖（c） 4.2控制面板的設(shè)計在箱體的外形設(shè)計完成后，需要考慮控制面板的組成和顯示控制哪些數(shù)據(jù)。首先考慮的是對輸入量的檢測，使用一塊顯示屏采集風(fēng)機和太陽能電池板的發(fā)電狀況，以便于記錄數(shù)據(jù)。接著因為設(shè)計整個系統(tǒng)的目的是用于家庭用電，系統(tǒng)是小型的風(fēng)光互補系統(tǒng)，所以決定使用日常家庭里的方形的插座。在接下來的討論中，認(rèn)識到現(xiàn)在人們大量使用移動產(chǎn)品，絕大多數(shù)移動產(chǎn)品是5V輸入，于是就在插座上面加了兩個USB接口，以方便移動產(chǎn)品的充電。由于需要對輸出負(fù)

15、載功率進(jìn)行監(jiān)控和計算，在控制面板上添加了輸出電壓電流檢測單元?？紤]到顯示屏的電能消耗，于是添加了兩個控制顯示屏通斷電的開關(guān)，綜上所述便設(shè)計了如下圖4的控制面板圖。LOGO 顯示屏 指示燈方形插座開關(guān)圖4 控制面板圖 5.實驗結(jié)果及分析5.1調(diào)試過程 作品的實驗器件主要包括：小型風(fēng)能發(fā)電機、太陽能電池組件、控制柜和相關(guān)控制器件。實驗室制作的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)各個部分如圖5、圖6、圖7：圖6 太陽能電池組件圖7 控制柜和相關(guān)控制器件在調(diào)試的過程中采取的是分模塊調(diào)試的，首先檢測各個模塊的功能能否實現(xiàn)，然后檢測組裝后的系統(tǒng)能否達(dá)到預(yù)定指標(biāo)數(shù)據(jù)。風(fēng)機購買組裝好后，采取人為的轉(zhuǎn)動風(fēng)機的形式，初步用示波器去測

16、量是否能產(chǎn)生電能。太陽能電池板是單獨在有太陽光的情況下檢測的。當(dāng)風(fēng)機和太陽能都檢測調(diào)試成功后就將其與控制器連接，接著用示波器測量控制器的輸出數(shù)據(jù)。再將蓄電池輸出部分連接到逆變器，用示波器測量逆變器輸出的電壓，檢測其能否輸出220V的交流電壓。以上部分都調(diào)試成功后，說明它各模塊都是正常的，整體功能就能實現(xiàn)。當(dāng)線接線完成后，太陽能的采集模塊只能顯示電壓，而不能顯示電流。并且電壓的讀數(shù)也與理論上的不一樣。通過檢測初步斷定是線路連接錯誤，在學(xué)長的協(xié)助下找到并解決了問題，達(dá)到了理想效果。5.2 調(diào)試結(jié)果太陽能電池板的功率較小，采集模塊的精度有限，在雨天無法采集到精確數(shù)據(jù)。所以僅僅采集了陰天和晴天的數(shù)據(jù)。

17、而風(fēng)機只能在有風(fēng)的天氣才能采集到數(shù)據(jù)。分別如表五所示。表五 太陽能發(fā)電采集日期2014/11/7天氣陰有無風(fēng)微風(fēng)時間8:0010:0012:0015:00電流0.1A0.2A0.6A0.4A電壓13V14V16V14.8V日期2014/10/30天氣多云轉(zhuǎn)晴有無風(fēng)無時間8:0010:0012:0015:00電流0.3A0.5A0.9A0.6A電壓13.2V14.3V16.2V15V日期2014/10/27天氣晴有無風(fēng)無時間8:0010:0012:0015:00電流0.3A0.6A1.6A0.8A電壓13.3V14.5V16.4V15.2V由上述表格可以看出隨天氣的不同、時間的不同，太陽能電池板

18、所能采集的最大電壓為16V,最小電壓為13V，而采集的電流最小為0.1A，最大為1.6A。通過對太陽能電池板功率的估算，在陽光充足照射8小時的晴天，該電池板能產(chǎn)生大約0.2KW/h的電能。參考文獻(xiàn)1 崔嘯鳴, 王生鐵. 小型風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)集成控制D. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué),2009,5.2 姚傳安, 余泳昌. 小型風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)控制和能量預(yù)測技術(shù)研究D. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué),2013,4.3 孫楠, 刑德山,杜海玲. 風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用J. 山西電力,2010,8.4 吳紅斌, 陳斌,郭彩云. 風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)中混合儲存單元的容量優(yōu)化J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2011,4.5 陳堅.電力電子學(xué)M.北京：國防工業(yè)出版社,2004.6 Chichiang Hua, Jongrong Lin. A Modified Tracking Algorithm for Maximum Power Tracking of Solar ArrayJ. Energy Conversion an