风光互补发电系统报告

2014年项目总结报告项目名称：风光互补发电系统______团队成员:______指导老师:__2014年月日目录6.参考文献…………………………………………………………………………………………171.概述设计背景基于社会的需要，学校首次组织了一个以强电与弱电并重、硬件与软件兼备、网络与信息相融、装置与系统结合为特色的工程实践班，这是学校一种新的教学模式的尝试，目的是为了培养德智体全面发展，具有较扎实的自然科学与工程技术基础及一定的人文社会科学背景知识，能从事自动化领域各类装置与系统的分析、设计、运行、研发和企业管理工作的高级工程技术人才。在工程实践班的计划安排下，暑期本小组在老师的带领下一同合作完成了一个小功率家用风光互补发电系统。小组能在实践中发现问题，运用所学的知识解决问题，在实践中积累工程经验。设计意义武汉市属亚热带湿风气候，日照充足，温度较高，素有“三大火炉”之称。年日照总时数1810小时-2100小时。一年之中多数为晴天，适合太阳能发电技术的推广。下雨天一般也伴随着狂风现象。由于武汉的工业和经济发达，人口众多，空气质量较差。据了解，2012年武汉全社会用电量亿千瓦时用电量巨大，预测显示，武汉市全社会用电量2015年将达到570亿千瓦时。由于用电量巨大，武汉郊区市民居住会时常出现断电现象，影响人们的日常生活。总的来说，使用太阳能风能等绿色能源，减少化石原料的使用对于改善环境和方便人们日常生活用电具有重要的意义。2．需求分析基本功能1.实现太阳能和风能互补发电。通过控制器稳定风光互补发的电，并将其储存在铅蓄电池中。2.通过逆变器将蓄电池放出的电逆变程220V交流电。3.通过稳压模块将其变成5VUSB输出。可以供手机充电等。4.通过采样显示模块将太阳能发电直流电压电流显示出来。5.通过采样显示模块将负载输出交流电压电流显示出来。6.总的输出功率可以达到200W左右。可以供小型家用电器使用，例如灯泡、电风扇等。拓展功能1.电压电流上位机采集显示。通过上位机系统将太阳能电池板和风机采集到的电压电流等参数反馈到pc机上，以便对系统的监控。2.太阳能自动跟踪交流云台控制系统。通过控制器可以使云台方向自动跟踪太阳。3.方案论证系统构成风光互补发电系统结构如图1所示，该系统由发电部分，逆变部分，蓄电部分，充电控制器及直流中心部分以及显示部分组成。以下是各个部分的构成及功能。发电部分：由1台风力发电机和1块太阳能电池板矩阵组成，完成风－电；光－电的转换，并且通过充电控制器与直流中心完成给蓄电池组自动充电的工作。逆变部分：由一台逆变器组成，可把蓄电池中的直流电能变换成标准的220V交流电能，供给各种用电器。蓄电部分：由铅蓄电池组成，完成系统的全部电能储备任务。充电控制器及直流中心部分：由风能和太阳能充电控制器、直流中心、控制柜等组成，完成系统各部分的连接、组合以及对于蓄电池充电的自动控制。显示部分：由采样电路、开关以及显示屏组成，可用来显示太阳能电池产生的电压电流、显示系统输出的功率。图1系统结构图控制中心设计方案论证控制中心是整个系统的核心部分，其设计方案尤为重要，便捷与成本是控制中心设计的重要考虑因素。以下三种控制中心设计方案。方案一：拉杆行李箱式方案二：普通控制柜方案三：万向轮控制柜方案二采用普通控制柜成本较低，但过于普通，不便于移动，因而放弃方案二；方案三与方案一比较，拉杆行李箱式更轻巧方便，但考虑到成本以及机械设计等客观因素，首选方案三。确定控制中心的外形，解决了控制中心便捷的要求；其制作方案必须考虑成本这个客观条件，通过市场调研，最终确定了制作方案，调研结果如表一所示。表一市场调研结果考虑到成本的同时，制作周期也是一个重要的指标，铁柜虽然便宜，但制作周期较长且材质不合适，综合售后服务等因素，最终确定就近本地制作控制柜。太阳能电池板的选型及架设太阳能电池板的作用是将太阳的光能转化为电能后，输入直流电存入蓄电池中。太阳能电池板是风光发电系统中重要的部件之一，其转换率和使用寿命是决定电池是否具有使用价值的重要因素。表二太阳能的电池板资料序号太阳能板类型转换效率备注1单晶硅18%目前光电转换效率最高，成调研公司调研方式制作材质成本总计制作周期正麦电气网络调研铁柜喷塑800左右20景天电气网络调研不锈钢柜1200左右18微图电子本地调研钢材1200左右15本高2多晶硅17%目前光电转换效率较高，成本较高3非晶硅%目前光电转换效率最低，成本较高如表二所示，单晶硅以及多晶硅的转换效率远大于非晶硅，保证太阳能电池板的发电功率充足必须放弃非晶硅。单晶硅电池和多晶硅电池的寿命和稳定性都很好，单晶硅电池的转换效率比多晶硅低，而且单晶硅的成本比多晶硅低，所以单晶硅更符合要求。太阳能的架设为了固定太阳能电池板，其稳定性、外观以及成本是考虑方案可行性的重要因素，有如下两种方案。一、利用三角架；二、工业型材组装支架。两种方案的稳定性都较好，但三角架较为普通，不易移动；工业型材造型美观，价格便宜，方便移动，更为了后期拓展传感器方便，最终选定了工业型材作为组装支架。通过资料的查找，结合实际的需要以及成本的预算，最终我们选定APS-8-4040?，40*40?，?8mm槽宽的工业铝型材系列?。这款4040的型材适用于应力及强度较大的框架组合结构，它的外型采用圆角过渡，表面经过阳极氧化处理，高雅美观并抗腐蚀，它通常采用M8X20高强度专用螺栓加弹性扣件的内部连接方式，坚固而又可靠，是工业框架应用最广泛的型材之一。满足我们的需求，所以我们最终决定以工业铝型材4040来搭建一个电池板的支撑架。如图3所示：图2工业型材的技术参数风机的选型及安装风机是系统的重要组成部分之一，由于地理位置的限定，全年风力平均较小，启动风速必须小；根据基本功率要求选定合适额定功率的风机；风能利用率、体积大小，外型、运行振动等都是选型参考因素。风机技术参数如表三所示。表三风机发电机的技术参数风力发电机技术参数型号参数名称NE-100SNE-200SNE-300SNE-400S额定功率100W200W300W400W最大功率130W220W320W410W启动风速ssss额定风速10m/sss13m/s安全风速45m/s45m/s40m/S35m/S风轮直径叶片数量3/5叶片材料尼龙纤维/碳纤维发电机三相交流永磁同步发电机控制系统电磁/风轮偏侧该款风机风轮叶片采用新工艺经精密注射成型，配以优化的气动外设计和结构设计，风能利用系数高，发电机采用专利技术的永磁转子交流发电机，配以特殊的定子设计，有效地降低发电机的阻转矩，同时使风轮与发电机具有更为良好的匹配特性，机组运行的可靠性较高，完全符合要求。风机需要风来驱动扇叶转动产生电能，风机的架设地点必须选在风源良好的高处；考虑到避雷防护措施，确定支架高度。接着如图3组装风机，考虑支杆的固定方法。方案一：是在房梁打定位孔，用拉锁固定支杆；方案二：是用水泥砌一个水泥墩子固定；打定位孔干净美观，但由于使用工具的限制，打定位孔的工作只能由专业人士来完成，而水泥墩子可以由制作较简单，考虑到成本问题，所以最终我们采用第二种方案。方案的实施过程中，通过查找资料，我们确定了水泥墩子的高度，水泥的用量以及砂浆的配比等问题。风轮机分解图风轮机体、风轮机法兰座、钢管支架（塔架）、风轮机轴、风轮轂、风轮片、抗松螺母、整流罩、螺栓、平垫圈、弹性垫圈、螺帽、不锈钢螺钉、抗松螺帽图3风机的分解图蓄电池的选型蓄电池的使用寿命、成本、电气特性等是选型应该考虑的重要因素，市面上蓄电池的种类较多，其中铅酸蓄电池、铅晶蓄电池符合要求。铅晶电池使用寿命较长且环保，然而铅晶电池的价格昂贵且市场小，不易购买。铅酸蓄电池成本低廉，输出电压稳定，寿命较长，型号齐全，美观大方。所以选定铅酸蓄电池作为储能元件。显示模块的选型直流显示模块为了显示太阳能电池板的产生的电压与电流，电压在20以下，电流也较小，大约1A左右。经过讨论，结合成本，最终选定了创鑫电子仪表公司的一款YB27VA型的双色电表。交流显示模块显示系统输出的220V交流以及输出电流，电流较小，最小分辨要求较高，选定创鑫电子仪表公司的YB4835型的分体式电表。显示电表的参数如表四所示：表四电表技术参数参数电表测试电流测试电压供电电压测量速度直流电表DC0-100V约每秒2次交流电表AC100-300V不需供电约每秒2次4.系统的设计及实现控制柜的机械结构设计设计控制柜，最先考虑的是设计控制柜的外形、尺寸。如何设计更符合人们的感官，更符合人体学设计。以下是我们最开始的三种方案的正视图，毋庸置疑，这三种方案都可以满足基本要求。但考虑到美观和控制界面的设计，我们选择了第一种。第一种最上面斜面方便安装人机接口，而平面方便附上一些LOGO标志。图（a）图（b）图（c）控制面板的设计在箱体的外形设计完成后，需要考虑控制面板的组成和显示控制哪些数据。首先考虑的是对输入量的检测，使用一块显示屏采集风机和太阳能电池板的发电状况，以便于记录数据。接着因为设计整个系统的目的是用于家庭用电，系统是小型的风光互补系统，所以决定使用日常家庭里的方形的插座。在接下来的讨论中，认识到现在人们大量使用移动产品，绝大多数移动产品是5V输入，于是就在插座上面加了两个USB接口，以方便移动产品的充电。由于需要对输出负载功率进行监控和计算，在控制面板上添加了输出电压电流检测单元。考虑到显示屏的电能消耗，于是添加了两个控制显示屏通断电的开关，综上所述便设计了如下图4的控制面板图。图4控制面板图5.实验结果及分析调试过程作品的实验器件主要包括：小型风能发电机、太阳能电池组件、控制柜和相关控制器件。实验室制作的风光互补发电系统各个部分如图5、图6、图7：图6太阳能电池组件图7控制柜和相关控制器件在调试的过程中采取的是分模块调试的，首先检测各个模块的功能能否实现，然后检测组装后的系统能否达到预定指标数据。风机购买组装好后，采取人为的转动风机的形式，初步用示波器去测量是否能产生电能。太阳能电池板是单独在有太阳光的情况下检测的。当风机和太阳能都检测调试成功后就将其与控制器连接，接着用示波器测量控制器的输出数据。再将蓄电池输出部分连接到逆变器，用示波器测量逆变器输出的电压，检测其能否输出220V的交流电压。以上部分都调试成功后，说明它各模块都是正常的，整体功能就能实现。当线接线完成后，太阳能的采集模块只能显示电压，而不能显示电流。并且电压的读数也与理论上的不一样。通过检测初步断定是线路连接错误，在学长的协助下找到并解决了问题，达到了理想效果。调试结果太阳能电池板的功率较小，采集模块的精度有限，在雨天无法采集到精确数据。所以仅仅采集了阴天和晴天的数据。而风机只能在有风的天气才能采集到数据。分别如表五所示。表五太阳能发电采集LOGO显示屏指示灯开关方形插座日期2014/11/7天气阴有无风微风时间8:0010:0012:0015:00电流电压13V14V16V日期2014/10/30天气多云转晴有无风无时间8:0010:0012:0015:00电流电压15V日期2014/10/27天气晴有无风无时间8:0010:0012:0015:00电流电压由上述表格可以看出随天气的不同、时间的不同，太阳能电池板所能采集的最大电压为16V,最小电压为13V，而采集的电流最小为，最大为。通过对太阳能电池板功率的估算，在阳光充足照射8小时的晴天，该电池板能产生大约h的电能。参考文献[1]崔啸鸣,王生铁.小型风光互补发电系统集成控制[D].内蒙古工业大学,2009,5.[2]姚传安,余泳昌.小型风光互补发电系统控制和能量预测技术研究[D].河南农业大学,2013,4.[3]孙楠,刑德山,杜海玲.风光互补发电系统的发展与应用[J].山西电力,2010,8.[4]吴红斌,陈斌,郭彩云.风光互补发电系统中混合储存单元的容量优化[J].农业工程学报,2011,4.[5]陈坚.电力电子学[M].北京：国防工业出版社,2004.[6]ChichiangHua,JongrongLin.AModifiedTracking