应用于小型风光互补发电系统中蓄电池充放电装置的设计.docx
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1、目录中文摘要及关键词1英文摘要及关键词1第一章绪论11.1 能源状况11.2 风、光发电的开展状况21 .2.1风力发电和太阳能发电的特点22 .2.2风光互补发电的提出21.3 选题意义和国内外研究状况31.4 小结4第二章蓄电池41.1 蓄电池的类型41.2 铅酸蓄电池充放电原理51.3 蓄电池的充放电特性51.4 蓄电池充放电方式61.5 风光互补发电系统构成及原理72. 6小结7第三章光伏单元充电电路设计73.1充电电路拓扑结构及方案选择73.2主电路的设计83.3控制电路原理与设计103. 3.1控制电路方案比拟及选择103. 3.2SG3525各引脚具体功能103. 3.3SG35
2、25芯片特点如下113.4驱动电路设计113. 4.1驱动电路方案比拟与选择113. 4.2驱动电路工作原理123. 5小结12第四章风力单元充电电路设计124. 1系统组成125. 2主电路结构126. 3控制电路134. 3.1系统组成135. 3.2直流电压检测136. 3.3单片机137. 3.4PWM波的产生138. 4.5驱动电路144. 4小结14第五章逆变器设计154.1 逆变器的系统构成154.2 主电路设计154.3 控制电路设计155. 3.1单片机155. 3.2检测电路165. 3.3驱动电路165.4小结17总结与展望17参考文献29致谢29附录I31附录II31中
3、文摘要及关键词摘要;本文在分析国内外对风光互补系统研究的根底上,对风光互补系统有了初步的认识,并对蓄电池的充放电过程及装置进行了深入的研究。在光伏单元的充电设计中,主电路采用降压斩波电路,控制电路采用了SG3525芯片;在风力单元充电设计中,主电路采用三相不可控整流电路,控制电路运用了SG3525芯片,驱动电路运用了ZXB841;对于蓄电池放电装置,采用了AT89C51芯片,设计了逆变器的主电路及其控制电路。关键词:风光互补;光伏充电;风力充电;逆变器英文摘要及关键词Abstract:Onthebasisoftheanalysisoftheresearchaboutwindandsolaren
4、ergycomplementarysystemathomeandabroad,thisthesishasapreliminaryunderstandingofwindandsolarenergycomplementarysystemandmakesdeepresearchesontheChcirginganddischargingprocessofthebatteryanditsdevice.Inthedesignofcharginginphotovoltaiccell,themaincircuitadoptsthebuck-choppingcircuit,thecontrolcircuita
5、doptsSG3525chip;inthedesignofcharginginwindturbineunit,themaincircuitadoptsthree-phaseuncontrolledrectifyingcircuit,thecontrolcircuitusesSG3525chip,thedrivecircuitusesEXB841;meanwhilebatterydischargedeviceadoptsAT89C51chipanddesignsthemaincircuitandcontrolcircuitoftheinverter.Keywords:Windandsolarco
6、mplemenUry;Photovoltaicchiirging;Windcharging;Inverter第一章绪论1.1能源状况能源是人类赖以生存的五大元素之一,是国民经济和社会开展的重要战略物质,是经济开展的“火车头,能源已成为制约国民经济开展的重要因素。当前在生产和生活中起重要作用的能源主要有五大类:煤炭、石油,天然气.水和核裂变能。这些能源被称为常规能源,目前世界上能源的消耗几乎全靠这五大能源来供给。随着世界经济的深入开展和国际工业化的进程,世界各国对能源的需求越来越大。虽然,人类的技术进步旨在提高能源的利用效率、减少能源的消耗,但现今的能源生产量依然满足不了人类开展的需求,全球范围
7、内的能源危机也日益突出。经过第一次世界范围内“石油危机的冲击,人类认识到地球蕴藏的矿物资源是有限的,总有一天会被耗尽,现实也告诫人们,要生存就必须寻求开发新能源。人类日益增长的环境保护意识和提高生活质量的需求,要求减少常规能源对环境的污染,优先开展清洁能源。目前煤炭,石油,天然气等能源开采利用中大量排放出的Ca、Sa烟尘及汽车尾气是造成世界环境污染的主要原因之一。许多国家通过立法,强制性地增加高效、清洁的新能源及可再生能源比例,限定co?、so?和烟尘排放量,增收排污费等措施有利地促进了新能源和可再生能源的开展。1997年12月,在日本京都召开的全球气候变化缔约方会议上达成了对兴旺国家减排的协
8、议,协议要求在2023-2023年期间将排放量限制在比1990年低6%-8%的水平上。我国人们在生活水平到达小康之后,开始更加注重生活质量和环境保护,治理污染、开展清洁能源已是人们的普遍要求。和常规能源相比,可再生资源不污染环境,更不会破坏生态,取之不尽,用之不竭。为了缓解能源危机,随着环境保护的呼声不断高涨,世界各国政府都在从社会经济开展的战略角度对能源结构进行调整。纷纷制定自己的能源政策,除了充分利用现有的传统能源外,都在大力研究开发新能源,给新能源开发以特殊优惠政策和政府税收补贴,从而使风能、太阳能、潮汐能、地热能等的开发利用得以迅速开展。在众多的可再生能源中,光伏发电及风力发电是最有开
9、展前景的两种能源技术。这是基于太阳能和风能的五个优点:(1)取之不尽,用之不竭;(2)就地取材,不需运输:(3)分布广泛,分散使用;(4)不污染环境,不破坏生态:(5)周而复始,可以再生。太刚能是地球上一切能源的来源,太阳照射着地球的每一片土地。风能是太阳能在地球外表的另外一种表现形式,由于地球外表的不同形态(如沙土地面、植被地面和水面)对太阳光照的吸热系数不同,在地球外表形成温差,地表空气的温度不同形成空气对流而产生风能。12风、光发电的开展状况风力发电和太阳能发电的特点光电系统是利用光电板将太阳能转换成电能,然后通过控制器对蓄电池充电,最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。该系统的优点是
10、系统可靠性高,运行维护本钱低,缺点是系统造价高。风电系统是利用风力发电机,将风能转换成电能,然而通过控制器对蓄电池充电,最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。该系统的优点是系统日发电量大,造价低,运行维护本钱低。但是风电和光伏发电系统都存在一个共同的缺陷,就是资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡,风电和光电系统都必须通过蓄电池储能才能稳定供电,但每天的发电量受天气的影响很大,会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态,这也是引起蓄电池组使用寿命降低的主要原因咒风光互补发电的提出上述分析了风能、太阳能的特点,作为可利用的自然可再生能源,二者在转换过程中都受季节、地理和天气气候等多种因素的制约。但
11、是,二者的变化趋势根本相反,扬其两者各自之长,补其各自之短,相互配合利用,因地制宜,能发挥出各自最大的作用。在以电能为主要的能源消耗方式的当今社会,人们对电的依赖越来越强。特别是在远离电网的地区,独立供电系统成为人们最需要的动力源。结合风能、太阳能的特点,综合利用风力发电和太阳能光伏发电技术而建立的风光互补发电系统无疑是解决这一重大问题的最正确方案。对于偏远地区生活和工作的人们而言,一般情况下用电负荷不大,所以采用电网输送电力就不合理,应中选择在当地直接发电,现在常用的供电方案就是采用柴油发电机,但是柴油的储运相对于偏远地区来讲本钱太高,而且难以保障持续供电。所以柴油发电机只能作为一种短时的应
12、急电源,要解决长期稳定可靠的供电问题,只能依靠当地的自然资源。太阳能和风能是最普遍的自然资源,也是取之不尽的可再生能源,而且两者在时间变化分布上有很强的互补性。白天太阳光最强时,风很小,到了晚上,光照很弱,但由于地表温差变化大而风能有所加强;在夏季,太阳光强度大而风小,冬季,太阳光强度弱而风大。太阳能和风能在时间上的互补性使得风光互补发电系统在资源分布上具有很好的匹配性I图17风光互补发电系统在风能、太阳能单独用于发电的系统中,由于风能、太刚能的稳定性较差,为了能够提供连续稳定的能量输出,无论是光伏发电系统还是风力发电系统都要引入能量储存环节用以调节系统的能量供求平衡。能量储存的方式有很多种,
13、如机械储能、化学储能和热储能等,其中,最适合的,也是应用最为广泛的是利用蓄电池的化学储能方式。虽然,目前风电和光电系统通过引入蓄电池储能设备后能够稳定供电,但是系统每天的发电量受天气的影响很大,会引起系统的供电和用电负荷的不平衡,从而导致蓄电池处于亏电状态或过充电状态,长期运行会降低蓄电池的使用寿命,增加系统的维护投资。考虑到风电和光电系统在蓄电池组的管理和能量控制环节是可以通用的,所以风光互补电源系统的造价可以降低,系统本钱趋于合理。风光互补发电系统可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置,即可保证系统供电的可靠性,又可降低发电系统的造价。无论是怎样的环境和怎样的用电要求,
14、风光互补电源系统都可做出最优化的系统设计方案来满足用户的要求。应该说,风光互补发电系统是合理的独立发电系统上1.3 选题意义和国内外研究状况在我国的某些偏远山区,由于经济的落后和交通的制约,至今都还没有实现通电,这里的人们对电的渴望极其迫切。因此解决他们的用电问题对稳固地方经济建设、增进国家稳定等具有重要的意义。如在已经实现通电的很多山区大多采用电网送电和当地柴油或汽油机组发电。然而由于地理位置原因,架线送电路程遥远、用户用电量小、线路电能损耗大,而且山区电网的线路维护费用也很高,使得线路运行本钱很高。如果靠当地柴油或汽油机组发电的话,由于目前能源紧张,燃料费用较高,再加上地处偏远,燃料运输费
15、用高,难以保障持续供电。因此,柴油或汽油机组发电只能作为紧急的电源使用。因此,利用有限的自然资源,研究小功率、低本钱的风光互补电源对解决偏远山区的家庭用户和其他独立电源工作站的用电问题都具有非常重要的现实意义叫图1-2风光互补发电系统再生活中的应用国外有关复合可再生能源发电系统的研究始于上个世纪八十年代末期,有关风光复合发电系统的研究始于上个世纪九十年代中期,我国有关光伏发电系统的研究始于上个世纪八十年代初,主要针对独立光伏发电系统的优化设计、系统仿真及控制方案的研究。国外进行这方面研究的大学有ColoradoStateUniversity,UniversityofMassachusetts等
16、。其中ColoradoStateUniVerSity和NationaIRenewableEnergyLabOratOry(美国可再生能源研究室)合作开发了混合发电系统模拟应用软件。该软件功能强大,能对一个风光互补发电系统进行精确的模拟运行,根据输入的发电系统的结构、负载特性以及安装地点风力、日照强度数据获得5760小时的运行结果。而在国内,香港理工大学同中科院广州能源所及中科院半导体研究所合作提出了了一整套利用CAD进行风光互补发电系统优化设计的方法。中科院电工所、西安交通大学、合肥工业大学能源研究所都进行了风光复合发电系统方面的研究并进行计算机仿真计算。另外,华南理工大学设计了新型无刷双馈发
17、电机,并通过权值调节方式实现太阳能逆变器最优功率传输。所有的这些研究都主要针对风、光资源相对较丰富的地区,且主要集中在蓄电池充放电参数设置、控制程序、风光优化匹配的研究上,且在太阳能电池板和风力发电机输出电压低于蓄电池充电电压的情况下,系统不工作,因此相应的控制复杂,且资源利用率不高,本钱高。1.4 小结本章对当今能源的状况进行了阐述,主要介绍了风光发电在我国的使用及开展,从中看出风光发电在未来的能源利用方面将会有很大的开展,本课题对风光发电系统中的蓄电池充放电装置进行了较为深入的研究。第二章蓄电池蓄电池是一种储能元件,用于储存电能,对外放电后以对内部电能进行补充(充电),而且充电过程可以反复
18、屡次进行。蓄电池的种类很多,目前性能比拟好的有铅酸蓄电池、银氢蓄电池(NiMH)和锂离子蓄电池。其中铅酸蓄电池因其性能价格比拟高,容量大,放电性能好,无记忆效应,原材料来源丰富,可循环使用等优点,而得到了广泛的应用。2.1蓄电池的类型(1)蓄电池的分类蓄电池根据极板材料及电解液的不同可分为碱性蓄电池、铅酸蓄电池、锂蓄电池和锂离子蓄电池。a.碱性蓄电池:碱性蓄电池采用碱性溶液作为电解液,根据极板材料的不同分为:银隔、铁银、银氢、锌银等系列,有高、中、低放电率等品种。b.铅酸蓄电池:铅酸蓄电池采用铅钙合金作为极板,用酸性溶液作电解液。按用途分有:启动型、固定型、牵引型和便携型等。c.锂蓄电池和锂离
19、子蓄电池:锂电池是把性能优良的金属锂作为负极材料,正极材料可以从各种正电性较高的化合物中选。锂离子电池的正极材料采用含锂的层间化合物材料,负极材料采用碳或石墨。电解液可用无机盐一有机溶剂体系或是固体、胶态电解质。一些电池由于环保原因如铁银(NiFe)、银镉(NiCd)己被淘汰,一些电池由于工业化问题还不能应用,所以,目前阀控式密封铅酸蓄电池(VRLA)、银氢蓄电池(NiMH)和锂离子蓄电池是三元争秀叫(2)不同蓄电池的优缺点比拟a.银氢蓄电池优缺点:优点:能量/功率平衡,功率高,充电接受性能好,循环寿命长。缺点:搁置寿命短,温度性能差:低温时容量损失,高温时充电、充电接受能力差,本钱高。b.锂
20、离子电池优缺点:锂离子电池优点:能量/功率平衡与银氢相似,质量/体积值高于银氢蓄电池和阀控式密封铅酸蓄电池,放电功率高,充电接受能力极好,循环寿命长,本钱较低。锂离子电池的弱点:搁置寿命短,温度性能差:低温时容量损失,高温时充电、充电接受能力差。c.密封铅酸蓄电池电池优缺点:密封铅酸蓄电池(VRLA)通常被称为免维护蓄电池。其特点:密封,平安,环保,对充电工艺要求严格。假设蓄电池充放电适当,可以工作510年的时间。其“免维护是指使用过程中不需要加水,调节电解液的比重。密封铅酸蓄电池的优点:容量大,能量/功率平衡性好,运行温度范围广:在低温和高温时,在银氢蓄电池、锂离子蓄电池、VRLA三种化学体
21、系中VRLA有最广泛的正常工作温度范围;搁置寿命好,放电功率和电压稳定性好,材料可再生,本钱低。密封铅酸蓄电池的弱点:总能量输出缺乏、循环寿命较短。通过对以上三种蓄电池的比拟,可以看出它们各有优缺点以及各自不同的适用领域,其中密封铅酸蓄电池总体性能好:具有较好的能量、功率和寿命特性,因而得到了广泛的应用。而银氢蓄电池、锂离子蓄电池,虽然能够克服铅酸电池诸多缺乏,但由于本钱高、价格贵、建设投入大,目前还无法大面积推广。电力系统和通讯系统一般配备的是密封铅酸蓄电池。2.2铅酸蓄电池充放电原理(1)构成铅酸蓄电池的主要局部正极板(过氧化铅.PbO2)活性物质负极板(海绵状铅.尸。)活性物质电解液(稀
22、硫酸)一-硫酸/SOq+水H2O(约37%)电池外壳、隔离板、其它(液口栓.盖子等)图2-1铅酸蓄电池的构成(2)原理与动作铅蓄电池内的阳极(PbO2及阴极(Pb)浸到电解液(稀硫酸)中,两极间会产生2V的电力,这是根据铅蓄电池原理,经由充放电,那么阴阳极及电解液即会发生如下的变化:(阳极)(电解液)(阴极)PbO2+2H2SOi+Pb-PbSO4+2H2O+PbSO4(放电反响)(过氧化铅)(硫酸)(海绵状铅)(阳极)(电解液)(阴极)PbSO4+2H2O+PbSO4-PbO2+2H2SO4+Pb(充电反响)(硫酸铅)(水)(硫酸铅)2.3蓄电池的充放电特性(1)充电特性充电过程中,初始阶段
23、,蓄电池端电压上升较快(图2-2中曲线Oa段);充电中期,端电压上升缓慢(曲线ab段);充电后期,由于蓄电池内阻增加等原因,端电压继续上升(曲线bd段);当蓄电池端电压到达C点以后,如果继续充电,那么蓄电池将会由于过充电而损坏,影响蓄电池的使用寿命。特性曲线如图2-2所示:图2-2充电过程中端电压的变化曲线(2)放电特性放电过程中,放电初期,蓄电池端电压会迅速下降(图2-3中曲线Oa段);随着放电的继续进行,进入放电中期,端电压呈缓慢下降趋势(曲线ab段);到放电末期,由于电极板上的活性物质已大局部变为硫酸铅,致使内阻增加,蓄电池端电压下降很快(曲线bd段);放电至C点时,蓄电池的放电便已结束
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