太陽能風(fēng)能及市電一體電源的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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2)光伏發(fā)電 利用太陽能電池板的光伏效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過控制中心的控制，一是對(duì)蓄電池組充電，二是將電能直接供給直流負(fù)載LED燈或經(jīng)DC／AC逆變器供給交流負(fù)載。理想的PN結(jié)太陽光伏電池I-V方程為：
式中：IS、VS為光伏電池的輸出電流和輸出電壓；IN、I0為光伏電池的短路電流和PN結(jié)反向飽和電流；K為波爾常數(shù)，K=1．38x10-23J／K；T為溫度；q為電子電荷量，q=1．6x10-19C。
在一定溫度、日照條件下，光伏電池的輸出功率具有最大值。發(fā)電過程中，電池的內(nèi)阻不僅受到日照強(qiáng)度的影響，還受到環(huán)境溫度及負(fù)載的影響。要想在光伏發(fā)電時(shí)得到最大功率，必須不斷改變自身阻抗的大小，從而達(dá)到光伏陣列與負(fù)載的最佳匹配，實(shí)現(xiàn)大電流、高電壓的輸出，提高系統(tǒng)發(fā)電的效率。
3)市電220 V 市電220 V的引入是為了更可靠、更穩(wěn)定地對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電。在太陽能光伏電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)供電不足的情況下，通過控制器的控制，啟動(dòng)市電作為最后保證負(fù)載供電的電源。
1．2 控制部分
1)控制電路的作用
控制部分是本電路的核心內(nèi)容，通過控制器，完成電源系統(tǒng)各部分的連接、組合以及對(duì)蓄電池組充電的自動(dòng)控制。該裝置能根據(jù)日照的強(qiáng)弱、風(fēng)力的大小及負(fù)載的變化，不斷地對(duì)蓄電池組的工作狀態(tài)進(jìn)行切換和調(diào)節(jié)，一方面把調(diào)整后的電能直接送往直流負(fù)載或經(jīng)逆變器送什交流負(fù)載；另一方面把多余的電能送往蓄電池組存貯起來。當(dāng)光伏發(fā)電量和風(fēng)力機(jī)發(fā)電量不能滿足負(fù)載功率時(shí)，控制器將蓄電池組中的電能調(diào)送往負(fù)載；當(dāng)蓄電池組中電能也不足的情況下，控制器最后肩動(dòng)220 V市電作為供電電源。這樣使供電系統(tǒng)在充電、放電或浮電等多種工況下交替運(yùn)行，從而保證以風(fēng)、光、市電互補(bǔ)作為電源供電系統(tǒng)對(duì)負(fù)載供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性。
2)控制電路的控制過程
風(fēng)、光、市電互補(bǔ)供電系統(tǒng)的控制過程比較復(fù)雜，工業(yè)上采用過程控制技術(shù)對(duì)該系統(tǒng)的運(yùn)行工況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和智能化管理。根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)控制層實(shí)現(xiàn)對(duì)各類傳感器、變送器和執(zhí)行器及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集過程的控制。智能監(jiān)控系統(tǒng)分為兩層：底層是基于微處理器芯片的監(jiān)控層，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)單臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化控制和參數(shù)設(shè)定。同時(shí)具備有與上層通迅的能力；上層是基于微機(jī)的協(xié)調(diào)管理層，主要用于現(xiàn)場(chǎng)
數(shù)據(jù)處理，同時(shí)處理多臺(tái)供電電源并列運(yùn)行時(shí)協(xié)調(diào)控制及并網(wǎng)供電問題。
①監(jiān)控層的主要功能：主要對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行撿測(cè)，如風(fēng)速強(qiáng)弱、太陽輻射強(qiáng)度，蓄電池電壓情況、負(fù)荷要求等運(yùn)行參數(shù)。能量管理層負(fù)責(zé)系統(tǒng)和供電模式切換及負(fù)荷控制問題，通迅控制實(shí)現(xiàn)與上層管理系統(tǒng)通信，提供系統(tǒng)所需的運(yùn)行及設(shè)備參數(shù)，同時(shí)根據(jù)指令改變系統(tǒng)的運(yùn)行工況。
②協(xié)調(diào)管理層的主要功能：實(shí)現(xiàn)通信，包括與底層監(jiān)控層通信，獲得運(yùn)行參數(shù)和向監(jiān)控層發(fā)送控制指令，調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行工況狀態(tài)。數(shù)據(jù)系統(tǒng)是上層協(xié)調(diào)管理層運(yùn)行的基礎(chǔ)，通過與底層監(jiān)控層的通信來獲得供電系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)；協(xié)調(diào)控制層通過對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，靈活地政變各設(shè)備的運(yùn)行工況，以求達(dá)到最佳。
1．3 蓄電池組
蓄電池組在本系統(tǒng)中起到能量調(diào)節(jié)和平衡負(fù)載的雙重作用。它將風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能電池輸出的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來，以備電能不足時(shí)使用。在常用的蓄電池中，主要有鋁酸蓄電池，堿性鎳蓄電池和鐵鎳蓄電池，其中鋁酸蓄電池價(jià)格低廉、性能可靠、安全性高、且技術(shù)上又不斷進(jìn)步和完善得以廣泛應(yīng)用。
1．4 逆變器
由一臺(tái)或幾臺(tái)逆變器組成。其作用是將蓄電池組中直流電能變成標(biāo)準(zhǔn)的220 V交流電能，同時(shí)具有自動(dòng)穩(wěn)壓功能，可改善風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)供電的質(zhì)量，保證交流負(fù)載設(shè)備的正常使用。
1．5 LED負(fù)載
LED燈(Light Emitting Diode)，即發(fā)光二極管。是一種半導(dǎo)同體發(fā)光器件。它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料。當(dāng)兩端加上正向電壓，直接發(fā)出紅、黃、綠、青、橙、紫、白色的光。與傳統(tǒng)的燈源相比，LED燈具有以下特點(diǎn)：
1)多變幻 LED光源可利用LED通短時(shí)間短和紅、綠、藍(lán)3基色原理，在計(jì)算機(jī)技術(shù)控制下實(shí)現(xiàn)色彩和圖案的多變化，是一種可隨意控制的“動(dòng)態(tài)光源”。
2)壽命長 LED光源無燈絲、工作電壓低，使用壽命可達(dá)5萬到10萬小時(shí)，也就是5年到10年時(shí)間。
3)利環(huán)保 生產(chǎn)中無有害元素、使用中不發(fā)出有害物質(zhì)、無輻射。
4)高新尖 與傳統(tǒng)光源比，LED光源融合了計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、嵌入式等高新技術(shù)，具有在線編程、無限升級(jí)、靈活多變的特點(diǎn)。
2 電路的工作原理
風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能換轉(zhuǎn)為電能，太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)換為電能，這兩種電能在控制器作用下，一方面可對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，直流負(fù)載LED燈可直接獲得直流電能的驅(qū)動(dòng)，而交流負(fù)載經(jīng)逆變器將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能后獲得交流電能的驅(qū)動(dòng)：另一方面，控制器將來自風(fēng)力機(jī)和太陽能電池板多余的電能對(duì)蓄電池充電，蓄電池將這些電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能儲(chǔ)存起來，以備風(fēng)光發(fā)電機(jī)發(fā)電不足時(shí)使用。
當(dāng)風(fēng)、光發(fā)電機(jī)發(fā)電都不足時(shí)，在控制器的作用下，調(diào)用存儲(chǔ)在蓄電池組內(nèi)的備用電能，繼續(xù)給負(fù)載提供電能；當(dāng)蓄電池組中的電能也不足時(shí)，控制器打開220 V的市電通道作為負(fù)載的供電電源，以保證負(fù)載在任何情況下都能正常工作。
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