风电光伏电互补电源装置设计说明书 详细版.doc

太阳能自动跟踪装置设计说明书

学 校：桂林电子科技大学
院 （系）：机电工程学院
专 业：建筑环境与设备工程
年 级: 2008级
组员姓名：周燕、蒋冰芳、潘广勋、雷国梁、
阮春晖、陆远庆、韦政
指导教师：黄柳钧
教师职称：工程师

2011年04月07日
作品内容简介
本作品由太阳能装置和风能装置两部分组成。
太阳能装置部分：该部分有太阳能电池板、涡轮蜗杆、步进电动机、控制电路组成。此控制系统根据当地每日日出时刻设定太阳能电池板初始朝向，使之与晨线平行，同时根据一个恒星日长度（23小时56分4秒），预设步进电机转速，使太阳能电池板始终正对太阳，实现最大功率跟踪。白天装置通过单片机控制步进电机的转动，步进电动机控制蜗轮蜗杆传动以保证此装置按设定的速度转动，使硅太阳能电池板最大限度地正对太阳光线，太阳光照射到太阳能电池极板产生的电流对蓄电池充电；太阳落山之后，一方面通过单片机的控制步进电机驱动蜗轮蜗杆转动，使装个装置按原来的方向返回到初始位置，次日继续跟踪；另一方面由蓄电池直流或交流供家庭用电使用。
风能装置部分：该部分由机头、叶片、发电机、尾翼、转体组成。叶片用来接受风力并通过机头转为电能，尾翼是叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能，转体能是机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能。风力发电机因风量不稳定，需经充电器整流，在对蓄电池充电，才能保证稳定输出电流，以供家庭使用。当阴雨天时，风速较大时可以实现单片机控制风力发电，并使太阳能板停止转动，从而有效地利用太阳能板。
本作品通过太阳能、风能绿色能源作为互补原动力，保证全年无间断供电

摘要
该作品以太阳能、风能绿色能源作为原动力，最大效率地将太阳能、风能转化为电能。装置由太阳能电池硅板、可控电机、蜗轮蜗杆、风力发电机等器材组成，在晴天时，利用单片机控制电机、通过蜗轮蜗杆的转动控制使太阳能电池板始终正对太阳，实现最大功率跟踪；晚上，电池板回到初始位置，保证第二天继续跟踪太阳；在阴雨天或是阳光不强的时候，风能发电同样能满足供电需要。利用太阳能和风能的互补性，保证全年无间断供电。
该装置克服了机械与电气方面问题，保证绿色能源应用效益高，采能效率高，跟踪精度高，装置传动方式简单、可靠。
作品易于搬运，成本低，适合于偏远山区、高原地区或游牧地区使用，如能正常投入生产使用，其投资回收、盈亏平衡、ENPV、EIRR、ENPVR等技术经济指标均可实现在正常范围之内。
关键：太阳能 风能 电源

一、研制背景及意义
虽然现在国家在逐步实现“村村通”的电力工程，但是对于许多偏远山区，高原地区或是游牧地区，要实现电线到户，家家通电是很难做到的；但是在这些地区，太阳能和风能都相对丰富，在通常情况下，白天太阳光强，夜晚风多，夏季日照好风弱，冬春季节风大，而阳光相对较弱，所以我们利用太阳能板和风力发电的模式把这两种形式的能量转化为电能，为他们提供生活必须的电能。
目前的在市场上也有太阳能与风能相结合的发电装置，但是还存在以下不足：①产能功率不稳定，因为缺乏跟踪，产能功率会随着太阳光线的移动角度而发生不断的变化，这种变化给电路带来相当的麻烦；②风能收集不稳定：由于风向的改变，风力时大时小，在收集过程中能量不稳定；③太阳能板稳定性较差：有的太阳能系统没有考虑风速对其的影响，在遇到较大风速时可能会使其损坏；④产品价格较昂贵，因为原材料的限制，其产品价格降不下来，这实际上是该产品一个相当大的制约瓶颈。
本作品以太阳能、风能绿色能源作为原动力，采用最简单的单轴跟踪方式，简单方便，并且能实现全天全自动的跟踪，最大限度的提高太阳跟踪精度，完美实现适时跟踪，最大限度提高太阳光能利用率；此外还配合风能发电，在阴雨天或是太阳光不强的时候，同样能实现供电需要。该自动跟踪装置价格实惠、性能稳定、结构合理、跟踪准确、方便易用，能充分体现节能减排的设计理念。本作品结构生产技术简单易产，成本费用比较低，适合于许多偏远山区，高原地区或是游牧地区使用，如能正常投入生产使用，其投资回收、产量销售、盈亏平衡、ENPV、EIRR、ENPVR等技术经济指标均在正常范围之内。

二、设计方案
2.1 电器控制
①装置的整体电路设计
太阳能光伏电池
主蓄电池
降压/稳压
电路
单片机主控模块
步进电机
电机驱动模块
稳压电路
风力发电机
备用电池
斩波升压电路

②太阳能装置部分：
（1）控制系统图示
电气部分采用开环自动控制。控制过程简单稳定。采用STC89C51+TBH6404+四相八排步进电机，实现电池板的对日追踪。该系统最大功耗模块为步进电机（5.4瓦），其余部分皆为小功率元件（小于1瓦）。
单片机
数码管时间显示
键盘
（调整时间）
步进电机驱动模块

（2） 控制设计
单片机程序设计：以24小时为一个周期，从早上6点30分到晚上7点，每半个小时调整一次太阳能电池板朝向角度，每次调整7.2度，晚上7点从新将电池板朝向恢复。并利用数码管，显示时间，方便安装和调整。
③风能装置部分:
小型200W/300W/400W风力发电机，体积小重量轻，灵敏度高，有2米/秒以上风速就能正常发电，更有效利用了能源。在太阳能发电系统中，合理应用小型风力发电机，组合成风光互补发电系统，能减少很多太阳板面积，降低造价，而且能充分利用阴雨天及夜晚等无阳光时段，持续补充发电。小型风力发电设备适合在风力资源较好、市电保证不便的地区或者允许独立供电的场合（如公路、公园、小区的路灯照明）使用，不仅符合国家政策要求使用新能源，环保节能，而且大大降低了工程造价。

2.2 机械部分
1）蜗轮设计参数
名 　　称
代　号
计 算 关 系 式
说　　明
蜗轮齿数
z2
22
按传动比确定
齿形角
a
aa=20。或an=20。
按蜗杆类型确定
模数
m
m=ma=mn/cosr
按规定选取
传动比
i
i=n1/n2=22
蜗杆为主动，按规定选取
齿数比
u
u=Z2/Z1当蜗杆主动时,i=u

蜗轮变位系数
x2
x2=a/m-(d1+d2)/2m

蜗轮分度圆直径
d2
d2=mz2=2a-d1-2x2.m

蜗轮喉圆直径
da2
da2=d2+2ha2

蜗轮齿根圆直径
df2
df2=d2-2ha2

蜗轮齿顶高
ha2
ha2=1/2(da2-d2)=m(ha*+x2)

蜗轮齿根高
hf2
hf2=1/2(d2-df2)=m(ha*-x2+c*)

蜗轮齿高
h2
h2=ha2+hf2=1/2(da2-df2)

蜗轮咽喉母圆半径
rg2
rg2=a-1/2(da2)

蜗轮齿宽
b2

由设计确定
蜗轮齿宽角
θ
θ=2arcsin(b2/d1)

蜗轮齿厚
st
按蜗杆节圆处轴向齿槽宽ea'确定

2）蜗杆设计参数
名 　　称
代　号
计 算 关 系 式
说　　明
中心距
a
a=(d1+d2+2x2m)/2
按规定选取
蜗杆头数
z1
1
按规定选取
蜗杆直径系数
q
q=d1/m

蜗杆轴向齿距
pa
pa=πm

蜗杆导程
pz
pz=πmz1

蜗杆分度圆直径
d1
d1=mq
按规定选取
蜗杆齿顶圆直径
da1
da1=d1+2ha1=d1+2ha*m

蜗杆齿根圆直径
df1
df1=d1-2hf1=da-2(ha*m+c)

顶隙
c
c=c*m
按规定
渐开线蜗杆齿根圆直径
db1
db1=d1.tgr/tgrb=mz1/tgrb

蜗杆齿顶高
ha1
ha1=ha*m=1/2(da1-d1)
按规定
蜗杆齿根高
hf1
hf1=(ha*+c*)m=1/2(da1-df1)

蜗杆齿高
h1
h1=hf1+ha1=1/2(da1+df1)

蜗杆导程角
r
tgr=mz1/d1=z1/q

渐开线蜗杆基圆导程角
rb
cosrb=cosr.cosan

蜗杆齿宽
b1

由设计确定
蜗杆轴向齿厚
sa

sa=1/2(πm)

蜗杆法向齿厚
sn
sn=sa.cosr

蜗杆节圆直径
d1'
d1'=d1+2x2m=m(q+2x2)

蜗杆节圆直径
d2'
d2'=d2

3 理论设计计算
①太阳能装置部分：
1）太阳能发电部分理论发电效率
太阳能电池板功率P=60W。蓄电池蓄电效率约为98%，直流斩波降压电路效率n=90%。最小系统板功耗大约0.05W。步进电机一天工作26次，每次工作1分钟，可以折算为大约P1=0.1W。所以，该部分理论发电效率约为97%，几乎不损耗。

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2）模块设计计算

<1>太阳能电池板

本装置的太阳能电池板为50W/12V。
尺寸： 长×宽×高=320×160×25mm

<2>蓄电池

蓄电池充放电控制由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定。太阳能光伏发电系统中队蓄电池放电控制药比普通电池充放电控制复杂。充放电控制电路设计的成功将决定成品的成功，一个正确的控制电路应具有以下功能：防止反充电功能，防止过充电功能，防止蓄电池过放电功能，盐酸蓄电池的温度补偿功能。

<3>降压/稳压电路
考虑到该装置为蓄电池直流供电，所以采用降压斩波电路，脉冲调宽型。

降压斩波电路图

型号：12V7AH

脉冲发生装置电路图
<4>步进电机及驱动模块

步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，因此非常适合于单片机控制。它的的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，控制换相顺序。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的。控制步进电机的速度，即给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步，两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机：12V/0.42A 四相。 驱动模块使用THB6404芯片。

步进电机控制图

步进电机控制（PCB）

<4>主控电路。
主控模块主要使用单片机来控制电机转动。

主控制图（PCB）
②风能装置部分:
为满足金秀地区家庭用电需要，设备设定额定功率为200w。
1）风能的计算公式
下面这个公式就是著名的“风能公式”：
E=1/2（ρtsυ3）
式中：ρ———空气密度（千克/米2）；
υ———风速（米/ 秒）；
t———时间（秒）；
S———截面面积（米2）。
它是风能利用中常常要用的公式。由风能公式可以看出，风能主要与风速、风所流经的面积、空气密度三个因素有关，其关系如下：
（1）风能（E）的大小与风速的立方（υ3）成正比。也就是说，影响风能的最大因素是风速。
（2）风能（E）的大小与风所流经的面积（s）成正比。对于风力发电机来说，就是风能与风力发电机的风轮旋转时的扫掠面积成正比。由于通常用风轮直径作为风力发电机的主要参数，所以风能大小与风轮直径的平方成正比。
（3）风能（E）的大小与空气密度（ρ）成正比。空气密度是指单位体积（m3）所容纳空气的质量（千克）。因此，计算风能时，必须要知道空气密度ρ值。空气密度ρ值与空气的湿度、温度和海拔高度有关。
2）扇叶面积计算
从相关的资料中查到：
在一个标准大气压下,每立方米空气所具有的质量(千克)就是空气密度。空气的密度大小与气温，海拔等因素有关，海拔越高密度越低，我们一般采用的空气密度是指在0摄氏度、绝对标准指标下，密度为1.293kg/m3
通常情况下，即20摄氏度时，取1.205kg/m3。
金秀瑶族自治县多年平均气温17℃，由于地理环境的不同，全县各地年平均气温差异显著，海拔越高，气温越低，变化幅度为每百米0.5℃左右。年平均最热月(七月)平均气温为28.5℃，年平均最冷月(一月)平均气温为8℃，全年平均风速为5.5m/s。
由上述，取温度为20摄氏度时，计算得出扇叶面积为1.995m2。

扇叶配件表：
叶片 45CM三张，PVC管材料
叶轮 外径100MM*厚9MM 铝质材料
联轴器
螺丝

3）电动机选择计算：
发电机组由电动机反接构成，由市面上常用200w风力发电机组参数，
发电机有效功率为：P=750 * 40% * 75%=225w>200w,所以满足功率设计要求。
电机额定参数：
功 率
70W
电压DC21.6V
转速1900r/min
出轴直径8MM
出 轴 长
28MM
电机外型尺寸：
70MM*70MM*105MM（包轴长）
电机内走轴承。
电机扭力：
2.8Kgfcm
型号：
DC-6616-006B
电机类型及产地：
二手直流电机
电机发电参数：
转速528转
输出电压DC6V
功率6W
转速1055转
输出电压DC12V
功率21W
转速1900转
输出电压为额定电压DC21.6V
功率68W
转速2110转
输出电压DC24V
功率70W
发电机起动风速：
3级
风速参考表：
3级 3.4-5.4 M/S
4级 5.5-7.9 M/S
5级 8.0-10.7 M/S
6级 10.8-13.8 M/S
7级 13.9-17.1 M/S

直流电机内部结构

风能部分图

③机械部分
1）基板尺寸：长×宽×高=400×400×25mm
2）主轴尺寸:外径R=33mm内径r =22mm 长度L=1.4m
3）轴承的参数
轴承类型
内径
外径
宽度
Cr
Cor
脂润滑转速
油润滑转速
重量
(mm)
(mm)
(mm)
(kN)
(kN)
(r/min)
(r/min)
(kg)
圆锥滚子轴承
50
80
20
61
89
4500
5600
0.366
4）太阳能板和蜗轮蜗杆的连接杆尺寸
直径R=8.5mm 长度L=200mm

4 工作原理及性能分析
①太阳能装置部分
工作原理 ：此控制系统根据当地每日日出时刻设定太阳能电池板初始朝向，使之与晨线平行，同时根据一个恒星日长度（23小时56分4秒），预设步进电机转速，使太阳能电池板始终正对太阳，实现最大功率跟踪。白天装置通过单片机控制步进电机的转动，步进电动机控制蜗轮蜗杆传动以保证此装置按设定的速度转动，使硅太阳能电池板最大限度地正对太阳光线，太阳光照射到太阳能电池极板产生的电流对蓄电池充电；太阳落山之后，一方面通过单片机的控制步进电机驱动蜗轮蜗杆转动，使装个装置按原来的方向返回到初始位置，次日继续跟踪；另一方面由蓄电池直流或交流供家庭用电使用。
性能分析：该部分的控制系统和程序都是比较简单、易调试的，因此，系统比较稳定。系统的功耗很低，因此，太阳能发电部分的产能效率比较高。

②风能装置部分：该部分由机头、叶片、发电机、尾翼、转体组成。叶片用来接受风力并通过机头转为电能，尾翼是叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能，转体能是机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能。风力发电机因风量不稳定，需经充电器整流，在对蓄电池充电，才能保证稳定输出电流，以供家庭使用。当阴雨天时，风速较大时可以实现单片机控制风力发电，并使太阳能板停止转动，从而有效地利用太阳能板。

5 创新点及应用
①应用效益高：使太阳光利用效率始终处于最佳状态，相同条件下比固定式太阳能电池板工作效率高；
②采能效率高：使用太阳能和风能的互补发电的特性，不论是在什么时候都能保证无间断供电；
③跟踪精度高：用单片机控制电机转动，使太阳能电池板面始终与太阳光保持基本垂直角度；
④传动方式简单、可靠：本装置用蜗轮蜗杆代替齿轮传动，利用蜗轮蜗杆传动装置具有的自锁性，可实现反向自锁，抗风且适当减速。

6. 关键技术问题
①机械方面:整个机构的有效连接，减小在机械运动方面的能耗；在风力较大时，如何固定好太阳能板；
②电路方面：由于太阳能光伏发电系统和风能发电的的输入能量极不稳定，防止反充电功能，防止过充电功能，防止蓄电池过放电功能等；利用单片机判断太阳能和风能的主导型，进而是单片机控制太阳能电池板运动；

7. 预计应用前景
虽然现在国家在逐步实现“村村通”的电力工程，但是对于土地面积占全国的三分之二以上，经济落后，人口增长快，财政收入水平低和公共投入严重不足的偏远贫困山区，高原地区或游牧地区，要真正实现电线到户，家家通电是很难做到的。但是在这些地区，太阳能和风能都相当丰富。
以广西壮族自治区金秀瑶族自治县为例，总面积2518平方公里，人口14.81万人，属南亚热带季风气候区，季节性气候变化很明显，太阳能风能资源丰富，但因贫困，大部分村子，山区群众出行难、喝水难、用电难。
我国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤，中国风能储量居世界首位，而太阳能、风能作为绿色能源不污染环境，不走先污染后治理的老路。太阳能和风能利用行业正面临着难得的行业机遇和广阔的市场空间，产业前景令人期待。
所以我们利用太阳能板和风力发电的模式研发该装置把这两种形式的能量转化为电能，实现风能光能互补，为他们提供生活必须的电能。
该装置体积小，易于搬运，成本低，适合全国三分之二偏远贫困山区、高原地区或游牧地区等，保证他们的基本用电真正实现“村村通”电力工程。如能正常投入生产使用，其投资回收、盈亏平衡、ENPV、EIRR、ENPVR等技术经济指标均在可实现正常范围之内。

参考文献：
【1】 李宝骏.太阳能光导采光设计原理[M].沈阳：东北大学出版社，1933
【2】 葛新石.太阳能工程原理和应用[M].北京：学术期刊出版社，1988
【3】杨景常.杨燕翔.杨晓龙.杨帆采用微功耗控制器提高光伏效率[期刊论文]-太阳能学报 2003(3)
【4】田玮.王一平.韩立君.刘永辉.张金利聚光光伏系统的技术进展[期刊论文]-太阳能学报 2005(4)
【5】薛建国基于单片机的太阳能电池自动跟踪系统的设计[期刊论文]-长春师范学院学报（自然科学版） 2005(3)
【6】刘振起太阳能集能器自动跟踪装置[期刊论文]-节能 2003(9)

谢 辞

本项目能够顺利进行，得益于黄柳钧老师的悉心指导，从资料的收集到装置的制作，导师都给我们很大的帮助，并教会我们使用各种工具，我们的实践动手能力有了进一步的提高。导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我们影响深远，不仅使我们掌握了基本的科学研究方法，还让我们领悟了许多为人处世的道理。本项目从选题到完成，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！

附录

1.底座

2.齿轮

3.电机

4.风能底座支撑

5.风能前端

6.风能主件

7.风叶

8.太阳能板

9.太阳能板底座支撑

10.太阳能底座

11.太阳能板转动轴

12.轴承

13.涡轮蜗杆