小型風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計

收稿日期：2023-02-07

通信作者：趙一堯（2001—），男，學(xué)士，主要從事高壓電設(shè)備方面的研究。oneyao@stu.xjtu.edu.cn

DOI： 10.19911/j.1003-0417.tyn20230207.01 文章編號：1003-0417（2024）02-96-07

摘 要：針對新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)牧地區(qū)自然資源優(yōu)勢及日益增長的用電需求，設(shè)計了一種可移動式小型風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，用于滿足當(dāng)?shù)鼐用窦澳撩駥Ρ銛y式發(fā)電設(shè)備的需求。對該發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計方案、硬件及軟件的設(shè)計分別進行了介紹，并通過實驗驗證了該發(fā)電系統(tǒng)能較穩(wěn)定的跟蹤太陽。該發(fā)電系統(tǒng)整體上實現(xiàn)了太陽能、風(fēng)能的獨立及互補發(fā)電，提高了資源利用率，且其結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，作為初級階段的研究成果可供相關(guān)設(shè)計參考。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；風(fēng)能；太陽能；風(fēng)光儲；聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)；穩(wěn)壓模塊

中圖分類號：TP272/TM615 文獻標(biāo)志碼：A

0" 引言

隨著中國“雙碳”目標(biāo)的提出和落實，新能源產(chǎn)業(yè)正受到越來越多的關(guān)注，而新型電力系統(tǒng)作為新能源領(lǐng)域中的第一梯度方陣，對于“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)具有極其重要的推動作用[1]。

新疆維吾爾自治區(qū)大部分農(nóng)牧地區(qū)的人口密度小，距離中心城市較遠，架設(shè)大規(guī)模電網(wǎng)難度較大；并且大多數(shù)牧民仍保留轉(zhuǎn)場習(xí)慣，攜帶大型發(fā)電設(shè)備較為不便?；谝陨咸攸c和用電需求，考慮到此類地區(qū)豐富的太陽能、風(fēng)能資源，本文設(shè)計一種可移動式小型風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，并對該發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計方案、硬件及軟件的設(shè)計分別進行介紹，然后通過實驗對該發(fā)電系統(tǒng)的太陽跟蹤性能進行驗證。

1" 總體設(shè)計方案

本文設(shè)計的可移動式小型風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)仍處于初級階段，其主要由光伏逐日模塊、風(fēng)電機組模塊、蓄電池組模塊這3大模塊組成。光伏逐日模塊主要包括兩塊10V/3W的光伏組件、光敏傳感器模塊、雙軸舵機跟蹤機構(gòu)、穩(wěn)壓模塊（6～40 V轉(zhuǎn)5V/3A）、單片機主控模塊等[2]。風(fēng)電機組模塊主要包括三葉片阻力型垂直軸風(fēng)電機組（最大功率為100 W）、電流電壓可調(diào)穩(wěn)壓模塊（5.3～35.0 V/1.2～32.0 V/0～12 A）。蓄電池組模塊主要包括5V/2A、2000 mAh及5V/1A、2000 mAh鋰電池各1塊、穩(wěn)壓模塊（5V/12V輸入5 V輸出）。

光敏傳感器模塊為光伏逐日模塊的核心，其包括4個光敏傳感器，平均分布在光伏組件4個邊的中點位置，代表4個方位。光敏傳感器將接收到的光信號（模擬信號）轉(zhuǎn)換成電信號（數(shù)字信號），利用每個光敏傳感器上輸出電信號的區(qū)別構(gòu)成偏差信號，從而驅(qū)動電機。由單片機主控模塊對4個方位輸出的數(shù)字信號進行讀取與比對，形成反饋信號后傳遞至雙軸舵機跟蹤機構(gòu)，此時雙軸舵機跟蹤機構(gòu)將帶動光伏組件在水平軸（東西方向）和俯仰軸（南北方向）進行太陽跟蹤，直至反饋信號為零（以零為中心的一個小區(qū)間，存在±0.01的誤差）時即可視為光伏組件與太陽光垂直。將光伏組件輸出的電能經(jīng)穩(wěn)壓模塊穩(wěn)壓后，輸入到蓄電池組中儲存。風(fēng)電機組模塊中，阻力型垂直軸風(fēng)電機組可直接對風(fēng)能進行轉(zhuǎn)化，但因風(fēng)能具有較大的不確定性，因此其輸出的電能須經(jīng)電流電壓可調(diào)穩(wěn)壓模塊后才能輸入到蓄電池組中儲存。

2" 硬件設(shè)計

2.1" 單片機主控模塊中單片機的選擇

光伏逐日模塊中單片機主控模塊的單片機選用STC89C52。STC89C52單片機是采用互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝制成的8位微控制器[3]，其帶有8 k字節(jié)的Flash和2 k字節(jié)的帶電可擦可編程只讀存儲器（EEPROM）。該單片機擁有典型的結(jié)構(gòu)、較為完善的總線、專用的寄存器，以及眾多的邏輯位操作功能和豐富的指令系統(tǒng)，其內(nèi)部從硬件到軟件均擁有一套完整的按位操作系統(tǒng)。該單片機因具有價格低、耗電少和性能好的優(yōu)點，非常適合作為小型系統(tǒng)的控制芯片，在市場得到大量應(yīng)用。STC89C52單片機的引腳圖如圖1所示。

2.2" 光敏傳感器模塊設(shè)計

目前常見的太陽跟蹤方式主要有光敏傳感器跟蹤[4]、視日運動軌跡跟蹤[5]、時控跟蹤、控放式自動跟蹤及多種跟蹤方式組合等。結(jié)合本文的設(shè)計目標(biāo)和實際情況，最終選擇光敏傳感器跟蹤作為光伏組件跟蹤太陽時的方式。

目前常見的光敏傳感器類型主要有四象限傳感器、位置探測器（PSD）、壓差式傳感器3種。四象限傳感器是采用光刻技術(shù)，將光敏傳感器探測面等分成大小相同的4個區(qū)域，形成四個象限，當(dāng)太陽光照射到傳感器表面時，不同的光照會在不同象限產(chǎn)生不同強度的光電流，通過比較產(chǎn)生的光電流可得出光線的偏移位置[6]。四象限傳感器的操作較為簡單，且結(jié)果較為可靠，因此本文采用此種傳感器。

本設(shè)計使用的光敏傳感器采用GY-30模塊，該模塊是一款基于IIC通信協(xié)議的16Bit的數(shù)字型傳感器。該模塊主要是以BH1750數(shù)字型光強感應(yīng)芯片為核心，并含有一些外圍驅(qū)動電路[7]，其直接以數(shù)字形式輸出，省略了復(fù)雜的計算過程，擁有接近于視覺靈敏度的分光特性，可靠性和性價比均較高。GY-30模塊的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。圖中：SCL為兩線式串行總線的時鐘線；SDA為兩線式串行總線的數(shù)據(jù)線；ADDR為地址引腳；GND為電線接地端；PD為光電二極管；DVI為數(shù)字視頻接口；AMP為數(shù)字信號放大器；OSC為光敏傳感器轉(zhuǎn)換器；“Logic+I2C Interface”為支持IIC通信協(xié)議的數(shù)字芯片；ADC為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。本文的供給電壓取 3～5 V。

4個光敏傳感器整體構(gòu)成光敏檢測電路，其示意圖如圖3所示。圖中：A、B均為電位點；R為電阻；Vcc為電路的供電電壓，3V3表示電壓值為3.3 V；GND為電線接地端；PA為傳輸線。

以圖3中左側(cè)圖為例，A電位點經(jīng)電阻為10 kΩ的電阻R2接3.3 V供電電壓源，經(jīng)光敏檢測電阻R3（為可調(diào)電阻）接地，并經(jīng)PA0將信號傳輸至控制器。

結(jié)合圖3可知：當(dāng)太陽光垂直入射光伏組件時，R3、R8均呈高阻態(tài)，A、B兩點的電位相等，控制器接收到的差值信號為零，所以不輸出電機控制信號。當(dāng)太陽光僅使R8呈高阻態(tài)時，A點的電位高于B點的電位，單片機控制電機向A點轉(zhuǎn)動；相反，若僅R3呈高阻態(tài)時，則B點的電位高于A點的電位，單片機控制電機向B點轉(zhuǎn)動。電機俯仰方向轉(zhuǎn)動原理與此處相同。光伏組件選用市面較為常見的10V/3W光伏組件。

2.3" 雙軸舵機跟蹤機構(gòu)設(shè)計

本雙軸舵機跟蹤機構(gòu)由兩個位置相互獨立且垂直的電機組成，相互配合來調(diào)整光伏組件在水平方向和俯仰方向的位置[8]，從而實現(xiàn)逐日，其工作原理圖如圖4所示。圖中：θ1、θ2均為輸入的比較信號；M1、M2分別為水平軸和垂直軸方向的電機。

電機是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為機械能的電子設(shè)備，其主要類型包括直流電機、交流電機、步進電機、無刷電機和伺服電機等。伺服電機是一種旋轉(zhuǎn)執(zhí)行機構(gòu)，其并不需要整圈旋轉(zhuǎn)，只需要一定的旋轉(zhuǎn)角度并維持住，可根據(jù)電流等級產(chǎn)生相應(yīng)扭矩和角速度。本文采用MG996R型伺服電機，其可提供13 kg/cm的轉(zhuǎn)矩，該伺服電機的3D模型圖如圖5所示。

MG996R型伺服電機采用三線金屬齒輪轉(zhuǎn)子，這3根線分別為系統(tǒng)地線（棕色）、電源線（紅色，可提供3.0～7.2 V電壓）、信號線 （藍色，可傳輸脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號）。

該伺服電機的控制系統(tǒng)需要1個約為20 ms的時基脈沖，該脈沖的高電平部分一般是輸入信號脈沖寬度為0.5～2.5 ms的角度控制脈沖[9]，輸入信號脈沖寬度與0°～180°電機輸出轉(zhuǎn)角相對應(yīng)，具體如表1所示。

2.4" 風(fēng)電機組模塊

市面上常見的風(fēng)電機組主要有異步型和同步型兩種，同步型又可分為水平軸風(fēng)電機組和垂直軸風(fēng)電機組兩大類。其中，水平軸風(fēng)電機組是目前世界上使用最多的風(fēng)電機組形式，其旋轉(zhuǎn)軸與葉片垂直，通常與地面平行。

水平軸風(fēng)電機組葉片的旋轉(zhuǎn)空間大、轉(zhuǎn)速高，適用于大型風(fēng)電場，其發(fā)展歷史悠久，目前已經(jīng)達到大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)程度。但此類風(fēng)電機組也面臨占地面積大、啟動風(fēng)速較高、對風(fēng)向要求高等問題，且由于其通常工作在高空，安裝和維修均較為不便。國內(nèi)外大量案例表明，水平軸風(fēng)電機組在城市地區(qū)經(jīng)常不轉(zhuǎn)動，而在中國西北等高風(fēng)速地區(qū)又容易出現(xiàn)風(fēng)電機組折斷、葉片脫落等問題。

與水平軸風(fēng)電機組相比，垂直軸風(fēng)電機組的發(fā)電效率高，對風(fēng)的轉(zhuǎn)向沒有要求，葉片轉(zhuǎn)動空間小，抗風(fēng)能力強（可抗12～14級臺風(fēng)），啟動風(fēng)速小且維修保養(yǎng)簡單[10]。得益于機翼等的設(shè)計結(jié)構(gòu)，該類風(fēng)電機組基本不產(chǎn)生噪音，非常適合新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)牧地區(qū)的實際情況，且其對風(fēng)向無要求，也較適合搭載到移動載體上。

本文選用三葉片阻力型垂直軸風(fēng)電機組，其內(nèi)部采用兩相盤式無鐵芯發(fā)電機，最大輸出功率可達100 W。此風(fēng)電機組具有體積小、重量輕、占地面積小、攜帶和移動方便且微風(fēng)啟動的特點，很適合本設(shè)計。該風(fēng)電機組的實物圖如圖6所示。

由于風(fēng)力具有較大的不確定性，導(dǎo)致風(fēng)電機組輸出功率可能會在短時間內(nèi)大幅升高，因此，風(fēng)電機組輸出的電力需先接入相應(yīng)的電流電壓可調(diào)穩(wěn)壓模塊，經(jīng)過穩(wěn)壓模塊降壓后接入蓄電池組。

2.5" 蓄電池組

蓄電池組采用上海芯靈科技有限公司生產(chǎn)的5V/2A、2000 mAh鋰電池和5V/1A、2000 mAh、

鋰電池各1塊，這兩塊鋰電池內(nèi)部自帶充放電模塊，但不帶電壓轉(zhuǎn)換模塊，因此風(fēng)電機組和光伏組件產(chǎn)生的電能需經(jīng)相應(yīng)穩(wěn)壓模塊穩(wěn)壓處理后才能儲存到蓄電池組。

2.6" 電路的穩(wěn)壓模塊

本發(fā)電系統(tǒng)中的穩(wěn)壓模塊整體起到降壓保護電路的作用。

1）光伏逐日模塊中的穩(wěn)壓模塊的輸入電壓為6～40 V，輸出電壓為5V/3A（最大值），最大轉(zhuǎn)換效率為92%。該模塊用于穩(wěn)定光伏組件的輸出電壓，其輸出的電壓可直接接入蓄電池組。

2）風(fēng)電機組模塊中的電流電壓可調(diào)穩(wěn)壓模塊的輸入電壓通常為5.3～32.0 V（極限高壓為35 V，極限低壓為4 V，電壓低于5.3 V的電流測量不準(zhǔn)確）；輸出電壓為1.2～32.0 V（需保證輸入電壓高于輸出電壓），輸出電流可穩(wěn)定工作在8 A；自然散熱情況下的輸出功率為120 W（8 A內(nèi)），加強散熱情況下的輸出功率為160 W。電流電壓可調(diào)穩(wěn)壓模塊的最大轉(zhuǎn)換效率為96%。

由于風(fēng)電機組輸出功率變換范圍較大，因此在實際應(yīng)用中往往并不是將電流電壓可調(diào)穩(wěn)壓模塊的輸出電壓調(diào)為5 V后再接到蓄電池組中。因為這樣會導(dǎo)致風(fēng)力較大時電流電壓可調(diào)穩(wěn)壓模塊將承受較大的電流，從而產(chǎn)生較大的熱量，不利于其運行。此時在有電流電壓可調(diào)穩(wěn)壓模塊的情況下在蓄電池組模塊中再加入1個穩(wěn)壓模塊，該模塊可以起到輸入電壓可選（5V/12V），輸出電壓恒定（5 V）的作用。當(dāng)風(fēng)力較小或風(fēng)力較大但不連續(xù)時，電流電壓可調(diào)穩(wěn)壓模塊選擇5 V輸出，蓄電池組中的穩(wěn)壓模塊選擇5 V輸入；當(dāng)風(fēng)力較大且連續(xù)時，電流電壓可調(diào)穩(wěn)壓模塊選擇12 V輸出，蓄電池組中的穩(wěn)壓模塊選擇12 V輸入。這樣就保證了本小型風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的整體穩(wěn)定運行，此時便可將電流電壓可調(diào)穩(wěn)壓模塊的電能送入蓄電池中進行儲存。

3" 軟件設(shè)計

本小型風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要針對光伏逐日模塊進行設(shè)計，簡單來講，就是利用4個光敏傳感器捕捉光信號，將其轉(zhuǎn)換為電信號后被單片機讀取，然后經(jīng)過內(nèi)設(shè)算法對4個信號進行兩兩比對，形成偏差信號傳輸給伺服電機，從而驅(qū)動兩個伺服電機在水平-俯仰方向上進行逐日，發(fā)電系統(tǒng)通過不斷對比和調(diào)整，最終實現(xiàn)對太陽光的準(zhǔn)確跟蹤。整個系統(tǒng)形成了典型的閉環(huán)控制，經(jīng)過不斷改進的比例-積分-微分（PID）控制算法，可以實現(xiàn)較為穩(wěn)定的逐日。程序設(shè)計基于Keil平臺，該發(fā)電系統(tǒng)的主控制流程如圖7所示。圖中： LCD1602為字符型液晶顯示器。

4" 實驗及其結(jié)果

對本小型風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)硬件的各模塊進行調(diào)試，然后將各模塊進行整體組裝，組裝完成后的本發(fā)電系統(tǒng)硬件實物圖如圖8所示。

硬件和軟件組裝完成后，將本發(fā)電系統(tǒng)搭載到移動平臺上，分別進行直線移動及非直線移動，并采集光伏組件輸出電壓，以判斷本發(fā)電系統(tǒng)是否能穩(wěn)定跟蹤太陽。不同移動方式下的光伏組件

輸出電壓波形圖分別如圖9、圖10所示。

從圖9、圖10可以看出：兩種移動情況下，光伏組件輸出電壓具有小幅波動，這是由于移動過程中光伏組件短暫的電壓偏移造成的，總體上證明了跟蹤太陽的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。

本發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)其可以實現(xiàn)風(fēng)光互補發(fā)電，光伏逐日模塊也可穩(wěn)定逐日，風(fēng)電機組模塊在風(fēng)速較大和較小時均能穩(wěn)定運行。

5" 結(jié)論

本文從新疆維吾爾自治區(qū)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民及牧民角度出發(fā)，設(shè)計了一款簡易的可移動式小型風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)。該發(fā)電系統(tǒng)總體可實現(xiàn)風(fēng)光互補發(fā)電，且可以實現(xiàn)光伏逐日跟蹤功能；其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，是對風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的初步探索。隨著世界各國環(huán)境保護意識日漸增強，國際上各種環(huán)保組織相繼誕生，世界各族人民逐漸意識到只有一個共同的家。為此，各種新能源技術(shù)迅速發(fā)展，風(fēng)光互補發(fā)電更是其中重要的組成部分。希望本設(shè)計過程可以為其他研究者提供一些經(jīng)驗，也希望該設(shè)計能通過不斷地完善發(fā)展，最終真正應(yīng)用到新疆維吾爾自治區(qū)同胞的生活中。

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Design of small-scale wind-PV-storage combined

power generation system

Zhao Yiyao，Pazilat · M，Guo Zhiyuan，Wang Hongming

（School of Electrical Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830046，China）

Abstract：In response to the natural resource advantages and increasing electricity demand in the agricultural and pastoral areas of Xinjiang Uygur Autonomous Region，this paper designs a portable small-scale wind-PV-storage combined power generation system to meet the needs of local residents and herdsmen for portable electrical equipment. The overall design scheme，hardware and software design of the power generation system are introduced，and it is verified through experiments that the power generation system can stably track the sun. The power generation system as a whole achieves independent and complementary power generation of solar energy and wind energy，improves resource utilization，and has a simple structure and low price. As a preliminary research result，it can provide references for relevant design.

Keywords：PV power generation；wind energy；solar energy；wind-PV-storage；combined power generation system；voltage stabilizing module