论文部分内容阅读
摘要： 系统由太阳能发电装置、垂直轴叶轮式风力发电装置、远程遥控系统、跟踪控制系统、控制电路、储能电源等组成，通过太阳方位传感器把太阳方位信号传递给跟踪控制系统，跟踪控制系统调整太阳能电池板正对太阳光方向，使太阳能电池板始终随太阳转动，使其达到最佳的光电转换效果，垂直轴叶轮式风力发电系统克服叶片易受风向干扰的问题，使风力资源利用率大大提高，GSM远程控制系统能异地控制用电系统，从而节约能源。
关键词： 风光互补系统；单片机；太阳能；风能；远程控制
中图分类号：TM614；TM615；TN919.2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1110018－02
0 引言
近几年，我过国不断加强对太阳能、风能等可再生能源的开发利用，年增长率达50%以上。由于风能、太阳能资源在时空上具有互补性，因此风光互补发电成为一种重要的能源利用方案。如今，将太阳能和风能结合发电的产品并不少见，但在实际中无论是太阳能发电还是风能发电，能源利用率都不是很高。目前商业化光伏电池利用效率为15%左右，传统的风力发电机利用率也只有30%左右。加之用电设备的能源浪费比较严重，因此生产高效持久多能源的发电和用电系统势在必行。
1 系统总体设计
本系统分为发电和用电两部分。
发电部分由太阳能发电系统、垂直轴叶轮式风力发电系统和储能电源三大部分组成。1）太阳能发电系统：其通过太阳光方位传感器测量太阳能电池阵列是否正对太阳光，如果没有正对太阳光，太阳光方位传感器根据其测量的太阳能电池阵列与太阳光的偏向，向控制系统发送信号，由控制系统控制舵机旋转，当传感器测量到太阳能电池阵列和太阳光正对时，传感器向控制系统发送信号，控制系统控制舵机停止旋转；同时还设有太阳能聚光盘。2）垂直轴叶轮式风能发电系统：其采用四面收集风能的方式收集风能，克服了叶片易受风向干扰的问题，更加高效的利用能源，并将之转换成电能。3）储能电源：利用逆变器进行电能储能。用电部分主要通过采用GSM远程遥控系统控制用电器的开关，减少不必要的电能损失。其系统结构图如图1所示。
图1系统结构框架图
2 各部分模块设计
2.1 太阳能电池板自动跟踪模块
太阳方位传感系统主要由光敏晶体管、挡板、信号输出线组成。本装置使用了光照强度与直射面积成正比的原理，通过光敏晶体管采集不同的光信号，通过信号输出线传送至控制中心。其原理图如图2所示。
太阳能电池板自动跟踪模块如图3所示，感光电路的输出信号与电动机的运转同步，即随着电动机的运转，光电三极管的感光程度也能随时变化。为此，该装置在形式设置上，须将4个光电三极管紧邻排放在轴套上。光电三极管VT1、VT2在感受光亮度小时，其本身电阻较大，这时V1、V2均各自有一较小值。当感受的光亮度变化时，其本身电阻变小，V1、V2也会相应增加到各自数值。如果我们在初始时，在光照度相同的情况下将V1、V2调整到相等值，这样，只要VT1、VT2的受光程度稍有不同，电压比较器A3就能精确地区别出来，再利用A3输出的结果，使得在VI>V2，即V0为“1”；在VI
图2传感原理图 图3太阳能电池板自动跟踪传感电路
2.2 控制模块
模块采用单片机AT89S52，其工作电压为5伏，采用12MHZ的晶振，用ULN2003作为步进电机驱动模块，通过程序控制步进电机的转向。步进进角为7.5度，一圈360度，需要48个脉冲完成，该舵机有3色引线，排列次序如下：1：红色、2：橙色、3：黑色。电机驱动引脚依次与黑色、红色、橙色引脚对应。
图4太阳能电池板跟踪转向电路图
2.3 太阳能增强模块
太阳能增强模块主要使用了聚光盘。聚光盘采用了光线的反射原理，太阳光线通过聚光盘，把太阳光反射到太阳能电池板，聚光盘和太阳能电池板一起由跟踪控制系统控制，并通过电动机调整转向。实际设计可根据装置的形状设计多个聚光装置，用此增强太阳能的利用率。其原理图如图5所示。
图5太阳能增强原理图
2.4 垂直轴叶轮模块
垂直轴叶轮式风力发电装置避免风向的影响，有风就能转动，通过叶轮转动带动发电机转动，用此增强了风能的利用率。其结构图如图6所示。
图6垂直轴叶轮结构图
图7GSM远程遥控系统原理图
2.5 GSM远程遥控系统
GSM系统有几项重要特点：网络容量大、手机号码资源丰富、通话清晰、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、手机耗电量低。目前，GSM系统已经非常普及，在实现远程传输时无须再构建一个GSM网络，而只需直接连接一个GSM发射和接收模块，就可以实现远程控制。其原理图如图7所示。
3 技术领域与理论设计
3.1 技术领域
本实用新型发电、用电系统主要用来解决当今的能源危机问题。本系统采用了太阳能的增强系统和垂直轴叶轮式风力发电系统，实现了太阳能、风能双利用，而且加强了两能源的利用率。远程控制能及时控制用电系统的启动和关闭，能够减少不必要的能源损失。
3.2 实验数据
1）太阳能电池板的采光效率：多晶硅板的光电转换效率在12%左右。经测试，在大小为301×356×28mm的电池板上，在光照良好的室外，光照面接触太阳一小时产生的电源功率为120W，工作电压17±0.5V，工作电流0.59±0.05A，短路电流0.65±0.05A，开路电压21.5±0.5V；
2）垂直轴叶轮式风力发电机的工作效率：经测试，所选用的微型风力发电机在风速为三级风时即可工作，连续吹拂4小时，输出并贮存到蓄电池里的能量将近为400W·h，考虑到铅蓄电池的转换效率为70%左右，则实际可利用的能量280W·h左右。
4 结论
本系统综合利用了太阳能风能，将太阳能发电和风力发电结合在一起，提高了能源的综合利用率，更好地开发利用洁净的可再生能源。太阳光经过聚光盘反射到太阳能电池板上，增加太阳能电池板对太阳能的吸收。太阳能发电采用自动跟踪太阳的电路，使太阳能电池板受光面始终处于光照最强的位置，提高太阳能的利用率。垂直轴叶轮式风力发电系统的使用提高了风能的利用率。在实现远程传输时无须再构建一个GSM网络，使用起来很方便。通过电话、短信、网络进行远程控制用电器的使用，减少能源的浪费，适合普及到家家户户。
经过多次实验证明，此装置发电能力较强，效率高，控制系统稳定，操作简单，节能环保，可以推广和普及。此装置可以用于很多方面，比如家庭用电控制系统，既节能又环保，具有很好实用前景；此装置还可以用于那些电路设施难以铺设的偏远地区或者山区，解决偏远地区或者山区的日常用电；此装置的发电部分也可以用于已经基本成熟的太阳能汽车、太阳能热水器等技术，改善和提高其发电能力和效率。
参考文献：
[1]机械工程手册会编，机械工程手册第2版，北京：机械工业出版社，1995.
[2]灵敏的电子向日葵装置，无线电，2005.1，总第508期.
[3]邓振杰、齐建玲等，基于GSM远程监控系统的设计[J].微计算机信息，2007.6.1：120-122.
[4]何立民，单片机高级教程第1版，北京：北京航空航天大学出版社，2001.
[5]张伯泉、杨宜民，风力和太阳能光伏发电状况及发展趋势[J].中国电力，2006（6）：65-69.
作者简介：
陈建国（1989-），男，江苏盐城人，本科，主要研究方向为机械设计制造及其自动化；何新君（1990-），男，江苏无锡人，本科，主要研究方向为机械设计制造及其自动化；马茂卫（1990-），男，江苏盐城人，本科，主要研究方向为机械设计制造及其自动化；范仲华（1987-），男，江苏南通人，本科，主要研究方向为机械设计制造及其自动化；滕道祥（1962-），男，江苏徐州人，副教授，太阳能光伏。
关键词： 风光互补系统；单片机；太阳能；风能；远程控制
中图分类号：TM614；TM615；TN919.2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1110018－02
0 引言
近几年，我过国不断加强对太阳能、风能等可再生能源的开发利用，年增长率达50%以上。由于风能、太阳能资源在时空上具有互补性，因此风光互补发电成为一种重要的能源利用方案。如今，将太阳能和风能结合发电的产品并不少见，但在实际中无论是太阳能发电还是风能发电，能源利用率都不是很高。目前商业化光伏电池利用效率为15%左右，传统的风力发电机利用率也只有30%左右。加之用电设备的能源浪费比较严重，因此生产高效持久多能源的发电和用电系统势在必行。
1 系统总体设计
本系统分为发电和用电两部分。
发电部分由太阳能发电系统、垂直轴叶轮式风力发电系统和储能电源三大部分组成。1）太阳能发电系统：其通过太阳光方位传感器测量太阳能电池阵列是否正对太阳光，如果没有正对太阳光，太阳光方位传感器根据其测量的太阳能电池阵列与太阳光的偏向，向控制系统发送信号，由控制系统控制舵机旋转，当传感器测量到太阳能电池阵列和太阳光正对时，传感器向控制系统发送信号，控制系统控制舵机停止旋转；同时还设有太阳能聚光盘。2）垂直轴叶轮式风能发电系统：其采用四面收集风能的方式收集风能，克服了叶片易受风向干扰的问题，更加高效的利用能源，并将之转换成电能。3）储能电源：利用逆变器进行电能储能。用电部分主要通过采用GSM远程遥控系统控制用电器的开关，减少不必要的电能损失。其系统结构图如图1所示。
图1系统结构框架图
2 各部分模块设计
2.1 太阳能电池板自动跟踪模块
太阳方位传感系统主要由光敏晶体管、挡板、信号输出线组成。本装置使用了光照强度与直射面积成正比的原理，通过光敏晶体管采集不同的光信号，通过信号输出线传送至控制中心。其原理图如图2所示。
太阳能电池板自动跟踪模块如图3所示，感光电路的输出信号与电动机的运转同步，即随着电动机的运转，光电三极管的感光程度也能随时变化。为此，该装置在形式设置上，须将4个光电三极管紧邻排放在轴套上。光电三极管VT1、VT2在感受光亮度小时，其本身电阻较大，这时V1、V2均各自有一较小值。当感受的光亮度变化时，其本身电阻变小，V1、V2也会相应增加到各自数值。如果我们在初始时，在光照度相同的情况下将V1、V2调整到相等值，这样，只要VT1、VT2的受光程度稍有不同，电压比较器A3就能精确地区别出来，再利用A3输出的结果，使得在VI>V2，即V0为“1”；在VI
图2传感原理图 图3太阳能电池板自动跟踪传感电路
2.2 控制模块
模块采用单片机AT89S52，其工作电压为5伏，采用12MHZ的晶振，用ULN2003作为步进电机驱动模块，通过程序控制步进电机的转向。步进进角为7.5度，一圈360度，需要48个脉冲完成，该舵机有3色引线，排列次序如下：1：红色、2：橙色、3：黑色。电机驱动引脚依次与黑色、红色、橙色引脚对应。
图4太阳能电池板跟踪转向电路图
2.3 太阳能增强模块
太阳能增强模块主要使用了聚光盘。聚光盘采用了光线的反射原理，太阳光线通过聚光盘，把太阳光反射到太阳能电池板，聚光盘和太阳能电池板一起由跟踪控制系统控制，并通过电动机调整转向。实际设计可根据装置的形状设计多个聚光装置，用此增强太阳能的利用率。其原理图如图5所示。
图5太阳能增强原理图
2.4 垂直轴叶轮模块
垂直轴叶轮式风力发电装置避免风向的影响，有风就能转动，通过叶轮转动带动发电机转动，用此增强了风能的利用率。其结构图如图6所示。
图6垂直轴叶轮结构图
图7GSM远程遥控系统原理图
2.5 GSM远程遥控系统
GSM系统有几项重要特点：网络容量大、手机号码资源丰富、通话清晰、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、手机耗电量低。目前，GSM系统已经非常普及，在实现远程传输时无须再构建一个GSM网络，而只需直接连接一个GSM发射和接收模块，就可以实现远程控制。其原理图如图7所示。
3 技术领域与理论设计
3.1 技术领域
本实用新型发电、用电系统主要用来解决当今的能源危机问题。本系统采用了太阳能的增强系统和垂直轴叶轮式风力发电系统，实现了太阳能、风能双利用，而且加强了两能源的利用率。远程控制能及时控制用电系统的启动和关闭，能够减少不必要的能源损失。
3.2 实验数据
1）太阳能电池板的采光效率：多晶硅板的光电转换效率在12%左右。经测试，在大小为301×356×28mm的电池板上，在光照良好的室外，光照面接触太阳一小时产生的电源功率为120W，工作电压17±0.5V，工作电流0.59±0.05A，短路电流0.65±0.05A，开路电压21.5±0.5V；
2）垂直轴叶轮式风力发电机的工作效率：经测试，所选用的微型风力发电机在风速为三级风时即可工作，连续吹拂4小时，输出并贮存到蓄电池里的能量将近为400W·h，考虑到铅蓄电池的转换效率为70%左右，则实际可利用的能量280W·h左右。
4 结论
本系统综合利用了太阳能风能，将太阳能发电和风力发电结合在一起，提高了能源的综合利用率，更好地开发利用洁净的可再生能源。太阳光经过聚光盘反射到太阳能电池板上，增加太阳能电池板对太阳能的吸收。太阳能发电采用自动跟踪太阳的电路，使太阳能电池板受光面始终处于光照最强的位置，提高太阳能的利用率。垂直轴叶轮式风力发电系统的使用提高了风能的利用率。在实现远程传输时无须再构建一个GSM网络，使用起来很方便。通过电话、短信、网络进行远程控制用电器的使用，减少能源的浪费，适合普及到家家户户。
经过多次实验证明，此装置发电能力较强，效率高，控制系统稳定，操作简单，节能环保，可以推广和普及。此装置可以用于很多方面，比如家庭用电控制系统，既节能又环保，具有很好实用前景；此装置还可以用于那些电路设施难以铺设的偏远地区或者山区，解决偏远地区或者山区的日常用电；此装置的发电部分也可以用于已经基本成熟的太阳能汽车、太阳能热水器等技术，改善和提高其发电能力和效率。
参考文献：
[1]机械工程手册会编，机械工程手册第2版，北京：机械工业出版社，1995.
[2]灵敏的电子向日葵装置，无线电，2005.1，总第508期.
[3]邓振杰、齐建玲等，基于GSM远程监控系统的设计[J].微计算机信息，2007.6.1：120-122.
[4]何立民，单片机高级教程第1版，北京：北京航空航天大学出版社，2001.
[5]张伯泉、杨宜民，风力和太阳能光伏发电状况及发展趋势[J].中国电力，2006（6）：65-69.
作者简介：
陈建国（1989-），男，江苏盐城人，本科，主要研究方向为机械设计制造及其自动化；何新君（1990-），男，江苏无锡人，本科，主要研究方向为机械设计制造及其自动化；马茂卫（1990-），男，江苏盐城人，本科，主要研究方向为机械设计制造及其自动化；范仲华（1987-），男，江苏南通人，本科，主要研究方向为机械设计制造及其自动化；滕道祥（1962-），男，江苏徐州人，副教授，太阳能光伏。