小型太阳能一风力发电联合演示装置的设计
汪义旺，张波”，师后琛'，倪有顺，王锐”，张继力
（1.苏州市职业大学电子信息工程学院，江苏苏州215104；2.江苏省光伏发电工程技术研究开发中心，江苏苏州215104）
开发了一种新型的便携式小型太阳能-风力发电联合演示装置，该装置同时采用了垂直轴/水 摘要：针对太阳能光伏和风力等新能源发电技术的科普及相关教育教学应用需求，设计平轴两种风力发电机和晶体硅太阳能电池，纽成太阳能-风力发电联合发电系统，并基于MCU开发了演示控制系统，可以实现对不同风机和太阳能系统的发电演示，并通过对比实验室验证 了装置的准确性.整个装置具有小型便携化、应用简使、可展示性和可扩展性好等特点.
关键词：太阳能；风力发电；小型便携；演示实验；科学善及
中图分类号：TU995文献标志码：B文章编号：1009-3230（2017）01-0047-04
DesignandImplementationofaNovelSolarPhotovoltaic-windPower GenerationJointDemonstrationExperimentalEquipment
WANG Yi - wang'² ZHANG Bo'² SHI Hou - chen' NI You - shun' WANG Rui' ZHANG Ji li (1. School of Electronic and Information Engineering Suzhou Vocational University Suzhou 215104 Jiangsu Province China;
2. Jiangsu Engineering Research Center for PV Generation Suzhou 215104 Jiangsu Province China)
Abstract:Aiming at the science popularization and related edeational aplication requirements ofsolar photovoltaic and wind power generation new energy technologies a novel type of portable smallwhich using the vertical axis / horizontal axis wind turbines and two kinds of crystalline silicon solarphotovoltaic cells forming a solar photovoltaic -wind power generation joint demonstrationexperimental system and the presentation control system based on MCU was developed the system can achieve different wind turbine and solar power generation system demonstration. The designeddemonstration experimental equipment has characteristics of small portable easy to use and goodscalability which Suitable for popularization.
Key words: Solar energy : Wind power; Small portable; Demonstration experimental equipment; Science popularization
伏发电和风力发电等为主的清洁可再生能源系统利用越来越广泛和普及.其中，太阳能光伏发电 是通过专用的光电转换设备将太阳能直接转换成电能，而风力发电是将风能转换成机械能后带动发电机进行电能输出再利用的.作为两种重要的新能源发电形式，其规模化应用时间相对于常规的化石能源比较短，也是随着技术的不断 进步面逐渐推广应用的.
0引言
近年来，新能源发电技术，特别是以太阳能光
为了适应太阳能光伏和风力发电技术的普及的实验装置或者平台1.为了更好的普及和推 和教育教学等的需要，目前也已有一些专门专业广太阳能-风力发电技术，文中专门设计了一种新型的便携式小型联合演示装置.该装置创新的将垂直轴/水平轴两种常用的风力发电机，以及常见的晶体硅太阳能发电技术设计到一起，可以同时演示不同的发电类型，并结合MCU数字技术开 发了对应的演示系统.
图3风力发电机图片
采用永磁式直流发电机，其输出电压近似的与风叶的转速成正比.因此通过测量电机的输出电压即可直观演示风力发电的相关原理和技术特性[12].
1演示装置构成
所设计的小型太阳能-风力发电联合演示装置组成结构图如图1所示.装置由风力发电机组（包括垂直轴和水平轴组成）、太阳能光伏电池片和测控演示系统组成.
1.2太阳能电池
太阳能光伏发电是通过太阳能电池（组件）将太阳能辐射转换成直流电能输出.目前，最常用的太阳能电池为晶体硅太阳能电池，太阳能光伏电池的等效电路[1，如图4所示.
图1演示装置构或图
1.1风力发电机组（-1]
们具有各自的特点.其中，由于水平轴风力发电 风力发电机可分为水平轴和垂直轴两种，它技术和理论发展相对成熟，其应用的规模要比垂直轴相对更广泛些.近年来，随着垂直轴技术等方面的发展，垂直轴特别是小型风力发电机在路用推广.常见的水平轴和垂直轴的风力发电机图 灯、渔船、通讯基站等一些场合也获得了逐渐的应片如图2所示[].
图4太阳能电池等效电路
出[] 太阳能电池的输出电压电流可以用下式得
(1)
(2)
式中，为光伏电池内部等效二极管PN结反向 饱和电流，U.等效二极管端电压，T为热力学温度，A为PN结曲线常数.
本设计所采用的0.8Wp的硅太阳能电池片如图5所示.
图2风力发电机图片
风力发电机的风叶接受风能，并将风能转换为机械能带动发电机进行发电输出.对于演示装置，可以采用微小型的永磁式直流电机作为电能转换装置，输出电能.
图5太阳能电池片
通过测量太阳能电池在不同光照强度下的输出电压和电流，即可以直观的演示光电转换特性.
2测控系统设计
为了达到理想的演示效果，设计了基于MCU的测控系统，系统包括发电数据检测采用电路、LCD显示电路和按键电路组成.测控系统可以实时采集风力和太阳能发电的数据信息，并通过LCD显示屏进行实时显示.测控主系统控制电STC12C5A08S2作为主控制芯片，由ADC采集 路原理图如图6所示.系统采用风光互补的发电信息，并通过液晶显示器将发电数据进行显示.控制器设置有按键输入，可以对显示内容和界面进行切换.
图6测控主系统控制电路原理图
软件软件采用C语言编程.控制系统程序软件流程图如图7所示.
图7控制程序流程图
3 装置样机及测试实验
示装置样机.样机图片外形及内部结构如图8 基于前文的设计思路和分析，制作了实验演所示.
图8装置样机图
可以看出整个装置设计紧凌便捷，配以模拟风力（风扇）和光源，即可以在实验装置上可以进轴和垂直轴风力发电，进行了在不同模拟风速下 行模拟不用的风力、太阳能发电实验.对于水平的实验，实验图如图8所示.
（乘直轴风力发电
图8风力发电机演示实验
对于太阳能发电，采用模拟光源在不同光照强度下进行实验.
为了验证装置数据的准确性，通过与专业万用表实测数据进行对比实验，装置实测两种不同类型风力发电实验数据记录见表1.
新型的便携式小型太阳能-风力发电联合演示装置，该装置同时采用了垂直轴/水平轴两种风力发电机和晶体硅太阳能电池，可以直观的演示不同 风力发电机、常用太阳能光伏的发电过程及特性等.对装置的设计原理组成、测控系统等进行了分析介绍，并制作了装置样机进行验证测试.整个装置具有小型便携化、应用简便、可展示性和可扩展性好等特点，这为风力太阳能等新兴能源技术的应用普及推广提供了一种思路，也为现代新 能源实验仪器设备开发给出了一种可供参考的解决方案，具有一定的理论和实践价值.
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b遮光润光照条件
图9不同光照强度太阳能发电实验
表！ 风力发电实验实测对比数据
垂直轴 风力发电输出电压数据测试 水平轴风速（r/min） 实测 装置 风速 实测 装置电压/V / (r/min) 电压/V显示/V1046 1760 1.08 1.71 1.70 1.04 623 731 2.36 2.90 2.40 2.902 600 2.41 2.40 823 3.25 3.203160 3 550 3.11 3.21 3.07 3.30 1036 1269 3.92 4.98 3.90 4.90
记录太阳能光伏发电在不同光照（遮挡面积）下的实测数据见表2.
表2 太阳能光伏发电实验实测对比数据
模拟光照（遮挡占比） 太阳能光伏发电输出电压数据测试 实测电压（V） 装置显示（V）25% 3.87 3.9050% 2.51 2.5075% 0.84 0.8080% 0.65 0.60
从装置测得的数据与专业仪表所测数据进行对比，可以看出数据基本一致，测量准确可靠，能达到演示实验的精度数据要求.
4结束语
针对太阳能光伏和风力等新能源发电技术的科普及相关教育教学应用需求，设计开发了一种
