本文是一篇能源动力类论文，笔者认为风光互补发电系统是目前研究的一个热点，通过查阅相关的国内外文献，完成了适用于小功率风光互补发电系统。该系统包括单片机、微风发电机、太阳能最大效率点跟踪法、DC/DC 转换、AD/DC 转换、超级电容蓄能、蓄电池的充放电控制。该小功率风光互补发电系统的创新点在于微风发电装置的设计和能量的有效管理方案。
第 1 章 绪论
1.1 选题的背景及意义
目前世界各国将目光越来越多的目光投向可再生能源[1-2]，在各种可再生能源中，人们进行研究最多的就是风力[3]和光伏[4]，研究时间不长，但成果颇多，性价比高，在实际生产中总体造价低可在大部分地区使用。但风力资源和太阳能资源在一定范围内会受气象、温度、环境的影响[5-7]，人们根据风力和光伏的特性点分析，得到可以将它们相结合，两种能源可以相互补充，让互补的系统在运行时，使其更加的稳定，造价更低，所以风能资源与太阳能资源互补的发电系统慢慢成为了可再生发电系统的重要方式之一[8-11]。近些年的研究热点之一就是 WSN，它也是物联网的重要组成部分之一。目前，大多数无线传感器的供能使用的是传统电池，在以往使用的电池里面具有诸多的缺点，使用时间不长，安装比例大，在安装使用之后，更换频繁且繁琐，不能很好满足无线传感器网络等的需求。无线传感器网络也面临着优化WSN 所需的各种供能方案，降低装置供能时的额外损失，在供能装置安装后需要尺寸更小，更加符合国家规定等多方面的挑战。一直以来，安装在户外的传感器节点的电源供应[12-14]一直存在诸多难题，例如按在户外的气候、环境监测设备，若使用市电供电，则需要消耗大量的人力和财力；若使用电池供电，存在供电周期短且后期维护过高等问题，不利于 WSN 系统的广泛应用。
为解决此类问题，越来越多的人尝试利用自然能源来设计一种应用于大规模无线传感器网络节点供电[15-20]的小型电源系统。这样的系统需要拥有 2 个优点：装置运行时能量损失低和装置运行时可以不用从外接电源接受电力运行，这样安装在野外后，可以工作时间更长，与此同时，装置可以捕获自然界中的能量，并可以将其通过装置化为电能，这些电能可以给后续超级电容进行充电，利用这样的优点，装置的使用寿命能够增加，例如降低装置供能时的额外损失像“截流”，再比如可以捕获且利用自然界的能量像“开流”，尤其自然界中拥有各种各样的能量，例如光伏、潮汐能、风力、土壤温差等[21]。
1.2 风光互补发电研究与发展
自 1970 年以来，由于石油危机的爆发，世界各主要大国都开始启动开发新能源的研究，自 1990 年以来，对于环境保护的重视和能源枯竭的危机，使得大部分国家和地区都开始出台政策鼓励使用新能源；在众多可再生能源中，被使用最为广泛的就是太阳能资源和风能资源了，在欧美各国中都将重点放到了这两种应用最为广泛的资源上面。
在 1981 年，Denmark 的 N.E.Bush 和 Kllenbac 首次对风光互补发电技术进行了研究，课题的问世奠定了技术的开端[25]。由于那时技术的缺陷，仅仅只有风机与光伏电池。随着技术的发展，各国人员深入的对这一领域开展了研究。2001 年，Canada的 Rajish-Karki 和 RoyBilinton 等人将重点放到了系统的稳定性上面，通过对小型系统进行了分析研究[26]。2005 年，Australia 的 B.D.shaker 等研究出一套新型的风光互补发电系统[27]。2009 年，Thailand 的研究人员评估了风光互补发电系统的成本，所用的工具是 TRNSYS16[28]。
目前，安装在户外的无线传感器网络节点的供电系统常常把太阳能作为唯一能量来源。安装在户外的 WSN 节点的供电常常把光伏作为唯一的能源。马航等人提出一种采用光伏电池作为节点自供电系统的方法，针对光伏电池对电流观测算法进行改进[30]。雒凯瑞等人提出一种采用光伏电池与超级电容相结合的方法对 WSN 节点提供供电[31]。侯林洁等人提出了一种 WSN 自供点设计方案，利用太阳能实现了节点的供点[32]。闫磊磊等人提出一种适用于在户外给小型 WSN 节点供电的小型风光互补系统，太阳能电池给锂电池充电，风力发电给超级电容充电，而该系统的后备电源为一对 1.5V 干电池[33]。这种的供电方式对于在海南、高原等日照时间长、阴雨天比较少的地区而言，只用传统的太阳能供电系统是一种相对更加经济又安全的方案。但对于四季分明又多阴雨天的亚热带地区而言，仅仅使用太阳能电池系统给 WSN 节点供电，会导致系统能量不足的问题，从而造成断电的风险。
第 2 章 风光互补发电系统概述
2.1 风力发电的技术
风力发电机组是整个发电系统中的一部分，它的职能是将风能转为成电能。从能量角度来说，风机是由风力机与发电机组成，前者将捕获的能量通过装置转为机械能；后者将捕获得到的机械能通过装置转化为电能。风机以风轮的方向来说可以分为两种：（1）水平轴式：全球利用最多的一种，功率最大为 5MW；（2）垂直轴式：21 世界初，世界各国几乎同时发明了一种新型风机[34]有别于最初的垂直轴风机，它的效率高于水平轴风机，具有各种优点。
在研究风力发电技术的关键技术中，首先讨论了风力发电设计中的问题，它主要集中在关于风力发电机零部件的叶轮形式上，叶轮形式主要在于叶片的形式。叶片是风力发电机的核心部件之一，在总体成本之中大约占据了 15 %~20%左右，它形状大小的设计差异会直接影响到风力发电机性能及收益。叶片主要是用来有效捕获风能，是风力机能够有效发电的第一步。
风力发电机中叶片的设计形式多种多样，大致上可以分为以下几种：（1）以叶片转动方向，有水平轴式和垂直轴式；（2）以叶片接受风能的形式，有升力式和阻力式；（3）以叶片随机摆动，有摆动式。
最早期的风力发电机大部分都是阻力式风力机[35]，这类风力发电机采用的是用风压力来驱使叶片旋转，优点是它的制造十分容易，但同时存在效率很低的缺点，在 1900 年初期，这类风力机在全球范围内使用广泛。但到了 1940 年后，当时人们把飞机里空气动力学的理论带入风力机中，改变了这类叶片接受风能的形式，提高了发电效率，将这种风力机的叶片截面形式变为流线型，驱动力变为了升力，从而升力式风电机诞生。但这样的升力式发电机叶片制作比较困难，提高了制作成本。
2.2 太阳能光伏电池阵列
2.2.1 太阳能光伏电池的分类
硅光伏电池可以分为三种：单晶体、多晶体、非晶硅薄膜光伏电池。
其中单晶体硅光伏电池的转换效率是最高的，技术也目前最成熟的。它的转换效率在实验中为 24.7%，在市场生产时的转换效率为 15%（到 2020 时，为 22.4%）。目前在工业生产中，大规模使用时仍然占主导地位，但是单晶硅的单价成本高，大幅降低单晶硅的单价成本很难，为了节省成本，发展了多晶体和非晶硅作为单晶硅光伏电池的替代产品。
多晶硅薄膜光伏电池的转换效率在实验室里可以达到 18%，在市场生产时的转化效率为 10%，多晶硅的转化效率高于非晶硅。但是非晶硅的优势是它的成本很低，可以大幅度的降低造价成本，可以大规模应用于市场生产之中，具有很大的发展空间。止损由于目前对非晶硅的技术研究，材料分析的短板限制了它的发展，影响了稳定性，目前还无法解决该问题，所以相比对非晶硅更多的使用的则是多晶硅。
2.2.2 太阳能光伏电池 MPPT 技术
光伏发电系统主要由：光伏阵列、DC/DC、充电控制等部分组成。这里几个部分所涉及到的技术都是光伏发电系统中比较关键的技术。
光伏阵列采用的是光伏电池排列组成，其中光伏电池的选材也是关键之一，影响到电能的转化效率。根据上面分析，选材使用单晶体硅光伏电池，它的转化效率最高，是目前几类电池中技术最为成熟的。
第 3 章 风能的捕获与管理............................. 13
3.1 风能的特性研究.................................. 13
3.2 小型微风发电机的设计与测试..........................13
第 4 章 基于模糊控制的光伏发电 MPPT 研究......................... 28
4.1 光伏电池特性............................... 28
4.2 传统电导增量法.......................... 31
第 5 章 小型风光互补电源设计.........................39
5.1 系统方案...................................... 39
5.2 硬件电路设计....................................... 39
第 5 章 小型风光互补电源设计
5.1 系统方案
小型风光互补发电系统采用以下几个主要部分组成：微风发电机、光伏电池、取样电路、单片机、4 倍压同步整流、超级电容和蓄电池。
微风发电机（交流电）采用可调制电源。光伏电池（直流电）采用直流电源。取样电路对蓄电池状态进行取样采集电压电流状态。过零比较器对微风发电机发出的电压正负极性进行判断采用 LM324 系列器件带有真差动输入的四运算放大器，它具有低功耗的特性。单片机选用 MSP430 超低功耗系列中的 MSP430F2112 单片机。4 倍压同步整流电路中用 MOS 管 PC817 替代二极管与大电容 C=10000uH 串并联构成循环导通的电路。超级电容（优质的介质电容）和蓄电池用大电容 进行替代，整体系统如图 5-1 所示。
第 6 章 总结与展望
风光互补发电系统是目前研究的一个热点，通过查阅相关的国
