摘要
太阳能与风能是地球上最常见的的绿色可再生能源，太阳能具有普遍性，巨大性，等特点，但也同时具有能量不稳定，能量密度低等特性。太阳能只能在白天阳光充足的时候，才能够发电，而风能不分昼夜，而且晚间风力发电效果较好，但是相对于太阳能而言，风能更不稳定，环境影响更大，因此为解决太阳能发电不稳定且不能在晚上发电，互补风力发电的优势，并使发出的电能能够方便使用等问题，本文设计了一种以51单片机为控制核心的低成本智能风光互补充电控制器。硬件方面本设计采用PWM调波控制buck降压电路，来稳定太阳能输出；采用UC3906铅酸蓄电池专用充电芯片为蓄电池充电，使铅酸蓄电池充电更合理；采用两块铅酸蓄电池作为出能源原件；由于采用集成芯片提高了系统的稳定性，简化了电路缩减了成本。同时控制器还具有防雷击保护电路，放蓄电池反接保护电路，太阳能电池板防反接保护电路，过流保护电路，并内置双轴太阳跟踪器驱动电路。软件方面，本设计采用三种可选用电模式：默认模式（模式一），蓄电池持续供电模式（模式二），太阳能电池板供电模式（模式三）和一种单蓄电池工作模式（模式四）。
Abstract 引言
太阳能与风能是地球上的清洁能源，利用太阳能风能发电可以保护环境还减少化石能源的使用。但是风能于太阳能同样存在不稳定，容易受到天气，季节，纬度等各种地理上、环境上的因素影响。太阳能是以光辐射的形式传播到地球上的，因此太阳能的能量密度低，不便于利用。风能的原动力来自于太阳，可以说风能是太阳能的另一种存在形式，虽然能够昼夜发电，不分阴晴，但是与太阳能相比，发电能量波动性更大，为提高太阳能风能的利用率人们不断改进太阳能电池板与风力发电机的性能，已获得最大的能量转换。
但仅仅改进太阳能电池板与风力机是不够的，虽然采用风能与太阳能互补发电的模式已经可以昼夜连续发电，但在不加任何处理的风光互补发电装置发出的电能一样不稳定，会受各种因素影响，使电压电流时刻波动。众所周知，我们所采用的用电负载都是在稳定电压下才会正常工作的，电压不稳就会严重影响设备的正常运行，因此需要加入控制器，将不稳定的输出电压经过稳压后在连接到负载上，是解决这一问题的有效方法。
风光互补控制器的作用是稳定风光发电系统的电压输出，使其能为蓄电池充电，也可以作为直接供电系统为辅在供电。有恒定的电压才会使风光互补发电系统得到广泛的应用。在新疆，可以利用当地丰富的太阳能，风能资源不仅节约了有限的煤炭资源还为当地人民带来了方便。风光互补发电系统还可以用在一些不易架设电源线的野外为通信设备，检测设备提供独立电源。还可以用在一些小型设备上做充电器电源使用。
这些设备都有一个共同的特点不仅需要独立发电系统为其供电，最主要的还可以为这些设备内置的蓄电池充电。而如今所使用的蓄电池不外铅酸蓄电池，锂电池，或者镍镉电池等等。这些电池都有其独特的充电特性曲线，不一样的充电条件，不一样的欠电压过电压阈值点，仅仅依靠发电系统本身是无法很好的完成这项任务，而太阳能控制器可以通过内部集成电路的运作满足这些蓄电池不同的
充电要求。
1课题背景及意义
太阳能：太阳能是地球上清洁能源之一，太阳能还可为人类提供50亿年的能量，可以说太阳能是取之不尽用之不竭的绿色能源。据统计地球赤道上的平均太阳辐射强度为1369w/㎡。地球赤道的周长为40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达173000TW。在海平面上的标准峰值强度为1kw/m2，地球表面某一点24h的年平均辐射强度为0.20kw/㎡，相当于有102000TW 的能量。太阳能还可以转换成生物能、风能、海洋能、水能等，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。
根据太阳能的利用方式又可分为三大类：太阳能热利用技术，太阳能热发电技术和太阳能光伏技术。本文所研究的课题利用太阳能发电的太阳能光伏技术。
太阳能是地球万物的能量源泉，可以说取之不尽用之不绝。太阳通过其内部不断发生的核聚变，向外部辐射能量。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的22亿分之一，但已高达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。
风能：在中国距地10米的高度，风能资源总储量约为32.26亿千瓦，可实际开发利用的风能资源储量为2.53亿千瓦。虽然可以利用的风能占总储量很小的一部分，但是2.53亿千瓦的能量仍然不是个小数目。
据统计，东南沿海及其附近岛屿是风能资源丰富地区，有效风能密度大于或等于200瓦/平方米的等值线平行于海岸线；新疆北部、内蒙古、甘肃北部也是中国风能资源丰富的地区，有效风能密度为200～300瓦/平方米；而黑龙江、吉林东部、河北北部及辽东半岛的风能资源也较好，有效风能密度在200瓦/平方米以上；但是在云南、贵州、四川、甘肃、陕西南部、河南、湖南西部、福建、广东、广西的山区及新疆塔里木盆地和西藏的雅鲁藏布江，为风能资源贫乏地区，有效风能密度在50瓦/平方米以下，全年中风速大于和等于3米/秒的时数在2000小时以下，全年中风速大于和等于6米/秒的时数在150小时以下，风能潜力很低。虽然并不是在全国各地都适合利用风能发电，但是在风能资源少的地方却可以充分利用太阳能发电，风光互补发电可以克服这种不足，通过调配风力机与太阳能电池板的功率配比达到最佳发电效果。
在当今随着现代文明的日益发展，人们的生活中也越来越多的需要能源。大到工业生产所需的能源，小到人们的日常生活，虽然能量形式不一，但追奔溯源还是利用地球上的自然资源。但这些资源却并不是取之不尽用之不竭的，煤炭，石油，天然气，这些蕴藏在地球上的自然资源是经过数亿年自然界古生物对太阳能的积累才形成的。然而在人类工业化的几百年时间里，这些资源就已经趋于枯竭。在人类工业化，现代的同时，不仅消耗了大量的能源，还造成了环境的污染。温室效应，酸雨，臭氧层空洞这些灾害都是伴随人类的发展而产生的。
因此绿色能源环保等新概念因运而生，人开始保护环境，节约资源。但是节约资源并不等于创造资源，像化石能源就是不可再生资源。而现代工业又过分依赖于这些不可再生能源，因此开发一种绿色可再生能源来取代这些不可再生能源是人类当前研究的新课题。
在绿色可再生能源利用方面，出现了风能，水力能，潮汐能等等，但追本溯源这些能量均来自太阳能。于是在太阳能方面人类开始有了研究。太阳能直接来自于太阳，它的优点是：
（1）绿色无污染，也不会产生二氧化碳，是最理性的清洁能源。 （2）不需要运输，存储简单方便。
（3）可以直接利用其热能比如太阳能热水器，太阳能炉灶等等。 （4）转化成电能存储，太阳能光伏发电。
（5）太阳能具有普遍性，全球任何一个地方都可以使用。
（6）太阳能具有能量巨大的特点，根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。
如此巨大而丰厚的能源，对现代化日益发展，对能源需求日益增大的人类来说，无疑是开发的热点。但是尽管太阳能具有以上的优点，但在使用开发的角度上来说，同样也具有一些缺点：
（1）太阳能具有分散性，虽然太阳能到达地球的能量很大，但是主要以太阳光辐射到地球，这种辐射能意味着太阳能的能量密度很低，分散性很强。举例来说，以北回归线附近为例：在晴朗的夏天，中午12点时太阳高度达到最高也就是一日内辐射量达到最大，在垂直于太阳光方向1平方米面积上接收到的太阳能平均有1000W左右；若按全年日夜平均，则只有200W左右。而在冬季大致只有一半，阴天一般只有1／5左右，这样的能流密度是很低的。因此，在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集和转换设备。
（2）不稳定性：在不同的纬度，地域，再加上受到不同的天气状况的影响，太阳能在不同的时间里能量一直在变化，十分不稳定。要想把太阳能转变成可利用的能源如热能、电能，就需要一定的转换，并且需要能够稳定能量的设备。这给太阳能的使用增加了难度。
（3）太阳能利用效率低，目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内，太阳能利用的进一步发展，主要受到技术性的制约。
因此开发出一套太阳能控制器高效的利用太阳能资源是本课题研究的重点。太阳能控制器是太阳能发电系统的重要设备 ,其性能的好坏直接影响太阳能发电系统的使用效率。
为弥补太阳能发电在阴天，晚间时不能发电等不足之处，采用风光互补发电系统。风力机可以再太阳能发电效果不好时补充功率输出，如果二者都能够正常工作，会输出更多的能量，给蓄电池和负载提供足够的能量，使发电效果相对于独立的风能发电、太阳能发电更好，更实用，对环境的适应性也更强。
2太阳能控制器国内（外）应用现状
早在1981年, 丹麦的 N. E. Busch和K ??llenbach提出了太阳能和风能混合利用的技术问题。当时最初的风光互补发电系统只是将风力机和光伏组件简单的进行组合。缺乏相关统计数据，简单组合的风光互补系统发挥的效能不是很理想【[ ] ?? 尹静, 张庆范. 浅析风光互补发电系统[J].节能与新能源, 2008 ( 8) : 43??45, 75.】。随着风光互补发电技术的发展和应用，相关的研究也越来越丰富，在美国有C. I. Aspliden 研究的太阳能??风能混合转换系统的气象问题; 在前苏联有N. Aksarni等人根据概率原理, 统计出近似的太阳能??、风能潜力的估计值, 为风光互补发电系统的研究和利用提供了科学的数据支持。
随着时间的推移风光互补发电技术研究的进一步深入, 产生了一批新的的
研究成果。而且利用了计算机技术在软件开发方面, 有西班牙 Zaragoza 大学 Rodo lfo Dufo Lopez 等人用C+ + 语言开发了一套用于风光、光柴油机等互补发电系统的基于遗传算法的优化系统 【[ 7] ??朱芳,王培红.风能与太阳能光伏互补发电应用及其优化[ J] .上海电力,2009(1):23-??26.】。还有美国可再生能源实验室（National Renew ableEnergy Labo ratory）和科罗拉多州立大学（Colorado State University）合作开发的hybrid2应用软件。hybrid2对一个风光互补系统进行非常精确的模拟运行, 根据输入的混合发电系统结构、负载特性以及安装地点的风速、太阳辐射数据获得1 年8 760 h 的模拟运行结果。
在国外风光互补系统应用方面，加拿大Saskatchewan大学Rajesh Karki 等人通过研究独立小型风光发电系统成本及可靠性课题, 得出负载与风光资源条件合理配置的发电系统, 是降低发电成本、提高系统可靠性的重要途径, 并指出互补发电系统扩容的可行性。
在亚洲的其他一些国家, 在泰国有人通过 TRN SYS16 暂态仿真软件对风光互补发电系统进行了成本评估, 在马来西亚有人通过采用遗传算法程序对净成本最低化和配置最优化进行了分析研究, 在孟加拉国则有人通过根据拟牛顿算法对风光互补独立发电系统进行了优化配置。通过研究人员的不断努力，推进了风光互补发电技术的前进。
早在上世纪七八十年代我国小风电已早于大型风电开始在内蒙、新疆等偏远地区作为送电到乡的国家“863”项目，进 入 农牧民的 家庭 生活， 那时大型风电产业尚未被认识、太阳能产业还不知在哪个角落。 当时小型风电仅仅被市场定位在偏远无电地区，依靠国家扶持型发展，无法进入市场化发展，整个产业规模小、投资少。
直到2000年左右， 随着太阳能产业发展，国际上环保、 节能意识的提 升， 小风电才逐步被上升到 “节能、 减排” 的高度， 伴随太阳能产业的成熟，宁波风神风电开创的“风光互补新能源”理念才开始受到关注。 同时， 市场定位从偏远农村转向沿海城市， 从环境资源好的区域转向环境资源差的区域，从国内市场开始走向国际市场并占据领先地位【[]杜尚斌.小型风力发电及风光互补新能源产业[J].中国仪器仪表,2010,5:27-28.】。
我国在风光互补发电研究方面，上海交通大学的机械与动力工程学院曾对内蒙古自治区锡林郭勒盟苏尼特右旗牧区户用型可再生能源发电系统的使用情况、牧民经济条件进行调查, 分析了推广户用型可再生能源发电系统过程中所存在的问题及原因进行了研究, 并指出风光互补发电系统仍需进一步优化配置来提高整个系统的使用可靠性【[ ] ?? 彭军, 李丹, 王清成, 余岳峰. 户用型可再生能源发电系统在苏尼特右旗应用的调查分析 [ J ] . 农业工程学报,2008, 24 ( 9) : 193-?? 198.】。
此外国内一些大学也在做相关研究，例如香港理工大学与中科院广州能源所、半导体研究所合作研究出了一整套以 CAD 进行风光互补发电系统优化设计的方法。这种方式同样借助于当今计算机技术，通过软件方法计算出太阳能风力机组件的特性参数更好的获得了风光互补发电的设计参数，使风光互补发电设计更合理更完善更科学。
同样在工程实践中，国内的一些也做得很不做，如中国卫星通信集团公司对青海村村通工程中的风光互补发电系统实际运行情况进行了分析, 系统经过1 年的运行, 完成了计划任务并显现出很好的经济效益, 同时也指出系统在准确性和可靠性上仍存在一些问题。
3太阳能电池板特性 3.1太阳能电池板的发展简介
太阳能是地球上重要的清洁能源，在太阳能利用的方面首先使用的是太阳能所提供的热能，如太阳能炉灶，热水器等等。其次在太阳能转换成电能方面，如在上世纪五十年代，在太阳能技术发展史上有两项重大技术突破：一个是在美国贝尔实验室研制出转换效率只有6％的单晶硅太阳能电池，尽管转换效率只有6%但是已经初步具有实用价值，另一个是1955年在以色列提出的选择性吸收表面概念和理论，依据这个理论研制出了选择性太阳吸收涂层。这两项重大技术突破对此后太阳能的发展和利用具有重要意义，并为现代太阳能技术发展奠定了技术基础。
此后自上世纪七十年代以来，由于世界能源危机，加之工业发展带来的越来越多的环境污染。迫于环境和能源压力人们开始研究太阳能和新型可再生能源。终于在1973年世界上一些国家开始制定政府级太阳能计划，这其中有美国的阳光发电计划，并于1980年把太阳能发电计划列入公共电力规划，投入资金累计多达8亿美元。在日本七十年代也制定了阳光计划，并于1993年把“月光计划”（节能计划）、“环境计划”、“阳光计划”合并成“新阳光计划”。此外还有德国以及欧盟等一些国家以及一些发展中国家也相继制定了自己的太阳能计划。而在我国，自“六五”以来中国政府就把研究和开发太阳能以及可再生能源技术列入国家科技攻关计划，这一举措促进了我国太阳能和可再生能源技术和产业的发展。
3.2太阳能发电原理
太阳能发电是利用太阳能电池板的光伏特效应进行发电的。光伏效应又称广生伏特效应，是指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。
太阳能电池板所采用的材料是一种特殊的半导体，它导电性介于导体和绝缘体之间。半导体的组成原子也是由带正电的原子核和带负电的电子构成。半导体的硅原子外层有4个电子，正常情况下他们会按固定轨道围绕硅原子核转动。当受到外界扰动时，这些外层电子会获得能量，从而溢出所在轨道而成为自由电子，而在原来的轨道上就会出现上一个空位，这个空位被称为“空穴”。
在纯净的硅晶体中，是没有自由电子的，也就是说自由电子和空穴的数目是相等的。但在硅晶体中掺入硼、镓等元素后，由于这些元素具有俘获电子的能力，在参杂硅晶体中会形成“空穴”，此时晶体就有一定的导电能力了，这时的晶体被称为空穴型半导体，用符号P代表。假如掺入的是能够释放电子的磷、砷等元素，它就成了电子型半导体，以符号N代表。
当把这两种半导体结合时，在交界面上会形成一个P-N结。P-N结像栅栏一样，阻碍着电子和空穴的移动。当这种晶体受到阳光照射时，电子获得光能，向N区移动，使N区带负电，同时空穴向P区移动，使P区带正电。这样一来，在P－N结的两侧会产生电动势，我们把这种现象称为“光生伏打效应”。
当把P层和N层用金属引线引出连接到负载上时，就会在外部负载上获得电流和电压。再把多个这样的P-N结串联或并联，以满足不同的需要，这样就构成