風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的研究畢業(yè)論文

1、 編號 畢 業(yè) 設(shè) 計 技 術(shù) 報 告 課題名稱： 風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的研究 學(xué)生姓名: 學(xué) 號: 專 業(yè): 電氣自動化技術(shù) 班 級: 2021級1班指導(dǎo)教師: 2021 年 5 月 目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc388525229 第一章 風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的開展過程及現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc388525229 h 5 HYPERLINK l _Toc388525230 1.1風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的提出 PAGEREF _Toc388525230 h 5 HYPERLINK l _Toc388525231 1.2風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用 PAGEREF

2、_Toc388525231 h 5 HYPERLINK l _Toc388525232 1.3太陽能、風(fēng)能的介紹 PAGEREF _Toc388525232 h 6 HYPERLINK l _Toc388525233 太陽能的介紹和應(yīng)用 PAGEREF _Toc388525233 h 6 HYPERLINK l _Toc388525234 1.3.2 風(fēng)能的介紹和應(yīng)用 PAGEREF _Toc388525234 h 7 HYPERLINK l _Toc388525235 1.4 課題背景及意義 PAGEREF _Toc388525235 h 8 HYPERLINK l _Toc38852523

3、6 第二章 風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)分析 PAGEREF _Toc388525236 h 9 HYPERLINK l _Toc388525237 2.1系統(tǒng)組成 PAGEREF _Toc388525237 h 9 HYPERLINK l _Toc388525238 2.2太陽能發(fā)電模塊 PAGEREF _Toc388525238 h 10 HYPERLINK l _Toc388525239 太陽能電池板的開展簡介 PAGEREF _Toc388525239 h 10 HYPERLINK l _Toc388525240 太陽能發(fā)電原理 PAGEREF _Toc388525240 h 10 HYPERLI

4、NK l _Toc388525241 太陽能電池板的相關(guān)參數(shù) PAGEREF _Toc388525241 h 12 HYPERLINK l _Toc388525242 光伏電池的伏安特性 PAGEREF _Toc388525242 h 12 HYPERLINK l _Toc388525243 太陽能電池板發(fā)電量的計算 PAGEREF _Toc388525243 h 13 HYPERLINK l _Toc388525244 2.3 風(fēng)力發(fā)電工作原理 PAGEREF _Toc388525244 h 13 HYPERLINK l _Toc388525245 風(fēng)資源概述 PAGEREF _Toc388

5、525245 h 13 HYPERLINK l _Toc388525246 2.3.2 風(fēng)輪機的理論 PAGEREF _Toc388525246 h 15 HYPERLINK l _Toc388525247 2.4蓄電池 PAGEREF _Toc388525247 h 17 HYPERLINK l _Toc388525248 蓄電池的選擇 PAGEREF _Toc388525248 h 17 HYPERLINK l _Toc388525249 2.4.2 蓄電池的原理 PAGEREF _Toc388525249 h 18 HYPERLINK l _Toc388525250 2.5負載 PAGE

6、REF _Toc388525250 h 19 HYPERLINK l _Toc388525251 第三章 風(fēng)光互補發(fā)電控制系統(tǒng)的分析 PAGEREF _Toc388525251 h 20 HYPERLINK l _Toc388525252 3.1 硬件系統(tǒng)控制 PAGEREF _Toc388525252 h 20 HYPERLINK l _Toc388525253 3.2 直接數(shù)字控制系統(tǒng) PAGEREF _Toc388525253 h 20 HYPERLINK l _Toc388525254 3.3 計算機監(jiān)督系統(tǒng) PAGEREF _Toc388525254 h 21 HYPERLINK l

7、 _Toc388525255 3.4系統(tǒng)的設(shè)計 PAGEREF _Toc388525255 h 21 HYPERLINK l _Toc388525256 結(jié)束語 PAGEREF _Toc388525256 h 23 HYPERLINK l _Toc388525257 致謝 PAGEREF _Toc388525257 h 24 HYPERLINK l _Toc388525258 參考文獻 PAGEREF _Toc388525258 h 25風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的研究摘要：近年來，受石油價格上漲和全球氣候變化的影響，可再生能源開發(fā)利用日益受到國際社會的關(guān)注，制定了支持可再生能源開展的法規(guī)和政策。在遠離

8、大電網(wǎng)，人煙稀少，處于無電狀態(tài),用電負荷低且交通不便的情況下，利用本地區(qū)充裕的太陽能、風(fēng)能建設(shè)風(fēng)光互補發(fā)電方案是獨立供電系統(tǒng)的最正確選擇。所以風(fēng)能和太陽能的開發(fā)利用得到了極大的重視，取得了較快的開展。本文以可再生能源的綜合利用為指導(dǎo)思想，結(jié)合風(fēng)能、太陽能特點，從風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上認真分析了系統(tǒng)在整個運行過程中能量產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、儲藏和消費各個環(huán)節(jié)的工作方式，并對現(xiàn)有的獨立風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)進行了歸納和分類，分析各種控制技術(shù)的工作原理、特點、實現(xiàn)方法及適用場合，為進一步應(yīng)用提供了參考。關(guān)鍵詞：風(fēng)光互補 風(fēng)能 太陽能 發(fā)電系統(tǒng)Research of Wind-Solar Hybrid Ge

9、neration SystemABSTRACT: in recent years, affected by the impact of rising oil prices and global climate change, renewable energy development and utilization is increasingly concerned by the international society, formulated the regulations and policies to support the development of renewable energy

10、. Away from the grid, sparsely populated, has no electricity, with the electrical load is low and the inconvenience of traffic, use of local abundant solar energy, wind energy and solar power generation project construction is the best choice for the independent power supply system. So the developme

11、nt and utilization of wind energy and solar energy has been a great deal of attention, has made rapid development. Based on the comprehensive utilization of renewable energy as the guiding ideology, combining with the characteristics of wind energy, solar energy, a careful analysis of the system, th

12、e energy in the entire process conversion, reserves and consumption of all aspects of the work from the structure of the hybrid power system, and the existing independent scenery complementary power generation system control technology were summarized and classified the working principle, analysis,

13、various control characteristics, methods and applications, and provides reference for further application.KEY WORDS: Wind-Solar Hybrid； wind ；solar；Generation System引言不可再生能源如煤，石油，天然氣的大量消耗，不僅使人類面臨資源枯竭的壓力，同時也嚴重威脅著人類的生存環(huán)境，可再生能源的開發(fā)利用也就越來越顯得重要。隨著可再生能源的開發(fā)利用，風(fēng)能和太陽能已經(jīng)逐步走入了人類的生活，在日后的能源比例中將會發(fā)占據(jù)越來越重的比例。在電能作為能量

14、主要消耗形式的當(dāng)今社會，風(fēng)能和太陽能是綠色可再生能源，取之不盡，用之不竭?？紤]風(fēng)能和太陽能在多方面的互補特性，相對單一的風(fēng)能、太陽能發(fā)電，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)將會是更經(jīng)濟合理，穩(wěn)定，持續(xù)的發(fā)電模式。本文結(jié)合風(fēng)能、太陽能的特點，從風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上分析系統(tǒng)在整個運行過程中能量產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換，儲藏和消費各個環(huán)節(jié)的工作方式，提出運行策略和各局部運行電路，結(jié)合微計算機控制技術(shù)，以單片機為核心設(shè)計簡述風(fēng)光互補發(fā)電的測量控制系統(tǒng)。第一章 風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的開展過程及現(xiàn)狀風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)是一將太陽能和風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。該系統(tǒng)無空氣污染、無噪音、不產(chǎn)生廢棄物。因此風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)是一種自然、清潔的能源。目前

15、在世界范圍內(nèi)風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電開展非常迅猛。人類為使居住環(huán)境不再受污染，風(fēng)能和太陽能將是今后世界能源的必然選擇?？梢愿鶕?jù)用戶的用電負荷情況和資源條件進行系統(tǒng)容量的合理配置，即可保證系統(tǒng)供電的可靠性，又可降低發(fā)電系統(tǒng)的造價。無論是怎樣的環(huán)境和怎樣的用電要求，都可做出最優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計方案來滿足用戶的要求。風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)是最合理的獨立電源系統(tǒng)。這種合理性表現(xiàn)在資源配置最合理,技術(shù)方案最合理,性能價格最合理。正是這種合理性保證了風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的高可靠性。由太陽能發(fā)電板、風(fēng)力發(fā)電機組、系統(tǒng)控制器、蓄電池組和逆變器等幾局部組成，發(fā)電系統(tǒng)各局部容量的合理配置對保證風(fēng)光互補電系統(tǒng)的可靠性非常重要，尚能系

16、列供電系統(tǒng)為了滿足廣闊用戶的用電要求、為用戶提供可靠的電力，會認真分析用戶的用電負荷特征以及用戶所處區(qū)域的太陽能和風(fēng)能資源狀況針對不同用戶配置適合用戶的一整套系統(tǒng)。1.1風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的提出最初的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，就是將風(fēng)力機和光伏組件進行簡單的組合，因為缺乏詳細的數(shù)學(xué)計算模型，同時系統(tǒng)只用于保證率低的用戶，導(dǎo)致使用壽命不長。丹麥的和Kenbach1981提出太陽能和風(fēng)能混合利用技術(shù)問題；美國的C.I.Aspliden1981研究太陽能風(fēng)能混合轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的氣象問題；前蘇聯(lián)的N.Aksarni等根據(jù)概率原理，統(tǒng)計出近似的太陽能風(fēng)能潛力的估計值；余華揚等1982也提出了太陽能風(fēng)能發(fā)電機的能量轉(zhuǎn)換裝

17、置。1.2風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用近幾年隨著風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用范圍的不斷擴大，保證率和經(jīng)濟性要求的提高，國外相繼開發(fā)出一些模擬風(fēng)力、光伏及其互補發(fā)電系統(tǒng)性能的大型工具軟件包。通過模擬不同系統(tǒng)配置的性能和供電本錢可以得出最正確的系統(tǒng)配置。其中colorado state university和national renewable energy laboratory合作開發(fā)了hybrid2應(yīng)用軟件。 hybrid2本身是一個很出色的軟件，它對一個風(fēng)光互補系統(tǒng)進行非常精確的模擬運行，根據(jù)輸入的互補發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、負載特性以及安裝地點的風(fēng)速、太陽輻射數(shù)據(jù)獲得一年8760小時的模擬運行結(jié)果。但是hybri

18、d2只是一個功能強大的仿真軟件，本身不具備優(yōu)化設(shè)計的功能，并且價格昂貴，需要的專業(yè)性較強。在國外對于風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計主要有兩種方法進行功率確實定：一是功率匹配的方法，即在不同輻射和風(fēng)速下對應(yīng)的光伏陣列的功率和風(fēng)機的功率和大于負載功率，只要用于系統(tǒng)的優(yōu)化控制；另一是能量匹配的方法，即在不同輻射和風(fēng)速下對應(yīng)的光伏陣列的發(fā)電量和風(fēng)機的發(fā)電量的和大于等于負載的耗電量，主要用于系統(tǒng)功率設(shè)計。據(jù)國內(nèi)有關(guān)資料報道，目前運行的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)有：西藏納曲鄉(xiāng)離格村風(fēng)光互補發(fā)電站、用于氣象站的風(fēng)能太陽能混合發(fā)電站、太陽能風(fēng)能無線 離轉(zhuǎn)臺電源系統(tǒng)、內(nèi)蒙微型風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)等。風(fēng)光互補照明供電系統(tǒng)，充分利用綠色

19、清潔能源，實現(xiàn)零耗電、零排放、零污染，產(chǎn)品還廣泛應(yīng)用于道路、景觀、小區(qū)照明及監(jiān)控、通訊基站、船舶等領(lǐng)域。風(fēng)光互補路燈具有不需鋪設(shè)輸電線路，不需開挖路面埋管，不消耗電能等特點，其獨特的優(yōu)勢在城市道路建設(shè)、園林綠化等市政照明領(lǐng)域十分突出。全國各地已將風(fēng)光互補照明系統(tǒng)納入了市政道路照明設(shè)計范疇，并開始大規(guī)模應(yīng)用推廣。晴天光照強，陰雨天風(fēng)力較大；夏天太陽照射強，冬天風(fēng)力較大，利用太陽能和風(fēng)能的互補性，通過路燈的太陽能和風(fēng)能發(fā)電設(shè)備集成系統(tǒng)供電，白天儲存電能，晚上通過智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)路燈供電照明。1.3太陽能、風(fēng)能的介紹1.3.1太陽能的介紹和應(yīng)用太陽能是由內(nèi)部氫原子發(fā)生聚變釋放出巨大核能而產(chǎn)生的能，來

20、自太陽的輻射能量。人類所需能量的絕大局部都直接或間接地來自太陽。煤炭、石油、天然氣等化石燃料也是由古代埋在地下的動植物經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代演變形成的。此外，水能、風(fēng)能等也都是由太陽能轉(zhuǎn)換來的。地球本身蘊藏的能量通常指與地球內(nèi)部的熱能有關(guān)的能源和與原子核反響有關(guān)的能源。太陽能，一般是指太陽光的輻射能量，在現(xiàn)代一般用作發(fā)電。自地球形成生物就主要以太陽提供的熱和光生存，而自古人類也懂得以陽光曬干物件，并作為保存食物的方法，如制鹽和曬咸魚等。但在化石燃料減少下，才有意把太陽能進一步開展。太陽能的利用有被動式利用光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換兩種方式。太陽能發(fā)電一種新興的可再生能源。廣義上的太陽能是地球上許多能量的來

21、源，如風(fēng)能、化學(xué)能、水的勢能等等。利民太陽能發(fā)電有兩大類型：一類是太陽光發(fā)電亦稱太陽能光發(fā)電，另一類是太陽熱發(fā)電亦稱太陽能熱發(fā)電。太陽能光發(fā)電是將太陽能直接轉(zhuǎn)變成電能的一種發(fā)電方式。它包括光伏發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電和光生物發(fā)電四種形式，在光化學(xué)發(fā)電中有電化學(xué)光伏電池、光電解電池和光催化電池。太陽能熱發(fā)電是先將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化成電能，它有兩種轉(zhuǎn)化方式。一種是將太陽熱能直接轉(zhuǎn)化成電能，如半導(dǎo)體或金屬材料的溫差發(fā)電，真空器件中的熱電子和熱電離子發(fā)電，堿金屬熱電轉(zhuǎn)換，以及磁流體發(fā)電等。另一種方式是將太陽熱能通過熱機如汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電，與常規(guī)熱力發(fā)電類似，只不過是其熱能不是來自燃

22、料，而是來自太陽能。照射在地球上的太陽能非常巨大，大約40分鐘照射在地球上的太陽能，足以供全球人類一年能量的消費?？梢哉f，太陽能是真正取之不盡、用之不竭的能源。而且太陽能發(fā)電絕對干凈，不產(chǎn)生公害。所以太陽能發(fā)電被譽為是理想的能源。1.3.2 風(fēng)能的介紹和應(yīng)用風(fēng)能是太陽能的一種轉(zhuǎn)化形式。風(fēng)是地球上的一種自然現(xiàn)象，它是由太陽輻射熱引起的。太陽照射到地球外表，地球外表各處受熱不同，產(chǎn)生溫差，從而引起大氣的對流運動形成風(fēng)。風(fēng)能就是空氣的動能，風(fēng)能的大小決定于風(fēng)速和空氣的密度。據(jù)估計到達地球的太陽能中雖然只有大約2%轉(zhuǎn)化為風(fēng)能，但其總量仍是十分可觀的。全球的風(fēng)能約為2.74X109MW，其中可利用的風(fēng)能

23、為2X107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍?？諝饬鲃铀纬傻膭幽芗盀轱L(fēng)能。利用風(fēng)來產(chǎn)生電力所需的本錢已經(jīng)降低許多，即使不含其他外在的本錢，在許多適當(dāng)?shù)攸c使用風(fēng)力發(fā)電的本錢已低于燃油的內(nèi)然機發(fā)電了。風(fēng)力發(fā)電年增率在2002 年時約25%，現(xiàn)在那么是以38%的比例快速成長。2003年美國的風(fēng)力發(fā)電成長就超過了所有發(fā)電機的平均成長率。自2004 年起，風(fēng)力發(fā)電更成為在所有新式能源中已是最廉價的了。在2005 年風(fēng)力能源的本錢已降到1990年代時的五分之一，而且隨著大瓦數(shù)發(fā)電機的使用，下降趨勢還會持續(xù)。目前，根據(jù)行業(yè)雜志?風(fēng)能世界?載錄，中國市場最熱的可再生能源，比方風(fēng)能、太陽能等產(chǎn)業(yè)

24、。風(fēng)能資源那么更具有可再生、永不枯竭、無污染等特點，綜合社會效益高。而且，風(fēng)電技術(shù)開發(fā)最成熟、本錢最低廉。根據(jù)“十一五國家風(fēng)電開展規(guī)劃，2021年全國風(fēng)電裝機容量到達500萬千瓦，2021年全國風(fēng)電裝機容量到達3000萬千瓦。而2006年底，全國已建成和在建的約91個風(fēng)電場，裝機總?cè)萘績H260萬千瓦。可見，風(fēng)機市場前景誘人，開展空間廣闊。根據(jù)發(fā)改委能源研究所探測計算，中國陸地70米高度3級及3級以上風(fēng)能技術(shù)開發(fā)量超過26億千瓦，在現(xiàn)有風(fēng)電技術(shù)條件下實際可裝機容量將超過10億千瓦，另外水深不超過50米的近海海域風(fēng)電實際裝機容量大致在5億千瓦左右。2021年國內(nèi)累計裝機不到1億千瓦，可見國內(nèi)在現(xiàn)有

25、風(fēng)電技術(shù)條件下，大規(guī)模開展風(fēng)電的前景依然巨大。表1-1中國陸地和近海風(fēng)能資源潛在開發(fā)量地獄總面積平方千米風(fēng)能資源潛在開發(fā)量億千瓦陸地約96026海上水深5-5-米，高度100米39.45資料來源：產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)整理1.4 課題背景及意義在當(dāng)今隨著現(xiàn)代文明的日益開展，人們的生活中也越來越多的需要能源。大到工業(yè)生產(chǎn)所需的能源，小到人們的日常生活，雖然能量形式不一，但追奔溯源還是利用地球上的自然資源。但這些資源卻并不是取之不盡用之不竭的，煤炭，石油，天然氣，這些蘊藏在地球上的自然資源是經(jīng)過數(shù)億年自然界古生物對太陽能的積累才形成的。然而在人類工業(yè)化的幾百年時間里，這些資源就已經(jīng)趨于枯竭。在人類工業(yè)化，現(xiàn)代

26、的同時，不僅消耗了大量的能源，還造成了環(huán)境的污染。溫室效應(yīng)，酸雨，臭氧層空洞這些災(zāi)害都是伴隨人類的開展而產(chǎn)生的。因此綠色能源環(huán)保等新概念因運而生，人開始保護環(huán)境，節(jié)約資源。但是節(jié)約資源并不等于創(chuàng)造資源，像化石能源就是不可再生資源。而現(xiàn)代工業(yè)又過分依賴于這些不可再生能源，因此開發(fā)一種綠色可再生能源來取代這些不可再生能源是人類當(dāng)前研究的新課題。在綠色可再生能源利用方面，出現(xiàn)了風(fēng)能，水力能，潮汐能等等，但追本溯源這些能量均來自太陽能。于是在太陽能方面人類開始有了研究。為彌補太陽能發(fā)電在陰天，晚間時不能發(fā)電等缺乏之處，采用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)。風(fēng)力機可以在太陽能發(fā)電效果不好時補充功率輸出，如果二者都能夠正

27、常工作，會輸出更多的能量，給蓄電池和負載提供足夠的能量，使發(fā)電效果相對于獨立的風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(fā)電更好，更實用，對環(huán)境的適應(yīng)性也更強。第二章 風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)分析整個系統(tǒng)由能量產(chǎn)生環(huán)節(jié)、能量儲存環(huán)節(jié)、能量消耗環(huán)節(jié)三局部組成。系統(tǒng)采用微處理器對輸入端、輸出端、蓄電池和負載等進行跟蹤檢測、控制，同時顯示各點參數(shù)值。系統(tǒng)中主要局部電路是由系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機、太陽能輸入控制電路，充電控制電路，油機輸入交/直流變換電路，CPU控制檢測保護電路，輸出直流變換高頻開關(guān)和逆變交流電路等五大局部電路組成。以風(fēng)力發(fā)電機和太陽能硅板為供電源，充分利用自然能源互補進行設(shè)計。風(fēng)力發(fā)電機輸出的交流電，經(jīng)控制調(diào)節(jié)電路變換為直

28、流電和太陽能光電轉(zhuǎn)換輸出的直流電，通過直流模塊及外圍電路，將電壓調(diào)整為額定輸入電壓，一并送到充電控制電路中。從而將風(fēng)力發(fā)電機和太陽能硅板輸出額定電壓，通過模塊鉗位在蓄電池的正常充電電壓范圍內(nèi)，給蓄電池進行充電儲存。同時作為輔助備用電源，柴油發(fā)電機，可在自然資源欠缺情況下發(fā)送交流電，經(jīng)過AC/DC模塊變換電路，對蓄電池進行補充充電。2.1系統(tǒng)組成一套完整的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)由發(fā)電局部、控制局部、負載局部、蓄電池和泄荷單元等組成。如圖2.1所示：太陽能電池板風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)光互補控制部件蓄電池組負載220V圖2.1風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)組成框圖另外，為了增強系統(tǒng)供電的不間斷性，可以考慮引入后備柴油機，后備柴

29、油機的選配很大程度上還是根據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)力、日照資源條件確定的。一般情況下，適當(dāng)?shù)卦龃箫L(fēng)力機、光伏陣列或蓄電池的容量完全可以免去柴油機，這些都是系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計時考慮的問題，在此不作過多的討論。本文論述的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)不包含柴油機。2.2太陽能發(fā)電模塊2.2.1太陽能電池板的開展簡介 太陽能是地球上重要的清潔能源，在太陽能利用的方面首先使用的是太陽能所提供的熱能，如太陽能爐灶，熱水器等等。其次在太陽能轉(zhuǎn)換成電能方面，如在上世紀五十年代，在太陽能技術(shù)開展史上有兩項重大技術(shù)突破：一個是在美國貝爾實驗室研制出轉(zhuǎn)換效率只有6的單晶硅太陽能電池，盡管轉(zhuǎn)換效率只有6%但是已經(jīng)初步具有實用價值，另一個是1955年

30、在以色列提出的選擇性吸收外表概念和理論，依據(jù)這個理論研制出了選擇性太陽吸收涂層。這兩項重大技術(shù)突破對此后太陽能的開展和利用具有重要意義，并為現(xiàn)代太陽能技術(shù)開展奠定了技術(shù)根底。此后自上世紀七十年代以來，由于世界能源危機，加之工業(yè)開展帶來的越來越多的環(huán)境污染。迫于環(huán)境和能源壓力人們開始研究太陽能和新型可再生能源。終于在1973年世界上一些國家開始制定政府級太陽能方案，這其中有美國的陽光發(fā)電方案，并于1980年把太陽能發(fā)電方案列入公共電力規(guī)劃，投入資金累計多達8億美元。在日本七十年代也制定了陽光方案，并于1993年把“月光方案節(jié)能方案、“環(huán)境方案、“陽光方案合并成“新陽光方案。此外還有德國以及歐盟等

31、一些國家以及一些開展中國家也相繼制定了自己的太陽能方案。而在我國，自“六五以來中國政府就把研究和開發(fā)太陽能以及可再生能源技術(shù)列入國家科技攻關(guān)方案，這一舉措促進了我國太陽能和可再生能源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的開展。太陽能發(fā)電原理 太陽能發(fā)電是利用太陽能電池板的光伏特效應(yīng)進行發(fā)電的。光伏效應(yīng)又稱廣生伏特效應(yīng)，是指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。太陽能電池板所采用的材料是一種特殊的半導(dǎo)體，它導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間。半導(dǎo)體的組成原子也是由帶正電的原子核和帶負電的電子構(gòu)成。半導(dǎo)體的硅原子外層有4個電子，正常情況下他們會按固定軌道圍繞硅原子核轉(zhuǎn)動。當(dāng)受到外界擾動時，這些外層電子

32、會獲得能量，從而溢出所在軌道而成為自由電子，而在原來的軌道上就會出現(xiàn)上一個空位，這個空位被稱為“空穴。在純潔的硅晶體中，是沒有自由電子的，也就是說自由電子和空穴的數(shù)目是相等的。但在硅晶體中摻入硼、鎵等元素后，由于這些元素具有俘獲電子的能力，在參雜硅晶體中會形成“空穴，此時晶體就有一定的導(dǎo)電能力了，這時的晶體被稱為空穴型半導(dǎo)體，用符號P代表。假設(shè)摻入的是能夠釋放電子的磷、砷等元素，它就成了電子型半導(dǎo)體，以符號N代表。當(dāng)把這兩種半導(dǎo)體結(jié)合時，在交界面上會形成一個P-N結(jié)。P-N結(jié)像柵欄一樣，阻礙著電子和空穴的移動。當(dāng)這種晶體受到陽光照射時，電子獲得光能，向N區(qū)移動，使N區(qū)帶負電，同時空穴向P區(qū)移動

33、，使P區(qū)帶正電。這樣一來，在PN結(jié)的兩側(cè)會產(chǎn)生電動勢，我們把這種現(xiàn)象稱為“光生伏打效應(yīng)。當(dāng)把P層和N層用金屬引線引出連接到負載上時，就會在外部負載上獲得電流和電壓。再把多個這樣的P-N結(jié)串聯(lián)或并聯(lián)，以滿足不同的需要，這樣就構(gòu)成了太陽電池板。太陽能電池板圖如下所示：圖2.2 太陽能電池板光伏電池的理想等效電路模型和實際電路模型如圖2.3所示： a理想模型 (b)實際模型圖2.3 等效電路模型太陽能電池板的相關(guān)參數(shù)1光電轉(zhuǎn)換效率% 評估太陽電池好壞的重要因素。 目前：實驗室 24%，產(chǎn)業(yè)化： 15%；本課題采用前者2單體電池電壓V：0.4V0.6V由材料物理特性決定。 .3填充因子FF%評估太陽電

34、池負載能力的重要因素。 FF=(ImVm)/(IscVoc) ；其中：Isc短路電流，Voc開路電壓，Im最正確工作電流，Vm最正確工作電壓；4.標準光強與環(huán)境溫度地面AM1.5光強，1000W/m2 ，t = 25； 5溫度對電池性質(zhì)的影響例如：在標準狀況下,AM1.5光強，t=25某電池板輸出功率測得為100Wp,如果電池溫度升高至45時，那么電池板輸出功率就不到100Wp。光伏電池的伏安特性 太陽能電池板由多個單光伏電池串并聯(lián)而成，為了更高的理解太陽能電池板發(fā)電系統(tǒng)，我們首先對光伏電池的伏安特性進行分析。在實際情況下，參加旁路電阻和串并聯(lián)電阻，光伏電池向外提供的電流可以用公式2.1所表示

35、： (2.1)其中，n是二級管理想因子，Vth=KT/q為溫度電勢。它的伏安特性曲線如圖2.4所示：圖2.4 光伏電池伏安特性曲線 當(dāng)太陽能電池板短路時，即負載V=0時，電流為短路電流Isc，當(dāng)電路開路時，I=0，電壓為開路電壓Voc.當(dāng)太陽能電池兩端的電壓從0上升時，在光伏恒定的條件下，太陽能電池板的輸出電流幾乎不變，輸出功率不斷增加。當(dāng)電池電壓增到一定值時，輸出電流又開始變小，輸出功率到達一個最大值，即最大功率點，之后隨著電池電壓的升高，輸出電流和功率都不斷變小，最后輸出電流減為0.，輸出電壓到達最大值開路電壓。太陽能電池的伏安特性還與溫度有關(guān)，隨著溫度的上升，開路電壓減小，在最大功率點的

36、典型溫度系數(shù)為-0.4%/。2.2.5太陽能電池板發(fā)電量的計算太陽能電池板輸出功率跟光照強度、溫度、工作電壓和放置斜角有關(guān)，太陽能電池板的發(fā)電量可通過如下方式計算：假設(shè)太陽能電池板可以通過電壓控制工作在相應(yīng)光照強度下的最正確工作點，不計溫度影響，那么每天的發(fā)電量可以表示為：Wpva=N*Vpv*Ipv*E*Tv (2.2)其中N為太陽能電池板的數(shù)量，Vpv和Ipv為相應(yīng)光照下的最正確工作電壓和電流，E代表損失因子，Tv為日照有效時間。在實際計算時，需要根據(jù)本地的光照強度和選擇的太陽能電池板的元器件的輸出特性來確定最正確工作點。2.3 風(fēng)力發(fā)電工作原理2.3.1風(fēng)資源概述1.風(fēng)的起源風(fēng)就是水平運

37、動的空氣，空氣運動主要是由于地球上各緯度所接受的太陽輻射強度不同而形成的。大氣的流動也像水流一樣，是從壓力高處往壓力低處流，太陽能正是形成大氣壓差的原因。由于地球自轉(zhuǎn)軸與圍繞太陽的公轉(zhuǎn)軸之間存在665的夾角，因此對地球上不同地點太陽照射角度是不同的，而且對同一地點一年中這個角度也是變化的。地球上某處所接受的太陽輻射能與該地點太陽照射角的正弦成正比。2.風(fēng)的參數(shù)風(fēng)向和風(fēng)速是兩個描述風(fēng)的重要參數(shù)。風(fēng)向是指風(fēng)吹來的方向，如果風(fēng)是從東方吹來就稱為東風(fēng)。風(fēng)速是表示風(fēng)移動的速度即單位時間內(nèi)空氣流動所經(jīng)過的距離。風(fēng)速是指某一高度連續(xù)10min所測得各瞬時風(fēng)速的平均值。一般以草地上空10m高處的10min內(nèi)風(fēng)

38、速的平均值為參考。風(fēng)玫瑰圖是一個給定地點一段時間內(nèi)的風(fēng)向分布圖。通過它可以得知當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向。3.風(fēng)能的根本情況表 2-2 中國風(fēng)能分區(qū)及占全國面積的百分比指標豐富區(qū)較豐富區(qū)可利用區(qū)貧乏區(qū)年有效風(fēng)能密度W/m2 200200-150150-5050005000-40004000-200022002200-15001500-350350占全國面積的百分比8185024 eq oac(,1)風(fēng)能的特點風(fēng)能的特點主要有：能量密度低、不穩(wěn)定性、分布不均勻、可再生、須在有風(fēng)地帶、無污染、分布廣泛、可分散利用、另外不須能源運輸、可和其它能源相互轉(zhuǎn)換等。 eq oac(,2)風(fēng)能資源的估算風(fēng)能的大小實際就是

39、氣流流過的動能，因此可以推導(dǎo)出氣流在單位時間內(nèi)垂直流過單位截面積的風(fēng)能，即風(fēng)功率為 式中 為風(fēng)能(w)；為空氣密度(kg/m)；為風(fēng)速(m/s)。由于風(fēng)速是一個隨機性很大的量，必須通過一段時間的觀測來了解它的平均狀況，一個地方風(fēng)能潛力的多少要視該地常年平均風(fēng)能密度的大小。因此需要求出在一段時間內(nèi)的平均風(fēng)能密度，這個值可以將風(fēng)能密度公式對時間積分后平均來求得。在風(fēng)速V的概率分布p(V)知道后，平均風(fēng)能密度還可根據(jù)下式求得 (2.3) 2.3.2 風(fēng)輪機的理論圖2.5 風(fēng)力發(fā)電簡單原理圖風(fēng)輪機又稱為風(fēng)車，是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機械能、電能或熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置。風(fēng)輪機的類型很多通常將其分為水平軸風(fēng)輪機垂

40、直軸風(fēng)輪機和特殊風(fēng)輪機三大類。但應(yīng)用最廣的還是前兩種類型的風(fēng)輪機。風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與組成1.風(fēng)力發(fā)電機的分類風(fēng)力發(fā)電機組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，按其容量分可分為：小型10kw以下、中型10100kw和大型100kw以上風(fēng)力發(fā)電機組。按主軸與地面相對位置又可分為：水平軸風(fēng)力發(fā)電機組和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組。水平軸風(fēng)力發(fā)電機是目前世界各國風(fēng)力發(fā)電機最為成功的一種形式，主要優(yōu)點是風(fēng)輪可以架設(shè)到離地面較高的地方，從而減少了由于地面擾動對風(fēng)輪動態(tài)特性的影響。它的主要機械部件都在機艙中，如主軸、齒輪箱、發(fā)電機、液壓系統(tǒng)及調(diào)向裝置等。而生產(chǎn)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的國家很少，主要原因是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機效率低，需啟動設(shè)

41、備，同時還有些技術(shù)問題尚待解決。在本文中以后不做特殊說明時所指的風(fēng)力發(fā)電機組即為大中型的水平軸風(fēng)力發(fā)電機組。2.水平軸風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)大中型風(fēng)力發(fā)電機組是由葉片、輪轂、主軸、增速齒輪箱、調(diào)向機構(gòu)、發(fā)電機、塔架、控制系統(tǒng)及附屬部件機艙機座回轉(zhuǎn)體制動器等組成的。(1)機艙機艙包含著風(fēng)力發(fā)電機的關(guān)鍵設(shè)備，包括齒輪箱、發(fā)電機等。 (2)風(fēng)輪葉片安裝在輪轂上稱作風(fēng)輪，它包括葉片、輪轂、主軸等。風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機接受風(fēng)能的部件。葉片是風(fēng)力發(fā)電機組最關(guān)鍵的部件，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機上每個轉(zhuǎn)子葉片的測量長度大約為20米葉片數(shù)通常為2枚或3枚，大局部轉(zhuǎn)子葉片用玻璃纖維強化塑料GRP制造。葉片可分為變漿距和定漿距兩種葉片

42、，其作用都是為了調(diào)速，當(dāng)風(fēng)力到達風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計的額定風(fēng)速時，在風(fēng)輪上就要采取措施，以保證風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率不會超過允許值。輪轂是連接葉片和主軸的零部件。輪轂一般由鑄鋼或鋼板焊接而成，其中不允許有夾渣、砂眼、裂紋等缺陷，并按槳葉可承受的最大離心力載荷來設(shè)計。主軸也稱低速軸，將轉(zhuǎn)子軸心與齒輪箱連接在一起，由于承受的扭矩較大，其轉(zhuǎn)速一般小于50r/min，一般由40Cr或其他高強度合金鋼制成。3增速器增速器就是齒輪箱，是風(fēng)力發(fā)電機組關(guān)鍵部件之一。由于風(fēng)輪機工作在低轉(zhuǎn)速下，而發(fā)電機工作在高轉(zhuǎn)速下，為實現(xiàn)匹配采用增速齒輪箱。使用齒輪箱可以將風(fēng)電機轉(zhuǎn)子上的較低轉(zhuǎn)速、較高轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為用于發(fā)電機上的較高轉(zhuǎn)速

43、、較低轉(zhuǎn)矩。4聯(lián)軸器增速器與發(fā)電機之間用聯(lián)軸器連接，為了減少占地空間，往往聯(lián)軸器與制動器設(shè)計在一起。5制動器制動器是使風(fēng)力發(fā)電機停止轉(zhuǎn)動的裝置，也稱剎車。6發(fā)電機發(fā)電機是風(fēng)力發(fā)電機組中最關(guān)鍵的部件，是將風(fēng)能最終轉(zhuǎn)變成電能的設(shè)備。發(fā)電機的性能好壞直接影響整機效率和可靠性。大型風(fēng)電機100-150千瓦通常產(chǎn)生690伏特的三相交流電。然后電流通過風(fēng)電機旁的變壓器或在塔內(nèi)，電壓被提高至1-3萬伏，這取決于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的標準。風(fēng)力發(fā)電機上常用的發(fā)電機有以下幾種： 直流發(fā)電機，常用在微、小型風(fēng)力發(fā)電機上。 永磁發(fā)電機，常用在小型風(fēng)力發(fā)電機上。現(xiàn)在我國已經(jīng)創(chuàng)造了交流電壓440/240V的高效永磁交流發(fā)電機，可以

44、做成多對極低轉(zhuǎn)速的，特別適合風(fēng)力發(fā)電機。 同步或異步交流發(fā)電機，它的電樞磁場與主磁場不同步旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速比同步轉(zhuǎn)速略低，當(dāng)并網(wǎng)時轉(zhuǎn)速應(yīng)提高。 7塔架塔架是支撐風(fēng)力發(fā)電機的支架。塔架有型鋼架結(jié)構(gòu)的，有圓錐型鋼管和鋼筋混凝土的等三種形式，風(fēng)電機塔載有機艙及轉(zhuǎn)子。 8調(diào)速裝置風(fēng)速是變化的，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速也會隨風(fēng)速的變化而變化。為了使風(fēng)輪運轉(zhuǎn)所需要額定轉(zhuǎn)速下的裝置稱為調(diào)速裝置，調(diào)速裝置只在額定風(fēng)速以上時調(diào)速。目前世界各國所采用的調(diào)速裝置主要有以下幾種： eq oac(,1)可變漿距的調(diào)速裝置； eq oac(,2)定漿距葉尖失速控制的調(diào)速裝置； eq oac(,3)離心飛球調(diào)速裝置； eq oac(,4)空

45、氣動力調(diào)速裝置； eq oac(,5)扭頭、仰頭調(diào)速裝置。9調(diào)向偏航裝置調(diào)向裝置就是使風(fēng)輪正常運轉(zhuǎn)時一直使風(fēng)輪對準風(fēng)向的裝置。借助電動機轉(zhuǎn)動機艙以使轉(zhuǎn)子正對著風(fēng)。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風(fēng)向標來感覺風(fēng)向。通常在風(fēng)改變其方向時，風(fēng)電機一次只會偏轉(zhuǎn)幾度。2.4蓄電池2.4.1蓄電池的選擇根據(jù)負載選擇適宜功率的蓄電池，它具有放電功率大、充電更迅速、循環(huán)壽命長、重量輕、性能可靠、均衡等優(yōu)點，蓄電池完成電能的儲存及負載的供電。本系統(tǒng)蓄電池的充電采用階段充電法。綜合了恒壓充電和恒流充電兩種充電方法有效地防止了這兩種充電方法的缺乏。泄荷器的作用是：當(dāng)蓄電池已被充滿，系統(tǒng)發(fā)電量大于負載用電

46、量時，即發(fā)電量過剩時，為防止蓄電池過充和確保逆變器正常工作，充電電路受泄荷控制電路接通泄荷器，將多余的電能通過泄荷器消耗掉。蓄電池在系統(tǒng)中起到能量調(diào)節(jié)和平衡負載兩大作用。在常用的蓄電池中，主要有鉛酸蓄電池、堿性幾鎳蓄電池和鐵鎳蓄電池。其中鉛酸蓄電池價格低廉、性圖2.6 鉛蓄電池實物圖能可靠、平安性高，且技術(shù)上又不斷進步和完善，是目前我國風(fēng)光互補系統(tǒng)中主要選用的儲能裝置。本文討論的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)也選用鉛酸蓄電池作為儲能裝置。2.4.2 蓄電池的原理鉛蓄電池由正極板群、負極板群、電解液和容器等組成。充電后的正極板是棕褐色的二氧化鉛PbO2，負極板是灰色的絨狀鉛Pb，當(dāng)兩極板放置在濃度為27%37

47、%的硫酸(H2SO4)水溶液中時，極板的鉛和硫酸發(fā)生化學(xué)反響，二價的鉛正離子Pb2+轉(zhuǎn)移到電解液中，在負極板上留下兩個電子(2e-)。由于正負電荷的引力，鉛正離子聚集在負極板的周圍，而正極板在電解液中水分子作用下有少量的二氧化鉛PbO2滲入電解液，其中兩價的氧離子和水化合，使二氧化鉛分子變成可離解的一種不穩(wěn)定的物質(zhì)氫氧化鉛PbOH4。氫氧化鉛由4價的鉛正離子Pb4+和4個氫氧根4OH-組成。4價的鉛正離子Pb4+留在正極板上，使正極板帶正電。由于負極板帶負電，因而兩極板間就產(chǎn)生了一定的電位差，這就是電池的電動勢。當(dāng)接通外電路，電流即由正極流向負極。在放電過程中，負極板上的電子不斷經(jīng)外電路流向正

48、極板，這時在電解液內(nèi)部因硫酸分子電離成氫正離子H+和硫酸根負離子SO42-，在離子電場力作用下，兩種離子分別向正負極移動，硫酸根負離子到達負極板后與鉛正離子結(jié)合成硫酸鉛(PbSO4)。在正極板上，由于電子自外電路流入，而與4價的鉛正離子Pb4+化合成2價的鉛正離子Pb2+，并立即與正極板附近的硫酸根負離子結(jié)合成硫酸鉛附著在正極上。鉛酸蓄電池用填滿海綿狀鉛的鉛板作負極，填滿二氧化鉛的鉛板作正極，并用1.28%的稀硫酸作電解質(zhì)。在充電時，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，放電時化學(xué)能又轉(zhuǎn)化為電能。電池在放電時，金屬鉛是負極，發(fā)生氧化反響，被氧化為硫酸鉛；二氧化鉛是正極，發(fā)生復(fù)原反響，被復(fù)原為硫酸鉛。電池在用直流電

49、充電時，兩極分別生成鉛和二氧化鉛。移去電源后，它又恢復(fù)到放電前的狀態(tài)，組成化學(xué)電池。鉛蓄電池是能反復(fù)充電、放電的電池，叫做二次電池。它的電壓是2V，通常把三個鉛蓄電池串聯(lián)起來使用，電壓是6V。汽車上用的是6個2鉛蓄電池串聯(lián)成12V的電池組。鉛蓄電池在使用一段時間后要補充蒸餾水，使電解質(zhì)保持含有2228%的稀硫酸。放電時,正極反響為:PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e- = PbSO4 + 2H2O負極反響: Pb + SO42- - 2e- = PbSO4總反響: PbO2 + Pb + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O (向右反響是放電,向左反響是充電)2.5負載負載

50、是整個供電系統(tǒng)的能源消耗環(huán)節(jié)。負載特性分析對整個供電系統(tǒng)有很重要的意義。一方面，負載特性分析對系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計時各個設(shè)備的選型匹配有舉足輕重的影響，這在風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計環(huán)節(jié)有較詳細的論述，本文不做過多討論;另一方面，負載的特性對運行控制的方式也有決定性的作用，例如，需要根據(jù)負載的優(yōu)先級別合理分配蓄電池的剩余能量。第三章 風(fēng)光互補發(fā)電控制系統(tǒng)的分析3.1 硬件系統(tǒng)控制通過上述主要控制電路看出，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的運行控制是一個較復(fù)雜的過程控制，我們可以采用工業(yè)上較為成熟的過程控制技術(shù)對該系統(tǒng)的運行狀況進行監(jiān)測控制和優(yōu)化管理。在風(fēng)光系統(tǒng)中，最難掌握的就是將風(fēng)能和太陽能進行優(yōu)化控制，這就需要單片機和

51、微計算機相互調(diào)節(jié)，使之平衡，到達穩(wěn)定和持續(xù)的目的。由于被控對象不同，且過程控制中的被檢測參數(shù)也千差萬別，單片機組成的控制系統(tǒng)也不盡相同。在操作控制系統(tǒng)中，單片機的輸出不直接用來控制生產(chǎn)對象，而只是對系統(tǒng)的過程參數(shù)進行收集、加工處理，然后輸出數(shù)據(jù)。操作人員根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行必要的操作。在風(fēng)光互補控制系統(tǒng)中針對單片機控制主要是直接數(shù)字控制系統(tǒng)和計算機監(jiān)督系統(tǒng)的結(jié)合。3.2 直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)Direct Digital Control，簡稱DDC 系統(tǒng)，就是利用單片機對多個被控參數(shù)進行巡回檢測，將檢測結(jié)果與設(shè)定值進行比擬，然后按照一定的方法進行控制計算，使被控參數(shù)穩(wěn)定在給定值。操作指控和計算機顯示打印操作人員生產(chǎn)過程A/D轉(zhuǎn)換多路開關(guān)檢測元件管理命令報告圖3.1 直接數(shù)字控制系統(tǒng)原理圖3.3 計算機監(jiān)督系統(tǒng)計算機監(jiān)督系統(tǒng) Supervisory ConpuerControl,簡稱SCC 系統(tǒng)。在CC 系統(tǒng)中，由監(jiān)督計算機收集單片機采集到的系統(tǒng)控制參數(shù)，按照描述生產(chǎn)過程的屬性模型計算出最正確的控制參數(shù)給頂值傳送給DDC 系統(tǒng)單片機，對系統(tǒng)過程進行最優(yōu)控制。如圖2A/D轉(zhuǎn)換多路開關(guān)生產(chǎn)過程檢測元件多路開關(guān)A/D轉(zhuǎn)換人工監(jiān)督單片機給定值圖3.2 計算機監(jiān)督系統(tǒng)原理圖3.4系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)合風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的運行控制特點，我們采用類似SCC 控制系統(tǒng)的方案對發(fā)電系統(tǒng)進