離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng).ppt

1、離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),徐大平 教授 華北電力大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院 2008年11月,獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，又稱為離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。典型的離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)示意圖如下所示。,第一節(jié) 離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組類型,按照用戶類型分類，可以分為以下幾種： 用于離網(wǎng)大用戶供電的離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。例如：電解鋁產(chǎn)業(yè)。,用于村落、農(nóng)牧場供電微小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 目前，我國微小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組按額定功率分主要有10種：100W、150W、200W、300W、500W、1KW、2KW、3KW、5KW、10KW。型式為23葉片，水平軸，上風(fēng)向，多為永磁低速發(fā)電機(jī)，多數(shù)為定槳距機(jī)組，葉片材料多樣，設(shè)計壽命15年。風(fēng)輪功率系數(shù)大

2、約在0.4左右，發(fā)電機(jī)組的效率在0.8左右。,幾種型號機(jī)組的技術(shù)參數(shù),用于戶用供電的離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,離網(wǎng)型戶用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是指10kW以下獨(dú)立運(yùn)行的、用蓄電池儲能的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。 截至2004 年底, 我國離網(wǎng)型戶用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組累計產(chǎn)量達(dá)293153 臺, 總裝機(jī)容量為89524.2kW, 預(yù)計年發(fā)電量約9246萬千瓦時。其中,2004年小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總產(chǎn)量24756 臺, 裝機(jī)容量為11300kW。所生產(chǎn)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組, 除滿足國內(nèi)用戶需要外, 還出口到歐洲、美洲、東南亞等23個國家和地區(qū)。其保有量、年產(chǎn)量和生產(chǎn)能力均列世界之首。,也可以分為直流、交流系統(tǒng) 一、直流系統(tǒng),獨(dú)立運(yùn)行

3、的直流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),二、交流系統(tǒng)，分如下兩種：,交流發(fā)電機(jī)向直流負(fù)載供電,交流發(fā)電機(jī)向交流負(fù)載供電,第二節(jié) 微、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī),小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)示意圖 1-風(fēng)輪 2- 發(fā)電機(jī) 3-回轉(zhuǎn)體 4-調(diào)速機(jī)構(gòu)5-調(diào)向機(jī)構(gòu) 6-手剎車機(jī)構(gòu)7-塔架8-逆變器9-蓄電池,葉片與風(fēng)輪 風(fēng)輪一般由23 個葉片和葉柄、輪轂及風(fēng)輪軸等組成。,圖 風(fēng)輪的基本結(jié)構(gòu) 1-葉片 2- 葉柄 3-輪轂 4-風(fēng)輪軸,目前我國的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片絕大多數(shù)是實(shí)心玻璃鋼(FRP)，極少數(shù)是木質(zhì)FRP蒙皮結(jié)構(gòu)和木材外粘環(huán)氧玻璃。 葉片橫截面形狀有3種：平板型、弧板型和流線型。,按照傳統(tǒng)的觀點(diǎn)，葉片表面應(yīng)是愈光滑愈好，但是最新的研究發(fā)現(xiàn)，在

4、葉片表面某部位，增加局部粗糙度，可以提高葉片的升阻比。在翼型下表面后緣貼粗糙帶，增加了翼型的環(huán)量和翼型的升阻比，因而提高了葉片的效率。風(fēng)力機(jī)還可以通過葉片上加襟翼來增加功率,二、調(diào)速裝置,可變槳距調(diào)速裝置： 下圖是美國MOD-0 型大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距調(diào)速裝置,側(cè)翼裝置,偏心裝置（1）,偏心裝置（2）,調(diào)向裝置,尾舵,舵輪對風(fēng)裝置,四、發(fā)電機(jī) 直流發(fā)電機(jī) 永磁發(fā)電機(jī) 同步交流發(fā)電機(jī) 異步交流發(fā)電機(jī)。 五、塔架 塔架用于支撐發(fā)電機(jī)和調(diào)向機(jī)構(gòu)等。因風(fēng)速隨離地面的高度增加而增加，塔架越高，風(fēng)輪單位面積捕捉的風(fēng)能越多，但造價、安裝費(fèi)等也隨之加大。一般由塔管和34根拉索組成, 高度6 m9 m。 六、蓄

5、電池 多采用汽車用鉛酸電瓶, 近年來國內(nèi)有些廠家也開發(fā)出了適用于風(fēng)能太陽能應(yīng)用的專用鉛酸蓄電池，在以后章節(jié)詳細(xì)介紹。 七、控制器和逆變器 控制器的功能是控制和顯示風(fēng)力機(jī)對蓄電池的充電, 使其不至于過充放, 以保證正常使用和整個系統(tǒng)的可靠工作。逆變器是把直流電(12V、24V、36V、48V)變成220V 交流電的裝置。,第三節(jié) 互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng) 31 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng),主要特點(diǎn): 彌補(bǔ)獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的不足, 向電網(wǎng)提供更加穩(wěn)定的電能。 (2) 充分利用空間, 實(shí)現(xiàn)地面和高空的合理利用。 (3) 共用一套送變電設(shè)備, 降低工程造價。 (4) 同用一套經(jīng)營管理人員, 提高工作效率,

6、降低運(yùn)行成本。,風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)至少由風(fēng)機(jī)、太陽電池、蓄電池和用電負(fù)載四部分組成。系統(tǒng)中由風(fēng)機(jī)、太陽電池和蓄電池聯(lián)合為用電負(fù)載供電。最簡單的風(fēng)-光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)如圖所示 。,風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：,1.對氣象資源利用更充分，在適當(dāng)?shù)臍庀髼l件下可實(shí)現(xiàn)晝夜連續(xù)發(fā)電，提高可供電的穩(wěn)定性和可靠性。 2.單位容量投資和發(fā)電成本低于光伏發(fā)電系統(tǒng)。 3.如果太陽能資源和風(fēng)資源在時間和強(qiáng)度上互補(bǔ)性好，則可減少電池組容量，因而減少了運(yùn)行成本（蓄電池壽命一般為三年）。,1.與單一系統(tǒng)相比，系統(tǒng)設(shè)計較復(fù)雜，對控制和資源要求較高。 2.由于是兩類系統(tǒng)的合成，維護(hù)的難度和工作量較高 。,風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的缺點(diǎn),32 風(fēng)

7、力發(fā)電機(jī)與蓄電池系統(tǒng),風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量的選擇與計算 一般說來，戶用型獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)要滿足用戶基本的生活用電和小型生產(chǎn)用電。而對村落型來說，用戶可能要提出風(fēng)力發(fā)電在系統(tǒng)中的供電比例。機(jī)組容量的選擇一般遵循以下原則： 1.設(shè)計者應(yīng)首先根據(jù)用戶一年總耗電量來選擇風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安裝容量 2.初選的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝容量應(yīng)通過一年的風(fēng)電日盈虧變化曲線來驗(yàn)證其容量選擇的合理性 3.對于戶用型獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，可采用風(fēng)電月均衡法來驗(yàn)證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝容量是否能滿足用戶要求，但各月份風(fēng)電富裕度應(yīng)基本保持在10以上,蓄電池組容量選擇與計算,1、年能量平衡法 所謂年能量平衡是通過分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一年中的發(fā)電

8、量與負(fù)荷耗電量之間的電能平衡關(guān)系來確定蓄電池容量。,2、無效風(fēng)時能量平衡法 無效風(fēng)時是指當(dāng)?shù)仫L(fēng)速小于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電運(yùn)行的風(fēng)速的時間。在無效風(fēng)速時間，機(jī)組不發(fā)電，負(fù)荷只能依靠蓄能裝置提供電能。一旦風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行風(fēng)速確定，當(dāng)?shù)氐臒o風(fēng)小時數(shù)便可統(tǒng)計出來。采用無效風(fēng)速小時數(shù)來 選擇和 計算蓄電池容量有兩種方法。 連續(xù)最長無效風(fēng)速小時計算法 平均連續(xù)無效風(fēng)速小時計算法,3、風(fēng)電盈虧平衡計算法 4、基本負(fù)荷連續(xù)供電保障小時計算法,33 風(fēng)柴油互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng),風(fēng)力柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成,風(fēng)力柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)組成框圖,風(fēng)力柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)組成框圖,風(fēng)力柴油機(jī)并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng),風(fēng)力柴油發(fā)電交替

9、運(yùn)行系統(tǒng),風(fēng)力機(jī)柴油機(jī)蓄電池聯(lián)合系統(tǒng),具有蓄電池及蓄能飛輪的風(fēng)力柴油發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng),多臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)柴油發(fā)電機(jī)蓄電池聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng),蓄電池組介紹,鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)一般為： 極板極板用鉛鎳合金制成柵架做基板。 電解液液體鉛酸電池的極板就放在電解液中，這種電池需水平放置使用。電解液還可以被吸附在超細(xì)玻璃纖維隔板中，在二氧化硅顆粒中或凝膠中，這類蓄電池倒置也不致漏液，但價格較貴，一般為常規(guī)鉛酸蓄電池的23倍。 隔板為防止電極間短路，在陽極和陰極間常放置隔板，隔板常用木質(zhì)、微孔橡膠或超細(xì)玻璃纖維等制成。,蓄電池的容量： 是其儲存電荷的能力，用在一定條件下，放電至終止電壓的電流與時間的乘積表示: Q=IT

10、(Ah),影響蓄電池的容量通常有以下幾方面因素：,放電率：放電電流越大，活性物質(zhì)的利用率越低，因而容量就越小，我們一般以10小時放電率的容量作為蓄電池容量。 電解液溫度：溫度較高時，電解液中離子運(yùn)動速度加快，滲透能力增強(qiáng)，電池內(nèi)阻減小，電化學(xué)反應(yīng)加快，因而電池容量增加。,太陽電池原理,太陽能電池由半導(dǎo)體晶片構(gòu)成，多數(shù)具有一個大面積的結(jié)，當(dāng)太陽光照射到太陽電池上時，結(jié)吸收光能后產(chǎn)生光生電子、空穴對，在電池的內(nèi)建電場作用下，光生電子和空穴被分離，太陽電池的兩端出現(xiàn)異號電荷的積累，即產(chǎn)生“光生電壓”，這就是所謂的光生伏特效應(yīng)。這是太陽能電池應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。 若在內(nèi)建電場的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，則在

11、負(fù)載中就有“光生電流”流過，從而獲得功率輸出。這樣，太陽光能就直接變成了可使用的電能。,太陽電池特性,太陽電池的 I-V特性,日照對太陽能電池的影響,可以看出，短路電流線性地與日照強(qiáng)度成正比，而開路電壓的變化很慢,不同日照下P-V特性曲線,溫度對太陽電池的影響,為滿足太陽電池的實(shí)際使用要求，須將若干單體電池按電性能分類進(jìn)行串并聯(lián)，經(jīng)過封裝后組合成可以獨(dú)立作為電源使用的最小單元，這個獨(dú)立的最小單元稱為太陽電池組件,太陽電池組件簡介,對太陽電池組件的要求: 有一定的標(biāo)稱工作電壓和輸出功率 組件的壽命長，而且所用材料、零部件及其結(jié)構(gòu)的使用壽命一致，不會因部分損壞而造成整個組件失效 有良好的電絕緣性

12、有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，能經(jīng)受運(yùn)輸、安裝和使用過程中的振動、沖擊和其它應(yīng)力 組合引起的效率損失小 成本較低,單晶硅太陽電池組件電性能隨溫度的變化,單晶硅太陽電池組件電性能隨入射光強(qiáng)度的變化,第四節(jié) 蓄能裝置,一、蓄電池儲能: 鉛蓄電池電化學(xué)特性: 依據(jù)哥來德斯東和特利浦雙硫酸化理論,鉛酸電池釋放化學(xué)能的過程放電過程是負(fù)極進(jìn)行氧化，正極進(jìn)行還原的過程。電池補(bǔ)充化學(xué)能充電過程的過程則是負(fù)極進(jìn)行還原，正極進(jìn)行氧化的過程。,蓄電池的工作特性 : 1.蓄電池的容量 充電容量： 式中， 為充電電流， 為充電時間。 放電容量： 式中， 為充電電流， 為充電時間。,2.蓄電池工作效率： 放電時能放出的全部電量與充電時充入的全部電量的百分比。 3.荷電狀態(tài)（SOC）: 已充電量與蓄電池額定容量的比值。,4.放電深度(DOD): 蓄電池放電量與額定容量的比值。,蓄電池工作溫度影響 :,蓄電池壽命與溫度關(guān)系,鉛蓄電池工作狀態(tài),蓄電池具有三種主要的工作狀態(tài)放電狀態(tài)、充電狀態(tài)和浮充狀態(tài),蓄電池循環(huán)工作狀態(tài),抽水蓄能: 在有條件的地區(qū)，可以用風(fēng)力發(fā)電的電能驅(qū)動水泵，把低處河流中的水抽到山頂（高地）的水庫中。當(dāng)無風(fēng)時，可以用水庫中的水來發(fā)電供電。從目前技