（电气工程专业论文）组合蓄能离网型光伏发电系统及其优化设计.pdf

l 渊必糌y 17 5 4 113 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：王童纽圣日期：型：i ：坦 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 至逝盈导师签名： 摘要 摘要 由于能源危机和环境危机，新能源特别是太阳能和风能的开发和利用得到了世界各国的青睐。 光伏发电系统是一种清洁的新能源发电装置，具有无污染、无噪声、安全可靠、环保美观、故障率 低、寿命长的优点，从而得到了广泛的发展。离网型光伏发电系统在那些远离电网而又必需电力的 地方应用较为经济和普遍。 由于太阳辐射与用户负荷二者之间的供需失配，现阶段常规离网型光伏发电系统通常采用蓄电 池作为能量缓冲装置，但蓄电池蓄能密度低，常规光伏发电系统往往由于蓄电池的能量缓冲容量不 足而很难实现自治运行( 即系统在只有光伏电能而无其他后备能源的前提下，能够满足用户需求， 保证系统供电可靠) 。虽然采用电解水制氢作为能量缓冲的氢气蓄能式光伏发电系统可以解决系统自 治运行的问题，但是系统存在效率降低、单位成本较高以及燃料电池负载跟随性差等缺点。为了解 决单一蓄能离网型光伏发电系统的缺点，采用蓄电池与电解水制氢相结合的组合蓄能光伏发电系统。 组合蓄能的方式充分发挥了蓄电池效率高、动态响应快和氢气能量密度高、无泄漏、适宜长期储能 的优点，形成了优势互补。本文的研究重点是在保证系统实现自治运行的基础上，对离网型组合蓄 能光伏发电系统进行优化设计与成本分析。 论文首先阐述了光伏发电的基本原理和发展现状，特别介绍了离网型光伏发电系统及其发展现 状。另外还比较全面的介绍了光伏发电系统中所采用的各种储能方式，主要包括蓄电池、电解水制 氢蓄能、抽水蓄能、压缩空气蓄能、飞轮蓄能、超导储能。 其次，论文对常规系统和氢气蓄能式系统的优缺点进行了分析，并介绍了组合蓄能光伏发电系 统及其组成和工作原理。在保证系统能够自治运行和效率最优的基础上，对组合蓄能光伏发电系统 的控制策略和优化设计进行了分析研究。本文还提出了成本优化控制策略，即在牺牲一定效率的基 础上( 增加了太阳能电池板的尺寸) ，有效地降低系统储能元件( 如电解水制氢装置，燃料电池等) 的尺寸，从而系统总体成本下降。此外，还给出了光伏发电系统发电成本的计算方法。 最后，根据本文所提出的优化设计方法和控制策略对组合蓄能系统进行了案例研究和仿真验证， 研究了不同的控制策略和控制参数对组合蓄能光伏发电系统运行的影响。在保证系统自治运行的基 础上，对成本最优控制策略的可行性进行了验证。仿真和计算的结果表明，在保证系统自治运行的 基础上，本文所提出的系统优化设计方法能够比较准确地估算出系统尺寸，成本计算结果也较为合 理，组合蓄能光伏发电系统具有良好的应用开发潜力。 关键词：离网型；组合蓄能；光伏发电：控制策略；优化设计；成本分析 s t o r et h ee n e r g y , w h i c he n h a n c e se n e r g yb u f f e rc a p a c i t y , e l i m i n a t e st h em i s m a t c hb e t w e e np o w e rs u p p l y a n dd e m a n da n de n s u r e sp o w e rs u p p l yc o n t i n u o u s l yw i t h o u te n e r g yl o s s p vs y s t e mw i t hh y b r i de n e r g y s t o r a g es y s t e mh a sh i g he f f i c i e n c yd u et ou s i n ga d v a n t a g e so fb a t t e r ya n dh 2a d e q u a t e l y b a s e d0 1 1 a u t o n o m i co p e r a t i o n , a no p t i m a lo p e r a t i o na n dd e s i g nm e t h o di s p r o p o s e d ac o s t - o p t i m i z e dc o n t r o l s t r a t e g yi sa l s op r o p o s e dw h i c hi sa p p r o p r i a t et or e d u c et h es i z eo fo t h e rc o m p o n e n t ss u c ha se l e c t r o l y z e r , a tt h ee x p e n s eo ft h eb a s i so fe f f i c i e n c y ( i n c r e a s et h es i z eo fs o l a rp a n e l s ) i na d d i t i o n , t h ef o r m u l af o r c a l c u l a t i n gt h ec o s to fp o w e rg e n e r a t i o ni sg i v e n i nt h ee n d ，c a s es t u d i e sa r ec a r r i e do u tt ot e s t i f yt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dp vg e n e r a t i o n s y s t e ma n di t sd e s i g nm e t h o d s i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ep r o p o s e ds y s t e m o p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o dc a na c c u r a t e l ye s t i m a t et h es y s t e ms i z e ，a n dt h ep vs y s t e mw i t hh y b r i de n e r g y s t o r a g ei sm o r ef e a s i b l et h a no t h e rs y s t e m s b e s i d e s ，b a s e do nt h ea u t o n o m i co p e r a t i o n ，t h ef e a s i b i l i t yo f c o s t - o p t i m a lc o n t r o ls t r a t e g yi sv e r i f i e d k e yw o r d s ：o f f - g r i d ；h y b r i de n e r g ys t o r a g e ；p h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o n ；c o n t r o ls t r a t e g y ；o p t i m a ls y s t e m s i z i n g ；c o s ta n a l y s i s l i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i l 目j i i i i l 符号与缩写词v 第一章绪论l 1 1j ；i 言1 1 2 光伏发电的原理及其发展现状2 1 2 1 光伏发电原理2 1 2 2 光伏发电的发展现状5 1 3 离网型光伏发电系统。7 1 3 2 离网型光伏发电系统组成及其发展现状7 1 3 3 储能9 1 4 论文研究的主要内容2 3 第二章单一蓄能离网型光伏发电系统。2 4 2 1 前言2 4 2 2 常规光伏发电系统2 4 2 2 1 常规光伏发电系统简介。2 4 2 2 2 常规光伏发电系统设计。2 5 2 3 氢气蓄能式光伏发电系统2 7 2 3 1 氢气蓄能式光伏发电系统简介2 7 2 3 2 氢气蓄能式光伏发电系统设计2 9 2 4 本章小结3 0 第三章组合蓄能离网型光伏发电系统3l 。一 3 1 前言3l 3 2 组合蓄能光伏发电系统介绍3 1 3 2 1 组合蓄能光伏发电系统组成。3l 3 2 2 组合蓄能。3 2 3 2 3 系统运行方式的讨论。3 4 3 3 系统效率最优运行3 6 3 3 1 工作原理3 6 3 3 2 无滞环控制策略3 6 3 3 3 单滞环控制策略3 8 3 3 4 双滞环控制策略3 9 3 4 系统成本优化4 0 3 4 1 工作原理。4 0 3 4 2 成本优化策略。4 1 3 5 本章小结4 2 第四章系统优化设计与成本计算4 3 4 1 系统效率最优运行优化设计4 3 4 1 1 太阳辐射和负荷需求的简化计算。4 3 4 1 2p v 板的面积4 5 4 1 3 蓄电池容量4 6 4 1 4 电解水制氢装置4 6 i 东南大学硕士学位论文 4 1 5 燃料电池。4 6 4 1 6 氢气罐的容积4 7 4 2 系统成本最优运行优化设计4 7 4 3 发电系统的成本计算方法4 8 4 4 本章小结5l 五章案例研究5 2 5 1 仿真软件介绍5 2 5 2 系统仿真验证5 4 5 2 1 太阳辐射与负荷数据5 4 5 2 2 常规离网型光伏发电系统仿真验证5 6 5 2 3 氢气蓄能式光伏发电系统仿真验证6 1 5 2 4 组合蓄能光伏发电系统仿真验证6 3 5 2 5 分析控制参数对组合蓄能系统的影响。6 6 5 2 6 成本最优控制运行组合蓄能系统的仿真验证与成本分析6 8 5 3 系统成本分析6 9 5 3 1 各种光伏发电系统成本分析6 9 5 3 2 组合蓄能系统成本优化运行时成本分析。7 1 5 4 组合蓄能光伏发电系统的优点7 2 5 5 本章小结。7 3 结与展望。7 4 考文献。7 5 读硕士研究生期间学术成果7 8 谢7 9 i v 符号与缩写词 蓄电池的状态 氢气罐的状态 a 通道的效率 b 通道的效率 c 通道的效率 d 通道的效率 p v 板的效率 m p p t 的效率 蓄电池的效率 电解水制氢装置的效率 燃料电池的效率 太阳辐射强度 年平均太阳辐射强度 月平均辐射强度 月平均最大辐射强度 月平均最小辐射强度 年最大辐射强度 用户负荷 日平均负荷 年平均负荷 月平均负荷 月平均最大负荷 符号与缩写词 v 月平均最小负荷 年最大负荷值 年最小负荷值 用户年用电总量 p v 板的面积 蓄电池的容量 氢气罐的体积 电解水制氢装置的输入功率 电解水制氢装置额定输入功率 电解水制氢装置最大允许输入功率 电解水制氢装置最小允许输入功率 燃料电池输出功率 燃料电池额定输出功率 燃料电池滞环下限 燃料电池滞环上限 电解水制氢装置滞环下限 电解水制氢装置滞环上限 p v 板的裕度系数 蓄电池的裕度系数 电解水制氢装置的裕度系数 氢气罐的裕度系数 燃料电池的裕度系数 如 陆 氏 k 地 弧 椎 驰 砸 帆 帅 l 堇 恤 钕尽k 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 能源是人类社会存在和发展的基础。随着煤、石油、天然气等一次能源的开发和利用，电力、 石油化工等许多行业的产量和效率得到了极大的提高，同时对自然资源的消耗也以空前的速度增长。 由于人类对自然资源无节制的大量消耗，人类赖以生存的资源基础遭到了持续削弱。目前大规模、 无节制地开发利用煤炭石化燃料加速了这些资源的枯竭。与此同时，还带来了严重的环境污染和生 态系统的破坏，例如大气污染、水污染、固体垃圾污染、土地荒漠化、臭氧空洞、温室效应、酸雨 侵害、物种濒危、人口激增等环境问题。环境的恶化造成了新的全球性困扰：人口快速增长，农业 和工业高速的发展排挤其他物种，使其濒于灭绝。由于人类向大自然索取过多使赖以生存的土壤、 森林、港湾和海洋遭受侵蚀的速度明显加快，降低了地球的承载能力和大气品质，并由此引发了一 系列相关的全球问题：人口增加与资源供需的矛盾日益尖锐：资源的不合理开发利用，导致了生态 环境的恶化并且日益严重；能源的枯竭使贫困化不断加剧从而难以遏制；对于能源的争夺己为很多 战争的爆发点和焦点等等。现在，能源危机已经波及到地球的每一个角落，每一个民族，影响到人 类的现在和未来1 1j 1 2 j 1 3 j 。 传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出。在此背景下，世界各国都把目 光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，提高能源供给的可持续性，以实 现经济可持续发展，最终实现经济、能源和生态环境的和谐发展。新能源主要包括太阳能、风能、 地热能、水能、潮汐能、海浪能、生物质能等，其中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。 太阳能就是无污染的巨大能源库，太阳实时给予地球的能量要比人类每天所消耗的能量要多得 多，陆地的降雨量、沿海的台风、飓风等都是太阳能转化的表现形式。根据推算，太阳每秒钟向外 发射的能量约为3 7 4 x 1 0 2 6 j ，功率高达3 7 4 x 1 0 2 6 w ，相当于每秒燃烧1 2 6 x 1 0 6 t 标准煤所释放出的能 量。太阳能从太阳表面向四周辐射。由于地球距太阳十分遥远( 平均距离为1 5 x 1 0 8 l x m ) ，中间是真 空地带，所以太阳能只有通过辐射方式才能到达地球表面，而太阳辐射出来的总功率只有2 2 亿分之 一能到达地球大气上界，但却高达1 7 3 x 1 0 7 w ，相当于1 7 3 亿个百万千瓦级电厂发出的总功率。因 此，地球接收的太阳辐射能仍然是十分巨大的。与常规能源相比，太阳能具有储量的“无限性”，取 之不尽，用之不竭，持续供应，源源不断，而且对于地球上绝大多数国家和地区都具有存在的普遍 性，可就地取用，这也为缺乏常规能源的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。太阳能具有清 洁性，在开发利用时几乎不产生任何污染，没有废气、废料，不污染环境，同时也具有很好的经济 性。从两个方面看，一太阳能取之不尽，用之不竭，而且在接收太阳能时不征收任何费用，就可以 随地取用；二在当前的技术发展水平下，太阳能利用不仅可能而且可行，随着科学技术的不断发展， 太阳能利用技术不断成熟，太阳能将会越来越广泛的被应用于人类生活的各个领域。鉴于此，太阳 能发电必将在世界能源结构转换中担当重任，成为理想的替代能源1 3 j 【4 】。 一 簇 蚕 有机半导体太阳能电池 类 溅 图1 1 太阳能电池的分类 太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为2 c m x 2 c m 到1 5 c m x l 5 c m 不等。太阳能单 体电池的工作电压约为0 4 5 - - 0 5 v ，工作电流约为2 0 - - 一2 5 m a c m 2 ，一般不能单独作为电源使用。为 了满足实际应用的需要，将太阳能电池单体封装后，构成太阳能电池组件，太阳能电池组件再经过 串并联安装在支架上，构成太阳能电池方阵( p v 板) ，它功率一般为几十瓦至几百余瓦，可以单独 作为电源，也是光伏电站的电能产生器。这也说明了光伏发电系统的一大优势，即当现存的系统容 2 池泡电电 能能器阳阳感太太传问面伏空地光 l 类分 途用按 第一章绪论 量需要扩充时，只需要增加模块电池的数量即可【6 1 】【7 】。 实质上，太阳能电池就是一个大面积的p - n 结二极管。在无光照的情况下，太阳能电池具有常 规二极管的特性，如果施加方向从p 区到1 1 区的电压时，电流从p 区流向n 区，可按二极管的模型 来表述： 一 毛= i o ( e 删打一1 ) 式中，而为二极管工作电流：i o 为二极管饱和电流；u 为施加电压；q = 1 6 0 2 x 1 0 9 c ，为电荷电量； k = - i 3 8 x 1 0 琊j k ，为波兹曼常数；r 为热力学温度，即绝对温度。 一旦太阳能电池受到光照，太阳能电池则会产生光电流五。理想的太阳能电池模型见图1 2 。这 样，太阳能电池可用下式表示： i = l 一= 丘一l o ( e 膳r 一1 ) 其中，光电流正比于太阳光照强度，同时还和温度有关，即： l = 4 ( c o + c l r ) 厶 式中，a c 为太阳能电池的有效面积；c o ，c 1 为依赖于电池材料的常数；r 为太阳能电池的温度：i s 为太阳辐射强度。 l ji 卜 b 5 z 【 1 实际情况下，当受光照的太阳能电池组件接上负载时，光电流流经负载，并在负载两端建起端 电压，这时太阳能电池组件的工作情况可用图1 - 3 所示的等效电路来描述。图中电流源丘表示能够 产生稳定光电流的太阳能电池组件，并有处于正偏压下的二极管和电阻风( 也称跨接电阻) 与之并 联，剩余的光电流通过一个串联电阻r s ( 由太阳能电池电极等因素引起的) 流出而流入负载，当流 进负载甩的电流为厶负载端电压为u 时，由图i - 3 可以得到： ，= j l l 一毛一，曲2 五一厶( e “u + 崛) 瓜r 一1 ) 一! ! 窒妄蠹堂 u = r l = h 剐叫一半 u = 卜舻蚴一叫一掣卜 东南大学硕士学位论文 式中4 为二极管理想因子；p 为太阳能组件被照射时在负载r l 上得到的输出功率。当负载凰由0 变为无穷大时，即可得到太阳能电池组件的负载特性曲线，也称仁u 曲线，如图l - 4 所示。仁【，曲 线显示了在特定的太阳辐射强度下，太阳能电池组件传送的电压u 和电流，关系。如果r l = 0 ，太阳 能电池组件电路短路即u = 0 ，此时电流为短路电流k ：如果凰为无穷大，电路开路即i = 0 ，此时电 压称为开路电压。太阳能电池组件的输出功率等于流经该组件的电流和电压的乘积，即尸= 弧 当太阳能电池组件的电压不断上升时，例如凰从0 ( 短路条件下) 开始增加时，组件的输出功率亦 从0 开始增加；当电压达到一定值时，功率可达到最大，在组件的输出功率达到最大点，m ，称为最 大功率点( 又称为太阳能电池组件的最佳工作点) ，这时当负载凡继续增加时，功率将跃过最大点， 并减少至0 ，即电压达到开路电压己k 【5 j 1 6 j l 引。 k 厶 v 煺 脚 兄 卜如0 ji“jl 卜) 5 z 】 sb l 广 i 1r1 图1 3 实际太阳能电池组件等效电路图 卜电流：k 一短路电流：，m 最大工作电流 产一电压；l 7 0 一开路电压：| _ 最大工作电压 ，一最大功率 图1 4 太阳能电池组件的电流一电压特性曲线 对于光伏发电系统而言，太阳能电池方阵在室外工作，其输出功率和效率严重受到太阳辐射强 度和温度的影响。随着太阳能电池温度的增加，开路电压减小，大约温度每升高1 ，每块电池的 电压降低5 m v ，也就是说随着温度的上升开路电压减小，在最大功率点的典型温度系数为0 4 0 4 ( 2 。 4 第一章绪论 由于太阳辐射强度、电池板温度等随时间不断发生变化，导致了光伏阵列不能持续工作在最大输出 功率点，从而降低了整个光伏发电系统的能量转换效率，减少了光伏阵列向电网或负荷注入的电能。 因此，为适应光伏电站周边环境的变化，充分利用太阳资源，一般在光伏阵列与负载( 或电网) 之间安 装了具备光伏阵列最大输出功率点跟踪( m p p t ) 功能的电力电子变换器，使得太阳能电池方阵工作 在最大功率点附近【5 】【6 】【引。 此外，在衡量太阳能电池组件的性能时，用到峰值功率，即在标准条件( s t c ) 下( 光谱辐照度 1 0 0 0 w m z ，大气质量a m l 5 ，电池温度2 5 ( 2 ) ，太阳能电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率， 其单位是峰瓦( w p ) 。 1 2 2 光伏发电的发展现状 为了降低光伏发电的成本，各种针对提高太阳能电池光电转换效率研究一直在世界各国进行着 并取得了长足进步。1 9 5 7 年硅太阳能电池效率仅为8 ，经过近半个世纪的研究，光电转化效率大 大提高，2 0 0 7 年，美国特拉华大学最新研制的超高效硅太阳能电池，在标准的陆地日光条件下，其 太阳能转换效率达到创纪录的4 2 8 ，比其他种类太阳能电池高出大约3 0 ，是目前最好的硅太阳 能电池的2 倍。这项技术将在世界范围内改变电力的产生方式。目前典型的民用太阳能电池转换效 率在1 5 到1 7 之间，因此光伏发电效率有很大的提升空间。与此同时，太阳能电池的价格也不断 下降。从2 0 世纪7 0 年代中期，太阳能电池价格高达每瓦几百美元：到了8 0 年代中期，其价格已降 至几十美元，此后其价格总体呈下降趋势，现在一般每瓦几美元左右。此外，太阳能电池的总厂量 以每年3 0 4 0 的速度持续增长。现在，各国研究人员对太阳能电池的研究主要集中在新技术向 工业生产转移以及降低电池和组件成本等问题上1 5 】1 9 】【1 0 1 。 1 9 9 6 年以来，随着太阳电池转换效率不断提高，太阳能光伏发电取得了长足进步。1 9 7 3 年世界 石油危机和2 0 世纪9 0 年代环境污染问题进一步促进了太阳能光伏发电的发展。太阳电池也从最初的 航天领域转而开始用于地面电源，包括偏远的山区和海岛的通信设施、照明和其他设备。作为最理 想的可再生能源，太阳能具有无限性、清洁性等优点，利用太阳能发电不必考虑大型发电厂所面临 的安全性问题，因此在世界各个国家和地区得到了广泛的重视，光伏产业由此蓬勃发展。此外，光 伏发电系统没有运转的部件，发电设备极为精炼，可以安静生产，而且安装维护简便，可靠稳定， 比较容易实现自动化和无人化管理【3 】【l l 】【1 2 】。 近几年，世界光伏发电发展十分迅速。美国、欧洲、日本、韩国以及部分东南亚国家制定了庞 大的光伏发电发展计划。目前，世界上已经建成了十多座兆瓦级的太阳能光伏发电系统。不少发达 国家，如日本和德国先后实施了千座光伏屋顶计划和万座光伏屋顶计划。1 9 9 7 年6 月，美国宣布了“百 万屋顶光伏计划”，这是一个1 0 0 0 3 0 0 0 m w 的计划，预计2 0 1 0 年完成。该计划加速和促进了美国光 伏产业的快速发展，把发电成本降到0 0 6 $ k 、h 以下，加强了美国光伏产业在世界的领先地位和世界 市场上的支配地位。日本政府在1 9 9 7 年4 月1 9 9 8 年3 月的财政年度中计划安装9 4 0 0 套4 k w 的屋顶光 伏系统，是上一个财政年度的6 倍，是日本1 9 9 6 年生产太阳能电池组件的2 倍，是全世界1 9 9 6 年光伏 组件生产总量的4 1 。在太阳能光伏发电领域，印度在发展中国家居领先地位。截止至1 j 1 9 9 7 年3 月， 印度的光伏发电系统容量达到3 0 m w 。1 9 9 8 2 0 0 2 年印度安装1 5 0 m w ，2 0 0 2 年生产达到5 0 m w a 。 5 负载供电。对于无倒流系统来说，即使光伏系统由于某种原因产生了剩余的电力，只能浪费掉，不 会出现向电网输电的情况【5 】o 太 电网 ( a ) 有倒流系统 电网 ( b ) 无倒流系统 图1 5 并网型光伏发电系统 但是，由于太阳能光伏发电属于能量密度低、稳定差，调节能力差的能源，发电量受天气及地 6 第一苹绪论 域的影响较大，并网发电后会对电网的安全稳定及其经济运行以及电网的供电质量造成一定影响。 电能不能大规模低成本储存，这就使得光伏发电的应用受到物理因素的制约，同时也受到地理上的 限制。但是随着技术和市场的发展，当光伏发电的上网电量在电网中与火电厂、水电或核电等电厂 的发电量处于可比较的数量级而成为不可忽略的一部分时，光伏并网发电将对电网带来如下问题： ( 1 ) 负荷峰谷对电网的影响会加大，由于光伏并网发电系统不具备调峰和调频能力，这将对电网的 早峰负荷和晚峰负荷造成冲击。光伏并网发电系统增加的发电能力并不能减少传统旋转机组的使用 量，电网必须为光伏发电系统准备大量的旋转备用机组来解决早峰和晚峰的调峰问题。光伏并网发 电系统向电网供电是以机组利用小时数下降为代价的；( 2 ) 昼夜变化，东西部时差以及季节的变化 对电网的影响会明显增加；( 3 ) 气象条件的变化对电网影响显著；( 4 ) 远距离光伏电能输送成本增 加。 光伏发电的优势在于解决远离电网地区通信，微波等设备的能源动力以及分散人口地区的小容 量电力消费及为有条件建立光伏屋顶的建筑就地提供电力。现阶段，虽然光伏发电系统发电成本较 高，但对于像我国西部农村这一类偏远地区，由于居民居住分散，化石燃料昂贵，送电难度大，采 用离网型光伏发电系统是一种比较经济的发电方式。一般来说，对于远离送、配电线而又必需电力 的地方以及如柴油发电需要运输燃料使得常规能源发电成本较高的情况下使用离网型光伏发电系统 还是比较经济的。各国在建或已投入运行的光伏发电站选址一般在这类地方。 1 3 离网型光伏发电系统 1 3 2 离网型光伏发电系统组成及其发展现状 1 3 2 1 系统组成及原理 离网型光伏发电系统是指仅依靠p v 板产生的光伏电能供电或者主要依靠光伏电能供电的发电 系统，在必要的时候利用柴油机发电、风力发电、电网电源或其他电源作为补充以保证负荷供电连 续。一般的离网型光伏发电系统( 见图1 - 6 ) 主要包括p v 板、储能装置、用户负荷以及控制及辅助 设备。p v 板作为光伏电源，是系统的能量来源；控制及辅助设备主要用来监视和保护系统各个环节 的正常运行。 阳光 j 图l - 6 离网型光伏发电系统 由于太阳辐射具有间歇性，而用户负荷也是不断变化的，这就造成了太阳辐射和用户负荷二者 之间的不匹配( 见图l - 7 ) 。储能装置主要用来平缓光伏电能与负荷二者之间的不匹配，为了保证系 统能够自治运行( 即系统在只有光伏电能而无其他后备能源的前提下，能够满足用户需求，保证系 7 。 于1 9 9 5 年1 0 月通过了由电力工业部、中国节能投资公司和西藏自治区计委共同组织的联合验收组 的国家级验收。电站至今运行正常，创造了极大的社会效益【1 7 】。中国科技部和西班牙国际合作署合 作，在内蒙古偏远无电地区实施了离网型户用太阳能光伏发电系统推广应用项目取得了一定的效 果【1 羽。 由于太阳辐射和负荷二者之间的不匹配，采用蓄电池蓄能的常规离网型光伏发电系统不能实现 自治运行，而且其发电成本非常高。文献【1 9 】表明，在负载恒定不变的情况下，各种光伏发电系统的 成本约为0 9 8 s k w h - 2 0 7 s k w h 。文献【2 0 】提到，在保证系统自治运行的基础上，即使在太阳辐射 和用户负荷二者匹配程度非常好的情况下，柴油机光伏混合发电系统的发电成本为0 7 5 s k w h ( 油 价为o 6 $ l ) 。 现阶段，研究工作存在的普遍问题是，在系统优化设计过程中并未考虑到自治运行问题。离网 型光伏发电系统一般不能实现自治运行，通常采用柴油机作为后备发电电源以保证供电连续，不仅 达不到绿色环保的目的，而且发电成本依然很高。因此，如何找到一种行之有效的储能手段，既能 8 第一章绪论 解决系统自治运行的问题，又能使得系统的发电成本降低是我们当下的任务。 1 3 3 储能 太阳能储量丰富且分布广泛，但太阳辐射强度会随着地域和时间的变化而强烈波动，此外用户 的负荷需求各不相同且因时而异，这就造成太阳辐射和用户负荷之间的不匹配，这种不匹配使得p v 板产生的光伏电能与用户的用电量二者处于不平衡状态，是影响离网型光伏发电系统自治运行的主 要原因。离网型光伏发电系统若要实现自治运行，需要储能装置有足够的储能容量。在考虑系统效 率的前提下( 即不浪费光伏电能) ，如果太阳辐射与负荷二者之间严重不匹配( 见图1 8 ) ，需要储能 装置长达几个月的连续充电或放电，在这种情况下，储能装置的选择至关重要。各种不同储能方式 有不同的适用范围和优缺点，系统储能装置选择不当将严重影响到系统运行性能和发电成本。储能 装置是平抑系统电能波动的重要缓冲环节。目前储能方式主要分为三类：电化学储能、机械储能、 电磁储能。蓄电池、电解水制氢蓄能属于电化学储能：抽水蓄能、压缩空气蓄能属于机械储能；超 导储能属于电磁储能。 v 褂 罄 1 3 3 1 各种储能装置简介 图1 8 太阳辐射与用户负荷供需失配图 1 、蓄电池 在光伏发电系统中，蓄电池的作用是将太阳能电池方阵产生的光伏电能转换为化学能贮存起来， 并随时准备向负载供电。通常光伏发电系统对所用蓄电池的基本要求是：自放电率低，使用寿命长， 深度放电能力强，效率高，可以少维护或免维护，工作温度范围宽，价格低廉。目前，太阳能光伏 发电系统使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池、镍氢蓄电池、镍镉蓄电池、锂蓄电池等。铅酸蓄电池具 有性能可靠、价格低廉等优点：镍镉蓄电池自放电损失小、耐过充放电能力强，但价格比较贵。考 虑到蓄电池的使用条件和价格，大部分光伏发电系统选择铅酸蓄电池作为蓄能装置。在我国，目前 与光伏发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池1 6 】【7 】。 铅酸蓄电池是通过充电将电能转换为化学能存储起来，使用时再通过放电将化学能转换为电能 9 东南人学硕士学位论文 放出来的化学电源装置。由氧化态物质构成蓄电池的正极；由还原态物质构成蓄电池的负极。当 电路接通两极时，在电极进行氧化还原反应，电极上的活性物质分别被氧化还原，从而释放出电 ，这一过程称为放电过程；放电之后，若有反方向电流流入电池时，则可以使两极活性物质恢复 原来的化学状态，这一过程为充电过程。以酸性溶液( 常用硫酸溶液) 作为电解质的蓄电池，成 酸性蓄电池。表征铅酸蓄电池充放电的总化学方程式为： 正极电解液负极正极水 负极 p b o 2 + 2 h2 s o4 + p b o p b s o4 + 2 h2 0 + p b s 0 4 放电 表征铅酸蓄电池电性能的参数很多。蓄电池每单格的标称电压为2 v ，实际电压随着充、放电的 况变化。蓄电池额定容量是指在规定条件下，已充足电后的蓄电池放电至终止电压所能够提供的 电量，通常用安时( a h ) 来表示。放电条件包括放电率、放电终止电压、工作温度等参数。蓄电 的额定容量常用放电时间的长短表示( 放电速度) ，称为放电率，如，3 0 h 、2 0 h 、1 0 h 放电率等。 谓1 0 h 放电率，表示用一定的电流放电，放电1 0 h 容量为额定容量。铅酸蓄电池规定在2 5 的环 温度下，以1 0 h 放电率的电流放电至终止电压所能达到的额定容量用c l o 表示。c l o 是放电电流与 电时间的乘积，则以1 0 h 放电率放电的电流值为0 1 c l o 。放电终止电压定义为铅酸蓄电池以一定 放电率在2 5 的环境温度下放电至能再反复充电使用的最低电压。此外，蓄电池的额定容量还可 用能量容量来表示，指在规定条件下，完全充电的蓄电池所能提供得能量，通常用瓦时( w h ) 来 示【7 1 1 2 1 1 。 v h 童 脚 释 卜卜一 分钟巾小时叫 放电时间 图l 一9 蓄电池放电特性 蓄电池的工作方式可分为恒流充电、浮充电、均衡充电和放电。某2 v ，1 0 0 a h 的铅酸蓄电池放 电特性曲线见图l - 9 。由图1 9 可知，蓄电池放电电流越大，电池利用率越低，相应的容量就会降低。 蓄电池的充电特性曲线见图1 1 0 ，蓄电池经历深度放电后，蓄电池的端电压都比较低，再次充电时， 首先采用恒流充电，随着充电的进行，蓄电池的端电压逐渐上升，当电池端电压达到浮充电压( 2 2 3 v ) 时，转变为恒压限流充电即浮充电。在浮充状态下，充电电流主要用于补充电池由于自放电而损失 的电量。在浮充工作方式下的蓄电池，自放电和浅放电后的电量能够迅速补足，所以正负极活性物 1 0 2 1 o 9 8 7 6 5 4 2 2 2 1 i l l 第一章绪论 质利用率高，使用寿命长。此外，均衡充电作用是消除单体电池的端电压不平衡现象，防止蓄电池 发展为故障电池。 一 栅 肄 羽 根 臻 羽 掣 椒 a a h 1 2 0 咖l o o 种8 0 鬈6 0 莩4 0 2 0 幽 脚 脚 恹 v恒压充电电压2 2 3 v ，2 5 。c 0481 2 1 62 0 2 4 2 83 23 6 充电时间( 小时) 图l 1 0 蓄电池充电特性 p 1 。心 写毫 忒 l 节一、一l 1 0 0 5 0 3 0 孜电深度 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 0 循环次数 图l - l l 蓄电池循环寿命曲线图 由于光伏发电系统运行的特殊性，作为系统蓄能装置的蓄电池，频繁处于充电一放电的反复循环 中，经常发生充放电过度等不利的工作情况。因而，蓄电池的寿命成为最关注的问题。为保证电池 的安全和最大使用寿命，在实际使用过程中，应尽量避免过度充放电放电的情况发生。蓄电池的寿 命与放电方式、放电深度、充电方式和使用环境有关。对于铅酸蓄电池的寿命可分为充放循环寿命、 使用寿命和恒流过充电寿命等三种评价方法。对于新能源领域使用的蓄电池，设计人员一般比较关 注充放循环寿命和使用寿命，尤其是充放循环寿命，因为充放循环寿命指标反映了铅酸蓄电池在深 度放电方面的重复能力。蓄电池在使用时，放电和充电为一个循环，在一定的充、放电条件下，电 池保持某一规定的容量值，电池所能承受的循环次数，称为循环寿命。循环寿命从本质上说是由电 池类型和内在机理决定，但使用和维护也会有一定的影响。电池的循环寿命和电池的放电深度有直 接的关系，图l - 1 l 为铅酸蓄电池在不同放电深度下的循环使用寿命1 2 2 1 。 影响铅酸蓄电池寿命的因素很多，内在因素如电池工艺结构和制造质量等，外在因素如放电深 度、充放电电流、电解液浓度与温度、维护状况等等。仅从使用的角度来考虑，外在因素是影响蓄 1 1 髟一 “ ” 让 u 加 眦 僦 脱 脚 眦 o 0 n n 仉 o 啪 m 舳 柏 加 。 电池的 别是过 及时补 充分使 解液浓 低，电 较为经 太阳辐 储能， 下时， 能够满 系统来 光伏发 变为氢 能，继 为氢能 图1 - 1 2 电解水制氢蓄能装置结构图 电解水制氢是一种传统的制氢方法。电解水制氢过程是氢与氧燃烧生成水的逆过程，因此只要 提供一定形式的能量，则可使水分解。电解槽是电解水制氢过程的主体设备，它的主要性能要求是： 制得的氢气纯度高；能耗低；结构简单；制造维修方便且使用寿命长；材料的利用率高；价格低廉。 电解池的主要参数包括电解电压( 决定电解能耗的技术指标) 和电流密度( 决定单位面积电解池的 氢气生产量) ，电解池的温度和压力对上述的两个参数均有明显的影响。对于水力资源、风力资源、 太阳能资源等新能源丰富的地区，电解水不仅可以制造出廉价的氢气，还可以实现资源的合理互补 利用，对环境保护与经济发展具有一定的现实意义。目前，碱性电解槽技术最为成熟，成本也比较 低，但效率只有6 0 - - - , 7 5 1 2 4 1 。 由浸没在电解液中的一对电极，中间插入隔离氢、氧气体的隔膜就构成了电解池。在充满碱性 水溶液( 通常是k o h ，k o h 的作用在于增加水的电导，本身不参加电解反应，理论上不耗能) 的 电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。其示意图见图1 1 3 。 其化学反应式如下： 阴极：4 h 2 0 峥4 e _ 2 h 2 t + 4 0 h 1 2 第一章绪论 阳极：4 0 h _ + 2 h 2 0 + 0 2 t + 4 e 总反应式：2 h 2 0 - 2 h 2 t + 0 2 t 要使水电解能够进行，在电解池的一对电极所加的电压必须大于水的理论分解电压。水的理论 分解电压是不考虑任何损耗时的最小分解电压，在0 i m p a ，2 5 c 的情况下，水的理论分解电压为 1 2 3 v ，这是水分解时必须向电解池供给的最低电压。此电压对应于水分解时的g i b b s 自由能的变化 ( 生成物与反应物之间的自由能之差) ，电解池的电压对应于焓的变化，即氢的燃烧热量( 高热值) 为1 4 8 v ( 2 5 ) 。因此，在o 1 m p a ，2 5 c 的情况下，在不产生废热( 即1 0 0 的热效率下) ，水的 分解电压是1 4 8 v ，此电压数值称为“热中性电压( u m ) 9 9 0 电解水制氢装置的效率为： ，厂 ”= 二旦 。 u c c n 其中，为电解电压。根据库仑定律，气体产量与电流( 电流密度) 成正比，与其它因素无关。 电解水制氢装置的伏安特性曲线见图1 1 4 。由图1 1 4 可知，工作温度不变的条件下，气体产量越高 ( 即电流越大) ，电解电压越高，电解水制氢装置的效率越低；在气体产量不变的情况下，工作温度 越低，电解电压越大【2 5 】，电解水制氢装置的效率越低。 阴极 隔膜 4 e + 4 h 2 0 _ 2 h