（电力电子与电力传动专业论文）风光互补led路灯系统的设计.pdf

j 掣掣f 哕必婴哗f 哕必 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已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：奎垃日期： 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：导师签名： 日期： 摘要 摘要 随着生产力的发展利社会的进步，能源短缺和环境保护已经成为社会发展和能源开发最重要的 研究课题。可再生能源的开发利用就越来越凸显出其重要性。风能和太阳能是目前应用比较广泛的 两种可再生能源，太阳能和风能与其它常规能源相比在利用上具有取之不尽，用之不竭，就地可取， 分布广泛，不污染环境，不破坏生态，周而复始，可以再生等优点。将风能和太阳能这两种自然能 源结合起来看，两者在时间上和地域上都有很强的互补性。因此太阳能和风能结合构成风光互补发 电系统在资源配置上是最佳的。 路灯照明是城市公共设施的重要组成部分，怎样在节约能源和保护环境的前提下进一步提高路 灯照明质量是目前我国城市发展的一个重要课题。随着科技的进步，l e d 光源取得了越来越大的进 步，光效越来越高，前景越来越广阔，并已经由传统的作为指示灯用途而跨入现代照明体系中，以 其诸多优点在路灯照明系统中扮演着越来越重要的角色。 本课题完成了风光互补l e d 路灯照明系统的设计。论文从介绍风力发电系统和光伏发电系统、 蓄电池、l e d 路灯系统的基本原理开始，在分析了用户需求和实际自然环境、地理位置等情况的基 础上，选择了合适的风力发电机组、太阳能电池组，然后根据风能和光能的转换效率、l e d 路灯系 统的功率等因素，选择了合适的蓄电池容量，并对蓄电池的充放电控制电路进行了设计，最后考虑 实际应用，选择了合适的l e d 路灯光源，并设计了l e d 驱动电路。 关键词：风光互补，l e d ，路灯系统，绿色照明 - _ a b s t 嘲 a b s t r a c t w i 仇t h ed e v e l o p m e n to fp r o d u c t i v ef 0 啪sa n ds o c i a lp r o g r e s s ，e n e r g ys h o r t a g e sa n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nh a sb e c o m et h em o s ti m p o r t a n t 怆s e a r c ht o p i co fs o c i a ld e v e l o p m e n t a n de n e r g yd e v e l o p m e n t t h ed e v e i o p m e n ta n du t i i i z a t i o no fr e n e w a b i ee n e r g yi sg e t t i n g h i g h i i g h t e di t si m p o r t a n c e w i n da n ds 0 l a ra r em or e n e w a b i ee n e r g yw i t hb r o a d e ra p p i i c a t i o n ， s o l a ra n dw i n de n e r g y c o m p a r e dw i t h0 t h e rc o n v e n t i o n a ie n e r g ys o u r s 。t h e yh a v em o r e a d v a n t a g e ss u c ha si n e x h a u s i i b i e ，d e s i r a b i ep l a o e ，w i d e s p r e a da n ds 0o n w i n da n ds 0 i a ra r e c o m p l e m e n t a i nt h et e r m s0 ft i m ea n dg e n e 阳t i o n ，t h e 伦f o r e ，c o m b l n a t i o no ft h e mc o n s t i t u t et h e p h o t o v o j t a j c ，w i n dp o w e rh y b n dg e n e 陷t j o ns y s t e mj nr e s o u r c ea o c a t i o nj so p t j m a l s t r e e ti i g h t j n gi sa ni m p o r c a n tc o m p o n e n to fu r b a np u b i i cf a c i i i t i e s 1 oi m p r o v et h eq u a h t yo f s t r e e ti i g h t i n gu n d e rt h ep 陀m i s eo fh o wt os a v ee n e r g ya n dp r o t e c tt h ee n v r o n m e n ti sa n i m p o n a n tt o p i co fu r b a nd e v e i o p m e n ti np r e s e n t w n t lt h ea d v a n c e si nt e c h n o i o g y ，l 日) i i g h t s o u r c eh a sm a d em o 陀p r o g r e s s 。l u m i n o u se 俪c i e n c yw a si n c 伧a s e d l e di l g h th a sb e e nt h e m o d e r n g h t i n gs y s t e mf r o mt h et r a d i t i o n a ip u 巾o s ea sa g h t i tp i a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nt h e s t r e e ti i g h t i n gs y s t e m s t h i st h e s i sp r e s e n t st h ed e s i g n0 fp h o t o v o i t a i c w i n dp o w e rh y b r i dg e n e r a t i o nl e ds t r e e t 1 g h “n gs y s t e m b a s e do nt h ep 伧s e n t a t i o no ft h ew i n dp o w e rg e n e r a a o ns y s t e m ，p h o t o v o i c p o w e rg e n e 陷t o ns y s t e m 。b a t t e r e s 。 l e ds i r e e ti i g h t j n g s y s t e m ， u s e rn e e d sa n dn a l u 阳i e 九v i r o n m e n ta 他d i s c u s s e d ，t h ea p p r o p n a t ew n dt u r b i n ea n ds o l a rb a t t e r ya 怕s e i e c 剐t h e n ， a c r d i n gt 0w i n da n ds o i a re n e r g yc o n v e r s i o ne 币c i e n c y p o w e r0 fl e d s t r e e ti i g h t i n gs y s t e ma n d o t h e rf a c t o 陷。t h ea p p r o p r i a t eb a 牡e r yc a p a c 时i ss e i e c 【e d a n dt h eb a t t e r yc h a r g ea n dd i s c h a r g e c o n t r o ic i r c u i th a sb e e nd e s i g n e d f i n a i ，c o n s i d e r e d0 ft h ep r a c a c a ia p p l i c a t i o n ，t h ea p p r o p r a t e l e ds ；t r e e t g h ti ss e l e c l e da n dt h el e ddr v e rc i r c u i th a sb e e nd e s i g n e d k e yw o r d s ：s c e n e wc o m p i e m e n t a 吼l e d ，s t 陀e tl i g h t n gs y s t e m ，g r e e nl i g h t i n g i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第1 章绪论1 1 1 研究背景与意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 本文的研究目标和主要内容4 1 4 论文组织5 第2 章风光互补发电系统7 2 1 风力发电系统7 2 1 1 风力机的基础理论7 2 1 2 风力发电机的基本理论1 0 2 2 光伏发电系统1 2 2 2 1 太阳能光伏技术1 2 2 2 2 太阳能电池的基本理论1 3 2 2 3 太阳能电池的基本特性1 5 2 3 风光互补发电系统1 8 2 3 1 风光互补发电系统的工作原理1 8 2 3 2 风光互补发电系统的设计1 9 2 3 3 风光互补发电系统最大功率点跟踪技术( m p p t ) 2 0 第3 章蓄电池及充放电控制电路的设计2 3 3 1 蓄电池的分类及工作原理2 3 3 1 1 蓄电池的分类及技术指标2 3 3 1 2 蓄电池的工作原理2 7 3 2 蓄电池的特性及使用寿命2 9 3 2 1 蓄电池的特性2 9 3 2 2 蓄电池的使用寿命3 l 3 3 蓄电池的选择3 2 3 4 充放电控制电路3 3 v 东南大学硕士学位论文 3 4 1 蓄电池的充放电控制方法3 3 3 4 2u c 3 9 0 6 的结构和工作原理3 5 3 4 3 充放电控制电路的设计3 6 l e d 路灯系统的设计4 1 1l e d 的基本原理4 1 4 1 1l e d 的发光原理4 1 4 1 2l e d 的基本结构4 2 4 1 3l e d 的分类4 3 4 2l e d 的主要特性4 5 4 2 1l e d 的电气特性4 5 4 2 2l e d 的光学特性4 7 4 2 3l e d 的热特性4 9 4 2 4l e d 的特点5 0 4 3l e d 路灯的驱动电路5 1 4 3 1l e d 路灯的驱动电路基本要求5 l 4 3 2l e d 路灯的驱动电路设计5 1 第5 章总结与展望5 5 5 1 总结5 5 5 2 展望5 5 参考文献5 7 致谢5 9 v i 第l 章绪论 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 人类社会的发展离不开能源。随着生产力的发展、社会的进步和经济的高速腾飞，能源短缺和 环境保护已经成为社会发展和能源开发最重要的研究课题。如何解决能源问题，是每个国家都必须 面临的难题。根据有关资料显示，人类已经确知的石油储备可供开采4 0 多年，天然气可供开采6 0 余年，煤炭可供开采2 0 0 年左右，高成本油气田可供开采4 5 0 年左右。随着这些不可再生能源不断 的消耗，人类不仅面临资源枯竭的压力，同时也面临生存环境恶化的困境，可再生能源的开发利用 就越来越凸显出其重要性。 太阳能是地球上一切能源的来源，太阳照射着地球的每一片土地。风能是太阳能在地球表面的 另外一种表现形式，由于地球表面的不同形态( 如沙土地面、植被地面和水面) 对太阳光照的吸热 系数不同，在地球表面形成温差，地表空气的温度不同形成空气对流而产生风能。风能和太阳能是 目前应用比较广泛的两种可再生能源，太阳能和风能与其它常规能源相比在利用上具有取之不尽， 用之不竭，就地可取，分布广泛，不污染环境，不破坏生态，周而复始，可以再生等优点。将风能 和太阳能这两种自然能源结合起来看，两者在时间上和地域上都有很强的互补性。白天太阳光最强 时，风很小，夜晚光照很弱时，风能加强。夏季，太阳光强度大而风小，冬季，太阳光强度弱而风 大。晴天，阳光充足，雨天，风较大【。因此太阳能和风能结合构成风光互补发电系统在资源配置 上是最佳的。 路灯照明是城市公共设施的重要组成部分，它不但给人们的生活带来光明，还能将一个城市的 夜色点缀得多姿多彩。但同时，它也是一个耗电大户。随着社会的进步和城市的发展，道路照明质 量也相应的得到了很大的提高，这使得它成为最消耗能源的一种城市公共设施。怎样在节约能源和 保护环境的前提下进一步提高路灯照明质量是目前我国城市发展的一个重要课题。 在路灯光源的选择上，随着科技的进步，l e d 光源取得了越来越大的进步，光效越来越高，前 景越来越广阔，并已经由传统的作为指示灯用途而跨入现代照明体系中，以其诸多优点在路灯照明 系统中扮演着越来越重要的角色，l e d 是固态光源，体积小、抗掉、耐震、无紫外、红外污染、寿 命长，因此现在已经逐步取代白炽灯、c f l 节能灯等传统电光源1 2 1 。 风光互补路灯的出现和发展凸显了2 l 世纪节能环保型工业社会的发展方向。建设风光互补路 灯，不仅与政府的保护环境、节约资源、循环经济的理念相符，而且能向国民进行新能源利用和生 态环保知识的直观教育。风光互补路灯对美化和保护环境有着非常积极的意义。常规路灯需要建设 变电站并采用埋地电缆供电，并且需要经常维护管理，因此建设成本很高。而风光互补路灯不需要 l 东南大学硕士学位论文 电线路，不消耗电网电能，一次性投入与常规路灯大体相当的建设经费后，即可一劳永逸地利用 之不尽用之不竭的风能和太阳能提供稳定可靠的能源。可见，风光互补路灯有着传统路灯所不能 拟的明显的社会和经济效益。 2 国内外研究现状 太阳能发电技术位居世界前列的德国，在巴伐利亚州法兰哥尼亚地区的阿思施泰冈建成大型的 太阳能发电场，其发电功率为1 2 4 兆瓦，可以同时满足3 5 0 0 户家庭的用电需要。这座太阳能发电 场占地7 7 公顷，将拥有1 5 0 0 套太阳能发电装置。它由两家私人企业联合策划，建成后发电功率是 目前世界上最大的5 兆瓦风力发电站的两倍多。这两家企业计划完全通过私人购买的方式，筹集建 场所需的7 5 0 0 万欧元。个人购买套太阳能发电装置的需要先投资1 4 4 万欧元。据调查，这种集资 建太阳能发电场的全新途径在德国有着广阔的发展前景。生产可再生能源的现代科学技术在德国一 直广受欢迎。德国环境部委托该国f o r s a 市场调查机构于2 0 0 5 年5 月初进行调查，调查结果显示， 接近6 2 的德国人认为应该增加在可再生能源方面的投入。大部分受访者支持利用风力发电，并赞 同努力在未来2 0 至2 5 年内实现。利用海上风力发电站，可满足该国1 5 的电力需求。在未来2 0 年至3 0 年内，太阳能是另一个将获得长足发展的能量来源。调查结果还显示，有8 5 的德国民众将 太阳能视为替代传统能源的理想选择。 众所周知，以色列是一个日照充足、太阳能资源条件较好的国家，在太阳能利用技术的研究与 开发方面，不但受到政府主管部门、研究机构和企业的高度重视，同时，还与美国、欧洲、澳洲等 国家和地区有广泛的合作关系，从而使以色列在此领域一直处于世界领先行列。一座占地1 0 0 0 英亩、 发电功率为5 0 万千瓦的世界最大的太阳能发电厂，将在以色列南部内盖夫沙漠中建设。该太阳能电 厂一期发电能力将达l o 万千瓦，到2 0 1 2 年工程全部完工时，发电能力将达到5 0 万千瓦，发电量约 占以全国电力生产的5 。长期以来，以色列一直重视对太阳能技术的研究与开发，国内著名的研 究机构在太阳能开发技术领域取得了许多重要成果，使以色列在开发和利用太阳能技术方面保持世 界领先水平。但由于太阳能发电成本居高不下，极大地制约着以色列太阳能的开发和利用。这座电 站是以色列的第一座太阳能电站。缺乏常规能源的以色列是惟一在法律上规定民用建筑必须安装太 阳能热水器的国家，因此，以色列太阳能热水器的普及率高达9 0 。人均使用太阳能热水器面积居 世界首位。 风力发电在可再生能源中是技术相对成熟、成本相对较低的一种，受到各国的普遍重视，装机 容量快速增长。根据全球风能理事会( g w e c ) 公布的最新数据，2 0 0 7 年全球新增风电装机容量为 2 0 ，0 7 3 m w ，增长3 2 1 。美国( 5 ，2 4 4 m 、聊、西班牙( 3 ，5 2 2 m w ) 及中国( 3 ，4 4 9 m w ) 位居前三名，2 0 0 7 2 第l 章绪论 年全球累计风电装机容量为9 4 ，l1 2 m w ，增长2 6 8 ，超出g w e c 之前预估的2 2 6 。其中中国0 7 年累计的风电装置容量已达6 ，0 5 0 m w ，挤下丹麦成为世界第五位风力发电国。以地区别来看，欧洲 仍是风电最普及的区域，0 7 年占比仍高达6 1 。但是，亚洲及美国则是未来三年风电市场增长动能 主要来源。另外，北非及中东地区的风电新增装置容量也迅速增长。值得一提的是，中国0 7 年风电 总装置容量及新增装置容量增幅分别高达1 3 2 3 及1 5 6 ，增长幅度同居世界第一位。 我国的风电发展大体可分为三个阶段。第一阶段：1 9 8 6 1 9 9 0 年是我国并网风电项目的探索和 示范阶段。其特点是项目规模小，单机容量小。在此期间共建立了4 个风电场。安装风电机组3 2 台， 最大单机容量为2 0 0 k w ，总装机容量为4 2 1 5 万千瓦。平均年新增装机容量仅为o 8 4 3 万千瓦。第 二阶段：1 9 9 卜1 9 9 5 年为示范项目取得成效并逐步推广阶段。共建立了5 个风电场，安装风电机组 1 3 1 台，装机容量为3 3 2 8 5 万千瓦，平均年新增装机容量为6 0 9 7 万千瓦，最大单机容量为5 0 0 k w 。 第三阶段：1 9 9 6 年后为扩大建设规模阶段。其特点是项目规模和装机容量较大，发展速度较快，平 均年新增装机容量为6 0 1 3 万千瓦，最大单机容量为1 5 0 0 k w 。截至到2 0 0 6 年底，我国大陆共建成 风电场9 1 个，安装风电机组3 ，3 1 l 台，总装机容量为2 ，5 9 6 姗，排在世界第5 位，亚洲第2 位。这 在一定程度上表明我国作为一个风力资源丰富的国家，风能的开发利用水平并不高。在未来很长一 段时期内，我国对风力发电设备的需求将持续保持强劲增长态势。自2 0 0 3 年以来，我国风电装机容 量增长迅速，2 0 0 4 2 0 0 7 年每年新增装机容量增速均超过1 0 0 。根据国家原风电发展规划，我国风 电的总装机容量将增长到2 0 1 0 年的5 0 0 万千瓦，2 0 2 0 年的3 0 0 0 万千瓦。再根据丹麦著名风电咨询 机构b t m 国际风能发展全球市场动向2 0 0 6 预测，2 0 1 1 年中国风电装机总量将可能达到1 7 4 0 万千瓦。 德国帮助约旦建造并安装了一个村级风光互补发电系统。该系统由2 台2 5 l c 风力发电机组、 1 5 k w 光伏方阵、2 8 0 k 、胁铅酸蓄电池、1 台4 0 k 、a 同步调相机及为其启动的2 k w 直流电机、l 台 1 5 k w 线路换向的逆变电源和l 台双向整流逆变电源以及微机控制系统等组成。该系统功能完 善、使用可靠安全，深受村民欢迎。 中国光伏发电产业于2 0 世纪7 0 年代起步，经过3 0 多年的努力，已迎来了快速发展的新阶段。 在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，我国光伏 发电产业迅猛发展【3 1 。到2 0 0 7 年年底，全国光伏系统的累计装机容量达到1 0 万千瓦，2 0 0 8 年太阳 能电池的产量达到了2 0 0 万千瓦。2 0 0 8 下半年以来，金融风暴危及到中国，让光伏企业深受影响： 订单减少，多晶硅价格下降。这次金融危机的影响是深远的，但太阳能以其独特的优势，决定了它 的发展趋势并没有也不可能改变。在金融危机形势下，2 0 0 9 年3 月中国出台了材太阳能屋顶计划”， 2 0 0 9 年7 月2 1 日财政部、科技部、国家能源局联合宣布在我国正式启动“金太阳”示范工程。2 0 0 9 年国家出台的政策将推动国内太阳能发电市场发展，在我国政府强有力的政策引导下，光伏产业不 3 东南大学硕士学位论文 仅让国内企业看到了机遇，而且已经吸引了世界的目光。中国科学院党组已正式批准启动实施太阳 能行动计划，该计划以2 0 5 0 年前后太阳能作为重要能源为远景目标，并确定了2 0 1 5 年分布式利用、 2 0 2 5 年替代利用、2 0 3 5 年规模利用三个阶段目标，太阳能产业在中国市场发展前景广阔。 传统的路灯采用的是低压输电网络。线路长、布线及埋设复杂、消耗土地资源，维护及巡线也 耗费大量人力与物力，一直是传统路灯难以克服的弊病。因此寻求一种节能、环保、自动化程度较 高的照明设备已是当务之急。作为清洁可利用再生能源的风光互补路灯系统有望成为未来路灯新选 择。中国的整个路灯市场的规模极大，仅2 0 0 7 年就安装了1 7 0 0 万盏，预计今年有望突破2 0 0 0 万盏。 当然，其中大部分为普通交流电高压钠灯，而不是风光互补路灯系统l e d 路灯。专家提出：假如 2 0 0 9 年的全部路灯全部改用风光互补路灯系统l e d 路灯，那么仅所需的太阳能电池板的总功率将 达到8 0 0 万千瓦。而发改委提出的到2 0 2 0 年才1 8 0 万千瓦的任务，今年就可以超额4 4 倍完成。目 前，在欧洲、日本、美国等发达国家正在普及风光互补路灯系统，我国采用风光互补路灯系统节能 也将紧跟世界能源发展步伐。 1 3 本文的研究目标和主要内容 本文的研究基于应天职业技术学院的院级课题，其研究目的是开发一套风光互补的发电系统， 对l e d 路灯进行供电。主要内容包括根据风光互补发电l e d 路灯系统要求进行分析总结，利用相 关的l e d 照明系统应用实例进行对比论证，设计出课题方案，再根据方案进行实验仿真调试，使设 计方案满足系统要求，并不断总结经验，为后续改进和推广打下基础。 本文主要研究以下几个方面： ( 1 ) 风力发电机组的选择。根据用户的需求及地点自然环境的风力情况，合理选择符合要求的 风力发电机组，包括发电机组的功率、机组类型、安装技术条件等。 ( 2 ) 太阳能电池组的选择。根据地理位置的光照条件和光能转换效率，合理选择电池板的功率， 并尽量降低成本。 ( 3 ) 充电控制器的设计。考虑到风能和太阳能的不确定性和用电负荷的不平衡性，设计一种能 够控制风电和光电两个系统，自动进行整流恒压充电，并具有过电流、过电压及短路保护、防止过 充的功能。 ( 4 ) 蓄电池组的选择。根据用户需求及风能和光能的转换效率，并考虑一定的容量系数，合理 选择蓄电池组的相关参数。 ( 5 ) 路灯光源的设计。根据用户需求，选择合适的路灯光源，并设计稳定可靠的驱动电路。 4 一 釜! 童堕堡一一 1 4 论文组织 本文主要介绍风光互补l e d 路灯系统的设计，对风光互补l e d 路灯系统进行了系统的分析和 研究，具体组织结构如下： 第l 章介绍了本设计的研究背景，国内外研究现状，研究目标和主要内容等。 第2 章介绍了风力发电系统和光伏发电系统的基本理论，以及风力发电机组和太阳能电池组的 选择。 第3 章介绍了蓄电池的分类、工作原理、特性、使用寿命和蓄电池的选择，以及充放电控制电 路的设计。 第4 章介绍了l e d 路灯系统的基本原理和主要特征，以及l e d 驱动电路的设计。 第5 章对全文进行了总结，并对下一步工作进行了展望。 最后给出了本文的参考文献。 s 第2 章风光互补发电系统 2 1风力发电系统 第2 章风光互补发电系统 风力发电系统是风光互补发电系统中风能的吸收和转化装置。它主要由风力机、发电机、控制 器、电力变换等部分组成。风力机的作用是将风能转换为机械能，而发电机的作用是将机械能转换 为电能f 4 】。风力发电系统的结构如图2 1 所示。 2 1 1 风力机的基础理论 图2 1 风力发电系统的结构 1 风力机的类型 风力机是将风的动能转换为机械能或其他形式的能量。 按功率输出的大小，风力机一般分为小型( 1 0 k w 以下) 、中型( 1 0 k 、 1 0 0 k w ) 和大型( 1 0 0 l ( w 以上) ，其中1 0 0 0 k w 到2 0 0 0 k w 以下又称为兆瓦( m w ) 级，2 0 0 0 k w 及以上又称为多兆瓦( m u l t i - m w ) 级f 4 j 。 风力机的结构形式多种多样，但大体上可以分为两大类：一类是水平轴风力机；另一类是垂直 轴风力机。 垂直轴风力机是指风轮轴线的安装位置与水平面垂直的风力机。它的主要优点是：不需要对风 装置，可以吸收任意方向来的风能；发电机和变速箱都可放在地面上，结构简单、造价低，且便于 维护。主要缺点是：风轮安装在相对靠近地面的风力比较小的地方，效率较低。 水平轴风力机是指风轮轴线的安装位置与水平面平行的风力机。按风轮的布置有上风向和下风 向之分，如图2 2 所示。 7 东南大学硕士学位论文 卜 + ( 口) 上风向( 6 ) 下风向 图2 2 水平轴风力机 上风向风轮安装在塔架前面，有利于避免塔架背后塔影效应的影响；上风向风轮需要有调向装 置以便使风平行流过旋转轴的方向。下风向风轮安装在塔架的后面，其最大的缺点是叶片通过塔影 会造成风力波动，引起更大的疲劳载荷。理论上，下风向风轮可以不安装调向装置，风轮和机舱将 被动地随着风向变化而变化。然而，这会引起陀螺载荷，且当风轮在一个方向上偏航很长时间时， 会妨碍电缆的解缆而产生绞缆。目前，绝大多数的风力机采用上风向风轮。 2 风力机的性能参数 ( 1 ) 风力机功率 任何种类的风力机产生的功率都可以用下面的公式表示： p = 丢3 彳c 矶仉 ( 2 i ) 式中，p 为输出功率( w ) ；p 为空气密度( 堙所3 ) ；v 为风速( 朋s ) ；a 为风力扫掠面积 ( 所2 ) ；c p 为风能利用系数；，7 。为传动效率，主要是变速箱的损失，在全负荷情况下典型值大约 在o 9 铷9 7 ；巩为电效率，包括发电机和电路损失，在全负荷情况下感应发电机配置的 仉= 0 9 7 0 9 8 。 图2 3 是6 0 k w 风力发电机的风速一功率曲线。 8 第2 章风光互补发电系统 釜 越 、 瓣 督 羽 簿 风速( m s ) 图2 36 0 k w 风力发电机的风速功率曲线 从图2 3 中可以看出，风力机的输出功率随着风速的变化而变化的。当然，不同的机型和运行 条件，曲线的变化有所不同，假定是恒定叶尖速比时，一直到额定风速点为止，基本上为三次多项 式曲线，在这一点功率调节开始动作，高于额定风速，采用失速调节或者变桨距调节均得到近似于 恒定的功率。 ( 2 ) 风能利用系数 风能是指空气运动的动能，一般用单位时间内通过单位面积的能量即风能密度来衡量风能的大 小。由于单位时间内通过单位面积的空气质量为，风能密度可以由o 5 3 得出。 单位时间内通过给定面积a 的风能e 可以表示为 层= 三剧v 3 晓2 ， 其中，v 为风速，p 为空气密度，在风力机设计计算中，一般取p = 1 2 2 5 姆m 3 。 从公式2 2 中可以看出，风能的大小与空气密度和通过的面积成正比，与风速的立方成正比。 风能利用系数指风力机从风能中转换的能量占风力机风轮扫掠面积全部风能的比例。如果风轮 扫掠面积为a ，扫掠面积的风能可以由公式2 1 计算。 风能利用系数c p 可以表示为： c p = 南 3 ， 其中p 为风力机功率。 ( 3 ) 叶尖速比 东南大学硕士学位论文 叶尖速比是风轮叶尖速度与风速的比值。即： a ：丝( 2 4 ) v 其中，r 为风轮半径；为风轮角速度。 ( 4 ) 风力机性能曲线 风力机性能一般用风能利用系数曲线进行描述的。风能利用系数曲线是描述风力机的风能利用 系数和叶尖速比之间关系的曲线，即q 一五曲线。 典型定转速定桨距水平轴风力机的风能利用系数曲线如图2 4 所示。 0 黎 帕 旺 = ， 帐 涩 区 叶尖速比a 图2 4 定桨距水平轴风力机q 一名曲线 在图2 4 中，c 点为最大风能利用系数点，b 点为最大功率输出点，a 、d 分别对应风力机的切 出、切入风速点，叶片攻角沿着a b c d 逐渐减少。其中a b c 段为失速区。显然，由于风速不同， 风能利用系数c j p 最大点与功率最大点并不重合，功率最大点处虽然风能利用系数c 尸值较低，但对 应的风能e 较大。风力机功率p 沿d c b 随风速提高而上升，到达最大点b 后，沿b a 随风速提高 而下降。 2 1 2 风力发电机的基本理论 上面所讲的风力机是将风能转化为机械能的装置，而风力发电机是将风力机的机械能转化为电 能的装备。风力发电机一般有风轮、发电机( 包括装置) 、调向器( 尾翼) 、塔架、限速安全机构和 储能装置等构件组成。风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能，发电机在 风轮轴的带动下旋转发电。 1 0 一一 第2 章风光互补发电系统 风轮是集风装置，它的作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋转的机械能。一般风力发电 机的风轮由2 个或3 个叶片构成。 调向器的功能是使风力发电机的风轮随时都迎着风向，从而能最大限度地获取风能。一般风力 发电机几乎全部是利用尾翼来控制风轮的迎风方向的。尾翼的材料通常采用镀锌薄钢板。 限速安全机构是用来保证风力发电机运行安全的。限速安全机构的设置可以使风力发电机风轮 的转速在一定的风速范围内保持基本不变。 塔架是风力发电机的支撑机构，稍大的风力发电机塔架一般采用由角钢或圆钢组成的桁架结构。 风力机的输出功率与风速的大小有关。由于自然界的风速是极不稳定的，风力发电机的输出功 率也极不稳定。风力发电机发出的电能一般是不能直接用在电器上的，先要储存起来。目前风力发 电机用的蓄电池多为铅酸蓄电池。 通常人们认为，风力发电的功率完全由风力发电机的功率决定，总想选购大一点的风力发电机， 然而这是不正确的。目前的风力发电机只是给蓄电池充电。而由蓄电池把电能贮存起来，人们最终 使用电功率的大小与蓄电池的大小有更密切的关系。功率的大小更主要取决于风量的大小，而不仅 是机头功率的大小。在内地，小的风力发电机会比大的更合适，因为它更容易被小风量带动而发电， 持续不断的小风，会比一时狂风更能供给较大的能量。当无风时人们还可以正常使用风力带来的电 能，也就是说一台2 0 0 w 风力发电机也可以通过大蓄电池与逆变器的配合使用，获得5 0 0 w 甚至 1 0 0 0 w 乃至更大的功率输出。 在风力发电机中，已采用的发电机有3 种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。 直流发电机分为电励磁式直流发电机和永磁式直流发电机两种，电励磁式直流发电机有他励、 自励和复励几种形式，小型直流发电系统大多数用于l k w 以下的微、小型风力发电装置，与蓄电池 储能配合使用。永磁式直流发电机结构比电励磁式直流发电机简单，但仍然带有电刷，系统采用输 出电压随风速变化的系统，在发电机和负载间设置储能设备( 如蓄电池) 和整流、逆变设备来变换， 以满足客户对输出电压的要求。 同步交流发电机运行于由电机极数和频率所决定的同步转速，而异步交流发电机则以稍高于同 步速的转速运行。交流发电机主要有感应发电机发电模式、硅整流自励交流发电机发电模式、无刷 爪极自励发电机发电模式、永磁发电机发电模式。 感应发电机的定子与同步发电机相同，转子为鼠笼型，结构简单，牢固。由蓄电池负载取得励 磁电流，及励磁不需要励磁调节装置。感应发电机的缺点是由于有励磁装置因此需要励磁调节装置， 运行时电压调节比较复杂。 硅整流自励交流发电机发电模式是发电机发出的交流电经整流器整流后输出直流电。硅整流自 励交流电机定子结构与同步电机相同，转子励磁绕组的两端接到滑环上，通过滑环接触的电刷与硅 l l 东南大学硕士学位论文 直流输出端相连而获得直流励磁电流。硅整流自励交流电机必须有一个励磁调节保持输出电 压不变。 无刷爪极自励发电机，与一般同步电机的区别仅在于它的励磁系统部分，其定子铁心及电枢绕 组与一般同步电机基本相同。无刷爪极电机与永磁电机一样均系无刷结构，基本上不需要维护。与 永磁发电机相比，无刷爪极发电机除了机械摩擦力矩外基本上没有什么起动阻力矩。另一个优点是 具有很好的调节性能，其控制结构和硅整流自励交流发电机发电模式相似，在结构上，其励磁绕组 不需滑环连接，可称为无刷励磁硅整流自励交流发电机，通过调节励磁可以很方便地控制它的输出 特性，并有可能使风力机实现最佳叶尖速比运行，得到最好的运行效率。这种发电机非常适合用于 千瓦级的风力发电装置中。 交流永磁电机的定子结构与一般同步电机相同，转子采用永磁结构。由于没有励磁绕组，不消 耗励磁功率，因而有较高的效率。永磁发电机的运行性能是不能通过其本身来进行调节的，为了调 节其输出功率，必须另加输出控制电路。另外。同步发电机的结构以及控制系统比较复杂，成本相 对于感应发电机也比较高。这往往与对微、小型风电装置的简单和经济性要求相矛盾，实际使用时 应综合考虑。 2 2 光伏发电系统 太阳能光伏发电系统是风光互补发电系统中太阳能的吸收和转化装置。它主要由太阳能电池阵 列、控制器、蓄电池组等部分组成【5 】。太阳能光伏发电系统的结构如图2 5 所示。 2 2 1 太阳能光伏技术 图2 5 太阳能光伏发电系统的结构 1 太阳能 太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程中产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度 为1 3 6 7 k w ，m 2 。地球赤道的周长为4 0 0 0 0 k m ，从而可以计算出，地球获得的能量可达1 7 3 0 0 0 t w 。 也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于5 0 0 万吨煤所产生的能量。 太阳能是一个巨大、久远、无尽的能源。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富， 1 2 第2 章风光互补发电系统 既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。但太阳能也有两个主要缺点：一是能流密度低； 二是其强度受各种因素( 季节、地点、气候等) 的影响不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳 能的有效利用。 太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大优点：( 1 ) 它是人类可以利用的最丰富的能 源，据估计，在过去漫长的l l 亿年中，太阳消耗了它本身能量的2 ，可以说是取之不尽，用之不 竭。( 2 ) 地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达 的农村、海岛和边远地区更具有利用价值。( 3 ) 太阳能是一种洁净的能源，在开发和利用时，不会 产生废渣、废水、废气，也没有噪声，更不会影响生态平衡【6 】。 2 太阳能光伏技术 太阳能是一种辐射能，太阳能发电意味着要将太阳光直接转换成电能，它必须借助于能量转换 器才能转换成为电能。太阳能发电有两种方式：一种是光一热一电转换方式；另一种是光一电直接 转换方式。 ( 1 ) 光熟一电转换方式是通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸 收的热能转换成工质的蒸汽，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光一电转换过程；后一个过程是热 一电转换过程。太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高。 ( 2 ) 光一电直接转换方式是利用光电效应，将太阳能辐射能直接转换成电能，光一电转换的基 本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种基于光生伏特效应将太阳光能直接转换为电能的器件， 是一个半导体光电二极管，当太阳光照射到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电 能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。 太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。太阳能电池寿命 长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用。与火力发电、核能发电相比，太阳能 电池不会引起环境污染：太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用 的太阳能电池组，这是其他电源无法比拟的。 太阳能光伏发电是依靠太阳能电池组件，利用半导体材料的电子学特性，当太阳光照射在半导 体p n 结上，由于p n 结势垒区产生了较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴 或产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，各自向相反方向 运动，离开势垒区，结果使p 区电势升高，n 区电势降低，从而在外电路中产生电压和电流，将光 能转化成电能。 2 2 2 太阳能电池的基本理论 太阳能电池又称为光伏电池或光生伏打电池，是一种利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半 1 3 东南大学硕士学位论文 体物质转变为电能的器件，这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应”。光生伏打效应简称光伏 效应，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 就是利用光伏效应将太阳能直接转换为电能的一种装置。 1 太阳能电池的分类 太阳能电池按照结构的不同可以分为同质结太阳能电池、异质结太阳能电池、肖特基太阳能电 池、多结太阳能电池和液结太阳能电池。按材料分为硅太阳能电池、化合物半导体太阳能电池、有 机半导体太阳能电池和薄膜太阳能电池四大类【7 1 。 ( 1 ) 硅太阳能电池。指以硅为基体材料的太阳能电池，有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电 池等。多晶硅太阳能电池又有片状多晶硅太阳能电池、铸锭多晶硅太阳能电池、筒状多晶硅太阳能 电池、球状多晶硅太阳能电池等多种。 ( 2 ) 化合物半导体太阳能电池。指由两种或两种以上元素组成的具有半导体特性的化合物半导 体材料制成的太阳能电池，如硫化镉太阳能电池、砷化镓太阳能电池、碲化镉太阳能电池、硒铟铜 太阳能电池、磷化铟太阳能电池等。 ( 3 ) 有机半导体太阳能电池。指用含有一定数量的碳碳键且导电能力介于金属和绝缘体之间 的半导体材料制成的太阳能电池。有机半导体可以分为分子晶体、电荷转移络合物和高聚物三类。 ( 4 ) 薄膜太阳能电池。指用单质元素、无机化合物或有机材料等制作的薄膜为基体材料的太阳 能电池。目前主要有非晶硅薄膜太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池、化合物半导体薄膜太阳能电 池、纳米晶薄膜太阳能电池、微晶硅薄膜太阳能电池等。 2 太阳能电池的工作原理 太阳能电池工作原理的基础，是半导体p n 结的光生伏打效应。当物体受到光照时，其体内的 电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。在气体、液体和固体中均可产生这种效应， 但在固体尤其是半导体中，光能转换为电能的效率特别高，因此半导体中的光电效应引起人们的格 外关注，