互补运行发电系统.ppt

风力发电基础,第6章互补运行发电系统,化学工业出版社,2,目录6.1互补运行发电系统概述6.2风光互补发电系统6.3风力-柴油互补发电系统,3,6.1互补运行发电系统概述6.1.1主要特点由两种以上的能源组成的供电系统至少有一种能源相对稳定，才能保证系统供电的连续性和稳定性供电系统的可靠性更高配置更加灵活,4,二、互补系统的类型,6.1.2主要类型风力-光伏互补发电系统风力-柴油互补发电系统光伏-柴油互补发电系统风力-光伏-柴油互补发电系统,5,6.2风光互补发电系统所谓风光互补，实质上就是风能和太阳能在能量上的相互补充，共同给负载供电。,6,6.2.1风光互补系统的组成,风能资源不论白天还是夜晚都存在，而太阳能资源在白天才有，但由于太阳能相对较为连续稳定，弥补了风能的间歇性特点，而太阳能也弥补了风能在白天的不连续性。,7,在新能源中，太阳能与风能的开发与利用日趋受到各国的普遍重视，己经成为新能源领域中开发利用水平最高，技术最成熟，应用最广泛，最具商业化发展条件的新型能源。我国幅员辽阔，地理位置南北方向自北纬4o至52o多，东西方向白东经73o至135o多，太阳能资源十分丰富。,8,据气象局测算，按离地10米高度估算全国陆地风能资源总量约32.26千瓦，海上风能储量约7.5亿千瓦。所以说我国是一个非常适合利用太阳能和风能的国家，高效的利用太阳能及风能资源将有效的缓解资源危机和环境污染等问题。,9,自丹麦学者1981年提出太阳能和风能混合利用技术以来，风光互补发电系统的研究从理论到实践已走过了近30个年头。然而起初的风光互补系统其结构形式只是将传统的独立光伏发电系统和独立风力发电系统进行一个简单的组合。其中有两套控制装置分别对风力机和光伏阵列进行检测、保护以及对蓄电池充电进行控制。这无疑增加了系统的投资。,10,以前的风光互补系统,11,目前的风光互补系统,12,13,风光互补发电系统主要由风力发电机组、太阳能光伏阵列、控制器、蓄电池、逆变器、交流直流负载等部分组成。该系统是集风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统。,14,整个风光互补发电系统按环节可划分为能量产生环节、能量存储环节、能量消耗环节等三部分。能量产生环节由风力发电机组和太阳能光伏阵列组成，负责将风能及太阳能转化为电能;能量存储环节为蓄电池，它将风机和太阳能产生的电能储存在其中，起到稳定供电的作用;能量消耗环节指系统的负载，其中包括直流负载和交流负载。,15,风力发电部分风力发电部分是利用风力机将风能转换为机械能，通过风力发电机将械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电。风力发电机是风光互补发电系统中风能的吸收和转化设备。从能量转换角度看，风力发电机由两大部分组成。其一是风力机，它的功能是将风能转换为机械能，其二是发电机，它的功能是将机械能转换成为电能。,300W风力发电机输出功率曲线,16,光伏发电部分光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电。风光互补发电系统中，由光伏阵列负责将太阳光辐射转换成电能。光伏阵列由一系列的太阳能电池经过串、并联后组成。太阳能电池是光伏发电的最基本单元，其基本种类有单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池。,17,风光互补系统的控制系统,控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节：一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载。另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性。,18,风光互补控制器,19,风光互补控制器,20,风光互补发电系统的控制部分应起到如下几个作用：保证风电、光电向蓄电池充电及向负载供电的同时保证各种必要参数的计量、检测和显示。当蓄电池过充电或过放电时，可以报警或自动切断线路，保护蓄电池。按需要给出高精度的恒电压或恒电流。,21,当蓄电池有故障时，可以自动切换，接通备用蓄电池，以保证负载正常用电。当负载发生短路时，可以自动断开;阻塞二极管的作用是避免太阳电池方阵不发电或出现短路故障时蓄电池通过太阳电池放电。它串接在太阳电池方阵电路中起单向导通的作用。要求它能承受足够大的电流，而且正向电压降要小，反向饱和电流要小，因此，选用合适的整流二极管即可。,22,蓄电池部分蓄电池是独立运行风光互补系统的储能装置。由多块蓄电池组成，在风力和日照充足时可存储供给负载后多余的电能；在风力和日照不佳时输出电能给负载。因此，蓄电池在系统中起到能量调节和平衡负载两大作用。固定式铅酸蓄电池因其具有性能优良、质量稳定、容量较大、价格较低，是目前我国风光互补系统中主要选用的储能装置。蓄电池的性能指标有:容量放电电流放电中止电压放电率功率与比功率自放电率,蓄电池工作状态示意图,23,逆变系统逆变系统由几台逆变器组成，逆变器是指整流器的逆向变换器，它是通过半导体功率开关器件的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能的一种电力电子变换器。其变换效率较高，但变换输出波形较差，含有相当多谐波成分的波形，因而需要进行交流低通滤波器的滤波。直流负载直流负载主要是指以直流电为动力的装置或设备。如直流电机、高强度LED发光管等。交流负载交流负载主要是指以交流电为动力的装置获设备。如日常家用电器，交流电机等。,24,6.2.2风光互补系统的特点优点：1.利用太阳能风能的互补特性，可以产生比较稳定的总输出，增加了系统的稳定性和可靠性。在风、光资源丰富并且互补性较好的地区，合理匹配设计的风光互补发电系统可以满足用户较大的用电需求，并能达到一年四季均衡供电。这是采用单一风力或太阳能发电无法达到的。,25,2.在保证同样供电的情况下，风光互补发电系统所需的蓄电池容量远远小于单一风力或太阳能发电系统，且通过系统匹配的优化设计，太阳能电池板容量降低，避免了因昂贵太阳能电池带来的系统的高成本。同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以降低，系统成本趋于合理。,26,3.充分利用了自然资源，大大增加了对蓄电池的有效充电时间，改善了蓄电池的工作条件，通过选择合理的蓄电池充放电控制策略，更能延长了蓄电池的使用寿命，减少系统的维护。,27,缺点：1.系统设计较为复杂，对系统的控制和管理要求较高；2.由于风光互补发电系统存在着两种类型的发电单元，与单一发电方式相比，增加了维护工作的难度和工作量。,28,6.2.3光伏电池发电原理及其特性,光伏电池发电原理光传导现象：当光照射到半导体上时，不纯物中的电子被激励，由于带间激励，价电子带的电子被传导带激励而产生自由载流子，从而导致电气传导度增加的现象。,29,光电效应：光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象，在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。,30,单晶硅太阳电池的构造,单晶硅电池的构造,31,单晶硅太阳电池收到光照射产生载流子的情况,Ln电子的扩散距离；Lp正孔的扩散距离d结合深度W迁移区,32,PN结采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。,33,P型半导体（P指positive，带正电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴。N型半导体（N指negative，带负电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。,34,载流子分极的情况,35,由图可知，光照射而产生的电子-空穴对由于迁移区内部电场的作用而左右漂移，在两端的电极聚集而产生光电压Vph,当太阳电池与负载连接时，P型硅的正孔，N型硅的电子流向负载便形成光电流Iph。,36,太阳能电池的发电原理及构造,37,一般太阳能的构造如上图所示。现多使用P型半导体与N型半导体组合而成的PN结型太阳电池。P型半导体PN结型太阳能电池N型半导体电极反射防止膜,38,发电原理：当太阳的光能被太阳电池吸收，产生正离子（+）（正孔）和负离子（-）（电子）。正离子向P型半导体集结，负离子向N型半导体集结，当在太阳电池的表面和背后的电极之间接上负载时，便有电流通过。,39,光伏电池,太阳能电池,硅半导体,化合物半导体,有机半导体,结晶系,非晶硅系,单晶硅太阳能电池,多晶硅太阳能电池,多晶硅薄膜太阳能电池,非晶硅太阳电池,-族化合物（GaAs)太阳能电池,-族化合物（CdS/CdTe)太阳能电池,三元（-族）化合物（CnInSe2),色素增感太阳电池,有机薄膜太阳电池,40,单晶硅太阳能电池,外观：单晶硅太阳电池的硅原子的排列比较规则；转换效率：在硅太阳电池中，单晶硅转换效率最高，转换效率的理论值为24%26%，实际产品在15%18%以上。特点：材料丰富制造技术成熟结晶缺陷少，转换效率高可靠性较高，特性比较稳定,41,42,多晶硅太阳电池,外观：它是由单晶硅颗粒聚集而成；转换效率：转换效率的理论值为20%，实际产品在12%14%。特点：1.与单晶硅相比，转换效率略低；2.原材料较丰富，制造比较容易；3.使用量较大，已超过单晶硅，占主导地位。,43,44,非晶硅太阳电池,外观：单晶硅太阳电池的硅原子排列呈现无规则状态。转换效率：转换效率的理论值为18%，实际产品在9%左右。制作过程：在玻璃板上使用蒸镀非晶硅的方法，在薄膜状态（厚度为数微米）下制作而成。,45,特点：1.制作所需材料少，大量生产成本低；2.制造工艺简单，大面积化容易；3.可以制造出各种曲面形状；4.可以做成薄膜电池，应用前景广阔。应用：计算器、钟表,46,47,化合物太阳电池,构成：化合物太阳能电池是由两种以上的半导体元素构成；分类：,-族化合物（GaAs)太阳能电池,-族化合物（CdS/CdTe)太阳能电池,三元（-族）化合物（CuInSe2:CIS)太阳能电池,48,-族化合物（GaAs)太阳能电池,分类：单结合电池单元、多结合电池单元、聚光型电池单元、薄膜型电池单元。特点：1.转换效率高，单结合26%28%,两结合、三结合的可望达到35%42%。2.耐辐射性、温度特性较好。应用：适用于聚光发电，已经宇宙发电中得到应用。,49,-族化合物（CdS/CdTe)太阳能电池,发展：1.1986年首次用于计算器；2.1988年开发出户外用的太阳电池组件。转换效率：CdS/CdTe半导体太阳电池的转换效率为33.62%44.44%。应用：可以作为低成本、高转换效率的薄膜太阳电池应用。,50,CIS（铜铟硒薄膜电池）太阳电池,转换效率：CIS太阳电池的转换效率为:小面积18.8%，大面积达到1214%；转换效率会随着面积的增加而急剧下降。特点：1.光吸收系数大，可以作为薄膜太阳电池材料；2.可以在较低温度下形成薄膜，可作为低成本的衬底；3.长时间使用，性能较为稳定；4.资源少，费用较高，主要用于宇宙发电领域。,51,有机太阳电池,光合作用：植物利用太阳能量将CO2和H2O合成糖等有机物。有机太阳电池：源于植物、细菌的光合作用的模型进行研究的。光合作用过程中，叶绿素等色素吸收太阳光能，产生电子、正孔，导致电荷向同一方向移动而产生电能。,何谓有机太阳电池?,52,色素增感太阳电池,定义：在光激励状态下伴随化学反应而产生光电流的光化学电池。构造：透明导电性玻璃、微结晶膜、无机酸化物、增感色素、电解质溶液。特点：制造成本低、所需材料丰富、耗能少、品种多、对环境影响小。应用：用于建材和钟表行业。,53,有机薄膜电池,构成：色素、高分子材料构造：透明导电性玻璃、微结晶膜、无机酸化物、增感色素、电解质溶液特点：制造成本低、方法简单、耗能少、成本低、对环境影响小。,随着人们认识的提高、地球升温的加速，有机太阳电池的研究越来越受到重视！,54,薄膜太阳电池,形成：它是由一种半导体层厚度在几微米到几十微米以下的太阳电池，是在成本较低的玻璃衬底上堆积结晶硅系等材料的薄膜而形成的元件。特点：节约原材料、效率高、特性稳定、成本低。,55,透明太阳能电池,形成：它是一种让可视光穿过，而吸收紫外光，将其转化成电能的装置。特点：转换效率低（紫外光占太阳光能量的8%），节能，可以提高能源综合利用率制造方法：对由氧化锌半导体（N型）和铜铝氧化物半导体（P型）组成的部分，通过对气体的雾状、电路板的温度进行控制，在低于500的温度下，在玻璃板上将这些氧化物半导体制成透明半导体。,56,混合型太阳电池,形成：它是由薄膜非晶硅与单晶硅集成。特点：1.结构简单，转换效率高；2.温度上升对其特性的影响小，实际发电量较多；3.其形成温度低（在200以下），比较节省能源。4.由于采用表面、背面对称的结构，可以减少应热膨胀引起的不均匀，因此可以采用薄型衬底，节省能源；5.由于可以利用表面的入射光进行发电，因此可两面发电。,57,球状太阳电池,形成：它是由直径约为1.5mm的球形，类似圆形的药丸，使用单晶硅材料制成，可以吸收任何方向的光线，表面可以利用直接照射的光发电，背面可以利用反射的光发电。转换效率：以达到19%以上。特点：1.采用无重力方法制造，制造能耗少，；2.使用原材料少，可以做成各种形状应用领域：住宅太阳能发电、移动电子设备、手机、交通等领域。,58,层积型太阳电池,形成：它是由两个或两个以上的太阳电池层积而成。特点：可以利用较宽波长范围的光，转换效率较高。,59,光伏阵列分类单体太阳能电池不能直接作为电源使用。在实际应用时，是按照电性能的要求，将几片或几十片单体太阳电池串联、并联连接起来，经过封装，组成一个可以单独作为电源使用的最小单元，即太阳能电池组件。太阳能电池方阵，则是由若干个太阳能电池组件串联、并联连接而排列成的阵列。平板式光伏阵列曲面式光伏阵列聚光式光伏阵列定向安装式光伏阵列,60,太阳电池的基本参数,开路电压Voc：短路电流Isc：最大功率Pm：最大工作电压Vm：最大工作电流Im：转换效率：如：16.5%填充（曲线）因子FF：如：72,61,太阳电池的输出曲线,Pm为最大输出功率：Pm=ImVm评价太阳电池输出特性的另一重要参数是填充因子FF,定义为最大输出功率与(ISCVoc)之比：FF=PmVocIsc=VmImVocIsc,62,太阳电池的转换效率,太阳电池的转换效率用表示，即太阳电池最大输出功率与照射到电池上的入射光的功率之比。,太阳电池的面积为0.5m2,太阳光的辐照强度为1kW/m2,如果太阳电池的发电出力为70W，那么该电池组件的转化效率是多少？一天按照8个小时计算，一天可发多少电？,63,太阳能电池组件,是将太阳光能直接转变为直流电能的光伏发电装置。具有封装及内部联结的能单独提供直流电输出的最小可分割的太阳电池组合装置。,64,根据用户对功率和电压的不同要求制成的太阳电池组件可单个使用，也可以由数个太阳电池组件经过串联（以满足电压要求）和并联（以满足电流要求）形成供电方阵提供更大的电功率。,65,0.6V/8A,0.6V60/8A=36V/8A,PV电池板（PV组件）,66,汇流箱,PV电站子阵列,PV组串1（20）720V/8A,PV组串(n个),720V/8An,67,汇流箱,汇流箱,汇流箱,汇流箱,低压开关柜-配电箱,逆变器,至35KV/110KV电网,220V/50Hz,升压变压器,720V,720V/8An,720V/8Anm,68,PV组件正面图,栅线，负极,69,PV组件背面图,底电极，正极,70,71,单晶硅太阳电池以单晶硅为基体材料的太阳电池多晶硅太阳电池以多晶硅为基体材料的太阳电池非晶硅太阳电池化合物太阳电池有机太阳能电池,太阳能电池类型,太阳能电池生产过程简介,72,硅片3,太阳电池4,太阳电池组件5,硅棒2,单晶体硅太阳能电池片的生产过程,高纯硅材料1,73,多晶体硅太阳能电池片的生产过程,高纯硅料,硅碇,硅块,硅片,电池片,电池组件,74,硅太阳能电池的结构,主栅线+栅线玻璃盖片粘结剂减反射膜扩散区基体底电极,75,标准测试条件,环境温度：252辐照强度：1000W/大气质量：AM1.5所谓太阳电池的峰瓦（Wp)就是指太阳电池在标准测试条件下的额定最大输出功率。例如：我们平常所说的某电池片的标称功率是2.52,76,6.2.4蓄电池充电控制原理蓄电池最佳充电曲线,77,恒流充电,恒流充电就是以固定不变的电流对蓄电池进行充电，在充电过程中随着蓄电池端电压的变化要进行电流调整使之不变。这种方法适合于对多个蓄电池串联组成的蓄电池组进行充电。,78,恒压充电,恒压充电就是以一恒定电压对蓄电池进行充电。在充电初期由于铅酸蓄电池电压较低，充电电流较大，但随着蓄电池电压的逐渐升高，电流逐渐减少。在充电末期只有很小的电流通过，这样充电过程中就不必调整电流。相对恒流充电来说，该种方法的充电电流自动减少，所以充电过程中析气量小，充电时间短，能耗低。,79,分阶段充电,这种方法是为了克服恒流与恒压充电的缺点而结合的一种充电策略。它首先对蓄电池采用恒流充电方式充电，蓄电池充电到达一定容量后，然后采用恒压充电方式充电。采用这种充电方式，在充电初期，蓄电池不会出现很大的电流，在充电后期也不会出现蓄电池电压过高，使其产生析气。在两阶段充电完毕后，蓄电池容量己经达到额定容量时，再继续以很小的电流向蓄电池充电以弥补蓄电池由于自放电损失的电量，这种以小电流充电的方式也称为浮充。,80,Buck型DC/DC变换器电路图,81,蓄电池充电注意事项有充电设备无允电设备勿接反电极蓄电池亏电情况的判断在太阳能资源较差的地方，由于太阳能电池方阵不能保证设备供电的要求而使蓄电池充电不足。在每年冬季或连续几天无日照的情况下，照常使用用电设备而造成蓄电池亏电。启用电器的耗能匹配超过太阳能电池方阵的有效输出能量：几块太阳能电池串联使用时，其中一块电池由于过载而导致整个电池组亏电。长时间使用一块太阳能电池中的几个单格而导致整块电池亏电。,82,紫琅风电500W风光互补控制器：,83,84,6.2.5风光互补系统的设计步骤,汇集及测量当地风能资源、太阳能资源、其他天气及地理环境数据。包括每月的风速、风向数据、年风频数据、每年最长的持续无风时数、每年最大的风速及发生的月份等；全年太阳日照时数、在水平面上全年每平方米面积上接收的太阳辐射能、在具有一定倾斜角度的太阳能电池组件表面上每天太阳辐射峰值时数及太阳辐射能等；当地本地理上的纬度、经度、海拔高度、最长连续阴雨天数、年最高气温及发生的月份、年最低气温及发生的月份等。,85,当地负荷状况：包括负荷性质、负荷的工作电压、负荷的额定功率，全天耗电量等。确定风力发电及太阳光发电分担的向负荷供电的份额。根据确定的负荷份额计算风力发电及太阳光发电装置的容量。选择风力发电机及太阳光电池阵列的型号，确走及优化系统的结构。,86,确定系统内其他部件(蓄电池、整流器、逆变器及控制器、辅助后备电源等）。编制整个系统的投资预算及计算电度(kwh)发电成本。,87,互补发电系统举例,例：风力发电机选用50W-200W系列产品，太阳电池选用3W120W非晶硅系列，其电池转换效率取12%，寿命20年。蓄电池选用铅酸蓄电池，寿命3-5年，放电率30%。,88,1.根据资料对当地风力机与太阳电池的年发电量及二者互补的发电量进行测算，如下表所示:,5,89,2.根据负载要求，选择可能的发电方式，设负载功率130瓦，每天工作5小时，年需要240KWh。根据上表可以选择100W风力发电机单独发电，或者两组HC9151220电池板100W并联太阳电池单独发电，或者50W风力发电机加HC915122050W太阳电池互补发电。,90,3蓄电池容量的确定，在不需要连续供电的场合，如生活用电，为了降低成本，可以只根据负载每日所需的能量与场合;如差转台、航标灯用电，则必须考虑天气变化（如连雨天，连续无风）的因素加修订。设蓄电池电压24V，计算结果:,91,92,93,4、三种发电方式的经济效益对比列入下表，另外，当负载需要量大时，风电光电互补可以有多种组配方式。此时，可以按照上述原则分别计算，然后比较优劣，求得最佳匹配。,94,从上表可以看出，利用风能和太阳能互补发电；性能价格比要高得多，发电品质也好。,95,6.2.6风光互补发电系统的应用前景无电农村的生活、生产用电半导体室外照明中的应用航标上的应用监控摄像机电源中的应用通信基站中的应用抽水蓄能电站中的应用,96,6.3风力-柴油互补发电系统风力-柴油互补发电系统的目的是向电网覆盖不到的地区(如海岛、牧区等)提供稳定的不间断的电能，减少柴油的消耗，改善环境污染状况，由于各地区的风能资源及负荷情况不同，有多种不同结构型式的风力-柴油互补发电系统。,97,目标：能提供符合电能质量标准的电能；有较好的柴油节油效果；具有合理的运行控制策略，使系统的运行状况得到优化，尽可能多地利用风能，避免柴油机低负荷运行，减少柴油机启停次数；具有良好的设备管理维护，减少故障停机降低发电成本及电价。,98,相关因素：系统建立地点的风能资源状况，包括风速、风频、紊流等情况以及其他气象条件，如气温、湿度、沙尘、盐雾等；系统内负荷的性质及变化情况；系统选用的风力发电机及柴油发电机的性能；系统内有无蓄能装置；系统的运行方式及控制策略。,99,6.3.1系统的组成,风力-柴油互补发电系统基本结构组成框图,100,柴油发电机,101,风力柴油发电并联运行系统风力-柴油发电并联运行系统由风力机驱动异步发电机，柴油机驱动同步发电机，两者同时运转，并联后向负荷供电，这种系统是风力柴油联合发电系统的基本型式，在这种系统中柴油发电机一直不