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1、第一章 绪论第一章 绪论1.1课题的背景及意义随着经济社会的发展，能源供需矛盾和环境问题压力将会进一步显现，能源结构也将面临重大挑战。目前，全球化石能源日渐紧缺，能源压力越来越大。在此大环境下，可再生能源取之不尽、用之不竭的特性决定了其在未来能源格局中的重要地位，全球各国均把清洁能源作为自身能源变革的重要发展方向。从20世纪70年代开始，尤其是近年来，可再生能源已逐渐成为常规化石燃料的一种替代能源，世界上许多国家或地区将可再生能源作为其能源发展战略的重要组成部分；美国的加利福尼亚，2017年20%的电力将来自可再生能源(2002年已经达到12%)；欧盟，2010年22%的电力或整个能源的12%
2、将来自可再生能源(1999年可再生能源电力为14%)1997年占整个能源的6%)旧本，2010年光伏发电要达到483万千瓦(2003年为88.7万千瓦)；拉丁美洲，2010年整个能源的10%要来自可再生能源。我国新能源产业的开展已有多年，我国大型风电设备制造业也已进入一个新的高速发展阶段，到2008年12月底，我国己有近70家企业进入并网风力发电机组整机制造行业，中、小型风力发电机组制造业也在快速发展。太阳能产业近年在我国发展迅速。截至2007年底，全国推广农村太阳能热水器4286万平方米、太阳房1468万平方米、太阳灶112万台。纵观世界可再生能源发展，有以下几大趋势。(1)技术水平不断提高
3、，成本持续下降。(2)发展速度加快，市场份额增加。(3)可再生能源己成为各国实施可持续发展的重要选择。(4)可再生能源是一种朝阳的产业，孕育着巨大的潜在经济利益。因此，不管从缓解能源危机、解决环境污染、保护人类生存环境、有效开发和利用自然资源，还是从社会和经济的发展要求出发，开发和利用风能、生物质能和太阳能等可再生能源都有极其重要的现实意义。从长远处看，用洁净的可再生能源取代常规化石能源，不仅是人类普遍的美好愿望，也是世界能源发展的必然趋势。1.2风光互补发电的提出及应用前景1.2.1风能、太阳能特点在常规能源(如煤、石油)日益紧缺并严重污染环境的今天，太阳能和风能越来越被重视。它们具有常规能
4、源所没有的优越性：第一，太阳能和风能都可以永续利用或循环利用，只要有太阳照射地球地面就会增温，空气就会流动，风能也同样用之不尽。第二，利用太阳能和风能的设备，一次投资就可常年使用，除了维修开支外，基本上没有经常性的耗费，是廉价的。第三，太阳能和风能不会造成大气污染。常规能源利用过程中，会释放出大量对人类有害物质，而太阳能和风能在利用过程中不会给环境带来污染，也不会破坏生态系统。第四，太阳能和风能到处都有，特别是那些缺乏常规能源的农村、野外、沙漠、高原、海洋，不需长途运输。第五，太阳能和风能的总量是巨大的。有人估计过，将长300公里、宽100公里的沙漠地带的太阳能全部利用起来，就可满足全球的能量
5、需求。当然，虽然风能、太阳能存在上述诸多优点，但也存在着一些缺陷:第一，这两种能源甚为分散，不管是太阳能还是风能都是一种能量密度极低的可再生能源，不易集中起来而形成巨大的功率。第二，受天气影响而变化，不稳定。不论太阳能还是风能，都随天气和气候的变化而不断变化。在利用这两种能源时存在一些困难。第三，受地形影响大，地区差异显著。尽管太阳能和风能的优点很多，但是这些缺陷的存在，使得单独利用其中一种清洁能源转变为经挤可靠的电能过程中仍存在着诸多技术难题。但是，随着现代科技的发展与进步，风能和太阳能资源的利用在技术上都有很大突破和进展，特别是在风能、太阳能综合利用方面，充分利用两种能源在诸多方面的互补性
6、，可以建立起经济合理、更加稳定可靠的能源利用系统。1.2.2风光互补发电系统的提出所谓风光互补，顾名思义，强调的就是风能与太阳能的结合。事实上，风能与太阳能的结合有着天然优势。风能是太阳能的另一种转化，太阳照射地球引起温度变化产生风。我们可以注意到，一般白天风小太阳辐射大，夜晚风大太阳辐射小，夏季风小太阳辐射大，冬季风大而太阳辐射小，晴天风小雨天风大。风能和太阳能在时间和季节上如此吻合的互补性，决定了风光互补结合后发电系统可靠性更高、更具有实用价值。因此，风光互补发电系统的出现可以很好的弥补太阳能和风能提供能量间歇性和随机性的缺陷，实现不间断供电。风光互补发电系统大体上可以分为两类，一类是并网
7、型发电系统，即和公用电网通过标准接口相连接，像一个小型的发电厂，将接受来的能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流;另一类是离网型发电系统，即在自己的闭路系统内部形成电路，系指采用区域独立发电、分户独立发电的离网型供电模式，将接收来的能量直接转换成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池。离网型较并网发电而言投资小、见效快，占地面积小，从安装到投入使用的时间视其工程量，少则一天多则二个月，无需专人值守，易于管理。本系统选取离网型风光互补发电系统作为研究对象。1.3本课题研究的内容此次课题设计的目标是设计一个输
8、出功率在600W的小功率离网型风光互补发电系统，采用了最大功率点跟踪(MPPT)技术，此项技术能提高光伏阵列和风力发电机组对蓄电池的充电效率和增加两支路的输出能量，此外，还能实现对蓄电池的恒流恒压浮充三段式充电。针对小功率风光互补发电系统风机选型，光伏组件，控制器的诸多问题的进行选型，论文将展开以下几方面主要内容：1.风机的选型，风机功率的计算2.光伏组件的选型，光伏组件的计算3.风光互补的特点，风光互补的控制器选型4.逆变器的功能介绍，逆变器的选型5.600W的风光互补发电系统设计，以及对风机和光伏组件的选型6.蓄电池的计算和选型。作业人员在生产作业时必须按规定穿符合生产作业要求的工作服，袖
9、口与腰带必须牢牢扎紧，不得穿破损工作服，以免在机器运行或设备旋转时受到伤害27第二章 风光互补发电系统的原理与特性第二章 风光互补发电系统概述2.1风光互补发电系统的整体结构本风光互补发电系统结构如图2-1所示。它主要由太阳能光伏电池组、风力发电机组、控制器、蓄电池、交流直流负载、逆变器等部分组成。该系统是集太阳能、风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。图2-1风光互补发电系统结构图(1)风力发电部分是利用风力机捕获风能并将其转换为机械能，然后通过风力发电机将机械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池进行充电，可直接对直流负载供电，也可经过逆变器对交流负载
10、供电。(2)光伏发电部分利用太阳能光伏阵列的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，可直接对直流负载供电，也通过逆变器将直流电转换为交流电对交流负载供电。(3)逆变器部分的作用是将风光互补发电系统所发出的直流电能转换成交流电能。在很多场合，都需要提供AC220V；AC110V的交流电源。由于蓄电池的直接输出一般都是DC12V；DC24V；DC48V。为能向AC220V的电器提供电能，因此需要使用DC-AC逆变器。同时它还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量。(4)控制器部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，协调风力发电机组、光伏阵列的最大功率跟踪，以及实现对蓄电池的充放电控
11、制、过充过放保护等功能。它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。(5)蓄电池部分由多块蓄电池组成，在风光互补系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将光伏发电系统和风力发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用，从而保证负载工作的连续性和稳定性。2.2太阳能光伏发电理论光伏电池能量转换的原理是PN结的光生伏特效应。当太阳光照射到PN结上时，产生电子一空穴对，在半导体内部PN结附近生成的载流子没有被复合
12、而到达空间电荷区，受内建电场的吸引，空穴流入P区，而电子则流入N区，导致N区积累了过多的电子，P区则积累过多的空穴。它们在PN结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使P区带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。将晶体硅太阳电池的正、负电极和外接电路连接，那么外接电路中就有光生电流流过。晶体硅太阳电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池以及非晶硅薄膜太阳能电池三种。单体太阳电池工作电流一般为20mAlcm2，工作电压一般为0.450SV，固通常不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串、并联和封装后，成为具有一定电
13、性能的太阳电池串，然后就可以封装成具有机械强度的太阳电池组件，将多个组件固定在支架上，用导线连在一起，就可成为光伏阵列，从而产生系统所需的电压电流。1)光伏阵列的重要参数太阳电池的I-V特性曲线是指在一定温度和日照强度时，太阳电池输出电流与电压的关系。图2-2所示为某一确定的日照强度和温度时的I-V特性曲线。图2-2太阳能电池特性曲线由图2-2可见，太阳电池的I-V特性曲线表明太阳电池既非恒流源，也非恒压源，而是一种非线性直流电源，它的输出电流在大部分工作电压范围内相当恒定，但电压升高到一个足够高的电压之后，电流迅速下降至零。通常太阳电池的额定功率定义如下:当日照强度为1000W/m2，太阳电
14、池温度为250C，并且大气电压为AM1.5时，太阳电池输出的最大功率为额定功率。在图2-2中的M点即为“最大功率点(MPP)”。此时电流为几，电压为气。太阳电池额定功率的单位是“峰瓦”，符号为“Wp”。根据特性曲线定义太阳能电池的几个重要参数如下:(1)短路电流(Isc)在给定温度日照条件下所能输出的最大电流；(2)开路电压(Voc):在给定温度日照条件下所能输出的最大电压；(3)最大功率点电流(Im):在给定温度日照条件下最大功率点上的电流；(4)最大功率点电压(Vm):在给定温度日照条件下最大功率点上的电压；(5)最大功率点功率(Pm):在给定温度日照下所能输出的最大功率；Pm=ImVm光
15、伏阵列在恒定温度不同辐射强度下的I-V与P-V特性图2-3与图2-4分别是光伏阵列在恒定温度250C时，不同的辐射强度(S)下表现出的电流一电压(I-V)和功率一电压(P-V)特性。从图2-3中我们可以看出当辐射强度从2001000W/m2上升时，光伏阵列的输出短路电流(Isc)以及最大功率点电流(Im)都显著增大，而输出的开路电压随辐射强度的增大，增大并不明显。而从图2-4中我们可以出，最大输出功率随辐射强度的增大有明显的增大，其中最大输出功率点为图2-3中虚线与各实线的交点所示。图2-3不同辐射强度条件下光伏阵列的I-V关系图图2-4不同辐射强度条件下光伏阵列的P-V关系图3)光伏阵列在相
16、同日照不同温度下的I-V与P-V特性图2-5与图2-6分别给出了光伏阵列在恒定辐射强度1000W/m2时，在变化的温度(0C)下的条件下，表现出来的典型电流一电压(I-V)和功率一电压(P-V)特性。从图2-5中我们可以看出当辐射强度为1000W/m2恒定不变时，温度从00C到500C上升时，光伏阵列的输出开路电压(Voc)以及最大功率点电压(Vm)都显著减小，而输出的短路电流随温度的上升，增大并不明显。而从图2-6中我们可以出，最大输出功率随温度的上升而有明显的减小，因而对最大输出功率影响明显，其中最大输出功率点为图中虚线与各实线的交点所示。图2-5不同温度下光伏阵列的I-V关系图图2-6不同温度下光伏阵列的P-V关系图由图2-3到图2-6可知，在
