離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng).ppt

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2 3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(jì)壽命15年 風(fēng)輪功率系數(shù)大約在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(chǔ)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(jì)產(chǎn)量達(dá)293153臺(tái) 總裝機(jī)容量為89524 2kW 預(yù)計(jì)年發(fā)電量約9246萬千瓦時(shí) 其中 2004年小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總產(chǎn)量24756臺(tái) 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(gè)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2 3個(gè)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(jià) 安裝費(fèi)等也隨之加大 一般由塔管和3 4根拉索組成 高度6m 9m 六 蓄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(gè)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)3 1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(jià) 4 同用一套經(jīng)營管理人員 提高工作效率 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(shí)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(jì)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) 3 2風(fēng)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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)能量平衡法無效風(fēng)時(shí)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(shí)間 在無效風(fēng)速時(shí)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(shí)數(shù)便可統(tǒng)計(jì)出來 采用無效風(fēng)速小時(shí)數(shù)來選擇和計(jì)算蓄電池容量有兩種方法 連續(xù)最長無效風(fēng)速小時(shí)計(jì)算法平均連續(xù)無效風(fēng)速小時(shí)計(jì)算法 3 風(fēng)電盈虧平衡計(jì)算法4 基本負(fù)荷連續(xù)供電保障小時(shí)計(jì)算法 3 3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(tái)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(jià)格較貴 一般為常規(guī)鉛酸蓄電池的2 3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(chǔ)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(shí)間的乘積表示 Q I T 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(shí)放電率的容量作為蓄電池容量 電解液溫度 溫度較高時(shí) 電解液中離子運(yùn)動(dòng)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(gè)大面積的結(jié) 當(dāng)太陽光照射到太陽電池上時(shí) 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(gè)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(huì)因部分損壞而造成整個(gè)組件失效有良好的電絕緣性有足夠的機(jī)械強(qiáng)度 能經(jīng)受運(yùn)輸 安裝和使用過程中的振動(dòng) 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(chǔ)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(shí)間 放電容量 式中 為充電電流 為充電時(shí)間 2 蓄電池工作效率 放電時(shí)能放出的全部電量與充電時(shí)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(dòng)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)