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第五章風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)引言太陽(yáng)能是太陽(yáng)內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的能量,既是一次能源也是可再生能源。太陽(yáng)能發(fā)電具有清潔,無污染及取之不盡、用之不竭的特點(diǎn)。地球軌道上的平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為1367kW/m2。盡管太陽(yáng)輻射到地球大氣層的能量?jī)H為其總輻射能量(約為3.75X1026W)的22億分之一,但地球獲得的能量高達(dá)173,000TW,也就是說太陽(yáng)每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于500萬噸煤。人類依賴這些能量維持生存,而且地球上的風(fēng)能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質(zhì)能以及部分潮汐能都是來源于太陽(yáng);即使是地球上的化石燃料(如煤、石油、天然氣等)從根本上說也是遠(yuǎn)古以來貯存下來的太陽(yáng)能。中國(guó)屬于太陽(yáng)能資源豐富的國(guó)家,全國(guó)2/3以上地區(qū)年日照時(shí)數(shù)都大于2000小時(shí),太陽(yáng)能理論儲(chǔ)量達(dá)17000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤/年。其中,西藏、青海、新疆、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古等地的總輻射量和日照時(shí)數(shù)為全國(guó)最高,特別是西藏西部地區(qū),年太陽(yáng)最高輻射量居世界第二,僅次于撒哈拉大沙漠。狹義的太陽(yáng)能利用限于太陽(yáng)輻射能的光熱、光電和光化學(xué)的直接轉(zhuǎn)換,而廣義的太陽(yáng)能所包括的范圍非常大。風(fēng)能是太陽(yáng)能在地球表面的另外一種表現(xiàn)形式,由于地球表面的不同形態(tài)(如沙土地面、植被地面和水面)對(duì)太陽(yáng)光照的吸熱系數(shù)不同,在地球表面形成溫差,地表空氣的溫度不同形成空氣對(duì)流而產(chǎn)生風(fēng)能。近年來,世界可再生能源工業(yè)以年均30%速度增長(zhǎng),能源界的專家預(yù)測(cè)利用太陽(yáng)能發(fā)電將在二十一世紀(jì)中期超過核電成為重要的能源,發(fā)展前景十分廣闊。太陽(yáng)能利用的發(fā)展歷史人類對(duì)太陽(yáng)能的利用有著悠久的歷史。我國(guó)早在兩千多年前的戰(zhàn)國(guó)時(shí)期就知道利用鋼制四面鏡聚焦太陽(yáng)光來點(diǎn)火;利用太陽(yáng)能來干燥農(nóng)副產(chǎn)品。發(fā)展到現(xiàn)代,太陽(yáng)能的利用已日益廣泛,它包括太陽(yáng)能的光熱轉(zhuǎn)換,太陽(yáng)能的光電轉(zhuǎn)換和太陽(yáng)能的光化學(xué)轉(zhuǎn)換等。1839年,法國(guó)物理學(xué)家A?E?貝克勒爾(Becqurel)意外地發(fā)現(xiàn),用2片金屬浸入溶液構(gòu)成的伏打電池,光照時(shí)產(chǎn)生額外的伏打電勢(shì),他把這種現(xiàn)象稱為“光伏效應(yīng)"(Photovoltaiceffect)。1883年,有人在半導(dǎo)體硒和金屬接觸處發(fā)現(xiàn)了固體光伏效應(yīng)。以后人們即把能夠產(chǎn)生光伏效應(yīng)的器件稱為“光伏器件”。半導(dǎo)體PN結(jié)器件在陽(yáng)光下的光電轉(zhuǎn)換效率最高。1930年朗格首次提出用“光伏效應(yīng)”制造“太陽(yáng)能電池”,使太陽(yáng)能變成電能。1954年恰賓(Charbin)等人在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室第一次做出了光電轉(zhuǎn)換效率為6%的實(shí)用單晶硅太陽(yáng)能電池,開創(chuàng)了光伏發(fā)電的新紀(jì)元。1957年硅太陽(yáng)能電池效率達(dá)8%。1959年第一個(gè)多晶硅太陽(yáng)能電池問世,效率達(dá)5%。1960年硅太陽(yáng)能電池首次實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)進(jìn)行。1974年COMSAT研究所提出無反射絨面電池,硅太陽(yáng)能電池效率達(dá)18%。1975年非晶硅太陽(yáng)能電池問世。同年,帶硅電池效率達(dá)6%?10%。1976年多晶硅太陽(yáng)能電池效率達(dá)10%。1980年單晶硅太陽(yáng)能電池效率達(dá)20%,多晶硅電池達(dá)14.5%。1998年單晶硅光伏電池效率達(dá)25%。自1996年以來,世界光伏發(fā)電高速發(fā)展。表現(xiàn)在幾種主要太陽(yáng)能電池效率不斷提高,總產(chǎn)量年增幅保持在30%?40%,1998年已達(dá)200MWp/a,應(yīng)用范圍越來越廣,光伏發(fā)電展現(xiàn)了無限光明的前途。光伏發(fā)電的基本原理光電轉(zhuǎn)換的種類“光伏發(fā)電”,是直接將太陽(yáng)的光能變換成電能的太陽(yáng)能利用方式。把照射到光伏電池上的光能直接變換成電能輸出是光伏發(fā)電的主要形式,其它還有“光感應(yīng)發(fā)電”、“光化學(xué)發(fā)電”、“光生物發(fā)電”等?!肮飧袘?yīng)發(fā)電”是利用某些有機(jī)高分子團(tuán),吸收光能后變成“光極化偶極子”,把積聚在“光極化偶極子”兩端的電荷引出,即得到光電流。尋找合適的光感應(yīng)高分子材料,使其分子團(tuán)有序排列,并在高分子上安裝極為精細(xì)的電極等技術(shù)難度很大,這項(xiàng)技術(shù)目前還處在原理性實(shí)驗(yàn)階段?!肮饣瘜W(xué)發(fā)電”是指浸泡在溶液中的電極,受到光照后電極上有電流輸出的現(xiàn)象。光化學(xué)發(fā)電分為3種:“液結(jié)光化電池”、“光電解電池”和“光催化電池”?!耙航Y(jié)光化電池”:電解液中只含有1種氧化還原物質(zhì),電池反應(yīng)為正、負(fù)極間進(jìn)行的氧化還原可逆反應(yīng)。光照后,半導(dǎo)體電極與溶液間存在界面勢(shì)壘(“液體結(jié)”),分離光生電子、空穴對(duì),并向外界提供電能,電解液主體不發(fā)生變化,其自由能變化等于零。“光電解電池”:電解液中存在2種氧化還原離子,光照后發(fā)生化學(xué)變化,其凈反應(yīng)的自由能變化為正,使光能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能?!肮獯呋姵亍保汗庹蘸箅娊庖喊l(fā)生化學(xué)變化,其凈反應(yīng)的自由能變化為負(fù),光能提供了化學(xué)反應(yīng)所需的活化能?!肮饣瘜W(xué)發(fā)電”具有液相組分,容易制成直接儲(chǔ)能的太陽(yáng)能光化蓄電池。目前,以多孔氧化鈦類半導(dǎo)體作電極的“液結(jié)光化電池”,光電轉(zhuǎn)換效率已高達(dá)10%以上,具有成本低廉、工藝簡(jiǎn)單等許多優(yōu)點(diǎn),但工作穩(wěn)定性等問題需要解決?!肮馍锇l(fā)電”是指“葉綠素電池”的發(fā)電。葉綠素在光照作用下能產(chǎn)生電流,這是最普遍的生物現(xiàn)象之一,但因葉綠素細(xì)胞的新陳代謝,要做成穩(wěn)定的“葉綠素電池”目前還很困難。有人參考光合作用過程,將多種染料涂在多孔氧化鈦類半導(dǎo)體上,構(gòu)成固態(tài)“仿生物光合作用電池”,也得到了近10%的光電轉(zhuǎn)換效率。這種電池有低成本、高效率的優(yōu)點(diǎn),但有較嚴(yán)重的光老化等問題需要解決。太陽(yáng)能電池的分類光伏發(fā)電是最主要的光電轉(zhuǎn)換模式,而太陽(yáng)能電池是重要環(huán)節(jié)。迄今為止,人們已研究了100多種不同材料、不同結(jié)構(gòu)、不同用途和不同形式的太陽(yáng)能電池,最常見的分類如下。同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池由同1種半導(dǎo)體材料1個(gè)或多個(gè)P-n結(jié)構(gòu)成的太陽(yáng)能電池,如P-n結(jié)砷化鎵太陽(yáng)能電池等。異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池由2種不同半導(dǎo)體材料在相接界面上構(gòu)成異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池,如氧化錫-硅、硫化鎘-硫化亞銅、砷化鎵-硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池等。若構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的2種材料的晶格匹配比較好,則稱為異質(zhì)面太陽(yáng)能電池,如砷化鎵-砷化鋁鎵異質(zhì)面太陽(yáng)能電池等。肖特基結(jié)太陽(yáng)能電池由金屬和半導(dǎo)體接觸形成肖特基勢(shì)壘的電池,簡(jiǎn)稱MS電池。已發(fā)展成金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)、金屬-絕緣體-半導(dǎo)體(MIS)太陽(yáng)能電池等。復(fù)合結(jié)太陽(yáng)能電池由2個(gè)或多個(gè)結(jié)形成的太陽(yáng)能電池。如由1個(gè)(MIS)太陽(yáng)能電池和一個(gè)P-n結(jié)硅電池疊合而形成高效MISNP復(fù)合結(jié)硅太陽(yáng)能電池,其效率已達(dá)22%。復(fù)合結(jié)太陽(yáng)能電池往往做成級(jí)聯(lián)型,把寬禁帶材料放在頂區(qū),吸收陽(yáng)光中的高能光子,用窄禁帶材料吸收低能光子,使整個(gè)電池的光譜響應(yīng)范圍拓寬。砷化鋁鎵-砷化鎵-硅太陽(yáng)能電池的效率高達(dá)31%。平板太陽(yáng)能電池即非聚光電池,指在1倍陽(yáng)光下工作的太陽(yáng)能電池。聚光太陽(yáng)能電池指在大于1倍陽(yáng)光下工作的太陽(yáng)能電池。1~10倍為低倍聚光,10~100倍為中倍聚光,大于是100倍的為高倍聚光。聚光需要考慮高溫散熱和大電流輸出等特殊設(shè)計(jì),容易組成光電、光熱綜合利用的復(fù)合系統(tǒng)。與聚光電池相配的聚光器和跟蹤器,會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。但用廉價(jià)的聚光材料來代替昂貴的半導(dǎo)體材料搜集太陽(yáng)能,可能降低太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)的成本??臻g太陽(yáng)能電池用于人造衛(wèi)星和空間飛行器上的太陽(yáng)能電池??臻g電池要求有較高的功率質(zhì)量比,耐高低溫沖擊,抗高能粒子輻射的能力強(qiáng),制作精細(xì),其價(jià)格較高。地面太陽(yáng)能電池用于地面光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽(yáng)能電池。要求耐風(fēng)霜雨雪的侵襲,有較高的功率價(jià)格比,具有大規(guī)模生產(chǎn)的工藝可行性和材料來源。有機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池利用具有半導(dǎo)體性質(zhì)的萘、茵等有機(jī)材料進(jìn)行摻雜后制成的P-n結(jié)太陽(yáng)能電池。離子摻雜也能使一些塑料薄膜變成半導(dǎo)體。由于這些材料抗光老化的能力不理想,目前處于實(shí)驗(yàn)階段。風(fēng)力發(fā)電的基本原理風(fēng)力發(fā)電的原理是:利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn),再通過增速機(jī)提升旋轉(zhuǎn)的速度,以促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。大約每秒三米的微風(fēng)便可以使風(fēng)機(jī)開始發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電沒有燃料問題,也不會(huì)產(chǎn)生輻射或空氣污染。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)效率很高,由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、控制器和逆變器(直流-直流變換設(shè)備)組成,風(fēng)力發(fā)電機(jī)由葉片、機(jī)頭、尾翼、轉(zhuǎn)體組成。各部分功能為:葉片用來接受風(fēng)力;機(jī)頭的轉(zhuǎn)子是永磁體,定子繞組切割磁力線產(chǎn)生電能;尾翼使葉片始終對(duì)著來風(fēng)的方向從而獲得最大的風(fēng)能;轉(zhuǎn)體能使機(jī)頭靈活地轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能。(框圖)風(fēng)力發(fā)電機(jī)因風(fēng)量不穩(wěn)定,故其輸出的是(13?25)V之間變化的交流電,經(jīng)控制器整流再對(duì)蓄電池充電,使風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能。逆變器或直流-直流變換設(shè)備把蓄電池貯存的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成220V交流電或48V/24V直流電,才能保證穩(wěn)定供電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)均具有大風(fēng)限速保護(hù)功能,其目的是,在某一風(fēng)速下,風(fēng)力機(jī)輸入的能量大于系統(tǒng)當(dāng)時(shí)所能消耗的能量以及系統(tǒng)所能儲(chǔ)存的能量總和即過功率時(shí),能有效地減小風(fēng)力機(jī)吸收風(fēng)能,使風(fēng)力機(jī)不致超速運(yùn)行。目前,全球各型風(fēng)力機(jī)的限速保護(hù)方案大致可以歸為兩類:采用簡(jiǎn)單的機(jī)械控制方式在大風(fēng)狀態(tài)下使風(fēng)輪偏離風(fēng)向,減小風(fēng)輪迎風(fēng)面積,從而減小風(fēng)能的吸收;以某種機(jī)構(gòu)利用風(fēng)輪葉片的離心力改變槳距,降低風(fēng)輪的風(fēng)能利用率,從而達(dá)到減小風(fēng)能的吸收。這些機(jī)械限速保護(hù)裝置之所以可靠性不高,除了設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)娜藶橐蛩匾酝?,其原理就存在弊端。機(jī)械限速結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是小型風(fēng)機(jī)的機(jī)頭或某個(gè)部件處于動(dòng)態(tài)支撐的狀態(tài),這種結(jié)構(gòu)在風(fēng)洞試驗(yàn)的條件下,可以反映出良好的限速特性,但自然界的風(fēng)況是十分復(fù)雜的,紊流是主狀態(tài),同時(shí),風(fēng)速風(fēng)向的變化頻繁而又迅捷,任何機(jī)械裝置都不可能瞬時(shí)響應(yīng)實(shí)際風(fēng)況的變化,加上長(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致的機(jī)械磨損會(huì)使裝置的配合間隙增大。所有這些均會(huì)導(dǎo)致保護(hù)滯后、失效以及劇烈的震動(dòng),引發(fā)風(fēng)力機(jī)飛車、過載和劇烈震動(dòng),導(dǎo)致機(jī)組損壞。一種全新的磁電限速保護(hù),其技術(shù)要點(diǎn)在于當(dāng)風(fēng)力機(jī)處于"過功率"狀態(tài)時(shí)給發(fā)電機(jī)一個(gè)反向磁阻力距,大幅增加發(fā)電機(jī)所消耗的功率,使之大于風(fēng)輪輸出的功率,從而使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速下降,風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的下降,使風(fēng)輪的葉尖速比減小,從而降低定槳距風(fēng)輪的風(fēng)能利用率,減小風(fēng)輪吸收的風(fēng)能,從而進(jìn)一步減低風(fēng)輪轉(zhuǎn)速……如此連鎖作用所產(chǎn)生的實(shí)際效果是減速而不是限速,而磁電響應(yīng)的過程,使保護(hù)動(dòng)作十分安全可靠。對(duì)于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)來說,運(yùn)動(dòng)部件越少可靠性越高。磁電限速保護(hù)舍棄了機(jī)械限速結(jié)構(gòu),使小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)僅保留了二個(gè)必須的運(yùn)行部件,一是風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)主軸旋轉(zhuǎn),二是尾翼驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的機(jī)頭偏航,排除了限速機(jī)構(gòu)的機(jī)械故障隱患,機(jī)組的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可靠性大大提高。由于不受機(jī)械限速結(jié)構(gòu)的限制,機(jī)組的造型可以做得更美觀,更多樣化。電控限速可采用的手段多,可靠性高,而且可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)控制,也可根據(jù)不同的風(fēng)資源情況設(shè)定不同的有效工作風(fēng)速范圍,提高了供電系統(tǒng)的可靠性。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的工作原理光電系統(tǒng)是利用太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能,然后通過控制器對(duì)蓄電池充電,最后通過逆變器(直流-直流變換設(shè)備)供電的一套系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)供電可靠性高,運(yùn)行維護(hù)成本低,缺點(diǎn)是系統(tǒng)造價(jià)高。風(fēng)電系統(tǒng)是利用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī),將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能,然而通過控制器對(duì)蓄電池充電,最后通過逆變器(直流-直流變換設(shè)備)供電的一套系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)發(fā)電量較高,系統(tǒng)造價(jià)較低,運(yùn)行維護(hù)成本低。缺點(diǎn)是小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)可靠性低。另外,風(fēng)電和光電系統(tǒng)都存在一個(gè)共同的缺陷,就是資源的不確定性導(dǎo)致發(fā)電與用電負(fù)荷的不平衡,風(fēng)電和光電系統(tǒng)都必須通過蓄電池貯能才能穩(wěn)定供電,但每天的發(fā)電量受天氣的影響很大,會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的蓄電池組長(zhǎng)期處于虧電狀態(tài),這也是引起蓄電池組使用壽命降低的主要原因。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是由太陽(yáng)能電池與風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電,在蓄電池貯能,經(jīng)逆變器或直流-直流變換設(shè)備給負(fù)載供電的一種新型電源,分布在我國(guó)兩種完全不同類型的地區(qū)——東南沿海的海島地區(qū)和西北省份的偏遠(yuǎn)地區(qū),廣泛應(yīng)用于微波通訊、基站、電臺(tái)、野外活動(dòng)、高速公路、無電地區(qū)的供電。太陽(yáng)能電池組件與風(fēng)力發(fā)電機(jī)有機(jī)地配組成一個(gè)系統(tǒng),可充分發(fā)揮各自的特性和優(yōu)勢(shì),最大限度的利用大自然賜予的風(fēng)能和太陽(yáng)能。對(duì)于風(fēng)能資源和太陽(yáng)能資源較豐富的地區(qū),風(fēng)光互補(bǔ)供電無疑是一種最佳選擇。由于太陽(yáng)能與風(fēng)能的互補(bǔ)性強(qiáng),風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源上彌補(bǔ)了風(fēng)電和光電獨(dú)立系統(tǒng)在資源上的缺陷。同時(shí),風(fēng)電和光電系統(tǒng)在蓄電池組和逆變環(huán)節(jié)是可以通用的,所以風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的造價(jià)可以降低。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的用電負(fù)荷情況和資源條件進(jìn)行系統(tǒng)容量的合理配置,既可保證系統(tǒng)供電的可靠性,又可降低發(fā)電系統(tǒng)的造價(jià)。無論是怎樣的環(huán)境和怎樣的用電要求,風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)都可作出最優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案來滿足用戶的要求。通過各種形式的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)豐富的可再生能源加以利用并為邊遠(yuǎn)地區(qū)通信局站供電,是成本最低廉、效果最好、最合理的獨(dú)立電源系統(tǒng)。在中國(guó)進(jìn)行風(fēng)光互補(bǔ)項(xiàng)目建設(shè)的潛力是巨大的,因?yàn)楝F(xiàn)代能源服務(wù)尚不能達(dá)到的地方往往是蘊(yùn)藏著豐富風(fēng)能和太陽(yáng)能資源的地方。目前,推廣風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的最大障礙是小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可靠性問題。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)的組成風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、系統(tǒng)控制器、蓄電池組和逆變器(直流-直流變換設(shè)備)等幾部分組成,適合偏遠(yuǎn)地區(qū)的小基站、直放站、微波中繼站等的供電,可實(shí)現(xiàn)無人值守。隨著系統(tǒng)價(jià)格的下降和器件效率的提高,風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)在通信行業(yè)的應(yīng)用愈來愈廣,其市場(chǎng)也愈來愈大。無電地區(qū)大多比較偏遠(yuǎn),如西藏、新疆、內(nèi)蒙、甘肅、青海、云南、四川西部等地。偏遠(yuǎn)地區(qū)一般用電負(fù)荷都不大,所以用電網(wǎng)送電就不經(jīng)濟(jì),而只能在當(dāng)?shù)刂苯影l(fā)電,最常用的就是采用柴油發(fā)電機(jī)。但柴油的儲(chǔ)運(yùn)對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)成本太高,而且難以保障。所以柴油發(fā)電機(jī)只能作為一種短時(shí)的應(yīng)急電源。要解決長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠的供電問題,只能依賴當(dāng)?shù)氐淖匀荒茉?,而那里的?yáng)光資源和風(fēng)能資源卻十分豐富,也是取之不盡的可再生能源。而且,太陽(yáng)能與風(fēng)能在時(shí)間上和地域上都有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。白天太陽(yáng)光最強(qiáng)時(shí),風(fēng)很小,晚上太陽(yáng)落山后,光照很弱,但由于地表溫差變化大而風(fēng)能加強(qiáng)。在夏季,太陽(yáng)光強(qiáng)度大而風(fēng)小,冬季,太陽(yáng)光強(qiáng)度弱而風(fēng)大。太陽(yáng)能和風(fēng)能在時(shí)間上的互補(bǔ)性使風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性,風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是資源條件最好的獨(dú)立電源系統(tǒng)。當(dāng)?shù)啬昶骄L(fēng)速大于3.5m/s,同時(shí)年度太陽(yáng)能輻射總量不小于5000MJ/m?是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)推薦使用區(qū)。風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)在下列條件下應(yīng)能連續(xù)、可靠的工作:室外溫度在一25°C?+45°C之間;室內(nèi)溫度在0°C?_40°C之間;空氣相對(duì)濕度不大于90%(25°C±5°C);海拔不超過1000m。在有電池房的條件下,可以工作在-40C?+40°C、濕度為(0?95)%RH的氣候中,瞬間承受風(fēng)力達(dá)12級(jí)。當(dāng)超出以上條件或在鹽霧或沙塵嚴(yán)重地區(qū),應(yīng)由生產(chǎn)廠家和用戶共同商定技術(shù)要求和使用條件。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)各部分容量的合理配置對(duì)保證發(fā)電系統(tǒng)的可靠性非常重要。一般來說,系統(tǒng)配置應(yīng)考慮以下幾方面因素:1、用電負(fù)荷的特征發(fā)電系統(tǒng)是為滿足用戶的用電要求而設(shè)計(jì)的,要為用戶提供可靠的電力,就必須認(rèn)真分析用戶的用電負(fù)荷特征。主要是了解通信局站的最大用電負(fù)荷和平均日用電量。最大用電負(fù)荷是選擇系統(tǒng)逆變器(直流-直流變換設(shè)備)容量的依據(jù),而平均日發(fā)電量則是選擇風(fēng)機(jī)及太陽(yáng)能電池板容量和蓄電池組容量的依據(jù)。2、風(fēng)機(jī)安裝現(xiàn)場(chǎng)的條件風(fēng)機(jī)要盡量裝在四周無障礙物的高處,但如果離用戶很遠(yuǎn)會(huì)增加線路損耗和降低系統(tǒng)效率。3、太陽(yáng)能和風(fēng)能的資源狀況當(dāng)?shù)氐奶?yáng)能和風(fēng)能的資源狀況是系統(tǒng)光電板和風(fēng)機(jī)容量選擇的另一個(gè)依據(jù),一般根據(jù)資源狀況來確定太陽(yáng)能電池板和風(fēng)機(jī)的容量系數(shù),在按用戶的日用電量確定容量的前提下再考慮容量系數(shù),最后考慮太陽(yáng)能電池板和風(fēng)機(jī)的容量。風(fēng)能資源情況,這主要通過風(fēng)能利用系數(shù)K體現(xiàn):——I類地區(qū)的年平均風(fēng)速為(4.5?5.5)m/s(10米高),系數(shù)K=0.26;——II類地區(qū)的年平均風(fēng)速為(5.5?6.5)m/s(10米高),系數(shù)K=0.30;——III類地區(qū)的年平均風(fēng)速為6.6m/s(10米高)以上,系數(shù)K=0.33。簡(jiǎn)單地測(cè)算系統(tǒng)容量,可參照以下公式:Q系統(tǒng)容量P=—24Kn(1-6)其中,Q為用戶平均日用電量(kWh);K為風(fēng)能利用系數(shù);n為系統(tǒng)效率6為線損率。但需要說明的是,風(fēng)力發(fā)電的功率完全由風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率決定,這是不正確的。目前的風(fēng)力發(fā)電機(jī)只是給蓄電池充電,而由蓄電池把電能貯存起來,人們最終使用功率的大小與蓄電池大小有更密切的關(guān)系。功率的大小更主要取決于風(fēng)量的大小,而不僅是機(jī)頭功率的大小。在內(nèi)地,小的風(fēng)力發(fā)電機(jī)會(huì)比大的更合適。因?yàn)樗菀妆恍★L(fēng)量帶動(dòng)而發(fā)電,持續(xù)不斷的小風(fēng),會(huì)比一時(shí)狂風(fēng)更能供給較大的能量。當(dāng)無風(fēng)時(shí)人們還可以正常使用風(fēng)力帶來的電能,也就是說一臺(tái)200W風(fēng)力發(fā)電機(jī)也可以通過大容量蓄電池與逆變器(直流-直流變換器)的配合使用,獲得500W甚至1000W乃至更大的功率輸出。系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)安裝運(yùn)輸容易,建設(shè)周期短太陽(yáng)能資源豐富,既可免費(fèi)使用,又無需運(yùn)輸。只要把太陽(yáng)能電池支撐起來并使之面向太陽(yáng)即可發(fā)電,1個(gè)6.5MW的太陽(yáng)能電池發(fā)電站,不足10個(gè)月即可建成發(fā)電。容易起動(dòng),維護(hù)簡(jiǎn)單,使用方便配備有蓄電池的太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng),其輸出電壓和功率都比較穩(wěn)定。在設(shè)計(jì)優(yōu)良的太陽(yáng)光伏系統(tǒng)中,蓄電池往往處于浮充狀態(tài),無論白天、晚上都可供電,所消耗的電能由太陽(yáng)能電池自動(dòng)補(bǔ)充。起動(dòng)和維護(hù)十分簡(jiǎn)單,一般只需在遇到連續(xù)風(fēng)雨天最長(zhǎng)的季節(jié)前后去檢查太陽(yáng)能電池表面是否被沾污、接線是否可靠、蓄電池電壓是否正常等。大型光伏電站用計(jì)算機(jī)控制運(yùn)行,運(yùn)行費(fèi)用很低。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,體積小,質(zhì)量輕能獨(dú)立供電的太陽(yáng)能電池組件和方陣結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單,輸出(45?50)W的晶體硅太陽(yáng)能電池組件,體積為450mmX985mmX45mm,質(zhì)量為7kg??臻g用太陽(yáng)能電池重視功率質(zhì)量比,一般為(60?100)W/kg。美國(guó)ECD公司用有機(jī)薄膜為襯底制造的非晶硅太陽(yáng)能電池,功率質(zhì)量比可達(dá)5kW/kg。容量為40kW的薄膜太陽(yáng)能電池可卷繞成高40cm、直徑60cm的1個(gè)帶盤,質(zhì)量約8kg,而1臺(tái)40kW柴油發(fā)電機(jī)組質(zhì)量約2,000kg。清潔,安全,無噪聲光伏發(fā)電本身并不消耗工質(zhì),不向外界排放廢物,對(duì)環(huán)境無任何污染,無機(jī)械噪聲,是一種理想的清潔安全能源。密封閥控式鉛酸蓄電池在充放電時(shí)釋放的H、O和酸霧量極微。22可靠性高,壽命長(zhǎng)太陽(yáng)能電池組件,都嚴(yán)格通過高低溫、振動(dòng)沖擊以及其它各種環(huán)境試驗(yàn)。晶體硅太陽(yáng)能電池壽命可長(zhǎng)達(dá)(20?35)年。應(yīng)用范圍廣太陽(yáng)能幾乎無處不在。中國(guó)大部分地區(qū)平均每天每m2水平面上的太陽(yáng)輻射(4?6)kW?h。太陽(yáng)能電池在-45°C?+80°C范圍內(nèi)都能作為獨(dú)立的電源。系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)能量分散,占地面積大地表上能夠直接獲得的太陽(yáng)輻照度最大的地區(qū)之一是西藏高原,約1.2W/m2,而絕大多數(shù)地區(qū)的太陽(yáng)能能流密度低,能夠獲得的太陽(yáng)輻照度無法滿足電力需要。間歇性大,區(qū)域性強(qiáng)除了晝夜這種周期變化外,光伏發(fā)電還常常受云層變化的影響,其強(qiáng)度受各種因素(季節(jié)、地點(diǎn)、氣候等)的影響不能維持常量,因地而異、因時(shí)而變,控制運(yùn)行比較復(fù)雜。地理位置不同,氣候不同,使各地區(qū)日照資源各異,因而功率相同的太陽(yáng)能電池組件,在各地的實(shí)際發(fā)電量是不同的。理想的光伏發(fā)電系統(tǒng)均要因地制宜地進(jìn)行設(shè)計(jì),否則將大大限制了太陽(yáng)能的有效利用。系統(tǒng)示例風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的示例如下圖所示,是由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽(yáng)能電池組件(方陣)、風(fēng)光互補(bǔ)控制器、逆變器、蓄電池和泄荷器等構(gòu)成的獨(dú)立供電系統(tǒng)。安裝方便,一次性投資,免交電費(fèi),無人值守,維護(hù)量少,無污染,搬遷方便。
圖5-2系統(tǒng)組成示意圖風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有特別適合內(nèi)陸地區(qū)低風(fēng)速時(shí)發(fā)電特性好、發(fā)電量大的特點(diǎn)。具有機(jī)械、電子剎車裝置,可以確保在高風(fēng)速時(shí),風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制在安全可靠的范圍內(nèi),使最高輸出電壓成為安全可控的電壓。太陽(yáng)能電池板采用轉(zhuǎn)換效率高達(dá)15%的單晶硅太陽(yáng)能電池板。具有抗風(fēng)、防潮、工作穩(wěn)定、無需維護(hù)等特點(diǎn)。智能型控制器具有短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)、過壓保護(hù)、防反接保護(hù)等功能。當(dāng)外部電路異?;蚨搪窌r(shí),系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉
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