光伏電池培訓手冊

本文由柒本木貢獻doc文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機查看。第一部分地面太陽電池發(fā)電系統(tǒng)太陽電池發(fā)電系統(tǒng)（又稱光伏發(fā)電系統(tǒng)），按其使用場所不同，可分為空間應用和地面應用兩大類。在地面可以作為獨立的電源使用，也可以與風力發(fā)電機或柴油機等組成混合發(fā)電系統(tǒng)，還可以與電網(wǎng)聯(lián)接，向電網(wǎng)輸送電力。目前應用比較廣泛的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是作為地面獨立電源使用。第一節(jié)獨立光伏系統(tǒng)系統(tǒng)概述通常的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池、控制器以及阻塞二極管組成，其方框圖如下：阻塞二極管控制器太陽電池方陣蓄電池負載１．１．１太陽電池方陣方陣的作用是將太陽輻射能直接轉換成電能，供給負載使用。一般由若干太陽電池組件按一定方式連接，再配上適當?shù)闹Ъ芗敖泳€盒組成。１．１．２蓄電池組蓄電池組是太陽電池方陣的貯能裝置，其作用是將方陣在有日照時發(fā)出的多余電能貯存起來，在晚間或陰雨天供負載使用。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池處于浮充放電狀態(tài)，夏天日照量大，除了供給負載用電外，還對蓄電池充電；在冬天日照量少，這部分貯存的電能逐步放出，在這種季節(jié)性循環(huán)的基礎上還要加上小得多的日循環(huán)，白天方陣給蓄電池充電，（同時方陣還要給負載用電）晚上則，負載用電全部由蓄電池供給。因此，要求蓄電池的自放電要小，而且充電效率要高，同時還要考慮價格和使用是否方便等因素。常用的蓄電池有鉛酸蓄電池和硅膠蓄電池，要求較高的場合也有價格比較昂貴的鎳鎘蓄電池。１．１．３控制器在不同類型的光伏發(fā)電系統(tǒng)中控制器各不相同，其功能多少及復雜程度差別很大，需1根據(jù)發(fā)電系統(tǒng)的要求及重要程度來確定。控制器主要由電子元器件、儀表、繼電器、開關等組成。在簡單的太陽電池，蓄電池系統(tǒng)中，控制器的作用是保護蓄電池，避免過充，過放。若光伏電站并網(wǎng)供電，控制器則需要有自動監(jiān)測、控制、調節(jié)、轉換等多種功能。如果負載用的是交流電，則在負載和蓄電池間還應配備逆變器，逆變器的作用就是將方陣和蓄電池提供的低壓直流電逆變成220伏交流電，供給負載使用。１．１．４阻塞二極管也稱作為反充二極管或隔離二極管，其作用是利用二極管的單向導電性阻止無日照時蓄電池通過太陽電池方陣放電。對阻塞二極管的要求是工作電流必須大于方陣的最大輸出電反向耐壓要高于蓄電池組的電壓。流，反向耐壓要高于蓄電池組的電壓。在方陣工作時，阻塞二極管兩端有一定的電壓降，對硅二極管通常為0.6～0.8；肖特基或鍺管0.3V左右。第二節(jié)太陽電池組件太陽電池是將太陽光直接轉換為電能的最基本元件。但單體太陽電池是不能直接做為電源使用的。因為單體電池薄而脆，容易碎裂，其電極的耐濕，耐腐蝕性能也還不能滿足長期裸露使用的要求，而且單體太陽電池的工作電壓太低，遠不能滿足一般用電設備的電壓要求。因而需根據(jù)使用要求將若干單體電池進行適當?shù)倪B接并經過封裝后，組成一個可以單獨對外供電的最小單元即組件。１．２．１組件電氣性能的設計在設計中主要是確定組件工作電壓和功率這兩個參數(shù)。同時還要根據(jù)目前材料、工藝水平和長壽命的要求，讓組件面積比較合適，并讓單體電池之間的連接可靠，且組合損失較小。通過對單體太陽電池進行適當?shù)拇?、并?lián)，以滿足不同的需要。電池串聯(lián)時，兩端電電池串聯(lián)時，電池串聯(lián)時壓為各單體電池中電壓之和，電流等于各電池中最小的電流；并聯(lián)時，壓為各單體電池中電壓之和，電流等于各電池中最小的電流；并聯(lián)時，總電流為各單體電池電流之和，電壓取平均值。電流之和，電壓取平均值。組件設計舉列：用Φ40mm的單晶硅太陽電池（效率為8.5%）設計一工作電壓為1.5伏，峰值功率為1.2瓦的組件。單晶硅電池的工作電壓為：V=0.41v則串聯(lián)電池數(shù)：1.5/0.4則串聯(lián)電池數(shù)：Ns=1.5/0.41=3.66片，取Ns=4片單體電池面積：s=π/4d=π×4/4=12.57cm2單體電池封裝后功率：Pm=100mv/cm×12.57×8.5%×95%=100mw=0.1w式中95%是考慮封裝時的失配損失需太陽電池總的片數(shù)：N=1.20.1=121.2/需太陽電池總的片數(shù)：N=1.2/0.1=12片太陽電池并聯(lián)數(shù)：太陽電池并聯(lián)數(shù)：NP=N/Ns=12/4=3組2222故用12片Φ40mm的單晶硅太陽電池四串三并，即可滿足要求。聯(lián)接的方法如圖7.1但這種聯(lián)接方法有缺點，一旦其中一片電池損壞、開路或被陰影遮住，損失的不是一片電池的功率，而是整串電池都將失去作用，這在串聯(lián)電池數(shù)目較多時影響尤為嚴重。為了避免這種情況，可以用混聯(lián)（或稱網(wǎng)狀連接）的對應的電池之間連片連接起來，如圖7.2，這樣，即使有少數(shù)電池失效（如有陰影線的），也不致于對整個輸出造成嚴重損失。＋－圖串并聯(lián)＋－圖混聯(lián)１．２．２組件的結構單體電池聯(lián)接后，即可進行封裝，以前組件的結構多數(shù)是：正面用透光率高的玻璃覆蓋，太陽電池的前后面都用透明的硅橡膠粘接，背面用鋁板式玻璃作依托，四周用鋁質或不銹鋼作邊框，引出正負極即成組件。這種組件質量不易保證，封裝勞動強度大。近些年來，國內外組件大多已采用新型結構；正面采用高透光率的鋼化玻璃，背面是一層聚乙烯氟化物膜，電池兩邊用EVA或PVB膠熱壓封裝，四周是輕質鋁型材邊框，有接線盒引出電極。組件封裝后，由于蓋板玻璃，密封膠對透光的影響及各單體電池之間性能失配等原因，組件效率一般要比電池效率低5～10%，但他也有些玻璃膠的厚度及折射率等匹配較好，封裝后反而使效率有所提高。太陽電池組件經常暴露在陽光下直接經受當?shù)刈匀画h(huán)境的的影響，這種影響包括環(huán)境、氣象和機械因素。為了保證使用的可靠性，工廠生產的太陽組件在正式投產之前一般要經過一系列的性能和環(huán)境試驗，濕、溫度循環(huán)、熱沖擊、高溫高濕度老化、鹽水噴霧、低濕老化、耐氣候性、室外曝曬、沖擊、振動等試驗，如應用在特殊場合還要進行一些專門試驗。工廠生產的通用組件一般都已考慮了蓄電池所需充電電壓，阻塞二極管和線路壓降，以及溫度變化等因素而進行了專門的設計，如用36～40片晶體硅太陽電池串聯(lián)而成的組件即可充分滿足對12V蓄電池的充電需要。各種組件功率大小從數(shù)瓦到數(shù)十瓦不等，用戶選用非常方便。3１．２．３太陽電池方陣在實際使用中，往往一塊組件并不滿足使用現(xiàn)場的要求，可將若干組件按一定方式組裝，在固定的機械結構上，形成直流發(fā)電的單元，即為太陽電池方陣。太陽電池方陣在安裝的時候，應固定牢靠，能夠經受當?shù)刈畲箫L力。且離地面要有一定的高度，以免冬天積雪掩埋。方陣與地面之間要有一定的傾角。有些方陣的組件兩端并聯(lián)有旁路二極管，有的方陣帶有跟蹤系統(tǒng)成聚光裝置，下面分別加以討論：１．２。３。１方陣的傾角１太陽電池方陣通常是面向赤道放置，相對地平面有一定傾角。傾角不同，各個月份方陣面接收的太陽輻射量差別很大。對于全年負載均勻的固定式光伏方陣，如果設計斜面的輻射量小，意味著需要更多的太陽電池來保證向用戶供電；如果傾面各月太陽輻射量起伏很大，意味著需要大量的蓄電池來保證太陽輻射量低的月份的用電供應。這些都會提高整個系統(tǒng)的耗費。因此，確定方陣的最優(yōu)傾角是光伏發(fā)電系統(tǒng)中不可缺少的一個重要環(huán)節(jié)。對于方陣傾角的選擇應結合以下要求進行綜合考慮：多數(shù)是單調升降，個別也有少量起伏，x連續(xù)性。連續(xù)性一年中太陽輻射總量大體上是連續(xù)變化的，但一般不會大起大落。y均勻性。選擇傾角，最好使方陣表面上全年接收到的日平均輻射量比較均勻，以免夏天接均勻性。收輻射量過大，造成浪費；而冬天接受到的輻射量太小，造成蓄電池過放以至損壞，降低系統(tǒng)壽命，影響系統(tǒng)供電穩(wěn)定性。z極大性。選擇傾角時，不但要使方陣表面上輻射量最弱的月份獲得最大的輻射量，同時還極大性要兼顧全年日平均輻射量不能太小。同時，對特定的情況要作具體分析。如，有些特殊的負載（灌溉用水泵、制冷機等，）夏天消耗功率多，方陣傾角的取值當然應使得方陣夏日接收輻射量相對冬天要多才合適。１．２．３．２旁路二極管２為了保證系統(tǒng)的可靠運行，有些系統(tǒng)還在組件兩端并聯(lián)旁路二極管，其作用是在組件開路或遮蔭時，提供電流通路，不致于使整串組件失效（見下圖）。使用時要注意極性，旁路二極管的正極與太陽電池組件的負極相連，負極與組件的正極相連，不可接錯。平時旁路二極管處于反向偏置狀態(tài)，基本不消耗電能。顯然，旁路二極管的耐壓和允許通過正向電流應大于組件的工作電壓及電流。4＋－圖旁路二極管的連接１．２．３．３跟蹤系統(tǒng)由于太陽的方位角和高度角每日每時都在作周期性的變化。固定方陣接收的太陽輻射能只有在中午時分才最強，如能使方陣面始終與太陽光線保持垂直，顯然可以接收更多的輻射能量，因此要利用跟蹤裝置。跟蹤方式根據(jù)要求不同，可以單獨跟蹤太陽方位角（稱一維跟蹤），也可以同時跟蹤太陽高度角（稱二維跟蹤），后者效果較好，但結構也相對復雜。跟蹤的方法有機械方法，物理方法，電子方法及計算機控制的高精密度跟蹤系統(tǒng)等。使用跟蹤裝置能提高太陽電池方陣的輸出功率，但要增加部分投資，同時也帶來了方陣結構的復雜性和不可靠因素，轉動也要消耗一定的能量，所以采用跟蹤系統(tǒng)是否合算，要進行綜合考慮。一般小型方陣都不推薦采用跟蹤裝置。１．２．３．４聚光太陽電池方陣按接收的光線的方式的不同可以分為聚光式方陣和非聚光（平板式）方陣，前者是將太陽光聚到太陽電池上，以提高輸出功率。經過聚光后，照在太陽電池上的光強可增加數(shù)倍到幾百甚至上千倍，電池效率雖有提高，但并不與光強成正比，主要是由于聚光后電池的工作溫度的升高而導致對效率影響的增加，因而要采用適當?shù)睦鋮s方法，如風冷或水冷等。一般來說，聚光方陣都要采用跟蹤方式，否則很可能會對發(fā)電量產生負面影響。聚光方陣需要一套聚光、跟蹤、冷卻等裝置，增加了系統(tǒng)的成本和復雜程度，但由于效率有所提高，尤其是在同時需供熱的大型系統(tǒng)中，聚光方陣具有突出的優(yōu)越性，因而聚光組件及方陣的研究還是有一定的價值的。１．２．４太陽電池發(fā)電系統(tǒng)的設計一個完善的太陽電池發(fā)電系統(tǒng)需要考慮很多因素，進行各種設計，如電氣性能設計、熱力設計、靜電屏蔽設計、機械結構設計等等，對地面應用的獨立電源系統(tǒng)來說，最主要的是根據(jù)使用要求，決定太陽電池方陣和蓄電池規(guī)模，以滿足正常工作的需求。5光伏發(fā)電系統(tǒng)總的設計原則是在保證滿足負載用電需要的前提下，確定最少的太陽電池組件和蓄電池容量，以盡量減少投資，即同時考慮可靠性及經濟性。１．２．４．１決定方陣發(fā)電量的因素光照條件：光照條件：太陽照在地面太陽電池方陣上的輻射光的光譜，光強受到大氣質量、地理位置、當?shù)貧夂?、氣象、地形等多方面因素的影響，其能量在一日、一月和一年間都有很大的變化。太陽電池方陣的光電轉換效率：蓄電池電壓太陽電池方陣的光電轉換效率由于轉換效率受到電池本身的溫度和太陽光強、浮動等因素的影響，因而方陣的輸出功率也隨著這些因素的改變而出現(xiàn)一些波動。負載用電情況：負載用電情況：由于用途不同，耗電功率、用電時間、對電源可靠性的要求等各不相同。有的用電設備有固定的耗電規(guī)律，如中繼站、航標燈等；有些負載用電則沒有規(guī)律，如水泵。這些因素相當復雜，原則上需要對每個發(fā)電系統(tǒng)單獨進行計算，對一些無法確定數(shù)量的影響因素，只能采用一些系數(shù)來進行估量。由于考慮的因素及其復雜程度不同，采取的方法也不一樣。在這里介紹一種比較簡單而又實用的設計方法，這種方法不僅能說明所涉及的概念，而且對一般使用來說足夠精確。１．２．４．２太陽電池發(fā)電系統(tǒng)的設計步驟1、列出基本數(shù)據(jù)A、所有負載的名稱、額定工作電壓、耗電功率、用電時間、有無特殊要求等。B、當?shù)氐牡乩砦恢茫喊ǖ孛⒔浂取⒕暥取⒑０蔚?。C、當?shù)氐臍庀筚Y料：主要有逐月平均太陽總輻射量，直接輻射及散射量，年平均氣溫及極端氣溫，最長連續(xù)陰雨天數(shù)、最大風速及冰雹等特殊氣候情況。這些氣象數(shù)據(jù)需取積累幾年或幾十年的平均值。2、確定負荷大?。核愠鏊胸撦d工作電流與平均每天工作小時數(shù)相乘積之和。Q=ΣI*H3、選擇蓄電池容量：蓄電池儲備容量的大小主要取決于負載的耗電情況，此外還要考慮現(xiàn)場的氣候條件，環(huán)境溫度，系統(tǒng)控制的規(guī)律性及系統(tǒng)失效的后果等因素，通常儲備10～20天容量比較適宜。蓄電池在太陽電池系統(tǒng)中處于浮充電狀態(tài)，充電電流遠小于蓄電池要求的正常充電電流。尤其在冬天，太陽輻射量小，蓄電池常處于欠充狀態(tài)，長期深放電會影響蓄電池的壽命，故必須考慮留有一定余量，常以放電深度放電深度來表示：放電深度d=式中：d放電深度C?CRC(7.2)C蓄電池標稱容量CR蓄電池儲備容量過大的放電深度會縮短蓄電池的壽命；過小的放電深度又會增加太陽電池方陣的規(guī)模，加大總的投資成本，放電深度最大到80%較為合適。當然，隨著太陽電池組件價格的下降，可以允許設計較淺的放電深度。6這樣，確定蓄電池的儲備容量CR和放電深度后，即可初步選定蓄電池的標稱容量：C=(10~20)式中：Q――負載每天平均總耗電量４．決定方陣傾角：Qd(7.3)在這里，我們來用一種較近似的方法來確定方陣傾角。一般地，在我國南方地區(qū)，方一般地，在我國南方地區(qū)，一般地10°15°10°緯度較大陣傾角可取比當?shù)鼐暥仍黾?0°～15°；在北方地區(qū)傾角可比當?shù)鼐暥仍黾?°～10°，緯度較大增加的角度可小一些。在青藏高原在青藏高原，角不宜過大，可大致等于當?shù)鼐暥?。同時，為方時，增加的角度可小一些在青藏高原，傾角不宜過大，可大致等于當?shù)鼐暥汝囍Ъ艿脑O計，安裝方便，方陣傾角常取成整數(shù)。5、計算日輻射量從氣象站得到的資料一般只有水平面上的太陽輻射總量H，直接輻射量HB及散射輻射量Hd且有：H～HB＋Hd需換算成傾斜面上的太陽輻射量。（１）．直接輻射分量HBTHBT=HBRB其中RB為傾斜面上的直接輻射分量與水平面上直接輻射分量的比值。對于朝向赤道的傾斜面來說：RB=cos(φ?β)cosδsin(ωST)+cosφcosδsinωS+π180ωSTsin(φ?β)sinδ(7.6)π180ωSsinφsinδ式中：φ——當?shù)鼐暥圈隆疥噧A角太陽赤緯：δ=23.45sin?360(284+n)???365?1水平面上日落時角：ωS=cos[?tanφ?tanδ]1傾斜面上日落時角：ωST=minωS,cos（2）、天空散射輻射分量HdT在各向同性時：HdT={[tan(φ?β)?tanδ]}Hd(1+cosβ)2（3）、地面反射輻射分量HrT：7通?？蓪⒌孛娴姆瓷漭椛淇闯墒歉飨蛲缘?，其大小為：HrT=ρ2H(1?cosβ)其中ρ為地面反射率，其數(shù)值取決于地面狀態(tài)，其中ρ為地面反射率，其數(shù)值取決于地面狀態(tài)，各種地面的反射率如下表所示：地面狀態(tài)沙漠干燥裸地濕裸地反射率0.24～0.280.1～0.20.08～0.09地面狀態(tài)干濕土濕黑土干草地反射率0.140.080.15～0.25地面狀態(tài)濕草地新雪冰面反射率0.14～0.260.810.69一般計算時，可取ρ=0.2故斜面上太陽輻射量即為：HT=HBRB+Hdπ(1+cosβ)+ρH(1?cosβ)π通常計算時用上式即可滿足要求。如考慮天空散射的各向不同性，則可用下式計算：H?ρ1?H?HT=HBRB+Hd?BRB+?1?B?(1+cosβ)?+H(1?cosβ)2?H0????H0?2式中：HO為大氣層外水平面上輻射量。6、估算方陣電流：將歷年逐月平均水平面上太陽直接輻射及散射輻射量，代入以上各公式即可算出逐月輻射總量，然后求出全年平均日太陽輻射總量HT，單位化成mwh/cm，除以標準日光強即求出平均日照時數(shù)：2Tm=則方陣應輸出的最小電流為：HTmwh/cm2100mw/cm2Imin=式中：Q—負載每天總耗電量η1—蓄電池充電效率η2—方陣表面灰塵遮蔽損失QTm?η1?η2同時，由于傾斜面上各月中最小的太陽總輻射量可算出各月中最少的峰值日照數(shù)Tmin。方陣應輸出的最大電流為：8Imax=7、確定最佳電流：TminQ?η1?η2方陣的最佳額定電流介于Imin和Imax這兩個極限值之間，具體數(shù)值可用嘗試法確定。先選定一電流值I，然后對蓄電池全年荷電狀態(tài)進行檢驗，方法是按月求出方陣輸出的發(fā)電量：Qout=I×N×HT×η1×η2/100mw/cm2式中：N――當月天數(shù)而各月負載耗電量為：Qload=N?Q兩者相減，ΔQ=Qout-Qload為止，表示該月方陣發(fā)電量大于耗電量，能給蓄電池充電。若ΔQ為負，表示該月方陣發(fā)電量小于耗電量，要用蓄電池儲存的能量來補足。如果蓄電池全年荷電狀態(tài)低于原定的放電深度，就應增加方陣輸出電流；如果荷電狀態(tài)始終大大高于放電深度允許的值，則可減少方陣電流。當然也可相應地增加或減少蓄電池容量。若有必要，還可修改方陣傾角，以求得最佳的方陣輸出電流Im。8、決定方陣電壓：方陣的電壓輸出要足夠大，以保證全年能有效地對蓄電池充電。方陣在任何季節(jié)的工作電壓應滿足：V=Vf+Vd式中:Vf蓄電池浮充電壓Vd因線路(包括阻塞二極管)損耗引起的電壓降9、最后確定功率：由于溫度升高時，太陽電池的輸出功率將下降，因此要求系統(tǒng)即使在最高溫度下也能確保正常運行，所以在標準測試溫度下（25°C）方陣的輸出功率應為：P=Im?V1?α(tmax?25)式中：α—太陽電池功率的溫度系數(shù)。對一般的硅太陽電池，α=0.5%tmax—太陽最高工作溫度。這樣，只要根據(jù)算出的蓄電池容量，太陽電池方陣的電壓及功率，參照生產廠家提供的蓄電池和太陽電池組件的性能參數(shù)，選取合適的型號即可。第三節(jié)太陽電池發(fā)電系統(tǒng)設計實例為西安地區(qū)設計一座全自動無人指導3瓦彩色電視差轉站所用的太陽能電源，其工作9條件如下：電壓為24V，每天發(fā)射時間15小時，功耗20瓦，其余9小時為接收等候時間，功耗為5瓦。1、列出基本數(shù)據(jù)：A、負載耗電情況：工作條件發(fā)射期間等候期間功耗5w20w電壓24v24v每天工作時間15小時9小時B、西安緯度：北緯34°18′東經108°56′海拔396.9米。C、有關氣象資料見后列表格。2、確定負載大?。好刻旌碾娏浚害?ΣΙ?h=20×15/24+9×5/24=14.4Ah3：選擇蓄電池容量：選蓄電池容量為10天，放電深度α=75%C=10×Q/d=10×14.4/75%=205.7Ah根據(jù)蓄電池的規(guī)格。取C=200Ah4、決定方傾角：因當?shù)鼐暥圈?34°18′，取β=Φ+10°=45°5、計算傾斜面上各月太陽輻射總量由氣象資料查得水平面上20年各月平均太陽輻射量H，HB及Hα，計算出傾斜面上各月太陽輻射擊總量，結果見下表：月份123456789101112H219.0264.2327.6398.9465.4537.9506.5505.9328.2272.8224.3200.4HB91.6106.2123.7156.0215.1279.1268.3294.2157.9129.098.683.9Hα127.4158.0203.9242.9250.3258.8238.2211.7170.3143.8125.7116.5N164675105136167197228258289319350δ-21.10-18.29-2.429.4119.0323.3521.3513.452.22-9.97-19.15-23.37RB2.0331.8991.2610.9560.7660.6900.7260.8711.1291.5141.9222.173HBT186.2201.7156.0149.1164.8192.6194.8256.2178.3195.3189.5182.3HdT108.7134.9174.0207.3213.7220.9203.3180.7145.4122.7107.399.4HrT6.47.79.611.713.615.814.814.79.68.06.65.9HT301.3344.3339.6368.1392.1429.3412.9451.7333.3326.0303.4287.6其中：n為從一年開頭算起的天數(shù)。Ｈ為水平面上的幅射量，ＨＴ為傾斜４５度平面上的幅2射量，單位為mwh/cm。10６．估算方陣電流：由上表可知，傾斜面上全年平均日輻射量為357.5mwh/cm?d，故全年平均峰值日照時數(shù)為：2Tm=357.5mwh/cm2?d=3.58h/d100mw/cm2取蓄電池充電效率為：η1=0.9；方陣表面的灰法塵遮損失為η2=0.9，算出方陣應輸出的最小電流為：Imin=QTmη1η2=14.4=4.97A3.58×0.9×0.92由上表查出在12月份傾斜面上的平均日輻射量最小，287.6mwh/cm.d相應的峰值日為照數(shù)最少，只有2.88h/d。則方陣輸出的最大電流為：Imax=7、確定最佳電流：TminQ14.4==6.17A?η1?η22.88×0.9×0.9根據(jù)Imin=4.97A和Imin=6.17A選取I=5.4A，將方陣各月輸出電量及負載耗電量以及蓄電池的荷電狀態(tài)計算列表7.3。由表7.3可見，即使從10月份開始，連續(xù)7個月蓄電池未充滿，但最少時容量仍有37.1%，即放電深度最大只有62.9%，未起過75%，所以取I=5.4A是合適的。如果計算結果放電深度遠小于規(guī)定的75%，則可減少方陣輸出電流或蓄電池容量，重新進行計算。8、決定方陣電壓：單只鉛酸蓄電池工作電壓為2V，故需12只單體電池串聯(lián)才可滿足系統(tǒng)的工作電壓24V。每只單體鉛酸電池的工作電壓為：2.0～2.35V，取線路壓降：Vα=0.8V，則方陣工作電壓為：V=Vf+Vd=12×2.35+0.8=29V月月安時數(shù)蓄電池狀態(tài)11份12345678910111212345方陣輸出408.6421.7460.5482.9531.7563.2559.9612.5437.3442.1398.1390.0408.6421.7460.5482.9531.7負載消耗446.4403.2446.4432.0446.4432.0446.4446.4432.0446.4432.0446.4446.4403.2446.4432.0446.4差值-37.818.514.150.985.3131.2113.5166.15.3-4.3-33.9-49.2-37.818.514.150.985.3開始200162.2180.7194.8200200200200200200195.7161.8112.674.292.7106.8157.7終了162.2187.7194.8200200200200200200195.7161.8112.674.292.7106.8157.7200%全充81.190.497.410010010010010010097.980.956.337.146.453.478.91009、確定最后功率:設太陽電池的最高溫度為60°C,則由(7.1--20)式中可算出需的方陣的輸出功率為P＝Im*V/[1-α(tmax-25)]=5.4*29/[1-0.5%(60-25)]=189.8W取P＝192W所以，最后取太陽電池方陣的輸出功率為192W，可用6塊32瓦的組件(每塊電壓約為16伏)2串3并而成。蓄電池容量為24V，200AH，只要用4只6Q—100鉛酸電池以2串2并的方式連接起來的，即可滿足需要。第四節(jié)光伏系統(tǒng)的安裝及維護光伏發(fā)電系統(tǒng)在設計制造完成后,要運到現(xiàn)場進行安裝.使用現(xiàn)場往往是在偏遠的地區(qū),道路崎嶇,交通不便,在運輸中,所有部件都要妥善包裝.如組件等易碎物品要用木箱裝運，以免損壞，蓄電池不能傾倒，防止電解液溢出。１．４．１安裝注意事項在建造光伏發(fā)電系統(tǒng)過程中，安裝是個很重要的環(huán)節(jié)。1、安裝時最好用指南針確定方位，并應注意在方陣前全天不能有高大建筑物或樹木等遮陽光。2、仔細檢查地腳螺釘及方陣支架等是否結實可靠，所有螺釘接線柱等均應擰緊，不能有松動。3、方陣安裝在房頂上的要采取防火措施。124、在高處安裝的方陣應設避雷針。必要時還需設置驅鳥裝置。5、陽光下安裝時注意不要同時接觸組件（尤其是方陣）的正、負兩極，以免電擊。必要時可用不透明材料覆蓋后再接線或安裝。6、安裝組件時要輕拿輕放，嚴禁碰撞、敲擊，以免損壞。7、注意組件，二極管、蓄電池、控制器等極性不要接反。8、蓄電池室應保持通風干燥、清潔。在北方冬天寒冷，蓄電池應采取保暖措施。１．４．２光伏系統(tǒng)的維護太陽電池發(fā)電系統(tǒng)沒有活動部件，不容易損壞，其維護也非常簡便。不過也需作定期維護，否則可能影響正常使用，甚至縮短使用壽命。（1）一般來說，方陣傾角超過30時，所以灰塵可由雨水沖刷而自行清潔，不過在風沙較大地區(qū)，應當經常清除灰塵，保持方陣表面的干凈，以免影響發(fā)電量。這對于小型有用電源系統(tǒng)是不難做到的。清潔時可揩去塵土，有條件可用清水清洗，再用干凈抹布擦干。切勿用腐蝕性溶劑或硬物沖洗擦試。（2）定期檢查所有安裝部件的緊固程度。（3）遇到冰雹、狂風、暴雨等異常天氣，應及時采用保護措施。（4）經常檢查蓄電池的充電放電情況，定期測量電解液的比重，及時添加新的電解液。隨時觀察電極或接線是否有腐蝕或接觸不良之處。（5）在一些簡單的系統(tǒng)中應根據(jù)儲能情況，控制用電量，防止蓄電池因過放而損壞。（6）發(fā)現(xiàn)有異常情況應當立刻檢查、維修。013第二部分風光互補系統(tǒng)14第二部分風光互補系統(tǒng)風能、太陽能都是無污染的、取之不盡用之不竭的可再生能源，“六五”“七五”期、間，小型風電和太陽光電系統(tǒng)在我國已得到初步應用。這兩種發(fā)電方式各有其優(yōu)點，但風能、太陽能都是不穩(wěn)定的,不連續(xù)的能源，用于無電網(wǎng)地區(qū)，需要配備相當大的儲能設備，或者采取多能互補的辦法，以保證基本穩(wěn)定的供電。我國屬季風氣候區(qū)，一般冬季風大，太陽輻射強度小；夏季風小，太陽輻射強度大，正好可以相互補充利用。風—光互補聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)有很多優(yōu)點：（1）利用太陽能、風能的互補特性，可以獲得比較穩(wěn)定的總輸出，提高系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性和可靠性；（2）在保證同樣供電的情況下，可大大減少儲能蓄電池的容量；（3）對混合發(fā)電系統(tǒng)進行合理的設計和匹配，可以基本上由風/光系統(tǒng)供電，很少啟動備用電源如柴油發(fā)電機等，并可獲得較好的社會經濟效益。所以綜合開發(fā)利用風能、太陽能，發(fā)展風/光互補聯(lián)合發(fā)電有著廣闊的前景受到了很多國家的重視。２．１風力資源２．１．１風的形成及其特性風是一種自然現(xiàn)象，它是由太陽輻射熱引起的。從太陽傳到地球的能量中，大約有2%1710的能量轉變成風能。地球上全部風能估計約為2×10千瓦，其中，可利用的約為2×10千瓦，這個能量是相當大的。風的變化眾所周知，風隨時間、離地高度、地形和環(huán)境而變化。A：風隨時間的變化在一天之內，風的強弱可能不同。在地面上，白天風大，而夜間風小；相反，在高空中卻是夜間風大，白天風小。在沿海地區(qū)，由于陸地和海洋熱容量不同，白天產生海風（從海洋吹向陸地）；夜間產生陸風（從陸地吹向海洋）。在不同的季節(jié)，太陽和地球的相對位置也發(fā)生變化，使地球上存在季節(jié)性溫差，因此，風向和風的強度也會發(fā)生季節(jié)性變化。在我國，大部分地區(qū)的風的季節(jié)性變化情況是：春季最強，冬季次強，秋季第三，夏季最弱。B：風隨高度的變化由于空氣的粘性和地面摩擦的影響，風速隨高度而變化，可用下面的公式表示：V=V1(h1/h2)其中V1——高度為h1處的風速；h1——高度（一般為10米）V——待測高度h處的速度；n15h——待測點離地高度；n——指數(shù)，由大氣穩(wěn)定度和地表的粗糙程度來決定，其值約為1/2～1/8。穩(wěn)定度居中的開闊平地取1/7，粗糙度大的大城市常取1/3，一般上下風速差較小，n較小，反之n值取大。風速隨高度變化及其大小情況，因地面的平坦度，地表粗糙度以及風通道上的氣溫變化不同而異。特別是受地表粗糙度的影響程度最大。C、風的隨機性變化：自然風是一種平均風速與激烈變動的瞬間紊亂氣流相重合的風。氣流紊亂主要與地面的摩擦，除此之外，當風速與穩(wěn)定層是垂直分布時會產生重力波，在山風下測也會產生山岳波等。這種紊亂氣流不僅影響風速，也明顯影響風向。利用風力驅動風力機時，因此收集關于風向變化的資料也是很重要的。如果按時間區(qū)分，可將風向的變化區(qū)分為：x一年或一個月內風向的趨勢；y短時間內變動的紊亂氣流；z介于兩者之間的平均風向。對于第一種風向的變化狀況，如制成風向玫瑰圖（風向頻度），便可清楚地看出風向的大致趨勢，如圖7.4。對風速，一般采用年平均風速時間曲線（表示一地方一年中各種風速小時數(shù)）來進行記錄。如圖7.5。16圖風玫瑰圖圖年平均速度時間曲線風能資源空氣運動具有動能，如果風力機風輪的斷面積為A，則當一般體積為AV的空氣在單位時間內流經風輪時，該空氣傳遞給風輪的風能功率（一般稱為風能）為P=121ρv?Av=ρAv3223(7.2.1-2)式中ρ——空氣密度（Kg/m）；2A——風力機葉片旋轉一圈所掃過的面積（m）；V——風速（m/s）；P——每秒鐘空氣流過風力機風輪斷面積的風能，即風能功率（W）如果風力機的風輪直徑為D，則A=這時π4D2(7.2.1-3)(7.2.1-4)P=13π2πρv×D=ρD2v3248E=P?t=若有效風速時間為t，則在時間t內的風能為π8ρD2v3t(7.2.1-5)23由上式可知，風能與空氣密度ρ、風輪直徑的平方D·風速的立方V和風持續(xù)時間t成正比。一般說來，一定高度范圍內的空氣密度可以認為是一個常數(shù)。因此，當風力機的風輪越大，有效風速時間越長，特別是風速越大，則風力機所能獲得的風能就越大。17表征一個地點的風能資源潛力，要視該地區(qū)常年平均風能密度的大小。風能密度是單位面積上的風能，對于風力機來說，風能密度是指風輪掃過單位面積的風能，即32(7.2.1-6)W=ρ/A=ρ1/2V（W/m）2式中W——風能密度（W/m）；3ρ——空氣密度（Kg/m）；V——風速（m/s）。常年平均風能密度為W=式中，1T∫T013ρvdt2(7.2.1-7)W－平均風能密度(W/m2)T－總的時間(h)在實際應用時，常用下式來計算某地年（月）風能密度，即W年（月）＝式中：W1t1+W2t2+???+Wntnt1+t2+???+tn2(7.2.1-8)W年（月）－年（月）風能密度（W/m）；2Wi（1≤i≤n）－各等級風速下的風速密度（W/m）Ti（1≤i≤n）－各等級風速在每年（月）出現(xiàn)的時間（h）。3在我國，風力資源比較豐富。據(jù)估計，我國風能儲量為2.2×10千瓦時以上。２．２風力機1、分類風力機是風能利用中一種最重要的風能轉換裝置。風力機可用于發(fā)電、提水、攪拌池水充氧和致熱等。它主要有下列三種分類方法：x按風力機功率：分為大中小型風力機。功率在10千瓦以下的風力機叫小型風力機，10至100千瓦叫中型風力機，100千瓦以上叫大型風力機。y按風力機風輪軸位置：分為水平軸風力機和垂直軸風力機。水平軸風力機的風輪軸與風向平行（圖7.6），而垂直軸風力機的風輪軸與風向垂直（圖7.7）z按風輪轉速：分為高速風力機和低速風力機。18圖水平軸風力發(fā)電機1－風輪；2－調速控制系統(tǒng)；3－發(fā)電機（做功裝置）；4－尾輪（方向控制）；5－蓄電池（儲能裝置）；6－塔架；7－輪殼。圖垂直軸風力機2、風力機的性能和特點（1）功率吸收風輪從風中吸收的功率等于風輪效率幾乘以通過風輪掃掠面的體積流量VTAT，再乘上壓力加動能變化Δθ之和：P=ηVTAT(?ρ+?θ)19對于常規(guī)的水平軸風力機，設風的初始速度為V0，當空氣接近風輪時，空氣速度逐漸減小，直到通過風輪，并離開一段距離，速度卻是下降的。當空氣的速度增加，直到速度達到初始速度。圖水平軸風力機的最佳性能當空氣吹過風輪時，單位體積的空氣的壓力能和動能之和是常數(shù)。壓力能增加，動能減小。在風輪面上，壓力能達到最大。當空氣通過風輪時，空氣將動能傳給風輪，壓力能大大下降，低于大氣壓。當空氣離開風輪向后運動時，空氣壓力增加，直到達到大氣壓。空氣通過風輪后，它的動能進一步下降，直到它的壓力恢復到大氣壓。流經風輪的氣流流管的橫截面積與空氣的速度成反比，當空氣流向風輪，通過風輪，直到離開它一段距離，空氣的流管是膨脹的。當擾動的空氣從周圍的風中吸取動能之后，由于氣流中的擾動彌散，風輪的影響消失。風輪的效率（功率）系數(shù)定義為風輪提供的功率除以風輪掃掠面內氣流的總有用功率：功率系數(shù)：Cp＝風輪提供功率/1ρATV032(7.2.1-10)從動量理論得知：風輪從空氣中吸收的最大能量是通過風輪空氣的動能的九分之八。這時，風速的最大損失是空氣初始速度V0的三分之二。風輪的最大功率系數(shù)為：ρmaxAT3ρV022?8(ρV02)?=V0?=0.5933?92?2?(7.2.1-11)其中，ρV0/2是空氣單位體積的功率密度。系數(shù)0.593稱為貝茲系數(shù)，這是風輪的最大功率系數(shù)。（2）典型功率系數(shù)理想風輪的功率系數(shù)隨葉片尖端速度與風速之比（尖速比λ）而變化。當尖速比λ達到5或6時，功率系數(shù)達到最大0.59。20試驗表明，具有較好氣動外形的二葉片風輪，當其轉動速度較大；尖速比為5或6時，功率可達0.47。同樣，對于垂直軸風力機，達里厄風輪在圓周速度和空氣速度之比為6時，最大功率系數(shù)可達0.35。還有其他形式的風輪，最大功率系數(shù)較低，對應的尖速比都小于高速水平軸風輪和垂直軸達里厄風輪（圖7.9）。圖典型功率系數(shù)輸出特性：（3）輸出特性：具有固定槳距的水平軸風輪產生的扭矩隨風速和轉速變化。如果葉片的旋轉速度太低，葉片將失速，風輪輸出的扭矩下降，因此為了從氣流中取得最大功率輸出（當氣流速度變化時）必須改變葉片的槳距角或葉片的轉速?，F(xiàn)在很多風力機風輪都設計成變槳距葉片，使風輪以常轉速運行。當風速額定風速，風輪轉速必須隨風速改變，以便從空氣中取得最大功率。但對于由風輪驅動的同步或異步交流發(fā)電機來說，這并不是最佳的。這種不匹配問題對于風輪及其輸出關系來說是很重要的。解決的方法之一是準許風輪轉速隨風速變化，同時使用變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，以得到電網(wǎng)所需的常頻電流。為此，可使用差動裝置。美國MOD—O風力機，在風速大于額定風速時，為簡化設計，減小功率，風輪的功率系數(shù)CP=0.35。該機的最大理論輸出如下圖的虛線所示。在風速為27米/秒時，輸出功率應為4935千瓦。然而，帶有固定增速比齒輪傳動裝置的同步系統(tǒng)發(fā)電機只能是常轉速，所以風輪轉速要一定。除去摩擦損失之后，在切入速度3.8米/秒和額定風速8米/秒之間，可以保持理想的最大輸出。通過改變系統(tǒng)輸出載荷，可以保持風輪轉速為40周/分。當風速大于8米/秒時，通過改變風輪葉片的槳距角保持風輪轉速為40周/分。用這樣的方法，在額定風速8米/秒和切出風速27米/秒之間，保持恒定的功率輸出，在27米/秒時，風輪葉片順槳，保護風力機。這種風力機不會導致有效風能很大的損失。21圖MOD－0風力機（風輪直徑38米，額定功率100千瓦）的功率輸出。理論功率密度時間曲線表示在風場上具有特定功率系數(shù)的風力機，在一年內，能提供某一功率密度的小時數(shù)。在這樣一條功率密度曲線下的面積表示安裝在該風場上風力機的風輪單位面積上每年產生的總的有效能量。例如：一臺功率系數(shù)為0.35的風力機，安裝在具有下圖功率密度時間曲線的風場上，風輪掃掠面每平方米面積上能產生1000瓦以上的功率小時數(shù)，每年為876小時。圖Cp＝0.35風力機的理論功率密度時間曲線這樣的風力機，帶有固定傳動比的增速裝置驅動的固頻交流發(fā)電機，其實際功率密度小于上述理論值。例如，這種風力機的切入風速為6.7米每秒，額定風速為13.4米/秒。切出風速為27米/秒，而實際輸出功率密度按圖7.12虛線變化。每年的實際能量密度輸出用虛線下的暗影面積表示。22圖每年實際功率密度輸出（一臺風力機）因為氣流的功率隨空氣速度和風輪掃掠面變化，所以當風場的風速增加和風輪直徑平增大，都能使風力機的功率輸出增加。然而，為了降低風能利用成本，風力機的大小和安裝地點必須認真選擇。（4）附加載荷當風力機運行時，還會產生幾種附加載荷，對葉片的運動產生很大的影響。它包括陀螺力、葉片不平衡力、風剪切、風的不均勻性、陣風、重力和塔尾流的影響。這些載荷可能引起葉片、塔架、軸承和其它部件周期運動和振動，并且會對風力機系統(tǒng)的可靠性、壽命和性能產生嚴重的影響。當設計風力機時，這些載荷都需要仔細進行分析。23圖風力機的附加載荷（5）生產能量的成本雖然風力機的成本隨著尺寸的增大而增加，但是風力機每千瓦的成本隨著尺寸增大而下降，運輸成本也隨尺寸增大而下降。從經濟上講，最好使用大型風力機，越大越好。然而，由于目前制造和運行可靠性的限制，風力機的尺寸還不能太大。另外，風力機成本隨額定風速的增加而下降。根據(jù)這個估算，批量生產的大型風力發(fā)電機（兆瓦級）的成本為批量生產的中型風力機（百千瓦級）成本的一半。（6）蓄能方式風力機提供的能量完全取決于風況。由于風的不連續(xù)性，風力機提供能量是間斷的。因此需要合適的蓄能設備與之配合。風力機蓄能系統(tǒng)可分為以下面幾類：a、電化蓄能系統(tǒng)——蓄電池和電解蓄氫；b、熱能蓄能系統(tǒng)——能通過機械運動，將產生的熱蓄存起來；c、動能系統(tǒng)——飛輪或超導電磁系統(tǒng)；d、勢能系統(tǒng)——泵水系統(tǒng)或壓縮空氣系統(tǒng)。（7）風力機評估標準在風力機的應用中，要求風力機設計性能好，提供能源的成本低。這就要求，風力機（包括蓄能設備在內）投資低，各部件（葉片、發(fā)電機、軸承、齒輪箱、塔架和蓄能設備等）在風力機的使用年限內，運行和維修費用最低。其他標準包括：24a、能源償還時間—風力機利用風產生的能量正好等于制造風力機所消耗的能量加上在償還期運行和維修消耗的能量所需要的時間—應短。B、系統(tǒng)的能量收益—在風力機使用壽命內風力機所產生的能量除以風力機制造、運行和維修所需的能量—應大。2.3風場選擇由于風力機的能量輸出與風速三次方成正比，所以選擇風力機的安裝地點時，特別要小心。因為當風吹過地表時，水氣的空氣流會產生剪切和加速。剪切的作用會使地面上風速比高空的風速低得多。而不受剪切影響的高度比氣象站測量高度（10米）要大得多。風的剪切要受地形影響，因此有效風能也受地形影響。也就是說，建筑物、樹及其他障礙物對剪切和有效風能有影響。圖地形對風的影響當氣流通過山丘或窄谷時，氣流產生加速作用，利用這一特點，可以將風力機安裝在這樣的有利地形上以增加功率輸出，有關地形影響見上圖和下表所示:風特性不穩(wěn)定風向穩(wěn)定由于地表面的粗糙不平和地形變化引起的風空間分布不均勻（風剪切）對風力機影響功率不穩(wěn)定，有時為零，要求蓄能或備用設備輸出最大功率，螺旋槳風輪總對準風必須增加塔架高度，增加強度，以防陣風和大風產生的大載荷。25風洞試驗表明：一個風場上風力機之間的距離應有一定的要求，以免風輪之間產生干擾。試驗證明，風力機之間的距離不應小于六個風輪直徑。合適的風場特性綜合如下：a、具有較高的平均風速；b、在風力機來風的方向上沒有高大建筑物（其距離與高度有關）；c、在平地的光滑山頂或湖、海中的島上；d、開闊的平坦地，開闊的海岸線；e、能產生煙筒效應的山谷。2.4風力機發(fā)展現(xiàn)狀小型風力發(fā)電機（千瓦以下）2.4.1小型風力發(fā)電機（10千瓦以下）小型風力發(fā)電機結構簡單，安裝和維修方便，適合于無電地區(qū)居民使用。目前，其產品已經成熟，整機效率可達25%～30%，運行壽命可達20年。小型風力發(fā)電機多采用水平軸風力機。，風輪的葉片數(shù)目2～3片，多用玻璃鋼制造。這種材料壽命長，加工復雜的氣動外形容易。為了簡化結構，小型風力發(fā)電機很多采用定槳距風輪。在大風時保護風力機，只能依靠機械氣動力剎車或使整個風輪自動偏離風向。我國小型風力發(fā)電機（50～200瓦）發(fā)展很快，現(xiàn)已推廣應用10多萬臺，主要分布在內蒙、新疆、青海、甘肅等地。中型風力發(fā)電機（10～千瓦）2.4.2中型風力發(fā)電機（10～100千瓦）中型風力機大多是70－80年代完成研制并商品化的，技術上已比較成熟，是目前風電場主要機種之一，多用于并網(wǎng)運行。中型風力發(fā)電機多是二葉片或三葉片式風輪，風輪的功率系數(shù)CP一般在0.4左右。葉片多數(shù)采用玻璃鋼制成。風輪布置多采用下風向，無尾舵，有的甚至省掉自調向專用的對風裝置，依靠風輪和艙體合理布置實現(xiàn)自調向。我國的10千瓦和18千瓦風力機已先后作過并網(wǎng)運行。大型風力機（千瓦以上）2.4.3大型風力機（100千瓦以上）大型風力機的研究，美國、丹麥、德國等技術比較先進。我國在這方面的研究有待進一步拓展。262.5風光互補發(fā)電系統(tǒng)2.5.1系統(tǒng)的構成與原理風光互補發(fā)電系統(tǒng)的結構框圖如下：太陽電池方陣風力發(fā)電機組柴油發(fā)電機組蓄電池圖風光互補發(fā)電系統(tǒng)結構框圖控制器變流器負載發(fā)電部分由太陽電池方陣、風力發(fā)電機組、柴油發(fā)電機組、控制器及蓄電池組組成。2.5.1.1太陽電池方陣到逆變器蓄電池控制器圖太陽電池發(fā)電部分原理框圖上圖為太陽電池發(fā)電部分的原理框圖。太陽電池方陣的支路通過二極管、充電控制器并聯(lián)向蓄電池充電。充電控制器采用增量控制太陽電池方陣對蓄電池的充電過程。當蓄電池組的充電電壓達到設定的最高充電電壓時，自動依次切斷一個或數(shù)個方陣供電支路，以限制蓄電池的充電電壓繼續(xù)增長，確保蓄電池的壽命，并最大限度的利用和儲存太陽電池發(fā)出的電能。2.5.1.2風力發(fā)電機組27風力發(fā)電機組一般由多臺風力機和發(fā)電機組成。下圖即為風力機輸出功率曲線。其中Vc為起動風速，VR為額定風速，此時風機輸出額定功率，VP為截止風速。圖風力發(fā)電機輸出特性當風速小于起動風速時，風機不能轉動。風速達到起動風速后，風機開始轉動，帶動發(fā)電機發(fā)電。輸出電能供給負載以及給蓄電池充電。當蓄電池組端電壓達到設定的最高值時，由電壓檢測得到信號電壓通過控制電路進行開關切換，使系統(tǒng)進入穩(wěn)壓閉環(huán)控制，既得保持對蓄電池充電，又不致使蓄電池過充。在風速超過截止風速時，風機通過機械限速機構使風力機在一定轉速下限速運行或停止運行，以保證風力機不致?lián)p壞。2.5.1.3蓄電池組如同獨立光伏系統(tǒng)中的蓄電池組，發(fā)揮同樣的作用，儲能供無風、無日照的時間使用。2.5.1.4控制器在風光互補發(fā)電系統(tǒng)中，控制器主要包括風電控制系統(tǒng)，光電控制系統(tǒng)和蓄電池充放電控制器三部分。它們主要是根據(jù)蓄電池的充電狀況來控制風力發(fā)電機組，太陽電池發(fā)電方陣的運行方式和開斷情況，從而保證負載的正常供電以及系統(tǒng)各個部分的安全運行。2.5.1.5逆變器逆變器在系統(tǒng)框圖中未標出，它將風力發(fā)電機組輸出變換后得到的直流電，以及太陽電池方陣輸出和蓄電池放電轉換成負載所需要的交流電。逆變器主電路由大功率晶體管構成，采用正弦脈寬調制，抗干擾能力強，三相負載不平衡度可達0—100%，還有很強的過載及限流保護功能。2.5.1.6阻塞二極管作用也是防止無日照時蓄電池通過太陽電池方陣放電。2.5.1.7備用柴油發(fā)電機當連續(xù)很多天無風，無太陽時可啟動備用柴油發(fā)電機對蓄電池補充充電，以防止蓄電28池長時間處于缺電狀態(tài)。一般柴油發(fā)電機只提供保護性的充電電流，其直流充電電流值不宜過高。對于小型的風光互補發(fā)電系統(tǒng)，有時可以不配柴油發(fā)電機。系統(tǒng)的設計2.5.2系統(tǒng)的設計對于風光互補發(fā)電系統(tǒng)設計，其中涉及的問題很多。在這里主要通過一個列子，簡單說明風力發(fā)電機與太陽電池的功率分配這一核心問題。例中，風力發(fā)電機選用太原汾西機器廠50W—200W系列產品，太陽電池選用哈爾濱克羅拉公司3W—120W非晶硅系列，其電池轉換效率取6%，壽命20年。蓄電池選用鉛蓄電池，壽命3—5年，放電率30%。不配備柴油發(fā)電機。1、根據(jù)資料對當?shù)仫L力機與太陽電池的年發(fā)電量及二者互補的發(fā)電量進行測算，如下表所示:各發(fā)電量數(shù)據(jù)（單位KWh/年）29２．根據(jù)負載要求，選擇可能的發(fā)電方式，設負載功率130瓦，每天工作5小時，年需要240KWh。根據(jù)上表可以選擇100Wyc風力發(fā)電機單獨發(fā)電，或者兩組HC915×1220電池板并聯(lián)100W太陽電池單獨發(fā)電，或者50Wyc風力發(fā)電機加一組HC915×122050W太陽電池互補發(fā)電。3．蓄電池容量的確定，在不需要連續(xù)供電的場合，如生活用電，為了降低成本，可以只根據(jù)負載每日所需的能量與場合，如差轉臺、航標燈用電，則必須考慮天氣變化（如連雨天，連續(xù)無風）的因素加修訂。設蓄電池電壓24V，計算結果304、三種發(fā)電方式的經濟效益對比列入下表，另外，當負載需要量大時，風電—光電互補可以有多種組配方式。此時，可以按照上述原則分別計算，然后比較優(yōu)劣，求得最佳匹配。從下表可以看出，利用風能和太陽能互補發(fā)電；性能價格比要高得多，發(fā)電品質也好。31第三部分光電水泵系統(tǒng)原理及測試32第三部分光電水泵系統(tǒng)原理及測試３．１引言水無論是對人們的日常生活還是對農業(yè)生產都是必不可少的，在當今世界，大約有十幾億人連清潔衛(wèi)生的飲水都沒有保證。在許多干旱地區(qū)，由于缺乏水灌溉，土地逐漸形成鹽堿地，甚至被沙漠侵蝕。使得生態(tài)自然環(huán)境漸漸惡化，在我們這個人口多耕地少的國家里，仍有許多大片大片的荒地，僅是因為無水而未被開墾利用。在諸多的水違紀地方，并不是沒有水源，而是缺乏合適的抽水工具及動力。世界上諸多的偏僻、邊遠、部落地區(qū)，至今未被電網(wǎng)覆蓋并在今后若干年內也不可能鋪設常規(guī)電網(wǎng)。那么，使用常規(guī)的抽水工具也就遇到了很大的障礙，利用取之不盡，用之不竭的太陽光能作動力，以光電水泵為抽水工具是一種行之有效的并為人們越來越關注的好方法。光電水泵具有壽命長、安全可靠、使用方便、維護簡單、無噪聲、不污染環(huán)境等優(yōu)點，從七十年代后期，國外許多生產廠家紛紛研制光電水泵。目前世界上約有四十多家廠商提供該類產品，其系統(tǒng)效率、可靠性能也在不斷提高；功率范圍從幾十瓦到15千瓦，品種也在不斷增加，西方一些發(fā)達國家的光電水泵已經系列化；并大量銷往到非洲、南美、中東和東南亞等地。迄今已有數(shù)十萬臺光電水泵在世界各地可靠地運行。隨著太陽電池技術的迅速發(fā)展，光電水泵系統(tǒng)也將得到更廣泛的應用。３．２光電水泵系統(tǒng)簡介從光伏水泵的結構形式分，可大致分成三類：從光伏水泵的結構形式分，可大致分成三類：1、直耦式：圖直耦式水泵系統(tǒng)特點是：①排除了電壓調節(jié)器和蓄電池，結構最簡②系統(tǒng)可靠性和效率都很高③操作簡單，晨起暮閉自動實現(xiàn)，很適合發(fā)展中國家的偏遠地區(qū)④但適用范圍窄2、帶有貯能裝置的光伏水泵：33圖帶有貯能的光伏水泵主要特點是：①可隨時工作②適用性廣③機泵產品標準化、產量大、價格低廉3、不帶貯能裝置的光伏水泵系統(tǒng)這是在第一種類的基礎上，增加逆變器和最大功率點跟蹤器而得到，驅動常規(guī)的交流電機水泵工作。特點是：①適用性廣②機泵產品系列化，價格低廉③但因增加了電子控制和D/A轉換，效率有所降低圖帶有功率點跟蹤的光伏水泵第二種分類方法是根據(jù)水泵的安裝位置分類：第二種分類方法是根據(jù)水泵的安裝位置分類：種分類方法是根據(jù)水泵的安裝位置分類1、淺水式：電機和水泵都安裝在地面上。便于維護修理，效率也較高。缺點是吸程有限（離心式為7米），限制了它的使用。2、飄浮式：電機和水泵固定在飄浮物上，揚程不超過10米，但流量卻可達200米/天。3、潛水式：電機和水泵構成一體，沉于井、河等水下，可達較遠揚程（10米～100米），流量也可達250米/天。334三種形式如圖示：圖淺水式實物圖圖飄浮式實物圖圖潛水式實物圖３．３光伏水泵系統(tǒng)各部分介紹主要介紹動力部件：太陽電池方陣、電機和水泵種類和性能3.3.1太陽電池陣列前面章節(jié)已經介紹過太陽電池及其組件，及由這些組件構成的方陣。在此僅強調一點，就是方陣的I-V負載特性曲線，如圖示。方陣工作在A點，則輸出功率為Pa=Ia﹡Va。工作在M點輸出功率最大：Pm=Im﹡Vm。M點為太陽電池陣列的最佳工作點。應盡可能地使光伏水泵系統(tǒng)工作在最大功率點或其附近。35圖太陽電池陣列I－V工作特性電機：1.電機：電機的種類繁多，可大致分成：a.交流電機：異步電動機和同步電動機b.直流電機：他勵式電機、并勵式電機和復勵式電機c.永磁無刷直流電動機每種類電機都有各自的原理和工作特性，如對直流并勵電動機其工作特性如圖所示。圖直流并勵電動機工作特性A．速度特性：由電壓平衡方程可得：36Ea=CeΦnu=Ea+IaRa則：n=B．轉矩特性：u?IaRaCeΦT＝CTΦIaT＝T2＋T0＝P2+T0?3．水泵：水泵的種類也很多，根據(jù)作用原理可將水泵分成三大類：A．葉片式泵：離心泵、軸流泵、混流泵和漩渦泵B．容積泵：往復泵和回轉泵C．其他類型泵：噴射泵和電磁泵下面典型選離心泵，介紹其工作原理及特性。離心泵是靠葉輪的旋轉使水受離心力的作用而得到壓力和速度。它的主要特點是結構簡單、性能平穩(wěn)、轉速高、體積小、重量輕、效率高、流量大、易操作和維修，使用極廣。效率一般在60～90％范圍。離心泵的性能曲線如下圖：圖離心式水泵的工作特性曲線離心泵的性能曲線是液體在泵內運動規(guī)律的外部表現(xiàn)形式。光伏水泵各部件建模及理想匹配3.4光伏水泵各部件建模及理想匹配將光伏水泵各部件：太陽電池陣列、水泵、電機進行理論分析可分別獲得各部分的數(shù)學模型及相應的性能關系表達式。根據(jù)這些性能分析進行各部件之間的最佳匹配，以期得到學的最高工作效率。37首先，我們看光伏陣列，輸出功率P＝IV。為獲得最大功率，微商dp應為零，從而：dp＝IdV＋VdI＝0又對M個電池并聯(lián)，N個電池串聯(lián)的組件有I也可寫成：?q?VIRS???M=I1?I0?exp?NkT?N+M???1???????M(I0+IL)?C1(MV+NIRs)=ln?MI0??I????qC1=NMVKT微分該方程用到IdV＝－VdI，得：C1(MV?NIRs)=I[M(I0+IL)?I]聯(lián)立解得：M(I0+IL)?I?Iln?=2C1NIRs??MI0??M(I0+IL)?I??或xlnx=(G1x+1)(G2?x)這里x=M(I0+IL)?IMI0I0+ILI0G1=2C1NMRsI0G2=為找到其解，可解兩條曲線y＝xlnx和y＝(G1x+1)(G2-x)的交點，即為其解。設初值為：xinitial=G2當解得x，即可得到最大功率點的I、V：Im=M(I0+IL)?xI0Vm=即[]]NImRsIm+MM(I0+IL)?ImC1M[Pm=Im?Vm再看直流電機的模型，其基本方程：38E=KeΦWVa=E+IaRaτ=KτΦIa這兒K是給定電機的常數(shù)，以他勵永磁電機為例，磁通是常量，解得電流和電壓為：Ia=τKΦτVa=KeΦC0S+τRaKτΦ,C0=2π60其次，分析離心水泵的模型：機械負載特性一般可描述成?τ1=τ0+(τn1?τ0)?ss???0x式中，x=0，恒定轉矩；x＝1，粘滯摩擦；x＝2，恒定水頭離心泵。從而，離心泵的?τ1=τ0+(τn1?τ0)?ss???02簡化又可寫成：τ1=A+BS2式中A=τ0,B=(τn1τ0)2S0一般情況，H＝A1Q2＋2B1SQ＋C1S2，A1、B1、C1從泵的制造數(shù)據(jù)中可得到。在給定水頭H下，對每一旋轉速度的值，可以確定電機的電流和電壓：Ia=A+BS2KτΦA+BS2KτΦVa=KeΦC0S+Ra根據(jù)電機－泵分系統(tǒng)的電流Ia、電壓Va對應于恒定水頭下的各個速度值的工作曲線和太陽電池陣列的I－V負載曲線，即可得到一個交點，此交點也即為工作點，為了使全系統(tǒng)工作在最佳匹配狀態(tài)，可根據(jù)電機－泵分系統(tǒng)的Ia、Va曲線，獲得對應的太陽電池陣列結構及設計，則就得到直耦式光伏水泵，也可采用最大功率點跟蹤器調節(jié)兩分系統(tǒng)的匹配，跟蹤在最佳狀態(tài)。下面再談一下理論效率的計算：一旦知道工作速度，就可以計算給定水頭的流速，然后可以得到兩種配置系統(tǒng)的效率。輸出和輸入功率是：Pout=ρgQH,Pin=RANM×10439其中，R：太陽輻射強度；N：電池串聯(lián)數(shù)；總效率是：A：太陽電池表面積（cm2）；M：電池并聯(lián)數(shù)。η0=ρgQH×104RANM當從電機方程知道轉矩時，可以得各部件的效率泵：ηp=電機：ρgQHC0τSτC0Sηm=3.5光伏水泵的性能測試VaIa本節(jié)將簡要介紹光伏水泵的性能測試內容及有關測試系統(tǒng)。研制和生產一種光伏水泵過程中，其性能測試是很重要的環(huán)節(jié)，實驗及測試通常是在模擬或現(xiàn)場工作狀態(tài)下進行，包括三個實驗研究部分：一、部件特性。二、全泵系統(tǒng)特性。三、補充實驗。如下列方框圖所示：如下圖，給出室內和室外測試系統(tǒng)圖：40圖室內和室外測試系統(tǒng)圖下圖給出若干測試結果圖表及曲線:41421本文由柒本木貢獻doc文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機查看。第一部分地面太陽電池發(fā)電系統(tǒng)太陽電池發(fā)電系統(tǒng)（又稱光伏發(fā)電系統(tǒng)），按其使用場所不同，可分為空間應用和地面應用兩大類。在地面可以作為獨立的電源使用，也可以與風力發(fā)電機或柴油機等組成混合發(fā)電系統(tǒng)，還可以與電網(wǎng)聯(lián)接，向電網(wǎng)輸送電力。目前應用比較廣泛的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是作為地面獨立電源使用。第一節(jié)獨立光伏系統(tǒng)系統(tǒng)概述通常的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池、控制器以及阻塞二極管組成，其方框圖如下：阻塞二極管控制器太陽電池方陣蓄電池負載１．１．１太陽電池方陣方陣的作用是將太陽輻射能直接轉換成電能，供給負載使用。一般由若干太陽電池組件按一定方式連接，再配上適當?shù)闹Ъ芗敖泳€盒組成。１．１．２蓄電池組蓄電池組是太陽電池方陣的貯能裝置，其作用是將方陣在有日照時發(fā)出的多余電能貯存起來，在晚間或陰雨天供負載使用。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池處于浮充放電狀態(tài)，夏天日照量大，除了供給負載用電外，還對蓄電池充電；在冬天日照量少，這部分貯存的電能逐步放出，在這種季節(jié)性循環(huán)的基礎上還要加上小得多的日循環(huán)，白天方陣給蓄電池充電，（同時方陣還要給負載用電）晚上則，負載用電全部由蓄電池供給。因此，要求蓄電池的自放電要小，而且充電效率要高，同時還要考慮價格和使用是否方便等因素。常用的蓄電池有鉛酸蓄電池和硅膠蓄電池，要求較高的場合也有價格比較昂貴的鎳鎘蓄電池。１．１．３控制器在不同類型的光伏發(fā)電系統(tǒng)中控制器各不相同，其功能多少及復雜程度差別很大，需1根據(jù)發(fā)電系統(tǒng)的要求及重要程度來確定?？刂破髦饕呻娮釉骷?、儀表、繼電器、開關等組成。在簡單的太陽電池，蓄電池系統(tǒng)中，控制器的作用是保護蓄電池，避免過充，過放。若光伏電站并網(wǎng)供電，控制器則需要有自動監(jiān)測、控制、調節(jié)、轉換等多種功能。如果負載用的是交流電，則在負載和蓄電池間還應配備逆變器，逆變器的作用就是將方陣和蓄電池提供的低壓直流電逆變成220伏交流電，供給負載使用。１．１．４阻塞二極管也稱作為反充二極管或隔離二極管，其作用是利用二極管的單向導電性阻止無日照時蓄電池通過太陽電池方陣放電。對阻塞二極管的要求是工作電流必須大于方陣的最大輸出電反向耐壓要高于蓄電池組的電壓。流，反向耐壓要高于蓄電池組的電壓。在方陣工作時，阻塞二極管兩端有一定的電壓降，對硅二極管通常為0.6～0.8；肖特基或鍺管0.3V左右。第二節(jié)太陽電池組件太陽電池是將太陽光直接轉換為電能的最基本元件。但單體太陽電池是不能直接做為電源使用的。因為單體電池薄而脆，容易碎裂，其電極的耐濕，耐腐蝕性能也還不能滿足長期裸露使用的要求，而且單體太陽電池的工作電壓太低，遠不能滿足一般用電設備的電壓要求。因而需根據(jù)使用要求將若干單體電池進行適當?shù)倪B接并經過封裝后，組成一個可以單獨對外供電的最小單元即組件。１．２．１組件電氣性能的設計在設計中主要是確定組件工作電壓和功率這兩個參數(shù)。同時還要根據(jù)目前材料、工藝水平和長壽命的要求，讓組件面積比較合適，并讓單體電池之間的連接可靠，且組合損失較小。通過對單體太陽電池進行適當?shù)拇?、并?lián)，以滿足不同的需要。電池串聯(lián)時，兩端電電池串聯(lián)時，電池串聯(lián)時壓為各單體電池中電壓之和，電流等于各電池中最小的電流；并聯(lián)時，壓為各單體電池中電壓之和，電流等于各電池中最小的電流；并聯(lián)時，總電流為各單體電池電流之和，電壓取平均值。電流之和，電壓取平均值。組件設計舉列：用Φ40mm的單晶硅太陽電池（效率為8.5%）設計一工作電壓為1.5伏，峰值功率為1.2瓦的組件。單晶硅電池的工作電壓為：V=0.41v則串聯(lián)電池數(shù)：1.5/0.4則串聯(lián)電池數(shù)：Ns=1.5/0.41=3.66片，取Ns=4片單體電池面積：s=π/4d=