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风能、太阳能都是无污染的、取之不尽用之不竭的可再生能源,小型风力发电系统和太阳能光电系统在我国已得到初步应用。
这两种发电方式各有其优点,但风能、太阳能都是不稳定的,不连续的能源,用于无电网地区,需要配备相当大的储能设备,或者采取多能互补的办法,以保证基本稳定的供电。
太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性,我国属季风气候区,一般冬季风大,太阳辐射强度小;
夏季风小,太阳辐射强度大,在季节上可以相互补充利用。
白天太阳光最强时,风很小,晚上太阳落山后,光照很弱,但由于地表温差变化大而使风能加强。
夜间和阴雨天无阳光时由风能发电,晴天由太阳能发电,在既有风又有太阳的情况下两者同时发挥作用,实现了全天候的发电,比单用风能和太阳能更经济、科学、实用。
风能和太阳能各有优劣,除去地理自然环境限制之外,就成本而言,风机制造成本只是太阳能电池的1/5,二者结合,可以适当互补,太阳能和风能在时间上和季节上的互补性,使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性,风光互补发电系统是一种高性能的独立电源系统。
图3-1风光互补发电系统
风能和太阳能可独立构成发电系统,也可组成风能和太阳能混合发电系统,如图3-1,即风光互补发电系统,采用何种发电形式,主要取决于当地的自然资源条件以及发电综合成本,在风能资源较好的地区宜采用风能发电,在日照丰富地区可采用太阳能光伏发电,一般情况下,风能发电的综合成本远低于太阳能光伏发电,因而在风能资源较好地区首选风能发电系统。
近年来由于风光互补发电系统具有资源互补性、供电安全性、稳定性均好于单一能源发电系统,且价格居中而得到越来越广泛地应用。
(二)风光互补发电技术
所谓风光互补,简而言之,是指将风力发电和光伏发电组合起来构成发电系统。
在新能源领域的研究者和投资者看来,利用太阳能电池将太阳能转换成电能的光伏发电系统,虽然清洁,但造价相对高,且受日照时间影响;
而风电系统虽然系统造价低,运行维护成本低,但质量可靠性也相对较差。
将两者相结合,却能互补所短,各扬所长。
然而,风光互补发电技术并不是简单地将风能和太阳能相加就可以,其间还涉及一系列复杂的技术数据与工艺流程。
在风光互补发电技术的推广应用中,竞争的关键是综合配置能力。
寻找最佳匹配方案需做大量的研究工作,反复推算、演示,进行市场摸排,选配组件、组装等,以构成最佳匹配
的方案,实现风能和太阳能的无缝对接,有光照的时候通过太阳能电池将光能转换为电能,有风的时候利用风机发电,二者均无的时候,负载可以利用蓄电池储备的电能工作。
风光互补发电技术整合了中小型风电技术和太阳能光伏技术,综合了各种应用领域的新技术,其涉及的领域之多、应用范围之广、技术差异化之大,是各种单独技术所无法比拟的。
风能和太阳能是目前全球在新能源利用方面,技术最成熟、最具规模化和已产业化发展的行业,单独的风能和单独的太阳能都有其开发的弊端,而风力发电和太阳能发电两者具有互补性,两种新能源结合可实现在自然资源的配置方面、技术方案的整合方面、性能与价格的对比方面达到对新能源综合利用的最合理,不但降低了满足同等需求下的单位成本,而且扩大了市场的应用范围,提高了产品的可靠性。
风电和光电系统都存在由于资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡问题,风电和光电系统都必须通过蓄电池储能才能稳定供电,但每天的发电量受天气的影响很大,会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态,这也是引起蓄电池组使用寿命降低的主要原因。
利用风能和太阳能具有的互补性,开发风光互补发电系统,可以弥补太阳能和风能相互之间的不足,如图3-2所示。
太阳能和风能在时间上的互补性使风光互补友电系统在资源上具有成为最佳匹配的可能性,采用风光互补技术,可以在一定程度上减少太阳能电池组件容量,并降低了发电系统的成本。
价格低、性能稳定的风光互补发电系统比单一能源的太阳能或风能发电更加容易被用户所接受,更利于推广。
图3-2年发电量图图3-3某地10月份典型日太阳能和风能资源分布
如图3-3所示为某地10月份典型日太阳能和风能资源的分布,因此,采用风光互补发电,可以弥补风能和太阳能间歇性的缺陷,从而开发一种新的性能优越的绿色能源。
风光互补发电是比单独风力发电、单独太阳能光伏发电更加有效的发电方式。
采用风光互补发电系统,可实现能量之间的相互补充,不仅能提供更加稳定的电能输出,还可以在一定程度上削弱风电的反调峰特性。
综合利用了风能、光能的风光互补独立电源系统是一种低成本、高可靠性的电源,而且也为解决当前的能源危机和环境污染开辟了一条新路。
风光互补发电系统是科学利用自然资源的新成果。
风光互补发电系统的光伏发电单元采用所需规模的太阳能电池将太阳能转换为电能,风力发电单元利用小型风力发电机将风能转换为电能,并通过智能管理单元对蓄电池充电、放电进行统一管理,为负载提供稳定可靠的电力供应。
两个发电单元在能源的采集上互相补充,同时又各具特色。
目前,在国内外市场上,常见的风光互补系统主要有两种用途,一种是风光互补发电独立系统,大都应用在远离电网或不利于铺设供电线路的地区,这种绿色环保的电能给这一地区人们的生产和生活水平带来很大的提高。
另一种是风光互补LED路灯,在这些灯具上大多采用泄荷电阻进行单一的制动刹车,风力过大时通过在风力发电机的输出端接入泄荷电阻,以减小风力发电机风轮的转速来达到控制飞车的目的。
这样的被动刹车效果不稳定,控制器或泄荷电阻一旦出现故障,就不能达到刹车制动的目的。
学习情境2风光互补系统的应用前景
由于独立的风电和光电在无风和阴雨天等气候条件下无法保证电能的连续供应,对于无电网的边远地区,单独使用风电或光电需配备相当大容量的储能设备,因此,采用风光互补发电技术后,通过对太阳能电池、风力发电机和蓄电池的有效组合,可以有效解决单一发电不连续问题,保证基本稳定的供电。
风光互补发电技术在我国主要应用在以下领域。
1.无电农村的生活、生产用电
中国现有8亿人口生活在农村,其中5%左右目前还未能用上电。
在中国,无电乡村往往位于风能和太阳能蕴藏量丰富的地区,因此利用风光互补发电系统解决用电问题的潜力很大。
采用已达到标准化的风光互补发电系统,有利于加速这些地区的经济发展,提高其经济水平。
另外,利用风光互补系统开发储量丰富的可再生能源,可以为广大边远地区的农村人口提供最适宜也最便宜的电力服务,促进边远地区的可持续发展。
我国已经建成的利用可再生能源独立运行的集中供电系统,只提供照明和生活用电,不能或不运行生产性负载,使得系统运行的经济性差。
要使可再生能源独立运行的集中供电系统在经济上可持续运行,涉及系统的所有权、管理机制、电费标准、生产性负载的管理及政府补贴资金的来源、数量和分配渠道等。
但是这种可持续图3-4风光互补家用系统发展模式,对中国在内的所有发展中国家具有深远意义。
图3-4风光互补家用系统发展模式
2.LED室外照明中的应用
图3-5风光互补路灯供电照明
世界上室外照明工程的耗电量占全球发电量的12%左右,在全球日趋紧张的能源和环保背景下,风光互补LED照明技术的节能工作日益引起全世界的关注。
风光互补LED照明系统的基本原理是:
太阳能和风能以互补形式通过控制器向蓄电池智能化充电,到晚间根据光线强弱程度自动开启和关闭各类LED室外照明灯具。
智能化控制器具有无线网络通信功能,可以和后台计算机实现三遥管理(遥测、遥信、遥控)。
智能化控制器还具有强大的人工智能功能,可对整个照明工程实施先进的计算机三遥管理(照明灯具的运行状况巡检及故障和防盗报警)。
如图3-5风光互补路灯供电照明,LED室外照明工程主要包括:
(1)车行道路照明工程(快速道、主干道、次干道、支路)。
(2)城镇小区照明工程(小区路灯、庭院灯、草坪灯、地埋灯、壁灯等)。
目前已被开发的新能源新光源室外照明工程有:
风光互补LED智能化路灯、风光互补LED小区道路照明工程、风光互补LED景观照明工程、风光互补LED智能化隧道照明工程。
3.航标上的应用
我国部分地区的航标已经应用了太阳能光伏发电系统,特别是灯塔,但是也存在一些问题,最突出的就是在连续天气不良状况下太阳能发电不足,易造成蓄电池过放,灯光熄灭,影响蓄电池的使用性能。
图3-6风光互补发电系统航标上的应用
天气不良情况下往往伴随大风,也就是说,太阳能发电不理想的天气状况往往是风能最丰富的时候,针对这种情况,可以采用以风力发电为主、光伏发电为辅的风光互补发电系统来代替传统的太阳能发电系统。
风光互补发电系统具有环保、无污染、免维护、安装使用方便等特点,符合航标能源应用要求。
如图3-6风光互补发电系统航标上的应用,
在太阳能配置满足春夏季能源供应的情况下,不启动风光互补发电系统;
在冬春季或连续阴雨天气、太阳能发电不良情况下,启动风光互补发电系统。
4.高速公路监控设备电源
图3-7风光互补监控系统
目前,高速公路道路摄像机通常是24h不间断运行,采用传统的市电电源系统,虽然功率不大,但是因为数量多,也会消耗不少电能,采用传统电源系统不利于节能;
并且由于摄像机电源的线缆经常被盗,损失大,造成使用维护费用大大增加,加大了高速公路经营单位的运营成本。
由于高速公路监控系统点多线长,采用传统的公用电网供电,不仅施工困难,而且配套成本高昂。
目前,太阳能光伏发电成本较高,风能的成本相对较低,二者之间的互补对于像高速公路监控系统这种点多线长的用电场合和离电网较远的缺电场所,具有它独特的优势。
如图3-7为风光互补监控系统,应用风光互补发电系统为道路监控摄像机提供电源,不仅节能,并且不需要铺设线缆,减少了被盗可能。
但是我国有的地区会出现恶劣的天气情况,如连续阴雨天气,日照少,风力达不到风力发电机启动风力,会出现不能连续供电现象,这时可以利用原有的市电线路,在太阳能和风能不足时自动对蓄电池充电,确保系统正常工作。
因每一个监控点为一个独立的供电系统,即使某一个监控点发生供电故障,也不会影响系统中其他监控点的正常工作。
5.通信基站中的应用
目前国内许多海岛、山区等地远离电网,但由于当地旅游、渔业、航海等行业有通信需求,需要建立通信基站。
这些基站用电负荷都不大,若采用市电供电,架杆铺线代价很大;
若采用柴油机供电,存在柴油储运成本高,系统维护困难、可靠性不高的问题。
图3-8风光互补发电系统通信基站中的应用
要解决长期稳定可靠地供电问题,只能依赖当地的自然资源。
而太阳能和风能作为取之不尽的可再生资源,在海岛相当丰富,此外,太阳能和风能在时间上和地域上都有很强的互补性,风光互补发电系统是可靠性、经济性较好的独立电源系统,如图3-8风光互补发电系统通信基站中的应用,适用于通信基站供电。
由于基站有基站维护人员,系统可配置柴油发电机,以备太阳能与风能发电不足时使用。
这样可以减少系统中太阳能电池方阵与风力发电机的容量,从而降低系统成本,同时增加系统的可靠性。
6.风光互补智能汽车充电站
风光互补汽车充电站是指为通过大自然的风能和太阳能来给电动汽车充电的站点,与现在的加油站相似。
随着低碳经济成为我国经济发展的主旋律,汽车作为新能源战略和智能电网的重要组成部分,以及国务院确定的战略性新兴产业之一,必将成为今后中国汽车工业和能源产业发展的重点。
而且,风光互补是作为节能环保、绿色低碳的一项指标,将是一项智能供电系统工程,必须与汽车充电相辅相成,在新能源上实现共同发展。
充电方法:
电动汽车蓄电池放电后,通过风光互补智能供电系统(图3-9所示),给蓄电池充电,使它恢复工作能力,这个过程称为蓄电池充电。
蓄电池充电时,电池正极与电源正极相联,电池负极与电源负极相联,充电电源电压必须高于电池的总电动势。
充电方式有恒电流充电和恒电压充电两种。
实际上,常规充电的速度被蓄电池在充电过程中的温升和气体的产生所限制。
这个现象对蓄电池充电所必须的最短时间具有重要意义。
图3-9风光互补智能供电系统
恒流充电法:
恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法,保持充电电流强度不变的充电方法。
控制方法简单,但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的,到充电后期,充电电流多用于电解水,产生气体,使出气过甚,因此,常选用阶段充电法。
恒压充电法:
充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值,随着蓄电池端电压的逐渐升高,电流逐渐减少。
与恒流充电法相比,其充电过程更接近于最佳充电曲线。
用恒定电压快速充电,由于充电初期蓄电池电动势较低,充电电流很大,随着充电的进行,电流将逐渐减少,因此,只需简易控制系统。
3、项目实施---风光互补发电系统结构的认知
离网风光互补发电系统是利用太阳能电池方阵、风力发电机(将交流电转化为直流电)将发出的电能存储到蓄电池组中,当用户需要用电时,逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电,通过输电线路送到用户负载处。
图3-10为风光互补发电系统,离网风光互补供电系统一般包括风力发电机、太阳能电池组件、智能控制器、逆变器、交流及直流负载、蓄电池组等部分,该系统是集风能、太阳能发电技术及智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统,发电系统各部分容量的合理配置对保证发电系统的可靠性非常重要。
图3-10风光互补发电系统
1.发电部分
由一台或几台风力发电机和太阳能电池阵列构成风一电、光一电发电部分,发电部分输出的电能通过充电控制器与直流中心完成给蓄电池组自动充电工作。
蓄电池储存的电能经过逆变器转换为交流电供给交流负载。
经优化设计的风光互补发电部分,可实现供电的稳定性和可靠性,使蓄电池的循环效率大大提高,可使蓄电池长时间处于有电状态,甚至饱和状态,有效延长了蓄电池的使用寿命。
2.蓄电部分
图3-11风光互补蓄电池
由于风能和光能的间歇性和不稳定性,如果用电器直接由风力发电机或光伏发电系统供电,会出现供电时有时无、忽高忽低现象,这种电能是无法使用的。
为建立一个供电电压稳定、能够全天候提供均衡供电系统,就必须在风力发电机或光伏发电系统与用电器之间设置储能装置,把风力发电机或光伏发电系统发出的电储存起来,稳定地向用电器供电。
理想的电能储存装置,应当具有大的储存密度和容量;
储存和供电具有良好的可逆性;
有高的转换效率和低的转换损耗;
运行要便于控制和维护;
使用安全,无污染;
有良好的经济性和较长的使用寿命,从目前中小型风光互补发电系统的实际应用来看,最方便、经济和有效的储能方式是采用蓄电池储能。
如图3-11风光互补蓄电池,它能够把电能转变为化学能储存起来,使用时再把化学能转变为电能,变换过程是可逆的,充电和放电过程可以重复循环、反复使用,因此蓄电池又称为“二次电池”。
由多节蓄电池组成蓄电池组来完成风光互补发电系统的全部电能储备任务,蓄电池组在风光互补发电系统中起到能量调节和平衡负载两大作用。
现在使用的蓄电池,虽然从外形看有大有小,形状不一,但从电解液的性质来区分,主要分为酸性蓄电池和碱性蓄电池两大类。
酸性蓄电池也叫铅蓄电池,它是各种二次电池中使用最多的一种。
由于铅的资源丰富,铅蓄电池的造价较低,因而应用非常广泛。
作为风光互补发电系统中的储能设备,无论是酸性蓄电池还是碱性蓄电池,只有用户了解它们的性能和使用操作方法,才能延长蓄电池的使用寿命。
早期的铅蓄电池的充放电循环次数只有200~300次,使用寿命只有1~2年。
随着工艺及结构不断改进,其性能不断提高,目前充放电次数已超过500次,使用寿命可达3~4年,不过蓄电池的实际使用寿命和能否正确使用维护有很大关系。
若能正确操作使用,按时维护,有的铅蓄电池可使用5年以上。
任何蓄电池的使用过程都是充电、放电周而复始地进行的。
在使用中要防止蓄电池过充或过放。
过放会造成活性物质结晶,增加极板的电阻,使蓄电池内阻增大;
过充且电流过大时,则容易产生气泡过于剧烈,易使极板活性物质脱落而损坏,同时水分消耗也大。
为此,蓄电池组应具有过充过放保护功能。
(1)过充保护。
当风速持续较高或阳光充足,在蓄电池组电压超过额定电压1.25倍时,控制器应停止向蓄电池充电,将多余的电能通过卸荷器消耗掉。
这样就可以避免造成蓄电池过充电,以延长蓄电池的工作寿命。
(2)过放保护。
当风速长期较低或阳光不充足,蓄电池组电压低于额定电压0.85倍时,逆变器应停止工作,不再向负载供电。
这样就可以避免蓄电池过放电,以延长蓄电池的工作寿命。
阀控密封式铅酸蓄电池具有成本低、容量大及免维护的特性,是风光互补发电系统储能部分的首选。
选择合理的蓄电池容量和科学的充放电方式是风光互补发电系统运行特性和寿命的保证,应采用双标三阶段充电方式,以实现对蓄电池的科学充电。
对于采用双储能系统的风光互补独立发电系统(两套铅酸蓄电池组),通过智能控制器可以控制对负载的放电,同时又可以在充电条件到达时对备用储能电池组充电,两组蓄电池之间的切换由控制系统实时监测其电压状态决定。
3.控制及直流中心部分
控制及直流中心部分由风能和太阳能充电控制器、直流中心、控制柜、避雷器等组成,完成系统各部分的连接、组合及对蓄电池组充放电的自动控制。
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储存。
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。
控制及直流中心的具体构成参数由最大用电负荷与日平均用电量决定,最大用电负荷是选择系统逆变器容量的依据,而平均日发电量则是选择风力发电机及太阳能电池容量和蓄电池组容量的依据。
同时系统安装地点的风光资源状况也是确定风力发电机及太阳能电池容量的另一个依据。
控制器是整个风光互补发电系统中充当管理的关键部件,它的最大功能是对蓄电池进行全面的管理。
高性能的控制器应当根据蓄电池的特性,设定各个关键参数点,如蓄电池的过充点、过放点,恢复连接点等。
在选择控制器时,特别需要注意控制器恢复连接点参数,由于蓄电池有电压自恢复特性,当蓄电池处于过放电状态时,控制器切断负载,随后蓄电池电压恢复,如果控制器各参数点设置不当,则可能缩短蓄电池和用电负载的使用寿命。
图3-12风光互补路灯控制器
图3-12为风光互补路灯控制器,风光互补发电系统中的控制器必须具备蓄电池过充保护、过放保护、防反接等保护功能。
在温差较大的地方,控制器还应具备温度补偿功能。
若作为风光互补路灯控制器还应具有光控、时控功能,并应具有夜间自动切控负载功能,便于阴雨天延长路灯工作时间。
对于风光互补发电系统的设计,成功与失败往往取决于控制器的选型设计,没有一个性能良好的控制器,就不可能有一个性能良好的风光互补发电系统。
控制器防止反充电功能的实现方法是在发电回路中串联一个二极管防止反充电,这个二极管应选用肖特基二极管,肖特基二极管的压降比普通二极管低。
另外,还可以用场效应晶体管实现防止反充电功能,它的管压降比肖特基二极管更低。
控制器的防过充电控制功能的实现方法是在输入回路中串联或者并联一个泄放晶体管,由电压鉴别电路控制晶体管的开关,将风光互补发电部分产生的过盈电能通过晶体管泄放,保证没有过高的电压给蓄电池充电。
控制器的防过放电功能的实现方法是设置放电截止电压,因风光互补发电系统的负载功率相对于蓄电池是小倍率放电,所以放电截止电压不宜过低。
由于蓄电池电压控制点是随着环境温度而变化的,所以风光互补发电系统的控制器应该有一个受温度控制的基准电压。
对于单节铅酸蓄电池是-7~-3mV/oC,通常选用-4mV/oC。
在风光互补发电系统中,控制器主要包括风电控制、光电控制和蓄电池充放电控制3部分。
它们主要是根据蓄电池的充电状况来控制风力发电机组、太阳能电池阵列的运行方式和开断情况,从而保证负载的正常供电及系统各个部分的安全运行。
控制器由一些电子元器件组成,如电阻、电容、半导体器件、继电器等。
简单地说,控制器就是一个“开关”。
对于风力发电部分,当风力发电机发出的交流电经整流后,如蓄电池电压低于系统设定的电压时,控制器使充电电路接通,风力发电机向蓄电池充电,当蓄电池电压上升达到保护电压时,充电控制开关电路截止,风力发电机停止向蓄电池充电,以免蓄电池过充电。
但是,根据蓄电池的充电特性,这时蓄电池电压会慢慢下降,为防止蓄电池充电不足,当其电压下降到一定值时,充电控制开关导通,对蓄电池进行自动补充充电,该状态一直保持到下一次充电保护为止。
对于光伏发电部分,充电控制器采用增量控制太阳能电池方阵对蓄电池的充电过程。
当蓄电池组的充电电压达到设定的最高充电电压时,自动依次切断一个或数个方阵供电支路,以限制蓄电池的充电电压继续增长,以免蓄电池过充电,并最大限度地利用和储存太阳能电池发出的电能。
图3-13风光互补控制柜,由智能控制器驱动的MOSFET充电模块,可根据系统的不同,选取不同电压等级的MOSFET来实现系统对蓄电池的充放电管理。
控制模块根据不同的MOSFET栅极电压设计,由智能控制器控制MOSFET模块的输出状态。
智能控制器由LCD液晶显示模块、键盘、MCU组成,是风光互补发电系统控制、管理的核心,驱动MOSFET充电模块实现对蓄电池的双标三阶段充电,驱动IGBT实现DC/AC逆变及系统的实时保护和数据再现与传输等,同时提供风力发电机的磁电限速保护,在风力发电机过功率时,给风力发电机反向磁阻力矩,降低风力发电机转速。
3-13风光互补控制柜
风光互补发电系统宜采用太阳能/风力发电一体化控制器,控制器应可以同时利用太阳能和风能,以提高风能和太阳能的综合利用效率。
控制器必须具有风力发电充电电路和光伏发电充电电路,两充电通道要各自独立和有效隔离。
控制器的风电充电电路的最大功率要大于或等于风力发电机组额定输出功率的两倍。
控制器的光伏充电电路的最大功率应大于光伏系统功率的1.5倍。
控制器应具有通信接口,并预留直流充电接口。
控制器的电磁兼容应符合相关规范要求。
4.供电部分
由于蓄电池输出的是直流电,因此它只能为直流用电器供电。
但是在日常生活和生产中很多用电器是用交流电的,因此,将直流电转换为交流电的设备称为逆变器。
图3-14为太阳能风光互补逆变器,逆变器可把蓄电池中的直流电能转换为标准的380V/220V交流电能,保证交流用电负载的正常使用。
同时它还具有自动稳压功能,。
以
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