论太阳能光伏发电及风光互补发电系统的研究及设计方案Word文件下载.docx
- 文档编号:19377809
- 上传时间:2023-01-05
- 格式:DOCX
- 页数:16
- 大小:35.33KB
论太阳能光伏发电及风光互补发电系统的研究及设计方案Word文件下载.docx
《论太阳能光伏发电及风光互补发电系统的研究及设计方案Word文件下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《论太阳能光伏发电及风光互补发电系统的研究及设计方案Word文件下载.docx(16页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
在人类文明的历史长河中,人类不断地从自然界索取、探求适合生存和发展所需的各种能源,能源的利用水平折射出人类文明的进步补发。
从原始社会开始,由地区在长达50万年的历史中积累下来的化石矿物能源,即常规能源<
煤、石油、天然气等)一直是人类所用的能源基础。
但是常规能源的储量整随着人类文明的高度发展而迅速枯竭。
从资源的角度看,地球的矿物能源是有限的,安目前消耗的速度计,石油还可供开采40年左右,天然气约60年,煤可望达200年。
全球能源消耗的年增长率约为2%,近35年来世界能源消费量已经翻了一番。
人们预计,到2025年全球能源消耗还将再增加一倍。
这些都提醒人们注意到必须开发新的能源。
常规能源的大量利用对人类生存环境也有着日趋严重的破坏作用。
到20世纪末人们开始注意到:
由于每年燃烧常规能源所产生的CO2的排放量约210亿吨左右,已经是地球严重污染,而且目前的CO2造成了地球的温室效应,使全球气候变暖1.5~4.5℃,最严重的后果是海平面将上升25~145cm,沿海低洼地区将被淹没,这将严重影响到许多国家的经济、社会和政治结构。
此外,大量燃烧矿物燃料,会在大范围内形成酸雨,将严重损害森林和农田,目前全球已有数以千计的湖泊酸性度不断提高,并已接近鱼类无发生存的地步;
酸雨还损坏石造建筑、破坏古迹、腐蚀金属结构,甚至进入饮用水源,释放出潜在的毒性金属<
如铬、铅、汞、锌、铜等),威胁人类健康。
因此,人类文明的高度发展与生存环境的极度恶化,形成了强烈的反差。
针对以上情况开发和使用新能源<
可再生能源和无污染绿色能源)已是人类目前迫切需要解决的重要问题。
虽然目前人类可利用的新能源如太阳能、风能、地热能、水能、海洋能等能源形势都是可以满足要求的。
但从能源的稳定性、可持久性、数量、设备成本、利用条件等诸多因素考虑,太阳能和风能已经成为最为理想的可再生能源和无污染能源。
风能和太阳能都是清洁能源,随着光伏发电技术、风力发电技术的日趋成熟及实用化进程中产品的不断完善,为风光互补发电系统的推广应用奠定了基础。
风光互补发电系统推动了我国节能环保事业的发展,促进资源节约型和环境友好型社会的建设。
太阳能作为清洁、无污染、方便易得的可再生建筑能源,越来越受到人们的青睐,它在建筑中的应用有着其它能源不可比拟的优越性,正在全球飞速发展。
太阳能光伏发电系统安全可靠、无噪音、无振动、无污染、无需消耗燃料,无需架设输电线路即可就地发电供电,建设周期短、可靠性高、维护简便,对于缓解常规能源的短缺和减少环境污染具有重要的意义,目前我国在太阳能利用方面取得了可喜的成就。
由于风力发电和太阳能发电系统均受到外部条件的影响,光靠独立的风力或太阳能发电系统经常会难以保证系统供电的连续性和稳定性,因此,在采用风光互补的混合发电系统来进行相互补充,实现连续、稳定地供电。
风光互补发电以其独特优势成为新能源研究的热点之一。
太阳能,光伏发电,风光互补发电系统
第一章前言-1-
一、太阳能光伏发电系统-1-
二、风光互补发电系统-1-
第二章光伏发电原理-3-
一、光伏发电原理定义-3-
二、光伏效应及原理-3-
第三章光伏发电系统的组成-5-
一、光伏发电系统的组成-5-
二、太阳能控制器-5-
第四章太阳能光伏发电系统中国现状-7-
一、太阳能光伏发展现状-7-
二、系统优劣-8-
三、应用领域-9-
第五章风光互补发电系统-10-
一、风光互补结构原理-10-
二、风光互补发电系统-10-
三、风光互补发电比单独风力发电或光伏发电有以下优点:
-11-
四、应用前景-12-
第六章太阳能光伏发电和风光互补发电的意义-15-
一、太阳能光伏发电和风光互补发电现状-15-
二、太阳能光伏发电和风光互补发电的意义-15-
第一章前言
一、太阳能光伏发电系统
我国研制太阳能电池始于一九五八年,中国的光伏技术经过四十年的努力,已具有一定的水平和基础。
过去我国边远地区的光伏发电市场主要由国家投资工程和多边援助工程支撑。
90年代以来,随着边远地区经济发展和农牧民收入水平的提高,边远地区的光伏发电市场也开始向商业化发展。
根据世界银行/全球环境基金可再生能源商业化工程准备研究过程中的资料显示,我国西部地区经营太阳能光伏发电系统的各类公司和团体由80年代的不足10家,发展到1997年底的50多家,其中大多数公司以商业化赢利为目的。
这从侧面表明,我国的光伏发电技术已经具有了一定的市场潜力和市场吸引力。
光伏电池发电有离网(独立电站>
和并网(市电并网电站>
两种工作方式。
过去,由于太阳电池的生产成本居高不下,所以光伏电池多用于工业部门<
邮电、电力、石油、铁路等)和偏远无电地区的中小功率离网用户。
随着光伏产品成本的降低和农牧民收入水平的提高,太阳能光伏市场近年来发生了很大变化,开始向较大功率的交流系统和村庄供电系统发展;
并且逐步向并网发电以及和建筑相结合(屋顶发电系统>
的常规发电方向发展,开始由补充能源向替代能源过渡。
太阳能光伏电源的应用领域十分广阔,从数十瓦的户用照明系统到电信、电力、铁路、石油、部队等部门通讯设备数千瓦的备用电源系统,甚至在西藏阿里、安多等地区还建成几个数十千瓦的集中型太阳能光伏电站。
随着我国光伏事业的高速发展和应用领域的拓宽,从事太阳能光伏电源系统集成设计和安装的技术人员不断增加。
由于太阳能光伏电源技术属于跨多学科的新兴学科,它涉及到气象、光学、半导体、电力、电子、计算机和机械等多种学科技术,要求从业的技术人员应掌握广泛而深入的技术知识,才能合理设计使用和充分发挥价格较昂贵的光伏系统设备的作用。
二、风光互补发电系统
最初的风光互补发电系统,就是将风力机和光伏组件进行简单的组合,因为缺乏详细的数学计算模型,同时系统只用于保证率低的用户,导致使用寿命不长。
近几年随着风光互补发电系统应用范围的不断扩大,保证率和经济性要求的提高,国外相继开发出一些模拟风力、光伏及其互补发电系统性能的大型工具软件包。
通过模拟不同系统配置的性能和供电成本可以得出最佳的系统配置。
其中coloradostateuniversity和nationalrenewableenergylaboratory
合作开发了hybrid2应用软件。
hybrid2本身是一个很出色的软件,它对一个风光互补系统进行非常精确的模拟运行,根据输入的互补发电系统结构、负载特性以及安装地点的风速、太阳辐射数据获得一年8760小时的模拟运行结果。
但是hybrid2只是一个功能强大的仿真软件,本身不具备优化设计的功能,并且价格昂贵,需要的专业性较强。
在国外对于风光互补发电系统的设计主要有两种方法进行功率的确定:
一是功率匹配的方法,即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的功率和风机的功率和大于负载功率,主要用于系统的优化控制;
另一是能量匹配的方法,即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的发电量和风机的发电量的和大于等于负载的耗电量,主要用于系统功率设计。
风光互补发电的应用在我国,风光互补发电场比较少,主要集中在青藏高原、内蒙古自治区等偏远地区,采用独立式发电。
1998年和2000年,我国的长江源自然保护站分别安装了600W/400Wp(Wp为光伏发电功率>
和1000W/400Wp两套独立运行的风光互补发电系统。
2004年12月,华能南澳54MW/100kWp风光互补发电场成功并入当地10kV电网,是我国第一个正式投入商业化运行的风光互补发电系统。
在城市中,风光互补发电系统的应用主要是在城市路灯的使用上。
尽管风光互补路灯初投资较高,但是不需要输电线路和开挖路面做埋管工程,不消耗电能,从长远来看,该系统有明显的经济效益[。
风光互补照明技术在城市道路和景观照明工程上呈现蓬勃发展势头,国务院公布的21世纪发展计划中明确了发展太阳能和风能的战略,从决策上也指明了方向。
风光互补发电系统还可以用在高速公路上的路灯、报警电话或信号和道路标志上。
博览会场和活动会场的场外照明或景观点缀。
海上的辅助电源,比如海上导航系统,既节省电网建设成本,又降低能源损耗。
或是在灾难时作通信用、避难紧急指示灯的辅助电源,以及需要经常移动的野外作业的工作站等。
在用电负荷比较小、用电可靠性要求不高的远离电网的农村牧区以及海岛,一般来说,采用电网供电不太现实,从整个社会经济看也是一种浪费。
建立小型风光互补发电独立电源系统就可以解决一般的照明、家电产品或者提水等生活和生产用电。
在我国,离网型风光互补发电系统被广泛地运用于通信系统的中继站。
在西北广袤的土地上,通信系统的中继站的电源问题在过去一直存在着维护难和可靠性低的问题。
小型风光互补发电独立电源系统技术的日益成熟从根本上解决了这一问题,使得通信系统中继站的无人值守和免维护成为可能,不但降低了运行成本,而且提高了系统运行的可靠性。
随着风光互补发电技术的日趋完善,其应用范围也在不断地扩大。
第二章光伏发电原理
一、光伏发电原理定义
光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能转变成电能的一种技术。
这种技术的关键元件是太阳能电池。
太阳能电池经过串联号进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件,再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。
二、光伏效应及原理
如果光线照射在太阳能电池上并且在界面层被吸收,具有足够能量的P型硅和N型硅中将电子从共价健中激发,以致产生电子-空穴对。
界面层附近的电子和空穴在复合之前,将通过空间电荷的电场作用被相互分离。
电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。
通过界面层的电荷分离,将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。
此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。
对晶体硅太阳能电池来说,开路电压的典型数值为0.5~0.6V.通过光照在界面层产生的电子-空穴对越多,电力越大。
界面层吸收的光越多,界面层即电池面积越大,在太阳能电池中形成的电流也越大。
太阳光照早半导体p-n结上,形成新的空穴-电子对,在p-n结电场的作用下,空穴由n区流向p区,电子由p区流向n区,接通电路后就形成电流。
这就是光电效应太阳能电池的工作原理。
<
一)太阳能发电方式的两种:
一种是光—热—电转换方式,另一种是光—电直接转换方式。
1)光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电,一般是由太阳能集成器将所吸收的热能转换成工质的蒸汽,再驱动汽轮机发电。
前一个过程是光—电转换过程,与普通的火力发电一样,太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高,估计它的投资至少要比普通火电站贵5~10倍。
2)光—电直接转换方式该方式是利用光电效应,将太阳辐射能直接转换成电能,光—电转换的基本设置就是太阳能电池。
太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳能直接转化成电能的器件,是一个半导体光电二极管,当太阳能光照到光电二级管上时,光电二极管就会把太阳能变成电能,产生电流。
当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。
太阳能电池是一种大有前途的新型电源,具有永久性、清洁性和灵活性三大优点,太阳能电池寿命长,只要太阳存在,太阳能电池就可以一次投资而长期的使用;
与火力发电、核能发点相比,太阳能电池不会引起环境污染。
二)与常用的发电系统相比,太阳能光伏发电的优点主要体现在:
1)太阳能发电被称为最理想的新能源:
①无枯竭危险;
②安全可靠,无噪声,无污染排放外,绝对干净<
无公害);
③不受资源分布地域的限制,可利用建筑屋面的优势;
④无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电;
⑤
能源质量高;
⑥使用者从感情上容易接受;
⑦建设周期短,获取能源话费的时间短。
<
2)缺点:
①照射的能量分布密度小,即要占用巨大面积;
②获得的能源铜同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。
以目前的科学技术来讲,利用太阳能来发电,设备成本高,太阳能利用率较低,不能广泛应用,目前主要用在一些特殊环境下,如卫星等。
三)光伏发电系统的设计需要考虑的因素:
1)光伏发电系统需要考虑安装的环境条件以及当地的日光辐射情况;
2)考虑系统需要承受的负载总功率的大小;
3)系统应设计的输出电压的大小以及考虑使用直流还是交流;
4)系统每天需要工作的小时数;
5)如遇到没有日光照射的隐喻天气,系统需连续工作的天数;
6)系统设计,还需要了解负载的情况,电器是阻性、电容性还是电感性,以及瞬间启动最大电流的流通量。
第三章光伏发电系统的组成
一、光伏发电系统的组成
太阳能光伏发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池<
组)和太阳能跟踪控制系统组成。
如输出电源为交流220V或110V,还需要配置逆变器。
(一)太阳能电池板
太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分,也是太阳能发电系统
价值最高的部分。
其作用是将太阳的辐射能力转换为电能,或送往蓄电池中存储起来,或推动负载工作。
太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。
二)原材料特点
电池片:
采用高效率<
16.5%以上)的单晶硅太阳能片封装,保证太阳能电池板发电功率充足。
玻璃:
采用低铁钢化绒面玻璃(又称为白玻璃>
,厚度3.2mm,在太阳电池光谱响应的波长范围内(320-1100nm>
透光率达91%以上,对于大于1200nm的红外光有较高的反射率。
此玻璃同时能耐太阳紫外光线的辐射,透光率不下降。
EVA:
采用加有抗紫外剂、抗氧化剂和固化剂的厚度为0.78mm的优质EVA膜层作为太阳电池的密封剂和与玻璃、TPT之间的连接剂。
具有较高的透光率和抗老化能力。
TPT:
太阳电池的背面覆盖物—氟塑料膜为白色,对阳光起反射作用,因此对组件的效率略有提高,并因其具有较高的红外发射率,还可降低组件的工作温度,也有利于提高组件的效率。
当然,此氟塑料膜首先具有太阳电池封装材料所要求的耐老化、耐腐蚀、不透气等基本要求。
边框:
所采用的铝合金边框具有高强度,抗机械冲击能力强。
二、太阳能控制器
太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态,并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。
在温差较大的地方,合格的控制器还应具备温度补偿的功能。
其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。
(一)主要特点:
1)、使用了单片机和专用软件,实现了智能控制;
2)、利用蓄电池放电率特性修正的准确放电控制。
放电终了电压是由放电率曲线修正的控制点,消除了单纯的电压控制过放的不准确性,符合蓄电池固有的特性,即不同的放电率具有不同的终了电压。
3)、具有过充、过放、电子短路、过载保护、独特的防反接保护等全自动控制;
以上保护均不损坏任何部件,不烧保险;
4)、采用了串联式PWM充电主电路,使充电回路的电压损失较使用二极管的充电电路降低近一半,充电效率较非PWM高3%-6%,增加了用电时间;
过放恢复的提升充电,正常的直充,浮充自动控制方式使系统由更长的使用寿命;
同时具有高精度温度补偿;
5)、直观的LED发光管指示当前蓄电池状态,让用户了解使用状况;
6)、所有控制全部采用工业级芯片<
仅对带I工业级控制器),能在寒冷、高温、潮湿环境运行自如。
同时使用了晶振定时控制,定时控制精确。
7)、取消了电位器调整控制设定点,而利用了E方存储器记录各工作控制点,使设置数字化,消除了因电位器震动偏位、温漂等使控制点出现误差降低准确性、可靠性的因素。
(二)蓄电池
一般分为铅酸电池和胶体电池,小微型系统中,也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。
其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来,到需要的时候再释放出来。
(三)逆变器
在很多场合,都需要提供220VAC、110VAC的交流电源。
由于太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC、96VDC、192VDC。
为能向220VAC的电器提供电能,需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能,因此需要使用DC-AC逆变器。
在某些场合,需要使用多种电压的负载时,也要用到DC-DC逆变器,如将24VDC的电能转换成5VDC的电能。
第四章太阳能光伏发电系统中国现状
一、太阳能光伏发展现状
中国光伏发电产业于20世纪70年代起步,90年代中期进入稳步发展时期。
太阳电池及组件产量逐年稳步增加。
经过30多年的努力,已迎来了快速发展的新阶段。
在“光明工程”先导工程和“送电到乡”工程等国家工程及世界光伏市场的有力拉动下,我国光伏发电产业迅猛发展。
到2007年年底,全国光伏系统的累计装机容量达到10万千瓦<
100MW),从事太阳能电池生产的企业达到50余家,太阳能电池生产能力达到290万千瓦<
2900MW),太阳能电池年产量达到1188MW,超过日本和欧洲,并已初步建立起从原材料生产到光伏系统建设等多个环节组成的完整产业链,特别是多晶硅材料生产取得了重大进展,突破了年产千吨大关,冲破了太阳能电池原材料生产的瓶颈制约,为我国光伏发电的规模化发展奠定了基础。
2007年是我国太阳能光伏产业快速发展的一年。
受益于太阳能产业的长期利好,整个光伏产业出现了前所未有的投资热潮。
“十二五”时期我国新增太阳能光伏电站装机容量约1000万千瓦,太阳能光热发电装机容量100万千瓦,分布式光伏发电系统约1000万千瓦,光伏电站投资按平均每千瓦1万元测算,分布式光伏系统按每千瓦1.5万元测算,总投资需求约2500亿元。
尽管我国是太阳能产品制造大国,不过我国太阳能产品只用于出口。
在2018年时,全球太阳能光伏电池年产量1600万千瓦,其中我国年产量1000万千瓦。
而到2018年,全球光伏发电总装机容量超过4000万千瓦,主要应用市场在德国、西班牙、日本、意大利,其中德国2018年新增装机容量700万千瓦。
不过,我国太阳能资源十分丰富,适宜太阳能发电的国土面积和建筑物受光面积也很大,其中,青藏高原、黄土高原、冀北高原、内蒙古高原等太阳能资源丰富地区占到陆地国土面积的三分之二,具有大规模开发利用太阳能的资源潜力。
太阳能资源丰富、分布广泛,是21世纪最具发展潜力的可再生能源。
随着全球能源短缺和环境污染等问题日益突出,太阳能光伏发电因其清洁、安全、便利、高效等特点,已成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业。
在此背景下,全球光伏发电产业增长迅猛,产业规模不断扩大,产品成本持续下降。
我国光伏发电产业也得到迅速发展,已成为我国为数不多的、可以同步参与国际竞争、并有望达到国际领先水平的行业。
崛起了以尚德电力、英利绿色能源、江西赛维LDK、保利协鑫为代表的一批著名企业和以江苏、河北、四川、江西四大光伏强省为代表的一批产业基地。
因此,企业以往以“年度”为单位进行战略以及策略调整的传统做法,在行业快速变化的今天显得有些力不从心甚至被动。
所以,企业以“月度”为单位,根据行业最新发展动向适时进行策略乃至战略调整的经营手段,正日益受到许多大型企业管理者尤其是外资企业管理层的高度重视。
二、系统优劣
一)优点:
1)、太阳能取之不尽,用之不竭,地球表面接受的太阳辐射能,能够满足全球能源需求的1万倍。
只要在全球4%沙漠上安装太阳能光伏系统,所发电力就可以满足全球的需要。
太阳能发电安全可靠,不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击。
2)、太阳能随处可取,可就近供电,不必长距离输送,避免了长距离输电线路的损失;
3)、太阳能不用燃料,运行成本很低;
4)、太阳能发电没有运动部件,不易用损坏,维护简单,特别适合于无人值守情况下使用;
5)、太阳能发电不会产生任何废弃物,没有污染、噪声等公害,对环境无不良影响,是理想的清洁能源;
6)、太阳能发电系统建设周期短,方便灵活,而且可以根据负荷的增减,任意添加或减少太阳能方阵容量,避免浪费。
(二)缺点:
1)、地面应用时有间歇性和随机性,发电量与气候条件有关,在晚上或阴雨天就不能或很少发电;
2)、能量密度较低,标准条件下,地面上接收到的太阳辐射强度为1000W/M^2。
大规格使用时,需要占用较大面积;
3)、价格比较贵,为常规发电的3~15倍,初始投资高。
4)、后期投资较大,储能的蓄电池平均每2-3年要更换一次。
三、应用领域
一)、用户太阳能电源:
1)小型电源10-100W不等,用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电,如照明、电视、收音机等;
2)3-5KW家庭屋顶并网发电系统;
3)光伏水泵:
解决无电地区的深水井饮用、灌溉:
4)太阳能净水器:
解决无电地区的饮水、净化水质问题。
二)、交通领域如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、宇翔路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。
三)、通讯/通信领域:
太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统;
农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。
四)、石油、海洋、气象领域:
石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。
五)、家庭灯具电源:
如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯、投射灯等
六)、光伏电站:
10KW-50MW独立光伏电站、风光<
柴)互补电站、各种大型停车厂充电站等。
七)、太阳能建筑将太阳能发电与建筑材料相结合,使得未来的大型建筑
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 太阳能 发电 风光 互补 系统 研究 设计方案