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风光互补太阳能路灯的设计
摘要
随着世界能源危机的加剧,世界各国都从两条道路寻找解决能源危机的办法,即:
一条是寻求新能源和可再生能源的利用;另外一条就是寻求新的节能技术,提高能源的利用效率。
风能作为一种绿色能源,己经成为一种新兴的能源形式,同时太阳能因诸多优势也得到广泛的应用,但两者每天的发电量受天气的影响很大。
由于太阳能与风能互补性强,如何充分发挥两者的优势,构造风光互补的新型能源系统有很好的理论及实际意义。
本文对风光互补发电系统进行了设计,系统采用交流母线结构,可以随意扩容,方便其它设备接入。
论文主要对风光互补发电系统结构组成、控制器、逆变器、并网控制等进行了设计和研究分析。
论文首先论述了风光互补发电系统的结构组成。
重点设计了太阳能光伏发电系统。
该系统主要包括DC-DC变换及并网逆变电路.。
DC-DC变换采用推挽电路,结构简单,开关管功耗小。
DC—DC模块将太阳能电池50V左右的直流转换为400V直流,同时完成最大功率点(MPPT)跟踪。
论文详细分析了最大功率点跟踪原理及其分类,采用具有明显优势的电导增量法实现了该功能。
论文还对逆变器的构成及并网控制方法作了分析研究。
经过比较,逆变器采用单相桥式电路,IGBT为主开关器件。
并网控制的关键是控制逆变器输出的电流,使其与电网电压同频、同相。
文中介绍了逆变器的工作原理,阐述了并网逆变器的软件实现流程图,分析了同步的关键技术——软件锁相环SPLL技术。
关键词:
风光互补发电系统,并网逆变器,最大功率跟踪。
WindSolarStreetLightDesign
Abstract
Thewindenergywascalledagreenenergy,itthroughbecomeanewlyarisenandimportantform,atthesametimesolarenergyhavingmanyadvantages.Alsosufferpeoplethoughtfulof,butgeneratingelectricityofeverydaymeasuretoisinfluencebythewemherverystrong.BecausethesolarenergyandbreezeCanberepairedwitheachotherstrongly,thepVowindenergysystemwasused.Itimprovedthesinglesystem,SOhavegoodtheoriesandactualmeaning.
ThePV-windhybridsystemisdesignedinthethesis.ThissystemusedACbus.Itispermitedtoenlargesystemasone’Spleases,andCanconnecttheotherequipmentconvenience.ThethesisalsodesignandanalysethecompositionofthePV-WindEnergysystem,andthecontroller,inverterandgrid—connectedcontrol.
First,thethesisdiscussedtheconstructionofPV-windhybridsystem.Itputgreatemphasisondesigningsolarenergysystem.ThesolarenergysystemuseTMS320F240DSPofTIcompanytocontrol.ItconcludedDC—DCconvertorandgrid—connectedinverter.TheDC-DCmoldusePush—Pullconverterwhichhassimplyconstructionandsmallon—offpowerexhaust.TheDC/DCmoldchangesthesolarcellvoltagefrom50Vto400V,andcompletethetaskofMaximumPowerPointTracking(MPPT).ThethesisanalysetheprincipleandclassificationofMPPTindetail,useConductanceIncrementMethodofMPPT.Thisthesisdiscussthestructureofthegrid-connectedinverter,researchthemethodofcontrolling.Aftercomparing,thesingle-phasebridgecircuitwasused.TheIGBTwasusedincircuit.Thekeypointofthegrid—connectedinverteristocontroltheoutputcurrenttosynchronizetheutility.Afterintroducingtheprincipleofinverter,therelevantdesignschemaandflowchartisgiven.ItanalysethekeytechniquePhaseLockedLoop.Anoutputfilterbetweentheoutputendoftheinverterandtheutilityisaddedtoimprovethequalityofoutputcurrent.
Keywords:
PWwindhybridsystem,grid—connectedinverter,MaximumPowerPointTracking.
1第1章绪论
1.1引言
能源是人类生存的基本要素,也是国民经济发展的主要物质基础。
随着国际工业化的进程,全球未来能源消耗预计仍将以3%的速度增长,常规能源资源面临日益枯竭的窘境。
目前在众多可再生能源与新能源技术开发中,发展最成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景,最具竞争力、潜力最大的就是风力发电(以下简称为风电)和太阳能发电(以下简称光伏发电)。
尽管风电的发展面临着重重困难,但是随着社会和科技的发展,以及考虑到我国的具体国情,大力发展风电将是我国能源结构的必然发展方向,我国风电将具有一个美好的发展前景。
(1)必要性
我国具有丰富的风能资源,这为发展我国的风电事业创造了十分有利的条件。
但就我国目前电力事业而言,火力发电仍是我国的主力电源。
以燃煤为主的火电厂,正在大量排放C02和S02等污染气体,这对我国的环保极为不利。
而发展风电,一方面有利于我国电源结构的调整,另一方面又有利于减少污染气体的排放而缓解全球变暖的威胁。
同时,又有利于减少能源进口方面的压力,对提高我国能源供应的多样性和安全性将做出积极的贡献。
(2)政策支持
由于风电场建设成本较高,加之风能的不稳定性,因而导致风电电价较高,而无法与常规的火电相竞争。
在这种情况下,为了支持发展风力发电,至今国家已经给予多方面政策支持,尤其是政府的特许经营政策,将极大地增强投资方的信心,吸引更多的技术力量和资金设备到风电的发展和研究上来。
(3)展望
风力发电是一个集计算机技术、空气动力学、结构力学和材料科学等综合性学科的技术。
我国有丰富的风能资源,因此风力发电在我国有着广阔的发展前景,而风能利用必将为我国的环保事业、能源结构的调整,对减少进口能源的依赖做出巨大贡献。
目前尽管有着各种各样的困难,但是随着科技的进步、政策资金以及投资方信心的增强,风电在开发、运行、管理方面都将取得进步和提高。
展望未来,随着风电机组制造成本的不断降低,化石燃料的逐步减少及其开采成本的增加,将使风电逐步增强市场竞争力,因此其发展前景将是十分良好的。
1.2风光互补发电系统简介
1.2.1风力发电
风力发电装置有两种运行方式。
并网运行和独立运行(又称离网运行)。
在独立行运时,由于风能是一种不稳定的能源,如果没有储能装置或其它发电装置配合,风力发电装置难以提供出可靠而稳定的能源。
解决上述稳定供电的方式有两个,一是利用蓄电池储能来稳定风力发电机的电能输出,另一个是风力发电机与光伏或柴油发电等互补运行。
独立运行风力发电系统结构组成如图1.1所示。
主要部件包括:
(1)风力发电机组:
由风力机、发电机和控制部件等组成的发电系统(简称风电机组)
(2)蓄电池组:
由若干台蓄电池经串联组成的储存电能的装置。
(3)控制器:
系统控制装置。
主要功能是对蓄电池进行充电控制和过放电保护。
同时对系统输入输出功率起着调节与分配作用,以及系统赋予的其它监控功能。
(4)逆变器:
将直流电转换为交流电的电力电子设备。
(5)交流负载:
以交流电为动力的装置或设备。
(6)直流负载:
以直流电为动力的装置或设备。
图1.1风力发电系统示意图
1.2.2太阳能发电
太阳能发电有2种方式,即光热发电和光伏发电。
利用太阳能电池发电是太阳能利用中最有发展前途的一种技术,也是世界上增长速度最快和最稳定的技术产业之一。
光伏发电的研究工作集中在新材料、新工艺、新设计等方面。
制作太阳电池的材料主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅以及其它新型化合物半导体材料。
许多国家在太阳能电池研制方面都取得了实质性的进展,但由于现有理论的局限,要取得进一步的技术突破,还要走一段摸索的道路。
光伏发电的技术关键是应用新原理,研究新材料,继续提高电池的转换效率和降低制造成本。
目前,在世界上已建成多个兆瓦级的联网光伏电站,总装机容量约1000MW。
我国太阳电池技术是在借鉴国外技术的基础上发展起来的,并进行了大量的研究和探索,取得了很大进展。
我国已建成的容量最大的光伏电站是lOOkW的西藏安多电站。
独立运行的光伏发电系统如图1.2所示。
其主要部件包括:
(1)太阳电池方阵:
在金属支架上用导线逵在一起的多个太阳电池组件的集合体。
太阳电池方阵(简称方阵)产生负载所需要的电压和电流。
(2)蓄电池组:
由若干台蓄电池经串联组成的贮存电能的装置。
(3)控制器:
系统控制装置。
主要功能是对蓄电池进行充电控制和过放电保护,同时对系统输入输出功率起着调节与分配作用,以及系统赋予的其它监控功能。
(4)逆变器:
将直流电转换为交流电的电力电子设备。
(5)交流负载:
以交流电为动力的装置或设备。
图l.2太阳能发电系统示意图
太阳能和风能是最普遍的自然资源,也是取之不尽的可再生能源。
太阳能与风能在时间上和季节上都有很强的互补性:
白天太阳光照好、风小,晚上无光照、风较强;夏季太阳光照强度大而风小,冬季太阳光照强度弱而风大。
这种互补性使风/光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性。
另外,风力发电和光伏发电系统在蓄电池和逆变器环节上是可通用的。
风/光互补发电系统可根据用户用电负荷和自然资源条件进行最佳的合理配置,既可保证系统的可靠性,又能降低发电成本,满足用户用电需求。
2第2章系统整体结构
2.1系统整体结构
2.1.1风光互补发电系统概述
风光互补发电系统由太阳能光电板、小型风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器等几部分组成;其中的光电系统是利用光电板将太阳能转换成电能,然后通过控制器对蓄电池充电,最后通过逆变器对用电负荷供电。
该系统的优点是供电可靠性高,运行维护成本低;缺点是系统造价高。
风电系统是利用小型风力发电机,将风能转换成电能,然后通过控制器对蓄电池充电,最后通过逆变器对用电负荷供电。
该系统的优点是系统发电量较高,造价较低,运行维护成本低;缺点是小型风力发电机可靠性低。
另外,风电和光电系统都存在一个共同的缺陷,就是资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡,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。
由于太阳能与风能的互补性强,风光互补发电系统弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷,同时,风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的,所以可降低风光互补发电系统的造价。
风光互补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。
2.2风光互补路灯功能结构
2.2.1风光互补太阳能路灯的组成模块
其通用原理图如下图2.1。
主要有7部分组成:
1.太阳能电池组件2.风机3.AC/DC转换器4.控制器5.蓄电池6.逆变器7.负载
图2.1风光互补原理图
2.2.2风光互补太阳能路灯的工作原理
风光互补发电系统是一种风能和光能转化为电能的装置,工作原理是利用自然风作为动力,风轮吸收风的能量,带动风力发电机旋转,把风能转变为电能,经过控制器的整流,稳压作用,把交流电转换为直流电,向蓄电池组充电并储存电能。
利用光伏效应将太阳能直接转化为直流电,供负载使用或者贮存于蓄电池内备用。
第3章风力发电机
3.1风轮的设计
风轮是风力发电机重要的组成部分之一,风电转换过程首先从风轮开始,风轮性能直接影响风力发电机的性能。
国际上风力发电机运行实践表明,风轮是最容易出现故障的部位。
因此,在设计和制造风力发电机时,都把风轮的设计和制造放在优先的位置,给予重视。
风轮的设计包括:
确定风轮直径D,叶片数B,各个叶片剖面的弦长C和扭转角β,以及选取叶片剖面的翼型,以保证风轮有较高的功率系数。
3.1.1风轮设计的初始参数
发电机额度功率:
P=50W:
发电机额定转速:
n=400r/min;
发电机效率:
η=0.65;
空气密度:
ρ=1.225kg/m3;
风能利用系数:
Cp=0.3。
3.1.2额定风速
额定风速又称设计风速是一个重要的参数,直接影响风力发电机的尺寸和成本。
额定风速取决于使用风力发电机地区的风能资源分布情况。
风能资源既要考虑到平均风速的大小和频率。
从额定功率来考虑,一般变桨距风力发电机的额定风速与年平均风速之比为1.7左右;定桨距风力发电机,由于达到相同额定功率的风速要高一些,因此,其额定风速与年平均风速之比为2以上。
根据城市的年平均风速和频率,取额定风速V=10m/s。
3.1.3风轮直径
风轮直径可由下列公式进行估算
式中:
P-风力发电机输出功率,W;V-额定风速,m/s;D-风轮直径,m;Cp-风能利用系数:
η-发电机效率;ρ-空气密度,取1.225kg/m3。
3.1.4尖速比的选择
任何一种风轮,风能利用系数只有在尖速比为某一定值时最大,并且这个尖速比附近的值所对应的风能利用系数也较高。
由于尖速比随风速不断的变化,所以只能使尖速比在某一范围内变化。
为了使风轮在较宽的风速范围内,有较高的尖速比,在保证高的气动力、效率的前提下,Cp曲线顶部应平宽,Cp值大于0.4的区域应超过两个速比范围。
尖速比是根据风力发电机的类型、叶片的尺寸和发电机转动系统的参数来确定的。
3.1.5实度比的选择
实度比是指风轮上的叶片在风轮扫掠面上的投影面积与风轮扫掠面积之比。
实度比是和尖速比密切相关。
根据Hurter的研究结果可知:
对低风速风力发电机,需要转矩大,因此实度比取得大些;对高风速风力发电机,要求转速高,因此风轮实度比取得小些。
通常实度比在5%-20%范围内。
3.1.6叶片的设计
1.叶片数的选择
叶片数多的风力发电机在低转速运行时,风轮有较高的风能利用系数,也有较大的转矩,易启动;而叶片数少的风力发电机正好相反,在高转速运行时,风轮有较高风能利用系数,启动转矩小。
考虑到城市的风速受到各方面的影响,年平均风速较低,所以设计了1个阻力型风轮确保低风速的风能利用率较高。
而阻力型风轮在高风速下的风能利用率较低,所以又设计了3个升力型叶片与它配合使用。
2.叶片弦长的确定
叶片弦长受到各方面的影响,如风轮直径越大,弦长就越长:
尖速比越大,弦长越小;叶片数越多,弦长越小。
水平轴风力发电机的叶片弦长可以通过已有的公式来计算;而垂直轴风力发电机叶片弦长,可以通过经验公式计算
3.叶片材料的选择
叶片主要受拉应力和弯应力,要求材料必须有足够的抗拉强度和抗弯强度,同时也应当有足够的刚性和韧性。
所以确定叶片材料时应主要考虑三个原则:
(1)材料应有足够的强度和寿命;
(2)必须有良好的可成型性和可加工性;
(3)材料的来源和成本。
考虑到材料的来源和成本,以产于内蒙东北部及黑龙江省的樟松为芯,它的质地坚硬,许用应力比较大。
使用它即可达到所需强度和刚度的要求,又降低了成本,还减少了破损丢弃后的污染。
在木芯的外围包有玻璃纤维蒙皮,其抗拉强度3120MPa,介电常数低、绝缘强度高、抗疲劳强度高、尺寸稳定性好、化学稳定性好,玻璃纤维的优异性能使它成为近代工业应用最广范的增强材料。
4.叶片载荷分析
叶片荷载情况比较复杂,要考虑机组的外部条件和运行状况的组合情况。
一般可分为:
正常外部条件与正常运行状态、正常外部条件与故障状态、极端外部条件与正常运行状态。
外部条件要考虑风速与风向变化、极端风速、冰雹、鸟撞、环境等情况,运行状态要考虑待机、启动、正常运行、刹车、停车、各种故障等。
考虑上述的情况,要计算的荷载工况较多,为此可将上述工况简化如下“卸:
(1)正常运行工况,风速V=8m/s,用于疲劳分析;
(2)危险工况,风速V=24m/s,考虑高风速下运行,用于强度和刚度分析:
(3)极限工况,风速V=60m/s,考虑遇到的最大风速,用于强度和刚度分析。
3.2尾舵的设计
自然界的风不但大小时刻在变,而且风向也在不断地变化。
为了使风力发电机能有效地捕捉风能,设置一种对风装置以跟踪风向的变化,保证风轮始终处于迎风状态。
风力发电机最常见的对风装置有:
尾舵、舵轮、电动和下风向自由对风四种。
尾舵是最常用的一种对风装置,它广泛用于微、小型风力发电机。
主要由两部分组成:
一是尾杆,装于风力发电机尾部并与塔架的轴线正交;另一是尾翼,装在尾杆上与风轮轴平行或成一定的角度。
3.2.1尾舵的长度和面积
当风向偏离风轮主轴10°-20°时,尾舵能保证风轮及时地偏转对风。
为了能得到较为满意的对风效果,尾舵的长度及面积应满足下列关系:
L1:
L2=1:
4
式中:
L1-风轮扫掠面到塔架中心线距离;L2-塔架中心线到尾舵压力中心距离。
对于多叶片风轮:
A1=O.1A(式中:
A1-尾翼的面积;A-风轮的扫掠面积);
对于2~3叶片风轮:
A1=O.04A。
当L1:
L2≠1:
4时,为了确保对风轮的稳定性,尾翼的面积可用下式计算:
对于多叶片风轮:
A1=0.4AL1/L2;对于2~3叶片风轮:
A1=O.16AL1/L2。
实际运用中,一般L1≈0.15D;L2≈0.6D(式中:
D-风轮扫掠面的直径)。
尾翼型状的演变如图3.1所示。
图中:
(a)传统型;(b)改进型;(c)新式型是目前运用最好的尾翼。
该形状与滑翔机翼相类似,有较大的翼展弦长比,能充分利用上升的气流,所以它对风向的变化反应敏感,跟踪快,翼展弦长比h/b=2~5。
图3.1尾翼型状的演变图3.2尾翼的风压中心与其攻角的关系
3.2.2尾冀的风压中心
尾翼上气动推力的施力点称为尾翼的风压中心,并以其中心到尾翼前缘的距离x与宽度b之比表示,即Cf=x/b,Cf的变化决定于h/b及气流攻角α的大小。
不同展弦比h/b的尾翼,其攻角α与Cf的关系如图3.2所示。
从图上可以看出:
正方形的尾翼(h/b=1),当α=10°时,Cf=0.25,风压中心约在距前缘1/4处:
当h/b=3~6、α=10°~40°时,Cf=0.3~0.33,风压中心约在距前缘1/3处。
3.3回转体的设计
回转体是机座与塔架之间的连接件。
通常由固定套、回转圈以及位于它们之间的轴承组成。
固定套锁定在塔架上部,回转圈与机座相连,通过它们之间的轴承作用,在风向变化时,风力发电机绕其旋转而自动迎风。
作用到回转体上不仅有塔架上方所有设备与附属部件的重量,而且还有作用于风轮及回转体本身上的气动推力,因此回转体选用的轴承应该既能承受轴向力又能承受径向力。
小型风力发电机的回转体通常是在上下各设一个轴承,这二个轴承都可以选用圆锥滚子轴承,也可以上面用向心球轴承以承受径向载荷,而下面用推力轴承来支承塔架上方的重量。
设计的回转体是轴承结构,上下两盘轴承都用圆锥滚子轴承。
为了不是电缆缠绕,在回转体内部加了电刷滑环结构。
1第4章太阳能电池
4.1太阳能电池及其分类
太阳能电池是一种利用光生伏打效应把光能转变为电能的器件,又叫光伏器件。
物质吸收光能产生电动势的现象,称为光生伏打效应。
这种现象在液体和固体物质中都会发生。
但是,只有在固体中,尤其是在半导体中,才有较高的能量转换效率。
所以,人们又常把太阳能电池称为半导体太阳能电池。
自然界中的物质,按照它们导电能力的强弱,可分为三类。
导电能力强的物体叫导体,如银、铜、铝等,其电阻率在10-6~10-3Ω·cm的范围内。
导电能力微弱或基本上不导电的物体叫绝缘体,如橡胶、塑料等,其电阻率在108~1020Ω·cm的范围内。
导电能力介于导体和绝缘体之间的物体,就叫做半导体,其电阻率为lO-3~108Ω·cm。
半导体的主要特点,不仅仅在于其电阻率在数值上与导体和绝缘体不同,而且还在于它的导电性具有如下两个显著的特点:
①电阻率的变化受杂质含量的影响极大。
例如,硅中只要含有一亿分之一的硼,电阻率就会下降到原来的1%。
如果所含杂质的类型不同,导电类型也不同。
②电阻率受光和热等外界条件的影响很大。
半导体在温度升高或受到光的照射时,均可使电阻率迅速下降。
一些特殊的半导体,在电场和磁场的作用下,电阻率也会发生变化。
半导体材料的种类很多,按其化学成分,可分为元素半导体和化合物半导体;按其是否含杂质,可分为本征半导体和杂质半导体;按其导电类型,可分为N型半导体和P型半导体。
此外,根据其物理特性,还可分为磁性半导体、压电半导体、铁电半导体、有机半导体、玻璃半导体、气敏半导体等。
目前获得广泛应用的半导体材料有锗、硅、硒、砷化镓、磷化镓、锑化烟等,其中以锗、硅材料的半导体生产技术最为成熟,应用也最为广泛。
4.1.1太阳能电池的分类
1.太阳能电池按照结构的不同可分为如下三类:
(1)同质结太阳能电池
同质结太阳能电池是由同一种半导体材料构成一个或多个PN结的太阳能电池。
如,硅太阳能电池、砷化镓太阳能电池等。
(2)异质结太阳能电池
异质结太阳能电池是用两种不同禁带宽度的半导体材料在相接的界面上构成一个异质PN结的太阳能电池。
如,氧化铟锡/硅太阳能电池、硫化亚铜/硫化镉太阳能电池等。
如果两种异质材料的晶格结构相近,界画处的品格匹配较好,则称其为异质面太阳能电池。
如,砷化铝镓/砷化镓异质面太阳能电池等。
(3)肖特基结太阳能电池
肖特基结太阳能电池是用金属和半导体接触组成一个“肖特基势垒”的太阳能电池,也叫做Ms太阳能电池。
其原理是基于在一定条件下金属一半导体接触时可产生整流接触的肖特基效应。
目前,这种结构的电池已发展成为金属一氧化物一半导体太阳能电池,即MOS太阳能电池;金属一绝缘体一半导体太阳能电池,即MIS太阳能电池。
如,铂/硅肖特基结太阳能电池、铝/硅肖特基结太阳能电池等。
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