風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)分析

摘#8195;要 文章介紹了風(fēng)和太陽(yáng)能發(fā)展現(xiàn)狀，風(fēng)電互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)光互補(bǔ)控制器。

關(guān)鍵詞 風(fēng)光現(xiàn)狀；風(fēng)光發(fā)電；蓄電池；風(fēng)光互補(bǔ)

中圖分類號(hào) TM 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1673-9671-(2012)031-0178-01

1 風(fēng)和太陽(yáng)能發(fā)展現(xiàn)狀

目前在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家起步早而且發(fā)展較快，技術(shù)相對(duì)比較成熟。我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，盡管我國(guó)近幾年風(fēng)力發(fā)電增長(zhǎng)很快，但無(wú)論是在裝備制造水平，還是在總裝機(jī)容量上，和歐美一些風(fēng)電發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在較大差距。截止2007年底，我國(guó)風(fēng)機(jī)裝機(jī)總量將近6GW，年發(fā)電量站全國(guó)發(fā)電量的0.8%左右，比2000年風(fēng)電發(fā)電增加近10倍。2008年一年新增風(fēng)電裝機(jī)容量6#8198;154.2 MW，比過(guò)去20年累計(jì)的總量還多，累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量約為12#8198;153 MW，約占全國(guó)裝機(jī)總量的15%，累計(jì)裝機(jī)增長(zhǎng)率為103%。為了推動(dòng)我國(guó)風(fēng)電的發(fā)展，國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)明確提出我國(guó)風(fēng)電發(fā)展的規(guī)劃目標(biāo)：2005年全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)總量達(dá)到100萬(wàn)千瓦，2010年全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)總量達(dá)到400萬(wàn)千瓦，2015年全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)總量達(dá)到1#8198;000萬(wàn)千瓦，2020年全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)總量達(dá)到2#8198;000萬(wàn)千瓦，占全國(guó)總裝機(jī)容量2%左右。

2 風(fēng)電互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

我國(guó)具有豐富的太陽(yáng)能、風(fēng)能資源，并已經(jīng)應(yīng)用于許多領(lǐng)域。但不能避免的是，無(wú)論風(fēng)力資源還是太陽(yáng)能資源都是不確定的，由于資源的不確定性，風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電具有不平衡性，不能直接用來(lái)給負(fù)載供電。為了給負(fù)載提供穩(wěn)定的電源，必須借助蓄電池這個(gè)“中樞”才能給負(fù)載提供穩(wěn)定的電源，由蓄電池、太陽(yáng)能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及控制器等構(gòu)成的智能型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)能將風(fēng)能和太陽(yáng)能在時(shí)間上和地域上的互補(bǔ)性很好的銜接起來(lái)。

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)力機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備。風(fēng)力發(fā)電機(jī)分為直流發(fā)電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)。

1）直流發(fā)電機(jī)。電勵(lì)磁直流發(fā)電機(jī)。該類發(fā)電機(jī)分自勵(lì)、它勵(lì)和復(fù)勵(lì)三種形式，小型直流發(fā)電系統(tǒng)一般和蓄電池匹配使用，裝置容量一般為1#8198;000 W以下。永磁直流發(fā)電機(jī)。這種發(fā)電機(jī)與電勵(lì)磁式直流發(fā)電機(jī)相比結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其輸出電壓隨風(fēng)速變化，需在發(fā)電機(jī)和負(fù)載間增加蓄電池和控制系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。由于直流發(fā)電機(jī)構(gòu)造復(fù)雜、價(jià)格昂貴，而且直流發(fā)電機(jī)帶有換向器和整流子，一旦出現(xiàn)故障，維護(hù)十分麻煩，因此在實(shí)際應(yīng)用中此類風(fēng)力發(fā)電機(jī)較少采用。

2）交流發(fā)電機(jī)。交流發(fā)電機(jī)分：同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)。同步發(fā)電機(jī)在同步轉(zhuǎn)速時(shí)工作，同步轉(zhuǎn)速是由同步發(fā)電機(jī)的極數(shù)和頻率共同決定，而異步發(fā)電機(jī)則是以略高于同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速工作。主要有無(wú)刷爪極自勵(lì)發(fā)電機(jī)、整流自勵(lì)交流發(fā)電機(jī)、感應(yīng)發(fā)電機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)等。目前在小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中主要使用三相永磁同步發(fā)電機(jī)。三相永磁同步發(fā)電機(jī)一般體積較小、效率較高、而且價(jià)格便宜。永磁同步發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與一般同步電機(jī)相同，轉(zhuǎn)子采用永磁結(jié)構(gòu)，由于沒(méi)有勵(lì)磁繞組，不消耗勵(lì)磁功率，因而有較高的效率。另外，由于永磁同步發(fā)電機(jī)省去了換向裝置和電刷，可靠性高，定子鐵耗和機(jī)械損耗相對(duì)較小，使用壽命長(zhǎng)。

2.2 太陽(yáng)能光伏電池原理

光伏電池是直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的器件，其工作原理是：當(dāng)太陽(yáng)光輻射到光伏電池的表面時(shí)，光子會(huì)沖擊光伏電池內(nèi)部的價(jià)電子，當(dāng)價(jià)電子獲得大于禁帶寬度Eg的能量，價(jià)電子就會(huì)沖出共價(jià)鍵的約束從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生大量非平衡狀態(tài)的電子-空穴對(duì)。被激發(fā)的電子和空穴經(jīng)自由碰撞后，在光伏電池半導(dǎo)體中復(fù)合達(dá)到平衡。

2.3 蓄電池

蓄電池作為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)備，在整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)中起著非常重要的作用。首先，由于自然風(fēng)和光照是不穩(wěn)定的，在風(fēng)力、光照過(guò)剩的情況下，存儲(chǔ)負(fù)載供電多余的電能，在風(fēng)力、光照欠佳時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備蓄電池可以作為負(fù)載的供電電源；其次，蓄電池具有濾波作用，能使發(fā)電系統(tǒng)更加平穩(wěn)的輸出電能給負(fù)載；另外，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電很容易受到氣候、環(huán)境的影響，發(fā)出的電量在不同時(shí)刻是不同的，也有很大差別。作為它們之間的“中樞”，蓄電池可以將它們很好的連接起來(lái)，可以將太陽(yáng)能和風(fēng)能綜合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)二者之間的互補(bǔ)作用。常用蓄電池主要有鉛酸蓄電池、堿性鎳蓄電池和鎘鎳蓄電池。隨著電儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了越來(lái)越多新的儲(chǔ)能方式，如超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能、燃料電池等。由于造價(jià)便宜、使用簡(jiǎn)單、維修方便、原材料豐富，而且在技術(shù)上不斷取得進(jìn)步和完善，因此在小型風(fēng)力發(fā)電及光伏發(fā)電中鉛酸蓄電池已得到廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)的智能型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)采用鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能設(shè)備。

2.4 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力資源還是太陽(yáng)能資源都是不確定的，由于資源的不確定性，風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電具有不平衡性，不能直接用來(lái)給負(fù)載供電。為了給負(fù)載提供穩(wěn)定的電源，必須借助蓄電池這個(gè)“中樞”才能給負(fù)載提供穩(wěn)定的電源，由蓄電池、太陽(yáng)能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及控制器等構(gòu)成的智能型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)能將風(fēng)能和太陽(yáng)能在時(shí)間上和地域上的互補(bǔ)性很好的銜接起來(lái)。

3 風(fēng)光互補(bǔ)控制器

風(fēng)光互補(bǔ)控制器由主電路板和控制電路板兩部分組成。主電路板主要包括不控整流器、DC/DC變換器、防反充二極管等?？刂齐娐钒逯械目刂菩酒瑸镻IC16F877A單片機(jī)，它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制工作，是控制核心部分，其外圍電路包括電壓、電流采樣電路，功率管驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路，通訊電路，輔助電源電路等。風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電接U、V、W，經(jīng)三相不控整流器整流和電容C0穩(wěn)壓后給蓄電池充電。SP、SN分別為太陽(yáng)能電池板的正、負(fù)極接線端子，D1為防反充二極管，其作用是防止蓄電池電壓和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整流電壓對(duì)太陽(yáng)能電池陣列反向灌充，確保太陽(yáng)能電池的單向?qū)щ娦浴0是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的卸荷電阻，當(dāng)風(fēng)速過(guò)高時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓大于蓄電池過(guò)充電壓，單片機(jī)輸出脈沖（PWM）來(lái)控制Q3開(kāi)通，使多余的能量被消耗在卸荷電阻上，從而保護(hù)蓄電池。二極管D2和保險(xiǎn)絲F1是為了防止蓄電池接反，當(dāng)蓄電池接反時(shí)，蓄電池通過(guò)D2與F1構(gòu)成短路回路，燒毀保險(xiǎn)絲而切斷電路，從而保護(hù)控制器和蓄電池。主電路中間部分是兩個(gè)輸出并聯(lián)的Buck型DC/DC變換器，為了抑制MOSFET管因過(guò)壓、du/dt或者過(guò)流、di/dt產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)損耗，本設(shè)計(jì)的DC/DC變換器采用具有緩沖電路的Buck變換器。主電路是由兩個(gè)互相獨(dú)立輸出端并聯(lián)的Buck電路組成，一路是光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路，一路是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主電路。緩沖電路由于電路中存在分布電感和感性負(fù)載，當(dāng)MOS管關(guān)斷時(shí)，將會(huì)在MOS管上產(chǎn)生很大的浪涌電壓。為了消除浪涌電壓的危害，提高M(jìn)OS管工作可靠性和效率，常用的方法是使用緩沖電路。

隨著社會(huì)的發(fā)展和能源的短缺，高科技和新技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。新能源的發(fā)展和開(kāi)發(fā)是人類發(fā)展的趨勢(shì)。風(fēng)能和太陽(yáng)能必將在這個(gè)資源稀缺的年代得到大力推廣和使用。我國(guó)可以在這方面努力，爭(zhēng)取在新能源方面走在世界的前列。

參考文獻(xiàn)

[1]錢(qián)伯章.風(fēng)能技術(shù)與應(yīng)用[M].科學(xué)出版社，2010.

[2]謝建，馬勇剛.太陽(yáng)能光伏發(fā)電工程實(shí)用技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[3]朱松然.鉛蓄電池技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2002

[4]程軍.風(fēng)光互補(bǔ)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.