风力发电和光伏发电的基本原理

1、第二章 风力发电和光伏发电的基本原理2.1风力发电部分2.1.1风力发电系统的构成风力发电系统主要由风力机、发电机、整流器、dc/dc变换器、蓄电池、控制器、dc/ac、负载等组成。风力机先将风能转化为机械能，然后带动发电机将机械能转化为电能。大型风力发电机组发出的电能可以直接送到电网上，小型风力发电机一般用储能设备将发出的电能存储起来，目前小型风力发电系统中一般采用蓄电池作为储能设备，可对直流负载进行直流供电，也可经逆变器变换为交流给交流负载供电。典型小型风力发电系统结构图如图2.1所示13。图2.1 典型小型风力发电系统结构图2.1.2风力机特性 (1) 叶尖速比与风能利用系数根据贝茨理论

2、可知，风力机从自然风中所获得的能量是有限的，能量的转换将会导致运动的风速下降，它随所采用风力机和发电机的形式不同。风力机的实际风能利用系数，即贝茨理论极限值为0.593，越大，表示风力机能够从自然风中获取的能量百分比也越大，风力机的效率就越高，风力机对风能的利用率也越高。对实际应用中的风力机，主要是由风轮叶片的结构设计和气动以及制造工艺水平决定。风力机单位时间内风轮捕获的风能可用下式表示14 15 16： (2-1) (2-2)其中为空气质量密度()； s为风轮扫过的面积()；为通过风轮时的实际风速()；r为风轮半径(m)。由式(2-1)、(2-2)可知，在空气质量密度、风轮半径r和风速一定时

3、，单位时间内风轮捕获的风能与风能利用系数成正比，而与风轮固定叶尖速比有关，可以表示为： (2-3)式中为风力机角速度(rad/s)，为风力机转速(r/min)。风力机特性通常采用与风轮固定叶尖速比和桨叶节距角之间的函数关系式来表示，即 (2-4)式中，三者之间的关系为： (2-5)当一定时，典型的关系曲线如图2.2所示，它显示了桨叶节距角一定时，风能利用系数与叶尖速比之间的变化曲线，当的变化时，能找到一个最大风能利用系数与唯一对应点，此点就是最大功率输出点。图2.2 典型的关系曲线(2) 输出功率特性当风力发电机启动时，需要有一定的启动力矩来克服风力发电机内部的摩擦阻力。在一定的风速范围内，启

4、动力矩与风速大小有关，当风速低于风力发电机的切入风速时，此时风力发电机的启动转矩不能克服其内部的摩擦阻力，风力发电机就不能正常运行；当风速大于风力机的切出风速时，风力机转矩过大，容易损坏风机的塔架和桨叶等装置，必须及时制止风力机运行；当风速位于切入风速 和切出风速 之间时，风力发电机处于正常运行状态，风力发电机只有在正常运行状态时才能输出功率。根据前面的分析可知，对于一台实际的风力机，它的输出机械功率可用下式表示： (2-6)式(2-6)中，为风力机切入风速，为风力机额定风速，为风力机切出风速，为风力机额定功率。图2.3为风力机工作时的四个区域。区域a：风速小于切入风速，风能不能提供足够大的风

5、力机转子启动转矩，风力机无法将风能转化为电能；区域b：风速介于切入风速和额定风速之间，为获取最大风能转换效率，必须在该区域跟踪最大功率点，即通过控制发电机转子速度随风速变化来实现最大功率点跟踪控制；区域c：风速介于额定风速和切出风速之间，在此区间的风速较大，可能会损坏风能转换系统，必须采取措施以保证风力机运行在额定功率；区域d：风速大于切出风速，此时风力机转速过高很容易损坏系统，必须强制停机13 17 18。 图2.3风力机运行曲线2.1.3风力发电机风力发电机是将风力机的机械能转化为电能的设备。风力发电机分为直流发电机和交流发电机19。1. 直流发电机(1) 电励磁直流发电机。该类发电机分自

6、励、它励和复励三种形式，小型直流发电系统一般和蓄电池匹配使用，装置容量一般为1000w以下。(2) 永磁直流发电机。这种发电机与电励磁式直流发电机相比结构简单，其输出电压随风速变化，需在发电机和负载间增加蓄电池和控制系统，通过调节控制系统占空比来调节输出电压。由于直流发电机构造复杂、价格昂贵，而且直流发电机带有换向器和整流子，一旦出现故障，维护十分麻烦，因此在实际应用中此类风力发电机较少采用20。2. 交流发电机交流发电机分：同步发电机和异步发电机。同步发电机在同步转速时工作，同步转速是由同步发电机的极数和频率共同决定，而异步发电机则是以略高于同步发电机的转速工作21。主要有无刷爪极自励发电机

7、、整流自励交流发电机、感应发电机和永磁发电机等。目前在小型风力发电系统中主要使用三相永磁同步发电机。三相永磁同步发电机一般体积较小、效率较高、而且价格便宜。永磁同步发电机的定子结构与一般同步电机相同，转子采用永磁结构，由于没有励磁绕组，不消耗励磁功率，因而有较高的效率。另外，由于永磁同步发电机省去了换向装置和电刷，可靠性高，定子铁耗和机械损耗相对较小，使用寿命长21。本文选用三相永磁同步发电机，通过智能控制器将发的交流电变换成可控直流电给蓄电池充电。当蓄电池充满电时，减少或停止给蓄电池充电。为防止风力发电机过速造成飞车，需要将多余的能量消耗在卸荷负载上，实现功率平衡。由于永磁同步发电机的功率输

8、出不能通过自身来调节，为了调节其输出功率，必须设计功率控制电路。另外控制系统的设计较复杂，相对于感应发电机此类系统成本要高，在实际应用中要综合考虑经济性。2.2 太阳能光伏电池原理及其特性2.2.1光伏电池的工作原理光伏电池是直接将太阳能转换为电能的器件，其工作原理是：当太阳光辐射到光伏电池的表面时，光子会冲击光伏电池内部的价电子，当价电子获得大于禁带宽度的能量，价电子就会冲出共价键的约束从价带激发到导带，产生大量非平衡状态的电子-空穴对。被激发的电子和空穴经自由碰撞后，在光伏电池半导体中复合达到平衡。图2.4为太阳光辐射到光伏电池表面具体解析图，光伏电池本质是半导体p-n结的“光生伏打效应”

9、22。图2.4中，是光伏电池表面反射回去的部分光线；是刚进光伏电池表面被吸收生成电子-空穴对的光线，它们还未到达p-n结就被很快地复合还原，对产生光生电动势没有贡献；是在p-n结附近被吸收生成电子-空穴对的部分光线，它们是能使光伏电池有效发电的有用光线。指辐射到电池片深处，距离p-n结较远的地方才被吸收的光线，它们与光线的情况相同，虽能够产生电子-空穴对，在p-n较远处被复合，只有极少部分能量产生光生电动势；是被电池吸收，但是由于能量较小不能产生电子-空穴对的光线；是没有被电池吸收而透射过去的少部分光线。由上面的分析可知，主要是光线能够产生光生电动势，它们的比例数量越高，光伏电池的光电转换效率

10、就越高22 23。图2.4 光伏电池表面受光照情况光伏电池两极加上负载后，光线部分在外电路上形成电流的过程如图2.5所示。p-n结附近的少数载流子在p-n结的漂移作用下，空穴流向p区，n区的电子留在n区；电子流向n区，p区的空穴留在p区，形成光生电场。从外电路看，p区为正，n区为负，一旦接通负载，电流从p区流出，通过负载而从n区流回电池24。图2.5 光伏电池产生电流示意图2.2.2光伏电池的等效电路 1. 理想状态下的模型22太阳能电池的核心部分是p-n结二极管。在没有光照下的太阳能电池的基本行为特性就类似于一个普通二极管。若施加从p区到n区的电压时，电流就从p区流向n区。可按肖特基二极管的

11、模型来表示： (2-7)式(2-7)中，为暗电流；为太阳能电池内部二极管反向饱和电流；为电子电荷量；为施加的电压；为波尔兹曼常数；为光伏电池温度。一旦太阳能电池受到光的照射，便产生光生电流。光生电流随着光照强度的增加而增大，当光照强度一定时，可以将太阳能电池看作恒流电源。太阳能电池可看作p-n结型二极管，在光的照射下产生正向偏压，所以在p-n结为理想状态的情况下，可等效为电流源和一个理想二极管的并联电路。太阳能电池的理想模型如图2.6所示，由此模型可知，理想太阳能电池的数学模型可表示为： (2-8)图2.6 太阳能电池的理想模型2. 实际等效电路模型22在实际的太阳能电池中，目前常用的太阳能电

12、池等效电路模型如图2.7所示。此模型由微电子学家萨支唐最早提出，它避开了大量繁琐的数学问题，只需少量的数据就可求解。在此模型中，为光生电流。值与入射光的辐射强度和太阳能电池的面积成正比。为暗电流。它反映出在当前环境温度下，光伏电池p-n结自身能产生的总扩散电流的变化情况。是光伏电池输出的负载电流。为光伏电池的外负载电阻。为串联电阻。为旁路电阻。和均为光伏电池本身固有电阻，相当于光伏电池的内阻。若将和都忽略不计，便可得到图2.6所示的理想模型。图2.7 太阳能电池实际等效电路模型根据太阳能电池等效电路模型和电子学原理，太阳能电池的输出电流可以用下式表示： (2-9)式(2-9)中，为光生电流；为

13、暗电流；太阳能电池漏电流；为太阳能电池内部二极管反向饱和电流；为二极管因子；为电子电荷量；为波尔兹曼常数；为绝对温度；为太阳能电池的输出电压；为太阳能电池输出电流。2.2.3光伏电池的输出特性1. 光伏电池的技术参数(1) 开路电压()当太阳能电池开路时，输出电流，忽略太阳能电池串、并联电阻，负载端电压为开路电压，根据公式(2-9)有： (2-10)对上式两边取对数即有： (2-11)(2) 短路电流()当太阳能电池短路时，电池端电压为零，则 (2-12)(3) 最大功率点电压()和最大功率点电流()如图2.8所示，调节负载电阻至某一值时，在i-v特性曲线上的得到一点q，对应的工作电压和工作电

14、流之积为最大，即输出功率最大。q点称为太阳能电池的最大功率点，称为最佳工作负载。为最大功率点电压，为最大功率点电流。图2.8 太阳能电池负载特性曲线(4) 最大功率点功率()。是指最大功率点电压与最大功率点电流的乘积，即： (2-13)(5) 光电转换效率()。是指受光太阳能电池的最大输出功率与辐射到该电池受光平面表面积上全部光功率的百分比，即： (2-14)式(2-14)中，为最大功率点功率；为输入光辐射照度；为太阳能电池光照表面积。(6)太阳能电池填充因子()。是指最大功率点功率与开路电压短路电流之比，即： (2-15)填充因子值越大，表明输出特性曲线越“方”，电池的转换效率也越高。它是表

15、征光伏电池输出特性好坏的重要参数之一。2. 光伏阵列输出特性的数学模型25 26由于公式(2-9)中的5个参数、和，它们不仅与电池温度和日照强度有关，而且很难确定，不便于工程应用。下面提出光伏阵列的工程化数学模型。工程化数学模型的两点近似和两个条件如下：两点近似：1) 一般情况下，远远小于电池电流，故该项可以忽略。2) 一般情况下，小于二极管正向导通电阻，故可认为。两个条件：1) 开路状态下，。2) 在最大功率点时，。首先在满足上面条件下，令， 代入式(2-9)，并忽略式(2-9)中的两项可得： (2-16)考虑太阳光照变化和温度影响时有， (2-17)其中， (2-18) (2-19) (2

16、-20) (2-21)：为太阳辐射强度；：为光伏电池环境温度；：为太阳辐射强度参考值，一般取；：为光伏电池环境温度参考值，一般取；：为在参考日照条件下电流的变化温度系数；：为在参考温度下的电压变化温度系数；：为太阳能电池的串联电阻；对于单晶硅和多晶硅太阳能电池，由经验公式近似有：，。 3. 外界环境对光伏阵列输出特性的影响环境温度和光照强度的变化会导致光伏阵列特性、特性的改变，当光伏阵列环境温度、光照强度发生变化时就必须考虑温度、光照强度对光伏阵列特性的影响。当环境温度不变，不同光照强度下光伏阵列的特性、特性分别如图 2.9(a)和2.9(b)所示；当光照强度不变，不同环境温度下光伏阵列的特性

17、、特性分别如图2.9(c)和2.9(d)所示。图2.9(a)为光伏阵列在不同光照强度下的伏安特性，仅在光照强度变化的情况下，短路电流随着光照强度的减小而减小，开路电压随着光照强度的减小而缓慢减小。图2.9(b)为光伏阵列在不同光照强度下的特性，由图可知，仅在光照强度变化的情况下，工作在同一工作电压时，光照越强，太阳能电池输出的功率越大。图2.9(c)为光伏阵列在不同温度下的伏安特性，仅在温度变化的情况下，短路电流随着温度的降低而缓慢减小，开路电压随着温度的降低而缓慢增加。图2.9(d)为光伏阵列在不同温度下的特性，由图可知，当环境温度增加时，太阳能电池的开路电压下降，最大输出功率减小。 (a)

18、 光伏阵列随光照强度变化的曲线 (b)光伏阵列随光照强度变化的曲线 (c) 光伏阵列随温度变化的曲线 (d) 光伏阵列随温度变化的曲线图2.9光伏阵列输出特性曲线2.3 蓄电池蓄电池作为风光互补发电系统的储能设备，在整个发电系统中起着非常重要的作用。首先，由于自然风和光照是不稳定的，在风力、光照过剩的情况下，存储负载供电多余的电能，在风力、光照欠佳时，储能设备蓄电池可以作为负载的供电电源；其次，蓄电池具有滤波作用，能使发电系统更加平稳的输出电能给负载；另外，风力发电和光伏发电很容易受到气候、环境的影响，发出的电量在不同时刻是不同的，也有很大差别。作为它们之间的“中枢”，蓄电池可以将它们很好的连

19、接起来，可以将太阳能和风能综合起来，实现二者之间的互补作用。常用蓄电池主要有铅酸蓄电池、碱性镍蓄电池和镉镍蓄电池。随着电储能技术的不断发展，产生了越来越多新的储能方式，如超导储能、超级电容储能、燃料电池等。由于造价便宜、使用简单、维修方便、原材料丰富，而且在技术上不断取得进步和完善，因此在小型风力发电及光伏发电中铅酸蓄电池已得到广泛的应用。本文设计的智能型风光互补发电系统采用铅酸蓄电池作为储能设备。2.3.1蓄电池的工作原理 铅酸蓄电池的三个组成部分为：正、负极板，电解槽和电解液。正极板上的活性物质为，负极板上的活性物质是灰色海绵状的金属，电解液是浓度为27%37%的硫酸溶液。将金属插入含有金

20、属盐的溶液中时，荷电粒子在两相之间的转移产生一定的界面电位差，形成铅酸蓄电池的电极电位22。蓄电池充电时，正极板上氧化生成，负极板上的还原生成金属；放电时正、负两极都生成。该过程的化学反映式表达如下27：正极： (2-22)负极： (2-23)铅酸蓄电池的充电反应和放电反应互为可逆反应。充电时极板上的硫酸铅反应生成铅、二氧化铅和产生硫酸，致使硫酸浓度不断升高。放电反应消耗电解液中的，同时生成，结果导致硫酸溶液的浓度降低，最终稳定在一个稳定值。因此蓄电池的充放电程度可以通过检测蓄电池中硫酸溶液的浓度来判断。在蓄电池充电后期时，电解水的过程中会产生和，蓄电池电极上产生如下电化学反应：正极： (2-24) (2-25)负极： (2-26) (2-27)当蓄电池充电电压升高时，电解水大量消耗电能，不利于极板上的活性物质，当充电不足时，硫酸铅()就会附着在阴极板上，使阴极上活性物质逐渐减少，久而久之，将会使蓄电池的使