论太阳能光伏发电及风光互补发电系统的研究及设计

1、论太阳能光伏发电及风光互补发电系统的研究及设计 公 司：昆明利亚德科技开发有限公司 姓 名： 丁 杰 公司地址：昆明市西山区大观路284号园林规划设计院三楼2013年12月15日摘要：能源是社会活动的物质基础。进入21世纪的人类社会正面临着化石燃料短缺和生态环境严重污染的局面，廉价的石油时代已经结束，逐步改变能源的消费结构，大力发展可再生能源，走可持续发展的道路，新能源的开发利用是人类的共识。 太阳能是一种清洁的自然再生能源，取之不尽，用之不竭。开发和利用太阳能，既不会出现大气污染，也不会影响自然界的生态平衡，而且只要阳光所及的地方，都有太阳能可以利用，太阳能以其长久性，再生性，无污染等优点备

2、受人们的青睐。与此同时，在当今世界，常规能源逐渐减少，而世界人口逐年增长，科学技术迅速发展，在不久的将来，现有的能源转换系统将不可避免地变换成新的能源。能源是国民经济发展和人民 生活必须的重要物质基础。在过去的200多年里，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大的推动了人类社会的发展。但是人类在使用化石燃料的同时，也带来了严重的环境污染和生态系统破坏。各国纷纷开始根据国情，治理和缓解已经恶化的环境，并把可再生、无污染的新能源的开发利用作为可持续发展的重要内容。风光互补发电系统是利用风能和太阳能资源的互补性，具有较高性价比的一种新能源发电系统，具有很好的应用前景。 风光互补发电系

3、统近几年引起了许多专家学者的关注，也取得了一定的成果，并已经推广到了日常生活中来。风光互补照明供电系统，充分利用绿色清洁能源，实现零耗电、零排放、零污染，产品广泛应用于道路、景观、小区照明及监控、通讯基站、船舶等领域。本文通过对风光互补发电系统的现状分析，从发电部分入手，将重点放在了太阳能电池板发电部分，主要通过对太阳能发电原理及太阳能的有关参数的分析计算，太阳能电池板发电电量的计算等分析，为风光互补发电系统提供了一个很好的基础。并通过对风光互补系统组成的逐步分析，对风光互补发电系统的做了一个整体的研究，通过研究得出，作为两种新型能源的充分利用系统，风光互补发电系统更加适合现在的生活需要。关键

4、词：太阳能，太阳能光伏，发电，太阳能光伏发电系统，风光互补发电引言：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

5、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1.54.5,最严重的后果是海平面将上升25145cm，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

6、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

7、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

8、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。关键词：太阳能，光伏发电，风光互补发电系统目 录第一章 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

9、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项目和多边援助项目支撑。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项目准备研究过程中的资料显

10、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

11、，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

12、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colorado state university和national renewable energy laboratory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

13、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

14、, 我国的长江源自然保护站分别安装了 600 W/ 400 Wp (Wp 为光伏发电功率) 和1000 W/ 400 Wp 两套独立运行的风光互补发电系统。2004 年 12 月, 华能南澳 54 MW/ 100kWp 风光互补发电场成功并入当地 10 kV 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项目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

15、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

16、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

17、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0.50.6V.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

18、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510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，

19、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：无枯竭危险；安全可靠，无噪声，无污染排放外，绝对干净（无公害）；不受资源分布地域的限制，可利用建筑屋面的优势；无需消耗燃料和架设输电线路

20、即可就地发电供电；能源质量高；使用者从感情上容易接受；建设周期短，获取能源话费的时间短。 （2）缺点：照射的能量分布密度小，即要占用巨大面积；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

21、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

22、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1200 nm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

23、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

24、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

25、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24V

26、DC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”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目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

27、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2010年时，全球太阳能光伏电池年产量

28、1600万千瓦，其中我国年产量1000万千瓦。而到2010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2010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

29、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

30、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

31、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/M2。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315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

32、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

33、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实现电力自给，是未来一大发展方向。（八）、其他领域包括：（1）与汽车配套：太阳能汽车/电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等；（2）太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统；（3）海水淡化设备供电；（4）卫星、航天器、空间太阳能电站等。第五章 风光互补发电系统一、风光互补结构原理风光互补发电系统主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、蓄电池、逆变器、交流直流负载等部分组成，系统结构图见附图。该系统是集风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源

34、发电系统。风力发电部分是利用风力机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电；光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电；逆变系统由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的220v交流电，保证交流电负载设备的正常使用。同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量；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存储。发电量不能满足负载需

35、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；蓄电池部分由多块蓄电池组成，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。风光互补发电系统根据风力和太阳辐射变化情况，可以在以下三种模式下运行：风力发电机组单独向负载供电；光伏发电系统单独向负载供电；风力发电机组和光伏发电系统联合向负载供电。二、风光互补发电系统（一）风力资源还是太阳能资源都是不确定的，由于资源的不确定性，风力发电和太阳发电系统发出的电具有不平衡性，不能直接用来给负载供电。为了给负载提供稳定的电源，必须借助蓄电池这个“中枢”才能

36、给负载提供稳定的电源，由蓄电池、太阳能电池板、风力发电机以及控制器等构成的智能型风光互补发电系统能将风能和太阳能在时间上和地域上的互补性很好的衔接起来。（二）风光互补控制器由主电路板和控制电路板两部分组成。主电路板主要包括不控整流器、dc/dc变换器、防反充二极管等。控制电路板中的控制芯片为pic16f877a单片机，它负责整个系统的控制工作，是控制核心部分，其外围电路包括电压、电流采样电路，功率管驱动电路，保护电路，通讯电路，辅助电源电路等。风力发电机输出的三相交流电接u、v、w，经三相不控整流器整流和电容c0稳压后给蓄电池充电。sp、sn分别为太阳能电池板的正、负极接线端子，d1为防反充二

37、极管，其作用是防止蓄电池电压和风力发电机的整流电压对太阳能电池阵列反向灌充，确保太阳能电池的单向导电性。r0是风力发电机的卸荷电阻，当风速过高时，风力发电机输出电压大于蓄电池过充电压，单片机输出脉冲(pwm)来控制q3开通，使多余的能量被消耗在卸荷电阻上，从而保护蓄电池。二极管d2和保险丝f1是为了防止蓄电池接反，当蓄电池接反时，蓄电池通过d2与f1构成短路回路，烧毁保险丝而切断电路，从而保护控制器和蓄电池。主电路中间部分是两个输出并联的buck型dc/dc变换器，为了抑制mosfet管因过压、du/dt或者过流、di/dt产生的开关损耗，本设计的dc/dc变换器采用具有缓冲电路的buck变换

38、器。主电路是由两个互相独立输出端并联的buck电路组成，一路是光伏发电系统主电路，一路是风力发电系统主电路。缓冲电路由于电路中存在分布电感和感性负载，当mos管关断时，将会在mos管上产生很大的浪涌电压。为了消除浪涌电压的危害，提高mos管工作可靠性和效率，常用的方法是使用缓冲电路。随着社会的发展和能源的短缺，高科技和新技术得到广泛的应用。新能源的发展和开发是人类发展的趋势。风能和太阳能必将在这个资源稀缺的年代得到大力推广和使用。我国可以在这方面努力，争取在新能源方面走在世界的前列。三、风光互补发电比单独风力发电或光伏发电有以下优点：（一）利用风能、太阳能的互补性，可以获得比较稳定的输出，系统

39、有较高的稳定性和可靠性；（二）在保证同样供电的情况下，可大大减少储能蓄电池的容量；（三）通过合理地设计与匹配，可以基本上由风光互补发电系统供电，很少或基本不用启动备用电源如柴油机发电机组等，可获得较好的社会效益和经济效益。四、 应用前景（一）缺电生活中国现有9亿人口生活在农村，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，促进贫

40、困地区的可持续发展。我国已经建成了千余个可再生能源的独立运行村落集中供电系统，但是这些系统都只提供照明和生活用电，不能或不运行使用生产性负载，这就使系统的经济性变得非常差。可再生能源独立运行村落集中供电系统的出路是经济上的可持续运行，涉及到系统的所有权、管理机制、电费标准、生产性负载的管理、电站政府补贴资金来源、数量和分配渠道等等。但是这种可持续发展模式，对中国在内的所有发展中国家都有深远意义。（二）室外应用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，它的节能工作日益引起全世界的关注。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

41、间根据光线强弱程度自动开启和关闭各类led室外灯具。智能化控制器具有无线传感网络通讯功能，可以和后台计算机实现三遥管理(遥测、遥讯、遥控)。智能化控制器还具有强大的人工智能功能，对整个照明工程实施先进的计算机三遥管理，重点是照明灯具的运行状况巡检及故障和防盗报警。（三）道路照明（1）车行道路照明工程(快速道/主干道/次干道/支路)；（2）小区(广义)道路照明工程(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、智能化led路灯等。（四）航

42、标应用我国部分地区的航标已经应用了太阳能发电，特别是灯塔桩，但是也存在着一些问题，最突出的就是在连续天气不良状况下太阳能发电不足，易造成电池过放，灯光熄灭，影响了电池的使用性能或损毁。冬季和春季太阳能发电不足的问题尤为严重。天气不良情况下往往是伴随大风，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，可以用以风力发电为主，光伏发电为辅的风光互补发电系统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。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；在冬春季或连续天气不良状况、太阳能发电不良情况

43、下，启动风光互补发电系统。由此可见，风光互补发电系统在航标上的应用具备了季节性和气候性的特点。事实证明，其应用可行、效果明显。（五）监控电源目前，高速公路道路摄像机通常是24小时不间断运行，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。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，减少了被盗了可能，有效防盗。但是我国有的地区会出现恶劣的天气情况，如连续灰霾天气，日照少，风力达不到起风风力，会出现不能连续供电现象

44、，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，确保系统可以正常工作。（六）通信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要，需要建立通信基站。这些基站用电负荷都不会很大，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。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，海岛风光互补发电系统是可靠性、经济性较好的独立电源系统，适合用于通信基站供电。由于基站有基站维护人员，系统

45、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电池方阵与风机的容量，从而降低系统成本，同时增加系统的可靠性。（七）电站应用风光互补抽水蓄能电站是利用风能和太阳能发电，不经蓄电池而直接带动抽水机实行补丁时抽水蓄能，然后利用储存的水能实现稳定的发电供电。这种能源开发方式将传统的水能、风能、太阳能等新能源开发相结合，利用三种能源在时空分布上的差异实现期间的互补开发，适用于电网难以覆盖的边远死区，并有利于能源开发中的生态环境保护。（八）开发条件：（1）三种能源在能量转换过程中应保持能量守恒；（2）抽水系统所构成的自循环系统的水量保持平衡。虽然与水电站相比成本电价略高，但是可以

46、解决有些地区小水电站冬季不能发电的问题，所以采用风光互补抽水蓄能电站的多能互补开发方式具有独特的技术经济优势，可作为某些满足条件地区的能源利用方案。的应用向全社会生动展示了风能、太阳能新能源的应用意义，推动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，具有巨大的经济、社会和环保效益。第六章 太阳能光伏发电和风光互补发电的意义一、太阳能光伏发电和风光互补发电现状我国是一个能源生产和消费的大国。2006年标准煤的消费总量约为2 4.6 亿吨， 比2005年同比增长了9.3%。2006年各种一次能源的构成比例分别为：煤炭约占69.7%、石油约占20.3%

47、、天然气约占3.0%、水电等约占6.0%、核电约占0.8%。2006年，我国的原油总进口量已达到1.5亿吨，大约是我国原油总需求量的50左右。但由于我国能源开采技术落后、能源有效利用率低、传统高能耗产业比重大、单位GDP能耗远远落后于发达国家、甚至比世界平均水平落后并且我国又是世界上最大发展中国家，经济高速发展，能源消耗增长速度居世界首位等客观因素，更加剧了我国能源替代形势继续转变的严重性和紧迫性。据电力科学院的研究表明，在考虑到充分开发煤电、水电和核电的情况下，2010年2020年之间，我国的电力供需缺口仍然为6.4%10.7%，这个缺口正是需要用可再生能源发电进行补充的。而太阳能光伏发电又

48、可能在未来我国的新能源供应中占据主要位置。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。这种互补性使风光并网发电系统在资源上具有最佳的匹配性，可实现连续、稳定发电。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，是最合理，最可靠，最安全，最经济，最环保的供电系统。二、太阳能光伏发电和风光互补发电的意义 在跨

49、入21世纪之际，人类将面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战，在有限资源和环保严格要求的双重制约下发展经济已成为全球热点问题。而能源问题将更为突出，不仅表现在常规能源的匮乏不足，更重要的是化石能源的开发利用带来了一系列问题，如环境污染，温室效应都与化石燃料的燃烧有关。目前的环境问题，很大程度上是由于能源特别是化石能源的开发利用造成的。因此，人类要解决上述能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。太阳能以其独具的优势，其开发利用必将在21世纪得到长足的发展，并终将在世界能源结构转移中担纲重任，成为21世纪后期的主导能源。 社会效益分析：能源是人类社会得以生存和发

50、展的基础，目前人类获得绝大多数能源式矿物燃料，如煤、石油等，此类能源并不是取之不尽用之不竭的，并随着这些能源的消耗，已造成日益严重的环境污染和温室效应，当今世界上已将节约能源、保护环境作为主要的技术研究和科学发展的课题，运用自然能源，保护环境作为主要的技术研究和科学发展的课题，运用自然能源、可再生能源的需求逐步增加。自然能源包括太阳能、风能、水能等，而地球能获得的太阳能相当于2亿个中型核电站的总发电量，太阳能是一种取之不尽用之不竭的能源，因而我们通过高科技手段将太阳能转变成电能，并加以搞笑利用。太阳能光伏发电系统的最大优势在于：它不需要燃料，不产生废气，无余热，无废渣，无噪音，无污染，可用来发

51、电。 环保效益分析：太阳能光伏发电系统和风光互补发电系统不仅具有良好的社会效益，而且具有巨大的环保效益。发电系统是将太阳能转为电能，光电池发电过程中，不会排放二氧化碳及二氧化硫等会产生温室效应的有害气体，对环境没有产生污染，也不会产生噪音，是一种洁净的能源。光电板成分中没有毒物质，不会在建筑物起火时出现任何诸如释放有毒气体等危险，根据专家统计每节约1度（千瓦时）电，就相应节约了0.379升燃油或0.4千克标准煤，同时减少污染排放0.272千克碳粉尘，0.997千克二氧化碳，0.03千克二氧化硫，0.015千克氮氧化物，节约用水40升，则该光伏发电系统建成后，可节省轻柴油8.42万升或标准煤88.91吨，这也意味着少排放221.62吨的二氧化碳，6.69吨的二氧化硫和3.33吨氮氧化物。同时减少因火力发电产生的60.46吨粉尘，节约88.91万升净水。在环保效