风能与光伏发电即热电的联系.pdf

风能与太阳能热电材料的联系机械学院新能源科学与工程1212130114 刘腾龙新能源材料技术 （主要是太阳能材料技术和热电材料） 这门课， 与我的专业课——新能源科学与工程 （主要是针对风能的开发及利用） 的根本目的相同， 即开发利用可再生能源，从而替代传统能源，保护环境，使人类能可持续的发展。能量的来源 ：三者都来源于太阳能。不同的是风能需要风这一媒介，先将热能在自然条件下转化成风能（机械能） ，通过风电机的转动来发电。而太阳能材料则直接通过接受太阳的辐射来发电。 热电材料通过太阳辐射， 根据塞贝克效应（第一热电效应）产生的温差来发电。环境保护 ： 他们提供能源的方式都无污染， 并且能源来源可以说是取之不尽用之不竭，即可再生能源，人们可大量应用，不用担心能源枯竭。发展前景 ：随着环境的恶化，石油、煤、天然气等传统能源的减少，人们逐渐的开始尝试新的能源， 风能、 太阳能等新能源逐渐被人们采用， 来减轻传统化石燃料对环境的危害。 在目前来说， 传统能源依然占主导地位， 但这也恰恰说明新能源的前景广阔。限制因素 ： 它们都主要受自然环境的影响， 比如： 风能发电在风力资源小的盆地等地方效果就不明显， 太阳能在经常阴雨的江南地区效果不太明显。 而如果在内陆高原地区的话， 太阳能与风能资源就比较丰富， 用来发电的话效率就比较高。技术实现 ：他们都需要选择合适材料，太阳能需要选择光电转化率高、污染小、 地球上储量丰富的材料， 而风能则需要寻找强度高、 质量小的材料来抵挡大风的袭击，同时它们要求的材料必须廉价易得、可广泛应用。目前的风光互补离网发电系统，针对其限制因素取得一定突破 。一、风光互补原理及应用风能和太阳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地域上都有很强的互补性： 白天太阳光最强时， 风很小， 晚上太阳落山后，光照很弱，但由于地表温差变化大而风能加强。在夏季，太阳光强度大而风小， 冬季， 太阳光强度弱而风大。 太阳能和风能在时间上的互补性使风光互补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。 风光互补发电系统是资源条件最好的独立电源系统。风光互补发电系统由太阳能电池板、 风力发电机组、 风光互补控制器、 蓄电池组和逆变器等几部分组成； 其中光电系统和风电系统把太阳能和风能转换成电能， 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 （离网系统含蓄电池、并网系统不含蓄电池） 。该系统的优点是供电可靠性高，运行维护成本低。 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， 无论是怎样的环境和怎样的用电要求， 风光互补发电系统都可以作出最优化的系统设计方案来满足用户用电需求， 是最合理， 最可靠， 最安全，最经济，最环保的供电系统。二．风光互补并网发电系统结构图风力发电机：由风力机、发电机和控制部件等组成的发电系统。光伏阵列：在金属支架上用导线连在一起的多个太阳电池组件的集合体。风光互补控制器：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。并网逆变器： 将直流电转换为交流电的电力电子设备。 内部有自动保护系统，当系统过载者输出功率过大时， 如果控制器没有成功卸荷， 逆变器为了保护系统会自动断电。 当控制器系统卸荷成功， 并检测系统无故障时， 逆变器会恢复自动启动。低压配电柜：是风光互补系统接入电网的接入设备，逆变器输出的三相交流电通过低压配电柜再传输到配电柜，最终接入电网。交流负载：以交流电为动力的装置或设备。电量计量装置：记录发电系统和公用电网之间的流通电量。三．风光互补并网发电系统的类型及其合理配置3 ． 1风光互补发电系统类型根据太阳能和风能资源的不同． 在风光互补发电系统中光伏与风力发电容量的配置不同。主要有以下几种类型：3 ． 1 。 1光伏／风力互补发电系统。光伏发电为主，风力发电为辅，适合于太阳能资源非常丰富，风能资源仍可利用的地区。3 ． 1 ． 2风力／光伏互补发电系统。风力发电为主，光伏发电为辅，适合于风能资源非常丰富，太阳能资源仍可利用的地区。3 ． 2风光互补发电系统的合理配置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。 在国标 《离网型户用风光互补发电系统技术条件》 中对系统容量的选择确定了原则。一般来说，系统配置应考虑以下几方面因素：3 ． 2 ． 1 用电负荷的特征。 发电系统是为满足用户的用电要求而设计的。要为用户提供可靠的电力， 就必须认真分析用户的用电负荷特征。 主要是了解用户的最大用电负荷和平均日用电量。最大用电负荷是选择系统逆变器容量的依据，而平均日发电量则是选择风机及光电板容量和蓄电池组容量的依据。3 ． 2 ． 2 太阳能和风能的资源状况。项目实施地的太阳能和风能的资源状况是系统光电板和风机容量选择的另一个依据， 一般根据资源状况来确定光电板和风机的容量系数，在按用户的日用电量确定容量的前提下再考虑容量系数，其次是光电板和风机的容量。3 ． 3风光互补发电系统优化设计步骤现在很多的风光互补发电系统采用以下步骤来优化设计系统的配置。3 ． 3． 1收集掌握当地风能、 太阳能资源和其他天气及地理环境数据． 包括经、纬度及海拔高度；每个月份的风速、风向、年风频数据、年最长持续无风天数、 年最大风速及发生月份， 韦布尔分布系数等： 各个月份的太阳总辐射量及直接辐射量、 年最长连续阴雨天数、 年最高气温及发生月份、 年最低气温及发生月份等。3 ． 3 ． 2了解负荷状况．包括负荷的性质、工作电压、额定功率、各个时段的负荷分布、全天耗电量等。3 ． 3． 3确定风力发电和太阳能光伏发电分担的供电份额。3 ． 3 ． 4 根据确定的负荷份额计算风力发电和光伏发电装置及蓄电池的容量。3 ． 3 ． 5选择风力发电机和太阳电池组件及蓄电池的型号、规格。确定系统的结构。3 ． 3． 6确定互补发电系统的其他部件 ( 整流器、逆变及控制器等 ) 。3 ． 3． 7编制整个系统的投资预算及计算发电成本。四．风光互补并网发电的优点和缺点4 ． 1优点4 ． 1 ． 1 风光互补发电系统同时利用太阳能和风能发电，对气象资源的利用更加充分， 可实现昼夜发电。 在合适的气象资源条件下． 风光互补发电系统可提高系统供电的连续性、稳定性和可靠性。4 ． 1 ． 2 单位容量的系统初投资和发电成本均低于独立的光伏系统。如果太阳能和风能资源互补性好，则可适当减少蓄电池组容量。4 ． 1 ． 3在太阳能、风能资源比较丰富．且互补性好的情况下，对系统的部件配置、 运行模式及负荷调度方法等进行优化设计后。 系统负载只靠风光互补系统发电即可获得连续、 稳定的供电， 备用柴油发电机组可以不启动或很少启动。这样风光互补发电系统会有更好的社会和经济效益。4 ． 2缺点、4 ． 2 ． 1 风光互补发电系统与单一风力发电或光伏发电相比，系统设计复杂，对系统的控制和管理要求较高。4 ． 2 ． 2 由于风光互补发电系统存在着两种类型的发电单元．与单一发电方式相比．增加了维护工作的难度和工作量。五．经济效益案例例：浙江宁波市鄞州区集士港镇民用并网供电鄞州区位于浙江省东部。地理坐标为东经 121 ° 08 ′ -121 ° 54 ′、北纬 29 ° 37 ′ -29 ° 57 ′。西北与西部与余姚接壤，南部紧邻奉化，东南临象山港与象山隔水相望。东西向最大长度 74 千米，南北最大宽度 32.3 千米。总面积1380.54 平方千米，其中陆地面积 1327.04 平方千米，象山港水域面积 53.5 平方千米。 年平均气温 16.2 ℃， 年平均降水量 1389.3 毫米， 年平均相对湿度 79% ，常年平均风速 6米 / 秒，主导风向东南风和西北风。对鄞州区一普通用户来说，设其月平均用电 260 度，利用本系统自动配置时，系统确定该用户可以配用风力发电机组为 600W ，太阳能板为 230WX7块 =2310W 。⑴ .风光互补民用并网发电系统与传统市电 10 年投资成本对比⑵ .风光互补民用并网电系统与传统市电供电综合效益对比六．节能减排、低碳环保风神风 电风光互补民用并网发电系统解决方案，符合国家大力提倡和运用新能源的政策和趋势，积极倡导“节能、降耗、减排”低碳经济，降低 GDP能耗，打造“蓝天、碧水、绿色、洁净、健康”的生活环境。我们下面就鄞州区风光互补民用并网发电系统为例，运行时间 365 天，进行分析：每天发电量≤ 8.7 度每年发电量≤ 3175 度以国家统计局每度电折 0.404 千克标准煤，作为电力折算标准煤系数。依此得出：每年发电量折算成标准煤（吨）≤ 1283 千克标准煤也就是用风光互补民用发电系统我们每年可以节省 1283 千克的标准煤，并且煤转换成电能还有很大的污染，比如二氧化硫、二氧化碳、一氧化碳等等有害气体。 所以风光互补发电系统对实现节能、 减少污染、 保护环境具有重大积极的现实意义。七．风光互补发电系统的应用当前已经有许多风光互补发电系统应用示范，如风光互补民用、风光互补路灯、风光互补大型广告、风光互补独立供电电源、风光互补监控、风光互补通信站、风光互补水泵、风光互补建筑和风光互补离网独立供电等产品。风光互补发电系统典型应用如下：7 ． 1并网发电如图示为宁波风神风电集团公司研究自行研制的 600W 风光互补发电系统可再生新能源． 在鄞州安装应用， 主要用电设备：道路照明，家用设备供电等。7 ． 2 离 网 独 立 供 电 产 品如风光互补路灯照明系统、 风光互补供暖、 风光互补充电电源、 风光互补野营灯和独立电源等， 其中风光互补照明系统， 它不需挖沟埋线、 不需要输变电设备、不消耗市电、安装任意、维护费用低、低压无触电危险、使用的是洁净可再生能源．应该会是代表着未来城市、乡村道路照明的发展方向。7 ． 3建筑行业北京奥运会已经将风力发电机和太阳能集热管安装进了奥运村。 风光互补系统还用于光伏一体化建筑 BIPV 、屋顶风力发电机、风光互补锅炉和风光互补并网等。7 ． 4沙漠治理随着我国经济的发展．国家逐渐有财力对沙漠进行治理，沙漠公路已经开通了数条， 改善了当地自然生态和居民的生活条件。 沙漠治理不仅需要大量的水资源， 也需要大量的电能。 在西部广大地区风光互补水泵、 光伏水泵和风能水泵都有广阔的市场。7 ． 5安全管理如风光互补城市监控、风光互补高速公路监控，特别是风光互补高速公路监控安装地点都是远离市区的， 它不需挖沟埋线、 不需要输变电设备、 不消耗市电、安装任意、维护费用低、低压无触电危险、使用的是洁净可再生能源．风光互补发电系统的合理配置，整合了风能和太阳能各自优势，利用风一光互补发电。 二者实现以风电为主是最佳匹配方案可以有效的节约资源。 即可保证系统供电的可靠性， 又可降低发电系统的造价， 降低发电成本。 无论是怎样的环境和怎样的用电要求， 风光互补发电系统都可做出最优化的系统设计方案来满足用户的要求。风光互补发电系统的应用前景广阔。 尤其是以惠及民生领域的民用并网系统， 在国际上最早普及的欧洲国家蔓延至全球各地。 经过世界各国多年的实践经验证明风光互补独立供电系统的技术、市场应用方向，不应以离网发电为主，而是以民用并网为主，比如照明、家庭、工厂、大厦的独立电源。鄞州电业局集仕港民用并网试点项目，设备用于 380V/220V 低压配电系统配置如下：补充解释并网的概念，是局域电网还是国家电网？1 、民用并网是并入国家电网2 、示意图如下