【文章內容簡介】 整個風光 互補發(fā)電系統(tǒng)按環(huán)節(jié)可劃分為能量產生環(huán)節(jié)、能量存儲環(huán)節(jié)、能量消耗環(huán)節(jié)等三部分。能量產生環(huán)節(jié)由風力發(fā)電機組和太陽能光伏陣列組成，負責將風能及太陽能轉化為電能；能量存儲環(huán)節(jié)為蓄電池，它將風機和太陽能產生的電能儲存在其中，起到穩(wěn)定供電的作用；能量消耗環(huán)節(jié)指系統(tǒng)的負載，其中包括直流負載和交流負載。 風光互補發(fā)電系統(tǒng)具有以下優(yōu)點： (1)和獨立的風電系統(tǒng)相比，可以提高用電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性 ； (2)在保證供電的條件下，可以大大減小儲能蓄電池的容量； (3)和光電系統(tǒng)相比，其節(jié)省投資，發(fā)電經濟性好。 系統(tǒng)的運行控制策略 在風光互補獨立供電系統(tǒng)中，負載的電能主要由風力發(fā)電機組和太陽能電池板系統(tǒng)供給。當風力發(fā)電機組和太陽電池方陣的發(fā)電量能滿足負載需要的電量時，將全部由風力發(fā)電機和太陽電池方陣供給負載用電，而且有多余的電量時，多余的電量通過控制器的控制流到蓄電池組；當風力發(fā)電機組和太陽電池方陣的發(fā)電量無法滿足負載需要的電量時，將由控制系統(tǒng)控制蓄電池組放電來供給負載不足的電量。其中，控制系統(tǒng)是關鍵，它應對系統(tǒng)的運行工況參數 (太陽能電池板電壓、電流、太陽輻射 強度、風力發(fā)電機組屯壓、電流、風速、風向、負載電壓、電流、蓄電池蓄電量、輸出電流、輸入電流等 )進行實時檢測、運算，決定系統(tǒng)各部分的開啟或關閉；同時控制系統(tǒng)還應儲存、顯示系統(tǒng)運行的數據，并通過通信接口將數據傳輸、顯示并保存在計算機上，為以后的分析研究提供數據資料。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 9 本章小結 介紹了風光互補供電系統(tǒng)的運行方式：離網運行和聯(lián)網運行。未與公共電網連接的風光互補供電系統(tǒng)稱為離網型風光互補供電系統(tǒng)，又稱為風光互補獨立供電系統(tǒng)，主要應用于遠離公共電網的無電地區(qū)和一些特殊場合；與公共電網相連接的風光互補供電系統(tǒng) 稱為聯(lián)網型風光互補供電系統(tǒng)。 介紹了風光互補獨立供電系統(tǒng)的組成，主要包括風力發(fā)電機組、太陽電池方陣、蓄電池組、控制器和逆變器五大部分，并分別對這五大部件的工作原理和特性參數進行了詳細的介紹，深入研究了系統(tǒng)的結構，為下面系統(tǒng)優(yōu)化匹配設計奠定了堅實的理論基礎。 提出了風光互補獨立供電系統(tǒng)的運行控制策略：當風力發(fā)電機組和太陽電池方陣的發(fā)電量能滿足負載所需要的電能，而且有多余的電量時，多余的電量通過控制器流到蓄電池組儲存起來；當風力發(fā)電機組和太陽電池方陣的發(fā)電量無法滿足負載所需要的電量時，將由控制系統(tǒng)控制蓄電池組放 電來供給負載電量。該運行控制策略的提出為今后實現(xiàn)該系統(tǒng)的自動控制提供了理論依據。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 10 3 系統(tǒng)各主要部件的數學模型 太陽能發(fā)電數學模型 計算太陽電池方陣的最佳傾角 為了獲得更多的太陽輻射，太陽電池方陣平面一般要朝向赤道，并相對地平面有一定傾角。而由于氣象臺通常所提供的只是水平面上的太陽輻照量，所以需要先確定方陣傾角，然后將水平面上的太陽輻射轉換成傾斜面上的太陽輻射。傾角不同，方陣面接收到的太陽輻射量差別很大，這將影響到整個風光互補發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量。 有些資料 提出方陣傾角等于當地緯度 ，或當地緯度加上 50～ 15。實際上，即使緯度相同的兩個地方，其太陽輻射量的大小也往往相差很大，如拉薩和重慶的緯度基本相同 (僅差 0． 180)，而水平面上的太陽輻射量卻要相差一倍以上，顯然加上相同的度數 作為方陣安裝傾角是不妥當的。國內外也有不少人 還一直應用 Liu和 Jordan在 1962年提出的計算方法，雖然計算比較簡單，但實際上只有在一年中的太陽二分點 (春分和秋分 )才是正確的。對于月平均太陽輻射量的計算，目前國外 通常用 Klein和 Thcilackcr的計算方法，可算出不同方位角和不同傾角的傾斜面上的太陽輻照量 ，但是這類計算非常復雜。 究竟方陣面的傾角多大為合適，需要根據方陣面上太陽輻射量的分布情況及負載的使用要求來確定。在進行太陽電池方陣安裝傾角優(yōu)化計算的時候，要求最佳安裝傾角在盡量滿足負載需求的情況下，冬天和夏天太陽輻射量的差異盡可能小，而全年總輻射量盡可能大，二者應當兼顧。所以對于一個單軸跟蹤的方陣而言，本文在選擇方陣傾角時兼顧均勻性進行綜合考慮，提出了一種計算風光互補發(fā)電系統(tǒng)中太陽電池方陣河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 11 最 佳安裝傾角的 方法 最小二乘法 ，這種方法簡單方便，適用于工程計算。 計算傾斜面上的太陽輻射量 從氣象站得 到的資料一般只有水平面上的太陽輻射總量日 H、直射 輻射量 BH 或散射 輻射量 dH ，三者關系為： H= DB HH ? 。而傾斜面上的太陽輻射總量 TH 由傾斜面上的 直接輻射量 BTH 、天空散射輻射量 DTH 和地面反射輻射量 RTH 三部分組成，即： RTDTBTT HHHH ??? （ 31） 傾斜面上直射輻射量 BBBT RHH ? （ 32） 式中： R—— 傾斜面上的直接輻射量與水平面上直接輻射量的比值，計算式為 ?BRs i namp。s i n180s i nc os amp。c oss i namp。)s i n(180s i nc os amp。)c os (awwabawwbassstst???? （ 33） 式中： a—— 當地緯度： b—— 太陽電池方陣的傾角； amp。—— 太陽赤緯角，計算式如 (31)式； sw —— 水平面上日落時角，計算式如 (32)式； stw —— 傾斜面上日落時角，計算式如 (33)式； amp。=[360(284+n)/365] 式中： n—— 一年中從元旦算起的天數； 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 12 amp。)tantana r c c o s ( aw s ?? aww sst ta n (a r c c o s [,m in { ?? b)tanamp。]} 根據反余弦函數性質，可以判斷 stw =min{ ,sw arccos[tan(ab)tanamp。]}中 sw 和 arccos[tan(ab)tanamp。值的大小。 1．當赤 緯角 amp。0，且傾角 ob不 =a時， ?sw arccos[tan(ab)tanamp。，所以 ?stw =arccos[tan(ab)tanamp。： 2．當赤緯角 amp。0，且傾角 ab =90時， ?sw arccos[tan（ ab） tanamp。，所以 sst ww ? ； 3．當赤緯角 amp。0，且傾角 0b=a時， sw arccos[tan(ab)tanamp。，所以sst ww ? ； 4．當赤緯角 amp。0，且傾角 ab=90時， sw arccos[tan(ab)tanamp。，所以 ta n amp。)ta n (a r c c o s [ baw st ??? （ 34） 傾斜面上散射輻射量 ． 考慮天空散射的各向不同性，則傾斜面上的天空散射輻射分量％可表達為： [HHDT? )1)(1(21)(00 HHHCO SbRH HH DBD ????? （ 35） 式中： DH —— 水平面上散射輻射量， W/ 2m ； H—— 水平面上總輻射量 ， W/ 2m ； 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 13 0H —— 大氣層外水平面上輻射量 ， W/ 2m ，； )s i nc os amp。c oss i namp。s i n)((24 00 ssSC waawRRIH ?? （ 36） 式中：rr0： —— 當天日地距離修訂系數；。 scI —— 太陽常數， 1353W／ 2m 。 由于太陽常數隨季節(jié)日地距離有所變化，但是變化不大 (約 3． 4％ )，對于太陽能利用系統(tǒng)的設計不會構成較大的影響，所以我們忽略日地距離的變化，即 ( 20 )/( rr ≈ 1。 傾斜面上太陽總輻射量 將各式即可得到傾斜面上太陽輻射總量的表達)c os1(2)]1)(c os1(21[ 00 bHpHHbRHHHRHH bBBDDBT R ??????? （ 37） 利用上式，我們就可以計算出傾 斜面上小時太陽輻射總量。 太陽電池模型 太陽電池的電流 電壓特性 I LR LH V I S C I DR s hR s 圖 31太陽電池的等效電路圖 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 14 圖中： R—— 電池的外負載電阻， Ω ； SCI —— 短路電流，指在給定溫度日照條件下所能輸出的最大電流，即當 R=O時所測的電流， A； OCU —— 開路電壓，指在給定溫度日照條件下所能輸出的最大電壓，即當 ?LR ∞ 時所測的電壓， V； DI —— (二極管電流 )為通過 pn結的總擴散電流，其方向與 SCI 相反， A； SR —— 串聯(lián)電阻，它主要由電池的體電阻、表面電阻、電極導體電阻和電極與硅表面間接觸電阻所組成， Ω ； SHR —— 旁漏電阻，它是由硅片的邊緣不清潔或體內的缺陷所引起的， Ω 。 一個理想的太陽能電池，串聯(lián)電阻 SR 很小，而并聯(lián)電阻 SHR 很大，所以在進行理想的電路計算時，它們可以忽略不計。 因此，流過負載的電流 L為： DSCL III ?? （ 38） 理想的 pn結特性曲線方程為： DSCL III ?? { )1?AKTqUe （ 39） 根據 上 式，當 LI =O時，即得出太陽能電池的開路電壓 OCU ： ]1[ ??DSCOC IIqAKTU （ 310） 式中： DI —— 太陽能電池在無光照時的飽和電流， A 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 15 Q—— 電子電 荷，取 ?? ； K—— 玻爾茲曼常數，取 1． 38x10— 23J／ K； T—— 熱力學溫度， K； A—— 常數因子； e—— 自然對數的底。 太陽電池方陣發(fā)電量的計算 太陽電池串聯(lián)組件數的確定 太陽電池方陣的輸出電壓 SPVSVN 與負載工作電壓 ( IF VV? )滿足電壓平衡方程式 v(E， T)=V( ), 00 TE + )( 0TTbT ? + TE aEEb )( 0? (311) 由此得到太陽能電池組件的串聯(lián)數： mifPVS VVVN /)( ?? 式中： mV —— 組件的工作電壓， V； fV —— 蓄電池組的浮充電壓，對于單體蓄電池 (1． 41． 6)v，工作電壓為 1． 2V； iV —— 所有串聯(lián)回路的元器件和線路引起的電壓降，一般取IV =IV。 太陽電池并聯(lián)組件數的確定 由太陽電池方陣的輸出功率 PVPMPVSPV NVNQ ? mI 可得： 0/ PNQN PVSPVpvp ? (312) 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 16 式中： ML —— 組件的工作電流， A； MV —— 組件的工作電壓， V； 0P —— 組件的標稱功率， w； PVQ —— 太陽電池方陣的容量， w。 太陽電池組件最大功率跟蹤數學模型 太陽能電池組件的特性方程是一個沒有解析解的超越方程，不能直接用來計算太陽能電池組件每小時的輸出量。本文中使用了最大功率點跟蹤器 (也稱為自動太陽跟蹤器 )，并且假定太陽能電池組件總是工作在最佳工作點，這樣就可以利用下面的公式計算任意條件下太陽能電池組件的最佳工作點電流和電壓。