基于风光互补的发电系统设计.docx
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基于风光互补的发电系统设计
基于风光互补的发电系统设计
摘要
随着社会经济的飞速发展，人类的生产生活对传统能源的需求日益增加。
与此同时，大量使用传统能源对地球的生态环境造成了严重的破坏，所以人们把更多的目光聚焦于可再生能源上。
在常见的可再生能源中，风能和太阳能则是我们最广泛使用的。
由于风能和太阳能在资源条件和技术应用上具有互补性,所以利用风光互补的发电系统可以有效的解决能源紧缺和环境污染的问题，并且在电力供应严重不足的偏远地区能给当地居民带来巨大的生产生活便利，带动当地的经济发展。
本文对于风光互补发电系统的分析中，研究出风能及太阳能互补发电系统的结构，详细分析得出系统的发电、变电、储能及负载损耗等各个功能模块的工作流程，确定了对风力发电。
光伏发电以及蓄电池充放电的控制策略，在计算机控制技术基础上，提供风光互补的资源最大利用率的可行性分析。
以单片机为核心的控制芯片，研究各功能电路的实现方法。
对系统能量的最大转化率和利用率进行研究和分析，通过分析得出的功能参数基于MATLAB/Multisim进行建模和仿真。
在仿真结果分析表明，该系统设计的是有效可行的。
关键词：
风光互补控制策略系统设计
DesignofPowerGenerationSystemBasedonWind-SolarComplement
Abstract
Withtherapiddevelopmentofsocialeconomy,thedemandfortraditionalenergyintheproductionandlifeofhumanbeingsisincreasing.Atthesametime,theextensiveuseoftraditionalenergysourceshascausedseveredamagetotheearth'secologicalenvironment,sopeoplehavefocusedmoreonrenewableenergy.Amongthecommonrenewableenergysources,windenergyandsolarenergyareourmostwidelyused.Becausewindandsolarenergyarecomplementaryintermsofresourceconditionsandtechnologyapplications,theuseofwind-solarcomplementarypowergenerationsystemscaneffectivelysolvetheproblemofenergyshortageandenvironmentalpollution,andcanbringhugelossestolocalresidentsinremoteareaswithseverepowershortageConvenientproductionandliving,drivinglocaleconomicdevelopment.
Intheanalysisofthewind-solarhybridpowergenerationsysteminthispaper,thestructureofthewindandsolarcomplementarypowergenerationsystemisstudied,andtheworkflowofeachfunctionalmodulesuchaspowergeneration,substation,energystorageandloadlossofthesystemisanalyzedindetail,andthewindpowergenerationisdetermined..Thecontrolstrategyofphotovoltaicpowergenerationandbatterychargeanddischarge,basedoncomputercontroltechnology,providesafeasibilityanalysisofthemaximumutilizationofwindandsolarresources.Thecontrolchipwithsingle-chipmicrocomputerasthecore,researchtherealizationmethodofeachfunctionalcircuit.Studyandanalyzethemaximumconversionrateandutilizationrateofsystemenergy,andthefunctionalparametersobtainedthroughtheanalysisaremodeledandsimulatedbasedonMATLAB/Multisim.Theanalysisofthesimulationresultsshowsthatthedesignofthesystemiseffectiveandfeasible.
Keywords:
ScenerycomplementaryControlStrategySystemdesign
1前言1
致谢22
1前言
风能-太阳能互补发电系统，简言之，为凭借风能及太阳能的互补性，把风能发电系统及光伏发电系统组合在一起的发电系统。
在本国大多数地带，尤为为西部及沿海等的土地，风光能源较为充足，普遍规律为:
大白天风小太阳光猛烈，晚间风大太阳光衰微，夏季风小太阳光猛烈，冬季风大太阳光衰微。
晴天风小太阳光猛烈，阴雨天风大太阳光衰微。
由此咱们可看到，风能及太阳能的强度和季节性环境密切相关，绝对不会每天都保持平稳。
因而，单独的风力发电系统或者太阳能发电系统肯定会有供电无法保持平稳的缺点。
风-太阳能互补发电软件凭借光和风的互补性，可合理地处理以上疑难，供给持续平稳的供电系统。
1.1风光互补发电系统的目的、意义及应达到的技术要求
本设计的目的是设计一个单片机的风能-太阳能发电软件控制器，并且分析电瓶储能以后的并环。
最重要的是规划一个简易、快捷、平稳、可信的控制系统，令控制系统可以正确地操控及分派性能职责及配备，涵盖：
（1）增强能源变换效益，最大限地应用风能及太阳能；
（2）正确确立系统分配形式，做到系统之从优配备，拥有比较强的采用效益；（3）正确的电瓶充放电管理控制，可增强电瓶的使用年限，最大限度地降低系统的保障费用；（4）即时追踪用户之用电状况，保证系统的连续平稳供电；
因而，本设计的规划及分析对于改良现有的控制结构及控制策略，及给风光互补发电系统之采用和普及都拥有主要作用。
能源为社会金融前进的动力，为群众生存品质之决议要素，并且为全人类存活之根基，能源紧缺为全球群众一同关注的话题。
其中之一是可以再生能源，另外一个是不得再生能源。
可以再生能源是全人类可循环往复应用及连续应用的能源，一般而言涵盖风能、太阳能、地热能，可再生能源拥有洁净、无污染、无限应用等好处。
不可再生能源是在自然界中经过亿万年形成，短期内无法恢复且随着大规模开发利用，储量越来越少总有枯竭一天的能源。
其涵盖大自然内的各种岩层、矿石及化学燃料。
不得再生能源拥有数目很少、标价昂贵、容易破坏生态系统等许多缺陷。
随之现在的人类工业大规模开展的同时，人类对石油，天然气，煤炭等多样不得再生资源疯狂地开发，不只导致能源缺少，并且给地球的生态坏境造成了极大的破坏。
所以，为了更好的保护生态坏境和社会的可持续发展，我们应该加大对可再生能源的开发以及利用。
1.2风光互补发电系统在国内外的发展概况及存在的问题
中国为一个太阳能能源充足的国度。
和别的国度对比，中国拥有庞大的应用优势及发展潜力。
1956年，经由连续之奋力试验，中国生产出第一块拥有实用价值的太阳能电池。
1971年，太阳能电池成功地运用在工业生产中，1975年，单晶硅太阳能电池应运而生。
直至中百年90年份末，中国光伏发电行业开启了稳定前进的时代。
经由连续奋力，在2000年，中国光伏发电行业进入了高速前进的时代。
同时在2000年，风电科技亦跻身于我国电力行业。
在全球化竞争白热化阶段，中国已经变成国际的三大风电行业。
20百年80年份中后期，中国实打实跻身于当代风力发电科技研究之列。
此时此刻，中国风力发电科技不论是于科研中还是于规划制作中都获得了长足的发展。
与此同时，亦获得显著的社会效益及经济效益，关键在于处理了偏远农村山区农牧民及渔夫之用电疑难。
但是，风力电机的容量唯有几百瓦至10千瓦，全为单独的风力电机。
目的在于充分发挥风力发电之优势，降低成本，风电机组规模化、单机装机功率的增强，为全部风电分析、规划及制造厂家之不懈奋斗的目标。
正是因为近些年获得很大进步，全新的风力发电机不断投入生产生活中来，并且获得了快速的普及。
当代风力电机于连续更改它翼型，加长它塔高，改进它连续工作时存在的问题。
除此以外，随之当代微电脑控制技术、并网科技、电子电力科技及储能科技的不断完善及广泛应用，风力发电技术愈来愈值得信赖。
以往风能-太阳能互补发电技术为凭借风力发电机组和光伏发电机组简易搭配之后生产电能。
因为当初缺少具体的建模模子及有关之数学计算，并且发电技术仅对于耗电量微小的用户有用，因而发电技术得不到应有的重视。
二十世纪八十年代之后，因为常见能源匮乏及生态破坏之双重高压，国际上大力发展及应用新能源，尤其是太阳能、风能等新能源的开发利用为自己国家将来能源改革的策略。
对于中国国内，依旧存在某些偏远的农村无法保证正常的生活用电，但是有些农村地区却拥有充足的风光资源，所以有关部门应该在以上农村研发打造完整的基于风光互补的发电系统，为当地居民的生产生活带来便利，带动当地的经济发展，提高当地居民的生活水平。
当前的制造业水准远滞后于行业对科技的需要。
我国风电机组功率小于兆瓦级别，最大功率为了690kw，然而行业要求用兆瓦级别。
我国风电机组制作公司遇到了科技线路从固定速度晋升至变化速度，单机功率从百千瓦级别晋升至兆瓦级别之双重高压，科技线困难较多。
独立自主研发能力严重不足，因为政府及公司投资的资本比较少，短缺基础分析积累及高科技人才，中国于风力发电技术之研发实力急需增强，整体的话还是居于追踪及进口海外的优秀科技时期。
当今中国进口的科技，一些是海外已经无人闻寻的科技，另一些技术即使有先进的地方，不过被中国工厂的设备、制造过程、原料等因素所制约，致使中国制造的产品品质、特性要求只有经过漫长的过程才可以追上一些发达国家。
有数据表明，2014年度中国太阳能用电量对比2013年度提高大约80%，占据国际总量之12%。
太阳能装机容量总量亦获得了重大突破，风力发电量亦占据国际总量之18%。
太阳能及风力发电科技于国内外获得了普遍的采用，单独的风力发电及光伏发电科技趋近完备。
当前，风能-太阳能互补发电技术集中于最大功率点追踪操控方式及系统结构。
现在全世界人民的目光都聚焦于保护生态及节约能源，对新能源开展分析及探究这项工作已被全世界各国写上日程。
当前，面向风力发电及太阳能发电技术的分析，欧洲早已掌握了各种先进的技术并且居于领先水平。
欧洲非常重视对新能源技术的钻研，特别是大型并网网络。
有大量的数据表明，有些国家的单独风力发电之单机容量最大早已跨越5.0兆瓦，并且单独太阳能发电之单机容量亦早已跨越完120千瓦。
然而风光互补方向的分析对于欧洲各国来说并未深入了解。
法国有关企业在印度当地建设了一个风能-太阳能互补的发电系统，为当地居民的生产生活提供了巨大的便利并且带动当地的经济发展。
1.3风光互补发电系统应解决的主要问题
风能源的可变性致使发电量及负载之间没有达到平衡，然而日发电量受到气候之削弱很大。
很多学者为了处理这个疑难，令分布式风力发电存在更加巨大的可靠性，规划把它和太阳能开展互补。
针对风能-太阳能发电技术，一般来说可以分成两个：
其中之一为风能发电技术，其可以将风能变换为电能；另外一个为太阳能发电技术，其可以将太阳能变换为电能；这两个分系统由控制器传输给电瓶充电，再由逆变器供电。
和风电技术之运转对比，单独光伏技术存在它自己的优势。
运转平稳为光电技术的优点，但是价格低廉则是风电技术最大的好处。
然而这两种发电机组于单独运转时候亦存在非常大的缺陷，就是因为气候变化等因素致使供电断断续续，破坏发电和用电之平衡。
所以想要做到发电和用电之平稳，便需要利用好电瓶的蓄电功能，不过假若天气状况连续几天都不好的情况下，就会出现无法发电的情况。
现阶段，中国大概五分之三的群众生存于偏远的山区，甚者有一些地方无法保证正常的供电。
假若依赖电网供电，急需建造大量的电缆，不仅价格高昂，而且工程量巨大。
一般来说有的地区风能和太阳能非常充足。
所以，因地制宜，于偏远的山区建设基于风光互补的发电系统，为当地居民的生产生活带来便利，带动当地的经济发展，提高当地居民的生活水平。
所以，风力发电和太阳能发电存在的问题在风能-太阳能互补发电系统中能被很好地解决。
归因于风能及太阳能可于时段及空间中体现出颇高的互补性。
通常情况下，大白天，特别是14点前后，日光最为猛烈反而风力比较微小。
然而黄昏的时候日光逐渐减小，不过这时，因为地板和大气层温差较大由此形成的风能亦于加强，另一方面来说，在炎热的夏季日照强度较为猛烈，不过风力就会比较微小。
在寒冷的冬天状况正好相反。
日照强度较小不过风力较大。
所以，不同时期风能及太阳能之互补性，风能-太阳能互补发电技术拥有比较容易的相互配合和采用的优点，已经变成拥有优良能源标准的发电技术。
除此以外，光伏发电技术及风力发电技术于蓄电池保存电能及逆变控制器中拥有普遍性，可减低风-太阳能互补发电技术的费用，令技术费用趋向低廉化符合用户之现实用电需要。
2风光互补发电系统
整个系统从4组成部分构成：
能形成、能变换操控、能贮存及能量消耗。
能源之形成分成风力发电及光伏发电。
风能及太阳能离别转换成为了优等能源。
能之贮存为从电瓶完结之。
进口电瓶之目标为为着清除环境及气候导致之电力供求没有均衡。
于软件之全部发电软件内，起到能调整及负载平衡之功能，起到消峰消谷之功能；能操控环重要为操控风电机组及太阳能光伏板子之充电支路或者负荷之作业状况。
与此同时操控电瓶之充放电，做到智能三级充放电控制，保障及延缓电瓶使用寿命，令软件总体作业特性居于最好状况。
2.1风光互补发电系统总体结构
典型的风光互补供电系统的基本结构包括：
如图2.1所示：
光伏阵列、风力发电机、整流模块、DC/DC模块、控制器、蓄电池、逆变器、负载。
图2.1风光互补发电系统
由图2.1我们可以看出，风光互补发电系统由能量的产生、控制、存储、消耗四个环节组成，风力发电机、光伏阵列构成了能量的产生环节，风光互补控制器作为系统控制环节，蓄电池作为系统的能量存储环节，用电负载构成能量的消耗环节。
电能从两组成部分形成，光伏发电组成部分：
光伏阵列穿过光伏效果把太阳能转换成为了电能，并且穿过DC-DC变换电路把它转换成为了和电瓶电压一样之直流电。
组成部分径直用来直流负荷，另外组成部分穿过逆变器转换成能够符合交流负荷应用之交流电压。
控制器操控电瓶之充放电及光伏阵列、太阳能发电模块之电能导出。
还是要求存在防反充两极管，起单向导通功能，避免光伏部件终止发电时候蓄电池往光伏部件相反相互供电，故而铺张浪费能源毁损光伏阵列，防反充两极管要求存在充足巨大之反冲电流及特别微小之反向饱和电流，唯有获得此需求可以起到合用之防反充功能。
风力发电：
风力机把风能转换成为了机械能，之后又转换成为了电能。
出自交流风电机组之交流电穿过整流滤波模块转换成直流电，又穿过DC-DC变换模块转换成和蓄电池电压一样之直流电压。
电瓶从控制器充电供给负荷应用。
除此以外，要求存在卸荷负荷和抱闸电路做为风力发电软件之保护装置，每当外面风速很大时候，软件之输出功率高于蓄电池及负荷局需要功率，风机之转速连续增强。
为着避免风机转速过大导致飞车，然而毁损风轮及传动系统，及击穿电动机烧坏电容及功率电门，风光互补控制器意在把卸荷负荷连接，损耗软件发射之剩余之电能，假若风机转速依旧未能合用操控，规范连接抱闸电路，令风机停机，终止电能之形成。
2.2风力发电
风力发电机组为微型风能-太阳能互补发电软件内之发电装备某个，重要从风力发电机组、传动组织、电机等第主要元件构成。
风力机把风能转换成为了机械能，传动组织把机械能传送带给电机，电机把机械能转换成为了可用电能。
风力发电软件之重要职责为把风能转换成为了机械能，又把机械能转换成为了用户应用负载局需要之电能。
2.2.1风力发电机
风力发电机组为应用风力发电机组于大风气候条件内获得局吸取之能，之后把能转换成别的方式之能源之装备。
风力机分成笔直风力机及水准轴风力机。
笔直风力电机之旋转轴和地板笔直，风机之风轮环绕着此垂直轴不断之旋。
这种类别之风机之长处存在：
一个为风力机之支立塔架硬件构架简易，没有要求外加对风装备;另外一个为电机之传动组织及操控组织等第装备离地板全颇接近，维修起便捷;又一个便是风机之叶子易于制造而且造价颇低平。
水平风力机之风轮围绕水准轴旋。
作业时候，风轮之旋面和风向笔直。
风力机中之叶子上径向布局，垂直于旋转轴，和风力机旋产生之面存在细微之夹角，规划目标为令风机于低平风速标准下面启动，形成较大之电能。
一般而言状况下面，风力机之叶子数目为了3-6片。
正如，叶子数较众多之风机称作低速风机，低速运转时候拥有比较强之风能利用系数及较大之转矩。
叶子较少之风机称作快速风机，高速运行时候风能利用系数比较强，不过它启动风速较大。
水准轴风力电机依据接纳风向之各异然而再归类为了中风向类型风机及下面风向类型风机。
中风向风机之叶轮正面给出自风向，这种风机一般而言全要求有调风向装备达到保障叶轮居于迎风状况。
下面风向风机之叶轮背着出自之风向，其风机可以从调整对准风向，没有要求调风向装备。
不过其亦存在不足之处，因为大气意在穿过支立塔架以后能吹往风轮，塔架可以组成部分之搅扰流过叶子之气流然而产生所谓塔影效果，令特性减低。
目前，水准轴风力电机之前进科技对立熟，受到普遍之采用。
如图2.2、2.3所示。
图2.2水平轴的风力机图2.3垂直轴的风力机
风力机的启动一般要克服本身内部摩擦阻力后才能被启动，所以风力发电机工作时需要外来风速要足够大，一般称刚刚能使风力发电机启动且开始工作的风速为最低启动风速。
但是风速也不能太大，如果太大的话，风机会瞬间产生很大电压，这样会危及风机安全。
所以风力发电机的正常工作的风速要限制在合适的范围内，而这个范围是介于最低启动风速和允许最高风速之间，该范围内的风速被称为工作风速。
相对应风机的工作风速都有相对应的功率输出，达到风力机额定输出功率的风速叫做额定风速。
根据风力机运行的工作特性可知，在选用风机时要结合当地的风力资源条件和相关影响因素来选择风力发电机类型。
风力发电机的运行特性主要包括三部分:
（1）叶尖速比与风能利用系数;
（2）功率特性曲线; （3）转矩一转速特性;
2.2.2风力机的工作原理
风力机组的利用的是空气流动学原理，叶片的转动是由于风吹过时形成的压差。
正是因为存在压差所以产生了推动叶片旋转的动力，因此产生了系统需要的动能。
由风吹过产生的动能得：
（2.1）
该式中
为气体的速度，S为气体流过的横截面积，
为气体的密度。
贝慈在1926年首次提出气动理论。
由风经过风轮后速度不可能变成0，因此风能是不可以百分百被利用的。
也就是风力在经过风力机之后只有一部分风能被转化为机械能。
以下将会对风的利用率进行研究。
贝兹理论的前提是在理想的模式下，即在此状态下风能将会是被完全吸收。
理想风轮的结构要求如下：
1.自然界中空气流动是连续不间断的2.风力机叶片无限多3.没有空气阻力。
4.气流速度无论在哪个方向在经过叶片前后都是垂直于叶片扫过的。
现在我们开始研究在理想的状态下，风力机组在大气中的状态。
设位于风轮前面的风速为
实际的通过风轮的风速为
，扫掠叶片后的风速为
，风轮叶片前的风速面积为
，扫掠后的风速面积为
风带动叶片所做的功是将风能转化成机械能，则要求
必须大于
，
必须大于
。
如图2.4所示：
图2.4贝兹理论计算简图
依据空气是不可被压缩的，根据连续条件可知：
（2.2）
风轮上的作用力可根据欧拉定律得：
（2.3）
因此风力机的风轮吸收的功率为：
（2.4）
风经过叶片后风轮前后的动能改变量为：
（2.5）
由能源守恒定律可得，风轮吸收的能量等于气流动能的改变量，即：
；因此由（2.4）和（2.5）得：
（2.6）
风作用在风力机风轮上的力的大小为：
（2.7）
风力机上的风轮的吸收功率为：
（2.8）
假设上游的风速
一定，则可以得出
为函数的功率变化关系，根据（2.8）式中
进行求导得：
（2.9）
令式（2.9）等于零可以求解出
的值：
（2.10）
其中
没有意义，舍去。
解得
。
所以当
时，风力机运转达到最大的功率，将其代入式（2.8）中，可以求解出最大的功率为：
（2.11）
又因为气流扫掠面S所具有的动能为
，故可以得出风力机在理想状态下最大能量利用效率为：
（2.12）
由此可以看出贝兹定理的极限值是0.593，所以风力机的风轮在空气中获得能量是有极限的，其中有一部分能量是被损耗掉了。
因此在现实生活中实际的风能利用系数
要小于理想状态下的利用系数0.593。
2.3光伏发电
风光互补发电系统中的另一个电能产生装置就是光伏电池板，它负责将太阳光辐射转换成电能。
光伏电池的种类比较多，一般都是由半导体材料制造。
按材料的不同，光伏电池分为硅太阳能电池和化合物半导体太阳能电池。
具体的光伏电池按材料分类如图所示。
图2.5光伏电池的分类
2.3.1光伏电池
光伏部件为从很多光伏电瓶串并联而成。
因为科技及原料之因素，单体太阳能电瓶导出电压低平，电流微小，功率微小，未能大面积应用。
于现实采用内，更加众多之光伏电瓶串并联，产生高功率导出之光伏部件。
各异之搭配形式可获得各异之电压、电流及功率。
多个光伏部件穿过导线连结，不变于金属支架中产生光伏阵列。
为着调整光伏部件之电压、电流及功率，仅需要更改光伏部件之串并联模式。
2.3.2太阳能光伏电池的工作原理
太阳能光伏电池工作原理的基础，是采用半导体P-N结的光生伏打效应来将光能转化成电能的。
所谓光生伏打效应，就是当物体受到光照时，其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。
光伏电池发电的过程可概括为四个步骤:
1、有一定强度的太阳光照射到光伏电池表面。
2、光伏电池吸收具有一定能量的光子，激发出光生载流子（电子-空穴对）,并保证这些光生载流子在它们被分离前不会消失。
3、电性符号相反的电子-空穴对在光伏电池P-N结内电场的作用下，电子-空穴对被分离，电子集中在一侧，空穴集中在另一侧，在P-N结两侧产生异性电荷的积累，从而产生光生电动势。
4、在太阳能电池P-N结的两侧引出正负电极，接上负载后会在外电路中有光生电流流过，从而获得功率输出，光伏电池就这样把太阳能转化成了电能。
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