风光互补系统


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风光互补系统

帖子xyzhenghong » 2010年 4月 2日 15:53

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第二部分 风光互补系统

风能、太阳能都是无污染的、取之不尽用之不竭的可再生能源,“六五”、“七五”期间,小型风电和太阳光电系统在我国已得到初步应用。这两种发电方式各有其优点,但风能、太阳能都是不稳定的,不连续的能源,用于无电网地区,需要配备相当大的储能设备,或者采取多能互补的办法,以保证基本稳定的供电。我国属季风气候区,一般冬季风大,太阳辐射强度小;夏季风小,太阳辐射强度大,正好可以相互补充利用。

风—光互补联合发电系统有很多优点:(1)利用太阳能、风能的互补特性,可以获得比较稳定的总输出,提高系统供电的稳定性和可靠性;(2)在保证同样供电的情况下,可大大减少储能蓄电池的容量;(3)对混合发电系统进行合理的设计和匹配,可以基本上由风/光系统供电,很少启动备用电源如柴油发电机等,并可获得较好的社会经济效益。所以综合开发利用风能、太阳能,发展风/光互补联合发电有着广阔的前景受到了很多国家的重视。

2.1风力资源

2.1.1风的形成及其特性

风是一种自然现象,它是由太阳辐射热引起的。从太阳传到地球的能量中,大约有2%的能量转变成风能。地球上全部风能估计约为21017千瓦,其中,可利用的约为21010千瓦,这个能量是相当大的。

风的变化

众所周知,风随时间、离地高度、地形和环境而变化。

A:风随时间的变化

在一天之内,风的强弱可能不同。在地面上,白天风大,而夜间风小;相反,在高空中却是夜间风大,白天风小。在沿海地区,由于陆地和海洋热容量不同,白天产生海风(从海洋吹向陆地);夜间产生陆风(从陆地吹向海洋)。在不同的季节,太阳和地球的相对位置也发生变化,使地球上存在季节性温差,因此,风向和风的强度也会发生季节性变化。在我国,大部分地区的风的季节性变化情况是:春季最强,冬季次强,秋季第三,夏季最弱。

B:风随高度的变化

由于空气的粘性和地面摩擦的影响,风速随高度而变化,可用下面的公式表示:

V=V1(h1/h2)n

其中 V1——高度为h1处的风速;
h1——高度(一般为10米)
V——待测高度h处的速度;
h——待测点离地高度;
n——指数,由大气稳定度和地表的粗糙程度来决定,其值约为1/21/8。稳定度居中的开阔平地取1/7,粗糙度大的大城市常取1/3,一般上下风速差较小,n较小,反之n值取大。

风速随高度变化及其大小情况,因地面的平坦度,地表粗糙度以及风通道上的气温变化不同而异。特别是受地表粗糙度的影响程度最大。

C、风的随机性变化:

自然风是一种平均风速与激烈变动的瞬间紊乱气流相重合的风。气流紊乱主要与地面的摩擦,除此之外,当风速与稳定层是垂直分布时会产生重力波,在山风下测也会产生山岳波等。这种紊乱气流不仅影响风速,也明显影响风向。

利用风力驱动风力机时,因此收集关于风向变化的资料也是很重要的。

如果按时间区分,可将风向的变化区分为:一年或一个月内风向的趋势;短时间内变动的紊乱气流;介于两者之间的平均风向。对于第一种风向的变化状况,如制成风向玫瑰图(风向频度),便可清楚地看出风向的大致趋势,如图7.4。对风速,一般采用年平均风速时间曲线(表示一地方一年中各种风速小时数)来进行记录。如图7.5。

图 风玫瑰图
图 年平均速度时间曲线
风能资源

空气运动具有动能,如果风力机风轮的断面积为A,则当一般体积为AV的空气在单位时间内流经风轮时,该空气传递给风轮的风能功率(一般称为风能)为
(7.2.1-2)
式中——空气密度(Kg/m3);
A——风力机叶片旋转一圈所扫过的面积(m2);
V——风速(m/s);
P——每秒钟空气流过风力机风轮断面积的风能,即风能功率(W)
如果风力机的风轮直径为D,则
(7.2.1-3)
这时 (7.2.1-4)
若有效风速时间为t,则在时间t内的风能为
(7.2.1-5)
由上式可知,风能与空气密度、风轮直径的平方D2•风速的立方V3和风持续时间t成正比。一般说来,一定高度范围内的空气密度可以认为是一个常数。因此,当风力机的风轮越大,有效风速时间越长,特别是风速越大,则风力机所能获得的风能就越大。

表征一个地点的风能资源潜力,要视该地区常年平均风能密度的大小。风能密度是单位面积上的风能,对于风力机来说,风能密度是指风轮扫过单位面积的风能,即
W=/A=1/2V3(W/m2) (7.2.1-6)
式中 W——风能密度(W/m2);
——空气密度(Kg/m3);
V——风速(m/s)。
常年平均风能密度为
(7.2.1-7)
式中, -平均风能密度(W/m2)
T-总的时间(h)

在实际应用时,常用下式来计算某地年(月)风能密度,即
W年(月)= (7.2.1-8)
式中: W年(月)-年(月)风能密度(W/m2);
Wi(1≤i≤n)-各等级风速下的风速密度(W/m2)
Ti(1≤i≤n)-各等级风速在每年(月)出现的时间(h)。

在我国,风力资源比较丰富。据估计,我国风能储量为2.2103千瓦时以上。

2.2 风力机

1、分类

风力机是风能利用中一种最重要的风能转换装置。风力机可用于发电、提水、搅拌池水充氧和致热等。它主要有下列三种分类方法:

按风力机功率:分为大中小型风力机。功率在10千瓦以下的风力机叫小型风力机,10至100千瓦叫中型风力机,100千瓦以上叫大型风力机。

按风力机风轮轴位置:分为水平轴风力机和垂直轴风力机。水平轴风力机的风轮轴与风向平行(图7.6),而垂直轴风力机的风轮轴与风向垂直(图7.7)

按风轮转速:分为高速风力机和低速风力机。




图水平轴风力发电机
1-风轮;2-调速控制系统;3-发电机(做功装置);4-尾轮(方向控制);
5-蓄电池(储能装置);6-塔架;7-轮壳。
图 垂直轴风力机



2、风力机的性能和特点

(1) 功率吸收

风轮从风中吸收的功率等于风轮效率几乘以通过风轮扫掠面的体积流量VTAT,再乘上压力加动能变化Δθ之和:

对于常规的水平轴风力机,设风的初始速度为V0,当空气接近风轮时,空气速度逐渐减小,直到通过风轮,并离开一段距离,速度却是下降的。当空气的速度增加,直到速度达到初始速度。
图 水平轴风力机的最佳性能

当空气吹过风轮时,单位体积的空气的压力能和动能之和是常数。压力能增加,动能减小。在风轮面上,压力能达到最大。当空气通过风轮时,空气将动能传给风轮,压力能大大下降,低于大气压。当空气离开风轮向后运动时,空气压力增加,直到达到大气压。空气通过风轮后,它的动能进一步下降,直到它的压力恢复到大气压。

流经风轮的气流流管的横截面积与空气的速度成反比,当空气流向风轮,通过风轮,直到离开它一段距离,空气的流管是膨胀的。当扰动的空气从周围的风中吸取动能之后,由于气流中的扰动弥散,风轮的影响消失。

风轮的效率(功率)系数定义为风轮提供的功率除以风轮扫掠面内气流的总有用功率:
功率系数: Cp=风轮提供功率/ (7.2.1-10)
从动量理论得知:风轮从空气中吸收的最大能量是通过风轮空气的动能的九分之八。这时,风速的最大损失是空气初始速度V0的三分之二。

风轮的最大功率系数为:
(7.2.1-11)

其中,V03/2是空气单位体积的功率密度。系数0.593称为贝兹系数,这是风轮的最大功率系数。

(2) 典型功率系数

理想风轮的功率系数随叶片尖端速度与风速之比(尖速比λ)而变化。当尖速比λ达到5或6时,功率系数达到最大0.59。


试验表明,具有较好气动外形的二叶片风轮,当其转动速度较大;尖速比为5或6时,功率可达0.47。

同样,对于垂直轴风力机,达里厄风轮在圆周速度和空气速度之比为6时,最大功率系数可达0.35。还有其他形式的风轮,最大功率系数较低,对应的尖速比都小于高速水平轴风轮和垂直轴达里厄风轮(图7.9)。




图典型功率系数



(3) 输出特性:

具有固定桨距的水平轴风轮产生的扭矩随风速和转速变化。如果叶片的旋转速度太低,叶片将失速,风轮输出的扭矩下降,因此为了从气流中取得最大功率输出(当气流速度变化时)必须改变叶片的桨距角或叶片的转速。现在很多风力机风轮都设计成变桨距叶片,使风轮以常转速运行。

当风速额定风速,风轮转速必须随风速改变,以便从空气中取得最大功率。但对于由风轮驱动的同步或异步交流发电机来说,这并不是最佳的。这种不匹配问题对于风轮及其输出关系来说是很重要的。解决的方法之一是准许风轮转速随风速变化,同时使用变速恒频发电系统,以得到电网所需的常频电流。为此,可使用差动装置。

美国MOD—O风力机,在风速大于额定风速时,为简化设计,减小功率,风轮的功率系数CP=0.35。该机的最大理论输出如下图的虚线所示。在风速为27米/秒时,输出功率应为4935千瓦。然而,带有固定增速比齿轮传动装置的同步系统发电机只能是常转速,所以风轮转速要一定。除去摩擦损失之后,在切入速度3.8米/秒和额定风速8米/秒之间,可以保持理想的最大输出。通过改变系统输出载荷,可以保持风轮转速为40周/分。 当风速大于8米/秒时,通过改变风轮叶片的桨距角保持风轮转速为40周/分。用这样的方法,在额定风速8米/秒和切出风速27米/秒之间,保持恒定的功率输出,在27米/秒时,风轮叶片顺桨,保护风力机。这种风力机不会导致有效风能很大的损失。



图MOD-0风力机(风轮直
径38米,额定功率100千瓦)的功率输出。

理论功率密度时间曲线表示在风场上具有特定功率系数的风力机,在一年内,能提供某一功率密度的小时数。在这样一条功率密度曲线下的面积表示安装在该风场上风力机的风轮单位面积上每年产生的总的有效能量。例如:一台功率系数为0.35的风力机,安装在具有下图功率密度时间曲线的风场上,风轮扫掠面每平方米面积上能产生1000瓦以上的功率小时数,每年为876小时。



图 Cp=0.35风力机的理论功率密度时间曲线

这样的风力机,带有固定传动比的增速装置驱动的固频交流发电机,其实际功率密度小于上述理论值。例如,这种风力机的切入风速为6.7米每秒,额定风速为13.4米/秒。切出风速为27米/秒,而实际输出功率密度按图7.12虚线变化。每年的实际能量密度输出用虚线下的暗影面积表示。








图 每年实际功率密度输出(一台风力机)

因为气流的功率随空气速度和风轮扫掠面变化,所以当风场的风速增加和风轮直径平增大,都能使风力机的功率输出增加。

然而,为了降低风能利用成本,风力机的大小和安装地点必须认真选择。

(4) 附加载荷

当风力机运行时,还会产生几种附加载荷,对叶片的运动产生很大的影响。它包括陀螺力、叶片不平衡力、风剪切、风的不均匀性、阵风、重力和塔尾流的影响。这些载荷可能引起叶片、塔架、轴承和其它部件周期运动和振动,并且会对风力机系统的可靠性、寿命和性能产生严重的影响。当设计风力机时,这些载荷都需要仔细进行分析。



















图 风力机的附加载荷

(5) 生产能量的成本

虽然风力机的成本随着尺寸的增大而增加,但是风力机每千瓦的成本随着尺寸增大而下降,运输成本也随尺寸增大而下降。从经济上讲,最好使用大型风力机,越大越好。然而,由于目前制造和运行可靠性的限制,风力机的尺寸还不能太大。另外,风力机成本随额定风速的增加而下降。根据这个估算,批量生产的大型风力发电机(兆瓦级)的成本为批量生产的中型风力机(百千瓦级)成本的一半。

(6) 蓄能方式

风力机提供的能量完全取决于风况。由于风的不连续性,风力机提供能量是间断的。因此需要合适的蓄能设备与之配合。风力机蓄能系统可分为以下面几类:
a、电化蓄能系统——蓄电池和电解蓄氢;
b、热能蓄能系统——能通过机械运动,将产生的热蓄存起来;
c、动能系统——飞轮或超导电磁系统;
d、势能系统——泵水系统或压缩空气系统。

(7) 风力机评估标准

在风力机的应用中,要求风力机设计性能好,提供能源的成本低。这就要求,风力机(包括蓄能设备在内)投资低,各部件(叶片、发电机、轴承、齿轮箱、塔架和蓄能设备等)在风力机的使用年限内,运行和维修费用最低。

其他标准包括:
a、能源偿还时间—风力机利用风产生的能量正好等于制造风力机所消耗的能量加上在偿还期运行和维修消耗的能量所需要的时间—应短。

B、系统的能量收益—在风力机使用寿命内风力机所产生的能量除以风力机制造、运行和维修所需的能量—应大。

2.3 风场选择

由于风力机的能量输出与风速三次方成正比,所以选择风力机的安装地点时,特别要小心。因为当风吹过地表时,水气的空气流会产生剪切和加速。剪切的作用会使地面上风速比高空的风速低得多。而不受剪切影响的高度比气象站测量高度(10米)要大得多。

风的剪切要受地形影响,因此有效风能也受地形影响。也就是说,建筑物、树及其他障碍物对剪切和有效风能有影响。
图 地形对风的影响

当气流通过山丘或窄谷时,气流产生加速作用,利用这一特点,可以将风力机安装在这样的有利地形上以增加功率输出,有关地形影响见上图和下表所示:


风特性 对风力机影响
不稳定 功率不稳定,有时为零,要求蓄能或备用设备
风向稳定 输出最大功率,螺旋桨风轮总对准风
由于地表面的粗糙不平和地形变化引起的风空间分布不均匀(风剪切) 必须增加塔架高度,增加强度,以防阵风和大风产生的大载荷。


风洞试验表明:一个风场上风力机之间的距离应有一定的要求,以免风轮之间产生干扰。试验证明,风力机之间的距离不应小于六个风轮直径。

合适的风场特性综合如下:
a、具有较高的平均风速;
b、在风力机来风的方向上没有高大建筑物(其距离与高度有关);
c、在平地的光滑山顶或湖、海中的岛上;
d、开阔的平坦地,开阔的海岸线;
e、能产生烟筒效应的山谷。

2.4风力机发展现状

2.4.1小型风力发电机(10千瓦以下)

小型风力发电机结构简单,安装和维修方便,适合于无电地区居民使用。目前,其产品已经成熟,整机效率可达25%30%,运行寿命可达20年。

小型风力发电机多采用水平轴风力机。,风轮的叶片数目23片,多用玻璃钢制造。这种材料寿命长,加工复杂的气动外形容易。为了简化结构,小型风力发电机很多采用定桨距风轮。在大风时保护风力机,只能依靠机械气动力刹车或使整个风轮自动偏离风向。
我国小型风力发电机(50200瓦)发展很快,现已推广应用10多万台,主要分布在内蒙、新疆、青海、甘肃等地。

2.4.2中型风力发电机(10100千瓦)

中型风力 机大多是70-80年代完成研制并商品化的,技术上已比较成熟,是目前风电场主要机种之一,多用于并网运行。

中型风力发电机多是二叶片或三叶片式风轮,风轮的功率系数CP一般在0.4左右。叶片多数采用玻璃钢制成。风轮布置多采用下风向,无尾舵,有的甚至省掉自调向专用的对风装置,依靠风轮和舱体合理布置实现自调向。

我国的10千瓦和18千瓦风力机已先后作过并网运行。

2.4.3大型风力机(100千瓦以上)

大型风力机的研究,美国、丹麦、德国等技术比较先进。我国在这方面的研究有待进一步拓展。


2.5风光互补发电系统

2.5.1系统的构成与原理

风光互补发电系统的结构框图如下:

图 风光互补发电系统结构框图

发电部分由太阳电池方阵、风力发电机组、柴油发电机组、控制器及蓄电池组组成。

2.5.1.1太阳电池方阵


图 太阳电池发电部分原理框图

上图为太阳电池发电部分的原理框图。太阳电池方阵的支路通过二极管、充电控制器并联向蓄电池充电。

充电控制器采用增量控制太阳电池方阵对蓄电池的充电过程。当蓄电池组的充电电压达到设定的最高充电电压时,自动依次切断一个或数个方阵供电支路,以限制蓄电池的充电电压继续增长,确保蓄电池的寿命,并最大限度的利用和储存太阳电池发出的电能。

2.5.1.2风力发电机组
风力发电机组一般由多台风力机和发电机组成。下图即为风力机输出功率曲线。其中Vc为起动风速,VR为额定风速,此时风机输出额定功率,VP为截止风速。


图 风力发电机输出特性

当风速小于起动风速时,风机不能转动。风速达到起动风速后,风机开始转动,带动发电机发电。输出电能供给负载以及给蓄电池充电。当蓄电池组端电压达到设定的最高值时,由电压检测得到信号电压通过控制电路进行开关切换,使系统进入稳压闭环控制,既得保持对蓄电池充电,又不致使蓄电池过充。在风速超过截止风速时,风机通过机械限速机构使风力 机在一定转速下限速运行或停止运行,以保证风力机不致损坏。

2.5.1.3蓄电池组

如同独立光伏系统中的蓄电池组,发挥同样的作用,储能供无风、无日照的时间使用。

2.5.1.4控制器

在风光互补发电系统中,控制器主要包括风电控制系统,光电控制系统和蓄电池充放电控制器三部分。它们主要是根据蓄电池的充电状况来控制风力发电机组,太阳电池发电方阵的运行方式和开断情况,从而保证负载的正常供电以及系统各个部分的安全运行。

2.5.1.5逆变器

逆变器在系统框图中未标出,它将风力发电机组输出变换后得到的直流电,以及太阳电池方阵输出和蓄电池放电转换成负载所需要的交流电。逆变器主电路由大功率晶体管构成,采用正弦脉宽调制,抗干扰能力强,三相负载不平衡度可达0—100%,还有很强的过载及限流保护功能。

2.5.1.6阻塞二极管

作用也是防止无日照时蓄电池通过太阳电池方阵放电。

2.5.1.7备用柴油发电机

当连续很多天无风,无太阳时可启动备用柴油发电机对蓄电池补充充电,以防止蓄电池长时间处于缺电状态。一般柴油发电机只提供保护性的充电电流,其直流充电电流值不宜过高。对于小型的风光互补发电系统,有时可以不配柴油发电机。

2.5.2系统的设计

对于风光互补发电系统设计,其中涉及的问题很多。在这里主要通过一个列子,简单说明风力发电机与太阳电池的功率分配这一核心问题。

例中,风力发电机选用太原汾西机器厂50W—200W系列产品,太阳电池选用哈尔滨克罗拉公司3W—120W非晶硅系列,其电池转换效率取6%,寿命20年。蓄电池选用铅蓄电池,寿命3—5年,放电率30%。不配备柴油发电机。

1、 根据资料对当地风力机与太阳电池的年发电量及二者互补的发电量进行测算,如下表所示:

各发电量数据(单位KWh/年)



2.根据负载要求,选择可能的发电方式,设负载功率130瓦,每天工作5小时,年需要240KWh。根据上表可以选择100Wyc风力 发电机单独发电,或者两组HC9151220电池板并联100W太阳电池单独发电,或者50Wyc风力发电机加一组HC9151220 50W太阳电池互补发电。

3.蓄电池容量的确定,在不需要连续供电的场合,如生活用电,为了降低成本,可以只根据负载每日所需的能量与场合,如差转台、航标灯用电,则必须考虑天气变化(如连雨天,连续无风)的因素加修订。设蓄电池电压24V,计算结果





4、三种发电方式的经济效益对比列入下表,另外,当负载需要量大时,风电—光电互补可以有多种组配方式。此时,可以按照上述原则分别计算,然后比较优劣,求得最佳匹配。

从下表可以看出,利用风能和太阳能互补发电;性能价格比要高得多,发电品质也好。



河南诚耐能源技术有限公司
河南诚耐能源技术有限公司由台湾年代厨卫有限公司、江苏振发太阳能科技发展公司、年代能源环保工程有限公司共同合作组建而成,专业从事新能源的技术研究及新能源产品开发,同时又是江苏振发太阳能科技公司在中原的唯一大型生产及销售基地,是专业从事生物质能、太阳能产品研发、生产和销售的高科技企业,座落在风景秀丽、经济发达、人文底蕴深厚的“历史文化古城”--郑州市。公司拥有一大批长期从事生物质能、光伏、电子、自动控制、照明等领域的研究员、高级工程师以及其他方面的专业技术人才,是河南省民营科技企业。公司与无锡尚德太阳能电力有限公司、中国农业机械化科学研究院可再生能源所合作组建了太阳能应用产业联合体。公司拥有ISO9001质量体系认证、CE认证、甲级工程咨询、甲级专项工程设计、甲级工程总承包资格并在太阳能电力应用方面获得了12项国家专利。 

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Re: 风光互补系统

帖子adamc » 2010年 4月 28日 10:23



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