焦利利，楊 風(fēng)，羅 威

(中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，山西 太原 030051)

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池方陣、智能控制器、蓄電池組、多功能逆變器、電纜及支撐和輔助件等組成一個(gè)發(fā)電系統(tǒng)，將電力并網(wǎng)送入常規(guī)電網(wǎng)中。夜間和陰雨天無(wú)陽(yáng)光時(shí)由風(fēng)能發(fā)電，晴天由太陽(yáng)能發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了全天候的發(fā)電功能。目前，世界各國(guó)都對(duì)新型能源進(jìn)行了深入的研究和開(kāi)發(fā)［1］。目前歐洲在這方面處于領(lǐng)先水平，特別是在風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)方面取得了大量成果。

因?yàn)樘?yáng)能與風(fēng)能的互補(bǔ)性，即在有風(fēng)的時(shí)節(jié)，風(fēng)能多太陽(yáng)能少，反之亦然。另外，太陽(yáng)能與風(fēng)能的蓄電池與逆變器可以相同。光伏發(fā)電的主要吸引力是光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電力對(duì)環(huán)境無(wú)破壞，通過(guò)將無(wú)盡的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。光伏陣列成本的持續(xù)下降和效率的增加意味著在不久的將來(lái)光伏發(fā)電系統(tǒng)將會(huì)有很大的前景。而我們需要利用這種性質(zhì)，完善一個(gè)系統(tǒng)使之可以全年提供充足電能，同時(shí)可靠性與經(jīng)濟(jì)性也得到很好的滿足。在電力能源比重與日俱增的今天，通過(guò)各種手段獲得電力能源成為現(xiàn)階段電氣研究的重中之重，因?yàn)樵谝恍┑貐^(qū)，因?yàn)榄h(huán)境種種因素，無(wú)法實(shí)現(xiàn)電力能源的獲取，但又對(duì)于電力能源有所需求。如山區(qū)，公路，林區(qū)，邊防，港口等。為此，在研究的過(guò)程中，對(duì)于上述地區(qū)擁有的豐富的其他一級(jí)能源進(jìn)行調(diào)研，從而確定了以光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電相結(jié)合的太陽(yáng)能風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電，這種辦法對(duì)于上述地區(qū)的電力能源的采集和輸送是一個(gè)非常實(shí)際又行之有效的辦法。因?yàn)榇讼到y(tǒng)相對(duì)于其他單獨(dú)的發(fā)電系統(tǒng)，彌補(bǔ)了太陽(yáng)能無(wú)法晝夜發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電穩(wěn)定性不足的缺陷。無(wú)論在穩(wěn)定性，連續(xù)性與安全性上，都有很好的保障。同時(shí)在利用自然資源的時(shí)候?qū)τ诃h(huán)境沒(méi)有污染，符合可持續(xù)性發(fā)展。

1 風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)

風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)主要構(gòu)成有風(fēng)力發(fā)電機(jī)，太陽(yáng)能電池板，直流控制中心，發(fā)電端控制器，蓄電池組，逆變器與負(fù)載。風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠?qū)L(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，太陽(yáng)能電池板能夠?qū)⑻?yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，得到的電能分別通過(guò)風(fēng)力機(jī)控制器和光電板控制器輸送給直流控制器，通過(guò)控制器進(jìn)而控制電能的流向，得到的電能可以直接用于用電負(fù)載，而多余的電量將通過(guò)控制器直接輸送給蓄電池，用于負(fù)載的供電需求，若需給交流負(fù)載供電，則需要通過(guò)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電再傳送給負(fù)載。

1.1 風(fēng)力發(fā)電部分

該部分主要有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成。利用風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，再經(jīng)過(guò)控制器對(duì)蓄電池充電，同時(shí)通過(guò)逆變器對(duì)負(fù)載供電。在風(fēng)光互補(bǔ)的系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的參數(shù)也十分重要，主要有:切入風(fēng)速與切出風(fēng)速、額定風(fēng)速與額定輸出功率、最大輸出功率、風(fēng)能利用系數(shù)、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力、安裝和維護(hù)的簡(jiǎn)易性等等。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮上述因素。

1.2 光伏發(fā)電部分

光伏發(fā)電部分利用太陽(yáng)能電池板的光伏效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能。然后對(duì)蓄電池充電。通過(guò)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電。

1.3 逆變部分

逆變器是將太陽(yáng)能輸出直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姷囊环N設(shè)備。它是影響系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵因素。為了提高系統(tǒng)的適應(yīng)工作，這就要求逆變器具有合理的電路結(jié)構(gòu)，具備各種保護(hù)功能，整機(jī)效率高，輸出電壓波形的失真度低。直流輸入電壓有交換的適應(yīng)范圍［2］。

逆變器由一臺(tái)或幾臺(tái)逆變器組成。逆變器把蓄電池中的直流電能變換成為標(biāo)準(zhǔn)的220 V 交流電，保證交流電負(fù)載設(shè)備的正常使用。同時(shí)還具有自動(dòng)穩(wěn)壓功能，可改善風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能電池發(fā)電都可輸出直流電，同時(shí)可用蓄電池充電，然后靠蓄電池向負(fù)荷提供穩(wěn)定的電能。若用戶使用交流電器，通過(guò)加載逆變器，將直流電變?yōu)榻涣麟?。由于系統(tǒng)采用了風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電互補(bǔ)的結(jié)構(gòu)形式，具有較廣的應(yīng)用范圍。

1.4 控制部分

控制部分根據(jù)日照強(qiáng)度、風(fēng)力大小及負(fù)載的變化，不斷對(duì)蓄電池組的工作狀態(tài)進(jìn)行切換和調(diào)節(jié):一方面把調(diào)整后的電能直接送往直流或交流負(fù)載;另一方面把多余的電能送往蓄電池組存儲(chǔ)。保證了整個(gè)系統(tǒng)工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

1.5 蓄電池組部分

蓄電池部分由多塊蓄電池組成，在系統(tǒng)中同時(shí)起到能量調(diào)節(jié)和平衡負(fù)載兩大作用。它將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，以備供電不足時(shí)使用。蓄電池電壓采集，用于蓄電池工作電壓的識(shí)別。利用微控制器的PWM 功能，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電管理。蓄電池開(kāi)路保護(hù):萬(wàn)一蓄電池開(kāi)路，若在太陽(yáng)能電池正常充電時(shí)，控制器將關(guān)斷負(fù)載，以保證負(fù)載不被損傷，若在夜間或太陽(yáng)能電池不充電時(shí)，控制器由于自身得不到電力，不會(huì)有任何動(dòng)作。

2 系統(tǒng)工作原理

2.1 太陽(yáng)能電池原理

太陽(yáng)能電池是應(yīng)用P-N 結(jié)的光伏效應(yīng)(Photovoltaic Effect)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。理想的P-N 結(jié)二極管，其對(duì)應(yīng)的方程式如下:

式中，Ipn，Vpn為P-N 結(jié)二極管的電流及電壓;k 為波爾茲曼常數(shù)(Boltzmann Constant:1.38 ×10－23J/K);q 為電子電荷量(1.602 ×10－19庫(kù)侖);T 為絕對(duì)溫度(凱氏溫度K=攝氏溫度+273 度);Is為等效二極管的逆向飽和電流;VT為熱電壓(Thermal Voltage:25.68 mV)。

太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換為電能主要由自然光中的的量子-光子(Photons)完成的，而每個(gè)光子所攜帶的能量為:

式中，h 為普郎克常數(shù)(Planck Constant:4.14 ×10－15eV·S);c 為光速(3 ×108m/s);λ 為光子波長(zhǎng)。

2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理

風(fēng)力發(fā)電的原理，是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過(guò)增速機(jī)提升旋轉(zhuǎn)速度，從而促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。依據(jù)目前的風(fēng)車技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)每秒三公尺的微風(fēng)速度便可開(kāi)始發(fā)電［3］。風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的動(dòng)力機(jī)械，又稱風(fēng)車。廣義地說(shuō)，它是一以大氣為工作介質(zhì)的能量利用機(jī)械。

2.3 蓄電池原理

目前，絕大多數(shù)的太陽(yáng)能控制器用于自動(dòng)切換充電方法的依據(jù)采用的是在線檢測(cè)蓄電池的端電壓來(lái)判斷。但是，蓄電池的端電壓受到很多因素的制約，特別是在充電過(guò)程中，蓄電池的端電壓受到太陽(yáng)能電池端電壓的不同程度的影響，不能準(zhǔn)確表示其荷電狀態(tài)。為此提出了一種新的檢測(cè)方法——離線式檢測(cè)。在鉛酸蓄電池的理論中，蓄電池的電動(dòng)勢(shì)可表示為:

式中，E 為電池電動(dòng)勢(shì);

E0 所有反應(yīng)物的活度或壓力等于1 時(shí)的電動(dòng)勢(shì)，

稱為標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì);

R 為摩爾氣體常數(shù);

T 為溫度;

F 為法拉第常數(shù);

n 為電化學(xué)反應(yīng)中的電子得失數(shù)目。

從上式可以看出，電動(dòng)勢(shì)與硫酸濃度有關(guān)，換言之就是與荷電狀態(tài)有關(guān)。而且，根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，蓄電池的荷電狀態(tài)與其穩(wěn)態(tài)開(kāi)路電壓有良好的線性關(guān)系。因此，由蓄電池的開(kāi)路電壓可以估算出其荷電狀態(tài)。

3 控制器設(shè)計(jì)

3.1 控制器原理

控制器是對(duì)光伏電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)的電能進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，一方面把調(diào)整后的能量送往直流負(fù)載或交流負(fù)載，另一方面把多余的能量按蓄電池餓的特性曲線對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，當(dāng)所發(fā)的電不能滿足負(fù)載需要時(shí)，控制器又要把蓄電池的電能送往負(fù)載［4］。蓄電池充滿電后，控制器要控制蓄電池不被過(guò)充。當(dāng)蓄電池所儲(chǔ)存的電能放完時(shí)，控制器要控制蓄電池不能被過(guò)放電，保護(hù)蓄電池。

3.2 控制器設(shè)計(jì)

在太陽(yáng)電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電能超過(guò)蓄電池存儲(chǔ)量時(shí)，控制系統(tǒng)必須將多余的能量消耗掉。充放電控制器是能自動(dòng)防止蓄電池組過(guò)充電和過(guò)放電的設(shè)備，一般還具有簡(jiǎn)單的測(cè)量功能。蓄電池組經(jīng)過(guò)充電或放電后會(huì)嚴(yán)重影響其性能和壽命，所以充放電控制器是不可或缺的?？刂破饕獙?duì)蓄電池兩端的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)兩端電壓過(guò)高時(shí)，要切斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏電池板與蓄電池的聯(lián)系，防止發(fā)生過(guò)充現(xiàn)象;當(dāng)兩端電壓低于設(shè)定值時(shí)，要切斷蓄電池與負(fù)載的聯(lián)系，防止過(guò)放的情況。從而保證了最佳的蓄電池充電特性，使得電能得到充分利用。

由于蓄電池只能承受一定的充電電流和充電電壓，過(guò)電流和過(guò)電壓充電都會(huì)對(duì)蓄電池造成很嚴(yán)重的損害。風(fēng)光互補(bǔ)控制器通過(guò)單片機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池的充電電壓和充電電流，并通過(guò)控制風(fēng)機(jī)充電電流和光伏充電電流來(lái)限制蓄電池的充電電壓和充電電流，確保蓄電池既可以充滿，又不會(huì)損壞。從而確保了蓄電池的使用壽命［5］。風(fēng)光互補(bǔ)控制器采用液晶顯示蓄電池電壓和充電電流，使得用戶能夠直觀了解蓄電池的電壓狀態(tài)，從而使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加人性化。

4 結(jié)論

太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，然后通過(guò)控制系統(tǒng)給蓄電池充電，進(jìn)而給負(fù)載供電的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是供電可靠性高，運(yùn)行維護(hù)成本低，缺點(diǎn)是系統(tǒng)造價(jià)高。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，然后通過(guò)控制系統(tǒng)給蓄電池充電。進(jìn)而通過(guò)逆變器給負(fù)載供電的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)發(fā)電量較高，造價(jià)較低，運(yùn)行維護(hù)成本低。缺點(diǎn)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)可靠性低。

太陽(yáng)能和風(fēng)能在時(shí)間上的互補(bǔ)性使風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性，而且太陽(yáng)能和風(fēng)能都是潔凈能源，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。所以風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是資源條件最好的獨(dú)立系統(tǒng)。

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