风光储互补发电系统课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,风光互补发电系统,2024/9/16,*,1.发电部分：由1台或者几台风力发电机和太阳能电池板矩阵组成，完成风电；光电的转换，并且通过充电控制器与直流中心完成给蓄电池组自动充电的工作。,2. 蓄电部分：由多节蓄电池组成，完成系统的全部电能储备任务。,3. 充电控制器及直流中心部分：由风能和太阳能充电控制器、直流中心、控制柜、避雷器等组成。完成系统各部分的连接、组合以及对于蓄电池组充电的自动控制。,4.供电部分：由一台或者几台逆变电源组成，可把蓄电池中的直流电能变换成标准的220V交流电能，供给各种用电器。,2024/9/16,*,风力发电机,太阳能电池板,逆变器 控制器 电池,2024/9/16,*,逆变器,2024/9/16,控制器,WPVS经济型控制器具有PWM充控制模式充电具有电池反接、光伏电池反接保护功能，两路负载过流、短路告警保护功能，两路负载多重控制模式：光控、时控、全开放功能，电池过充和过放告警保护功能，两路负载不同电压下保护功能，光伏输入端防雷保护功能，蓄电池温度补偿功能，有效延长蓄电池的使用寿命系统异常告警保护功能，RS485通信功能，工作状态和发电数据可以实时上传，后台（可扩展GPRS无线，TCP/IP有线通信）光控开灯：天黑自动开灯，天亮自动关灯。,2024/9/16,*,蓄电池,(,组,),的作用是将太阳能风能发出的直流电直接储存起来，供负载使用。在风光互补发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，当日照量风量大时，除了供给负裁用电外，还对蓄电池充电；当日照量风量小时，这部分储存的能量将逐步放出。,蓄电池组,作用,1,比较好的深循环能力，有着很好的过充和过放能力。,2,长寿命，特殊的工艺设计和胶体电解质保证的长寿命电池。,3,适用不同的环境要求，如高海拔，高温，低温等不同的条件下都能正常使用的电池。,特性,2024/9/16,最初的风光互补发电系统，就是将风力机和光伏组件进行简单的组合，因为缺乏详细的数学计算模型，同时系统只用于保证率低的用户，导致使用寿命不长。,近几年随着风光互补发电系统应用范围的不断扩大，保证率和经济性要求的提高，国外相继开发出一些模拟风力、光伏及其互补发电系统性能的大型工具软件包。通过模拟不同系统配置的性能和供电成本可以得出最佳的系统配置。,在国外对于风光互补发电系统的设计主要有两种方法进行功率的确定：一是功率匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的功率和风机的功率和大于负载功率，只要用于系统的优化控制；另一是能量匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的发电量和风机的发电量的和大于等于负载的耗电量，主要用于系统功率设计。,据国内有关资料报道，目前运行的风光互补发电系统有：西藏纳曲乡离格村风光互补发电站、用于气象站的风能太阳能混合发电站、太阳能风能无线电话离转台电源系统、内蒙微型风光互补发电系统等。,*,现状,2024/9/16,中国内陆第一风光互补项目摘要,2014年9月19日，中国第一风光互补绿色新能源基地（内陆）宿州埇桥解集乡首期20MW光伏电站项目正式开工建设。,该风光互补绿色新能源基地总装机规模为600MW，其中光伏装机容量为400MW，风力发电装机容量为200MW,电站首期20MW投运后，第一年发电量为2559.74万千瓦时，可供约110万人使用绿色电力，与燃煤电厂相比可节约标煤192290吨，减少二氧化硫排放17220吨，减少二氧化碳排放344400吨，相当于每年种植树木20万棵，从而有效改善大气环境质量降低PM2.5值。,2024/9/16,*,1.,昼夜互补：,白天太阳能发电，夜间风能发电；,2.,季节互补：,夏季日照强烈，冬季风能强盛；,3.,稳定性提高：,利用风光的天然；,4.,互补性强：,大大提高系统供电稳定性；,5.,零电费、零排放、零污染、节能减排、绿色环保,。,优势,2024/9/16,*,缺点,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。,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。,3.成本较高，在极端恶劣天气下有可能无法正常供电。,2024/9/16,偏远农村的生活生产用电,高速公路等地的监控设施,路灯照明系统,无人值守的自动气象站,通信基站中的应用,并网发电,*,应用前景,成本,障碍,2024/9/16,*,火 水 核 风 太阳 发电成本比较,火力,水力,核能,风力,太阳能,风光互补,成本,0.4元/度,0.3元/度,0.45元/度,0.52元/度,0.7元/度,上网电价,1.25元/度,成本是否稳定,不,是,是,是,是,是,成本稳定,或,不稳定,的,原因,受到化石燃料的影响,水力发电前期投资大，后期只需运营维护,前期费用高，核燃料性价比高于煤炭,维护费用较低，前期投资大。随着科技进步前期投入逐渐降低,维护费用较低，前期投资大。随着科技进步前期投入逐渐降低,维护费用较低，前期投资大。随着科技进步前期投入逐渐降低,2024/9/16,风光互补系统并网中的障碍,1.风机与光伏分别发出交流电和直流电，并网前需进行整流、逆变,2.蓄电池性能下降后，会影响电能质量,3.资源不确定性导致发电与用电负荷的不平衡,2024/9/16,可靠性是对发电系统最基本的要求。风速以及太阳辐射的间歇性、多变性等特性，对于发电系统的发电量有着直接的影响，导致可靠性问题在风光储互补发电系统中尤为重要。可靠性是指发电系统长时间向用电负荷提供持续、充足电量的能力。常见的可靠性评价指标为全年负荷损失率（Loss of Power Supply Probability,，,LPSP,）,。,式中：,P,f,(,t,i,),、,P,pv,(,t,i,),、,P,bat,(,t,i,),分别为风力发电机、光伏电池板以及蓄电池在,t,i,时刻的输出功率；,P,L,(,t,i,),为第,t,i,时刻用电负荷所需消耗的功率；,N,为全部计算区间的个数。,LPSP,越小，代表发电系统的可靠性越高。,第,i,天供电不平衡量,E,(,i,),的计算公式为：,全年负荷正常工作率,E,bat,(,i,),为第,i,天开始时蓄电池所存电量；,W,f,(,i,),为第,i,天风力发电机所发电量；,W,pv,(,i,),为第,i,天光伏电池板所发电量；,Q,l,(,i,),为第,i,天负荷消耗电量。,E,(,i,)0,说明当天电量有盈余，反之则说明当天负荷缺电。,假设该地区重要负荷（第一、二级负荷）所占比重为,a,，那么若第,i,天总缺电量超过非重要负荷的耗电量,式中：,E,(,i,),为第,i,天供电不平衡量；,Q,l,(,i,),为第,i,天负荷耗电量。,2024/9/16,能量浪费率,风光储互补发电系统利用两种清洁可再生能源进行联合发电。为提高可再生能源的利用率，此类系统一般会安装蓄电池来实现电量储存，从而起到提高能源利用的作用。但由于风能与太阳能的天然特性等因素，发电情况并不能保证绝对合理。为了减少因为发电过量而导致多余电能通过卸荷电路进行消耗，全面提高发电系统的能源利用率，需要对系统利用可再生能源的能力进行评估。因此，本文提出能量浪费率（Loss of Energy Probability,，,LEP,）的评价指标，评价系统的能源利用能力。其定义为系统在全年运行过程中未被使用或储存的电能除以系统发出的全部电能，其值越小，说明该系统对可再生能源的利用率越高，浪费的能源也越少。其基本计算过程如下：,第,i,个时间段电量盈余的计算公式为：,若,E,1,(,i,),E,bat_r,，那么表明此时的蓄电池已经充满，反之则蓄电池未充满电，仍可继续充电。记,M,LEP,(,i,),为能量浪费标志，用来标识每天的能量浪费状态，可以表示为：,由此可得能量浪费率的计算公式：,2024/9/16,系统能量波动率,为了使风光储互补发电系统能够充分利用两种可再生清洁能源的天然互补性，在对容量进行优化配置的时候必须考虑这两种清洁能源的自然特性所带来的影响。并且，在利用两种可再生能源的互补特性的同时，又配有蓄电池进行缓冲，因此希望经过优化配置后的混合发电系统，其输出的电量曲线应尽可能的与用电负荷的耗电量曲线相接近，减少发电系统与用电负荷之间产生较大的电量差值的可能性，减少整个系统的能量波动，提高系统的供电质量。,基于以上因素考虑，本文采用波动的概念，提出了两种可再生能源输出总电量与蓄电池电量变化之和相对于负荷耗电量的波动率,K,l,，以此来表征系统能量的波动率，其计算公式如下：,式中：,Q,L.ave,为负载的平均耗电量，单位kWh,；,Bat,(,i,),为蓄电池储能变化量。当,Bat,(,i,)0,时，说明蓄电池作为电源发出电能给负载；当,Bat,(,i,)0,时，说明蓄电池作为负载吸收电能。,K,l,越小，说明系统能量波动越小，即表明系统与负载的匹配度越高，且利用风光互补特性的能力也越强。,2024/9/16,系统综合成本,系统成本是风光储互补发电系统必须考虑的关键问题之一，也是最基本的问题。任何系统的建设都必须考虑成本的投入。对于风光储互补发电系统，其成本主要有三部分组成：一次投入成本、运行维护成本与元件置换成本。一次投资成本是指系统中所有元件的首次购入总支出，其主要由发电系统中三种主要的发电单元的购买成本等组成；运行维护成本主要包括系统中各发电元件的日常维护成本，通常按年计算费用；元件置换成本主要是由于系统中的部分元件可能由于寿命较短，需要更换而产生的置换费用。,为了综合考虑以上所提出的三项必要的投资成本，并尽可能的降低所使用的成本计算函数的复杂性，本文采用综合成本函数对系统投资成本进行计算，其定义式如下：,式中：,C,f,、,C,pv,、,C,bat,分别为风力发电机、光伏电池板、蓄电池的单价，单位元；,N,f,、,N,pv,、,N,bat,分别为风力发电机、光伏电池板、蓄电池的使用数量，单位个；,C,OM_f,、,C,OM_pv,、,C,OM_bat,分别为单位时间内风力发电、光伏发电、蓄电池充放电的运行维护成本，单位元/,年；,t,f,、,t,pv,、,t,bat,分别为风力发电部分、光伏发电部分以及蓄电池部分的工作时长，单位年；,C,f,R,、,C,pv,R,、,C,bat,R,分别为风力发电机、光伏电池板以及蓄电池的置换成本，若其使用寿命大于工程预运行时间，则其置换成本计为0,元。,2024/9/16,*,谢 谢,结束放映,2024/9/16,2024/9/16,*,风力发电部分,2024/9/16,*,风力发电是指利用风力发电机组直接将风能转化为电能的发电方式。在风能的各种利用形式中，风力发电是风能利用的主要形式，也是目前可再生能源中技术最成熟、最具有规模化开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。,2024/9/16,第一台风力发电机,Charles F. Brush 1887,年在美国俄亥俄州克利夫兰建造了首个风力发电涡轮，重达,4,吨,，高,60,英尺,(,18.3,米,),，有,144,个叶片，有个长长的彗星般的尾巴。该风力涡轮发电机仅仅能产生,12,千瓦的电力，供电量仅供今日美国三个家庭使用。,*,2024/9/16,*,形态各异的风力发电机,2024/9/16,*,风力发电机的组成,2024/9/16,*,风力发电机的组成,风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮,(,包括尾舵,),、发电机和铁塔三部分。,风轮,是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只,(,或更多只,),螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料,(,如碳纤维,),来制造。,铁塔,是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高，为的是获得较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定，一般在,6-20,米范围内。,发电机,的作用，是把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机构均匀运转，因而把机械能转变为电能。,2024/9/16,*,优缺点,优点：,1、清洁，环境效益好；,2、可再生，永不枯竭；,3、基建周期短；,4、装机规模灵活。,缺点：,1、噪声，视觉污染；,2、占用大片土地；,3、不稳定，不可控；,4、目前成本仍然很高。,5、影响鸟类。,2024/9/16,*,风能资源的地域分布,我国的风能资源分布广泛，其中较为丰富的地区主要集中在东南沿海及附近岛屿以及北部（东北、华北、西北）地区，内陆也有个别风能丰富点。此外，近海风能资源也非常丰富。,（,a,）,沿海及其岛屿,地区风能丰富带：沿海及其岛屿地区包括山东、江苏、上海、浙江、福建、广东、广西和海南等省（市）沿海近,10,千米宽的地带，年风功率密度在,200,瓦,/,平方米以上，风功率密度线平行于海岸线。,（,b,）,北部地区,风能丰富带：北部地区风能丰富带包括东北三省、河北、内蒙古、甘肃、宁夏和新疆等省（自治区）近,200,千米宽的地带。风功率密度在,200-300,瓦,/,平方米以上，有的可达,500,瓦,/,平方米以上，如阿拉山口、达坂城、辉腾锡勒、锡林浩特的灰腾梁、承德围场等。,（,c,）,内陆风能,丰富区：风功率密度一般在,100,瓦,/,平方米以下，但是在一些地区由于湖泊和特殊地形的影响，风能资源也较丰富。,2024/9/16,*,我国风电累计装机容量,我国可开发利用的风能资源十分丰富，在国家政策措施的推动下，经过十年的发展，我国的风电产业从粗放式的数量扩张，向提高质量、降低成本的方向转变，风电产业进入稳定持续增长的新阶段。,2015,年，中国风电装机量再创新高。全国累计安装风电机组,92981,台，累计装机容量,145362MW,，同比增长,26.8%,。,2024/9/16,*,我国风电发电量,2009,年我国风电发电量为,276,亿千瓦时；,2015,年,1-11,月我国风电发电量为,1659,亿千瓦时。,2024/9/16,*,我国风电设备利用小时数,2009,年我国,6000,千瓦及以上电厂发电设备利用,2077,小时；,2015,年,1-11,月我国,6000,千瓦及以上电厂发电设备利用,1611,小时。,2024/9/16,*,一是由于风电机组设计和工艺的改进，性能和可靠性提高，加上塔架高度增加以及风场选址评估方法的改进等，未来将增大风电机组的单机容量,二是提高叶轮的捕风能力，主要体现在叶轮直径增大，单位千瓦扫掠面积提高,。,三是提高风能转换效率，使风机叶轮转换效率从,0.42,接近,0.5,。,四是风力发电面临各种极端天气条件，风电场机组布置分散，到达性差，维护不变，机组质量问题带来双重损失，不仅降低了设备的可利用率，还浪费了风资源，损失了发电量，因此要求提高风电机组及部件质量。,五是风电机组大型化受到道路如隧道高度的限制，需要重型拖车和安全驾驶，增强机组运输和安装便捷性。,六是风电机组工作环境面临高温、高湿、高海拔、盐雾、风沙、低温等，并抵抗台风、沙尘暴、雷电、冰冻、海上浮冰等灾害性气候，需要增强机组环境适应性。,我国风力发电六大未来发展趋势,2024/9/16,2024/9/16,*,光伏发电部分,2024/9/16,*,我国太阳能资源情况,我国太阳能资源可分为五类地区,：,一类地区,：年太阳辐射总量为,1889,2333 KWh/ m,，峰值日照时数,5.17,6.39 h,。如：宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西部、西藏西部。,二类地区,：年太阳辐射总量为,1625,1889 KWh/ m,，峰值日照时数,4.45,5.17h,。如：河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部、新疆南部。,三类地区,：年太阳辐射总量为,1389,1625 KWh/ m,，峰值日照时数,3.81,4.45h,。如：山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、苏北、皖北、台湾西南部。,四类地区,：年太阳辐射总量为,1167,1389 KWh/ m,，峰值日照时数,3.2,3.81h,。如：湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕南、苏南、皖南、黑龙江、台湾东北部。,五类地区,：年太阳辐射总量为,930,1167 KWh/ m,，峰值日照时数,2.55,3.2h,。如：四川、贵州。,2024/9/16,*,什么是光伏发电装置,光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，主要部件由电子元器件构成。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。,2024/9/16,*,光伏发电部分组成,2024/9/16,*,太阳能电池板,功能,太阳能电池板是太阳能光伏发电系统中的核心部分，其作用是,将太阳能直接转换成电能，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。,结构,2024/9/16,*,1.单晶硅,大规模生产转化率：19.821%；大多在17.5%。目前来看再提高效率超过30%以上的技术突破可能性较小,2.多晶硅,大规模生产转化率：1818.5%；大多在16%。和单晶硅一样，因材料物理性能限制，要达到30%以上的转化率的可能性较小。,3.砷化镓,砷化镓太阳能电池组的转化率比较高，约23%。但是价格昂贵，多用于航空航天等重要地方。基本没有规模化产业化的实用价值。,4.薄膜,薄膜光伏电池具有轻薄、质轻、柔性好等优势，应用范围非常广泛，尤其适合用在光伏建筑一体化之中。如果薄膜电池组件效率与晶硅电池相差无几，其性价比将是无可比拟的。在柔性衬底上制备的薄膜电池，具有可卷曲折叠、不拍摔碰、重量轻、弱光性能好等优势，将来的应用前景将会更加广阔。,目前非晶硅薄膜转化率9%左右。非晶硅的转化率却有希望提升得更高。,类型,2024/9/16,*,太阳能电池板,工作原理,2024/9/16,*,太阳能控制器,作用,太阳能控制器的基本作用是,为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，,快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗，尽量延长蓄电池的使用寿命；同时,保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。,如果用户使用的是直流负载，通过太阳能控制器可以为负载提供稳定的直流电,(,由于天气的原因，太阳电池方阵发出的直流电的电压和电流不是很稳定,),2024/9/16,*,1,、使用了单片机和专用软件，实现了智能,控制,；,2,、利用蓄电池放电率特性修正的准确放电,控制,。放电终了电压是由放电率曲线修正的控制点，消除了单纯的电压控制过放的不准确性，符合蓄电池固有的特性，即不同的放电率具有不同的终了电压；,3,、具有过充、过放、电子短路、过载保护、独特的防反接保护等,全自动控制,;,以上保护均不损坏任何部件，不烧保险；,4,、采用了串联式,PWM,充电主电路，使充电回路的电压损失较使用二极管的充电电路降低近一半，充电效率较非,PWM,高,3%-6%,，增加了用电时间,;,过放恢复的提升充电，正常的直充，浮充自动控制方式使系统由更长的使用寿命,;,同时具有高精度温度补偿；,5,、直观的,LED,发光管指示当前蓄电池状态，让用户了解使用状况；,6,、所有控制全部采用工业级芯片,(,仅对带,I,工业级控制器,),，能在寒冷、高温、潮湿环境运行自如。同时使用了,晶振定时控制,，定时控制精确；,7,、取消了电位器调整控制设定点，而利用了,E,方存储器记录各工作控制点，使设置数字化，消除了因电位器震动偏位、温漂等使控制点出现误差降低准确性、可靠性的因素；,8,、使用了数字,LED,显示及设置，一键式操作即可完成所有设置，使用极其方便直观的作用是,控制整个系统的工作状态,，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。,太阳能控制器,特点,2024/9/16,*,光伏发电转化率的衰减,晶硅光伏组件安装后，暴晒50100天，效率衰减约23%，此后衰减幅度大幅减缓并稳定有每年衰减0.50.8%，20年衰减约20%。单晶组件衰减要约少于多晶组件。非晶光做组件的衰减约低于晶硅。,因此，提升转化率、降低每瓦成本仍将是光伏未来发展的两大主题。无论是哪种方式，大规模应用如果能够将转化率提升到30%，成本在每千瓦五千元以下（和水电相平），那么人类将在核聚变发电研究成功之前得到最为广泛、最清洁、最廉价的几乎无限的可靠新能源。,2024/9/16,*,优缺点,优点：,1、太阳能取之不尽，用之不竭，地球表面接受的太阳辐射能，能够满足全球能源需求的1万倍。只要在全球,4%,沙漠上安装太阳能光伏系统，所发电力就可以满足全球的需要。太阳能发电安全可靠，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击。,2、太阳能随处可取，可,就近供电,，不必长距离输送，避免了长距离输电线路的损失；,3、太阳能不用燃料，运行,成本很低,；,4,、太阳能发电不会产生任何废弃物，没有污染、噪声等公害，对环境无不良影响，是理想的,清洁,能源；,太阳能发电的理论节能数据,太阳能发出,1KWh(1,度,),电能，可节约标准煤（7000大卡）,0.4,公斤，可减少二氧化碳排放,0.75,公斤，可减少灰渣排放,0.28,公斤，可减少粉尘排放,0.05,公斤。,缺点：,1、地面应用时有间歇性和随机性，发电量与气候条件有关，在晚上或阴雨天就不能或很少发电；,2、能量密度较低，标准条件下，地面上接收到的太阳辐射强度为1000W/M2。大规格使用时，需要占用较大面积；,3、价格比较贵，为常规发电的315倍，初始投资高。发点成本比火电高。,4、后期投资较大，储能的蓄电池平均每2-3年要更换一次。,5、光伏板制造过程中不环保。,2024/9/16,2024/9/16,