第二章风力发电和光伏发电的基本原理2.1风力发电部分2.1.1风力发电系统的构成风力发电系统主要由风力机、发电机、整流器、DC/DC变换器、蓄电池、控制器、DC/AC、负载等组成。风力机先将风能转化为机械能，然后带动发电机将机械能转化为电能。大型风力发电机组发出的电能可以直接送到电网上，小型风力发电机一般用储能设备将发出的电能存储起来，目前小型风力发电系统中一般采用蓄电池作为储能设备，可对直流负载进行直流供电，也可经逆变器变换为交流给交流负载供电。典型小型风力发电系统结构图如图2.1所示[13]。风力机发电机整流器DC/DCDC/AC交流负载直流负载蓄电池控制器图2.1典型小型风力发电系统结构图2.1.2风力机特性(1)叶尖速比与风能利用系数根据贝茨理论可知，风力机从自然风中所获得的能量是有限的，能量的转换将会导致运动的风速下降，它随所采用风力机和发电机的形式不同。风力机的实际风能利用系数0.593pC，即贝茨理论极限值为0.593，Cp越大，表示风力机能够从自然风中获取的能量百分比也越大，风力机的效率就越高，风力机对风能的利用率也越高。对实际应用中的风力机，Cp主要是由风轮叶片的结构设计和气动以及制造工艺水平决定。风力机单位时间内风轮捕获的风能mP可用下式表示[14][15][16]：312mpPSvC(2-1)2SR(2-2)其中为空气质量密度(3kg/m)；S为风轮扫过的面积(2m)；v为通过风轮时的实际风速(m/s)；R为风轮半径(m)。由式(2-1)、(2-2)可知，在空气质量密度、风轮半径R和风速v一定时，单位时间内风轮捕获的风能mP与风能利用系数Cp成正比，而Cp与风轮固定叶尖速比有关，可以表示为：/2/60RvnRv(2-3)式中为风力机角速度(rad/s)，n为风力机转速(r/min)。风力机特性通常采用Cp与风轮固定叶尖速比和桨叶节距角之间的函数关系式来表示，即121/1C()0.5176(1160.45)0.0068p，(2-4)式中，1，三者之间的关系为：311/1/0.080.0035/(1)(2-5)当一定时，典型的()pCf关系曲线所示，它显示了桨叶节距角一定时，风能利用系数Cp与叶尖速比之间的变化曲线，当的变化时，能找到一个最大风能利用系数maxpC与m唯一对应点，此点就是最大功率输出点。0.10.20.30.40.5pCmmaxpC图2.2典型的()pCf关系曲线)输出功率特性当风力发电机启动时，需要有一定的启动力矩来克服风力发电机内部的摩擦阻力。在一定的风速范围内，启动力矩与风速大小有关，当风速低于风力发电机的切入风速inv时，此时风力发电机的启动转矩不能克服其内部的摩擦阻力，风力发电机就不能正常运行；当风速大于风力机的切出风速outv时，风力机转矩过大，容易损坏风机的塔架和桨叶等装置，必须及时制止风力机运行；当风速位于切入风速inv和切出风速outv之间时，风力发电机处于正常运行状态，风力发电机只有在正常运行状态时才能输出功率。根据前面的分析可知，对于一台实际的风力机，它的输出机械功率inP可用下式表示：230.50pinemeeoutinoutCRvvvvPPvvvvvvv，(2-6)式(2-6)中，inv为风力机切入风速，ev为风力机额定风速，outv为风力机切出风速，eP为风力机额定功率。图2.3为风力机工作时的四个区域。区域A：风速小于切入风速inv，风能不能提供足够大的风力机转子启动转矩，风力机无法将风能转化为电能；区域B：风速介于切入风速inv和额定风速ev之间，为获取最大风能转换效率，必须在该区域跟踪最大功率点，即通过控制发电机转子速度随风速变化来实现最大功率点跟踪控制；区域C：风速介于额定风速ev和切出风速outv之间，在此区间的风速较大，可能会损坏风能转换系统，必须采取措施以保证风力机运行在额定功率；区域D：风速大于切出风速outv，此时风力机转速过高很容易损坏系统，必须强制停机[13][17][18]。invevoutvvratePeP风力具有的能量0ABCD图2.3风力机运行曲线风力发电机风力发电机是将风力机的机械能转化为电能的设备。风力发电机分为直流发电机和交流发电机[19]。1.直流发电机(1)电励磁直流发电机。该类发电机分自励、它励和复励三种形式，小型直流发电系统一般和蓄电池匹配使用，装置容量一般为1000W以下。(2)永磁直流发电机。这种发电机与电励磁式直流发电机相比结构简单，其输出电压随风速变化，需在发电机和负载间增加蓄电池和控制系统，通过调节控制系统占空比来调节输出电压。由于直流发电机构造复杂、价格昂贵，而且直流发电机带有换向器和整流子， 一旦出现故障，维护十分麻烦，因此在实际应用中此类风力发电机较少采用 [20] 。 2. 交流发电机 交流发电机分：同步发电机和异步发电机。同步发电机在同步转速时工作，同 步转速是由同步发电机的极数和频率共同决定，而异步发电机则是以略高于同步发 电机的转速工作 [21] 。主要有无刷爪极自励发电机、整流自励交流发电机、感应发电 机和永磁发电机等。 目前在小型风力发电系统中主要使用三相永磁同步发电机。三相永磁同步发电 机一般体积较小、效率较高、而且价格便宜。永磁同步发电机的定子结构与一般同 步电机相同，转子采用永磁结构，由于没有励磁绕组，不消耗励磁功率，因而有较 高的效率。另外，由于永磁同步发电机省去了换向装置和电刷，可靠性高，定子铁 耗和机械损耗相对较小，使用寿命长 [21] 。 本文选用三相永磁同步发电机，通过智能控制器将发的交流电变换成可控直流 电给蓄电池充电。当蓄电池充满电时，减少或停止给蓄电池充电。为防止风力发电 机过速造成飞车，需要将多余的能量消耗在卸荷负载上，实现功率九游官网app平衡。由于永磁 同步发电机的功率输出不能通过自身来调节，为了调节其输出功率，必须设计功率 控制电路。另外控制系统的设计较复杂，相对于感应发电机此类系统成本要高，在 实际应用中要综合考虑经济性。 2.2 太阳能光伏电池原理及其特性 2.2.1 光伏电池的工作原理 光伏电池是直接将太阳能转换为电能的器件，其工作原理是：当太阳光辐射到 光伏电池的表面时，光子会冲击光伏电池内部的价电子，当价电子获得大于禁带宽 度 g E 的能量，价电子就会冲出共价键的约束从价带激发到导带，产生大量非平衡状 态的电子-空穴对。被激发的电子和空穴经自由碰撞后，在光伏电池半导体中复合达 到平衡。图 2.4 为太阳光辐射到光伏电池表面具体解析图，光伏电池本质是半导体 P-N 结的“光生伏打效应” [22] 。图2.4 中，①是光伏电池表面反射回去的部分光线； ②是刚进光伏电池表面被吸收生成电子-空穴对的光线，它们还未到达P-N 结就被很 快地复合还原，对产生光生电动势没有贡献；③是在 P-N 结附近被吸收生成电子- 空穴对的部分光线，它们是能使光伏电池有效发电的有用光线。④指辐射到电池片 深处，距离P-N 结较远的地方才被吸收的光线，它们与光线②的情况相同，虽能够 产生电子-空穴对，在P-N 较远处被复合，只有极少部分能量产生光生电动势；⑤是 被电池吸收，但是由于能量较小不能产生电子-空穴对的光线；⑥是没有被电池吸收 而透射过去的少部分光线。由上面的分析可知，主要是光线③能够产生光生电动势， 它们的比例数量越高，光伏电池的光电转换效率就越高 [22] [23] 。 1 2 3 4 5 6 3 上电极 P-N结 下电极 N P 图2.4 光伏电池表面受光照情况 光伏电池两极加上负载后，光线③部分在外电路上形成电流的过程如图 2.5 所 示。P-N 结附近的少数载流子在P-N 结的漂移作用下，空穴流向P 区，N 区的电子 留在N 区；电子流向N 区，P 区的空穴留在P 区，形成光生电场。从外电路看，P 区为正，N 区为负，一旦接通负载，电流从P 区流出，通过负载而从N 区流回电池 [24] 。 上电极 下电极 N P - + - + 光子 + - - - - - 导电体 负载 状态1 a a b b c c d e f g 电子流动方向 标定电流方向 上电极 下电极 N P - + - + + - - - - - 导电体 负载 状态2 a a b b c c d e f g - + 电子 空穴 图2.5 光伏电池产生电流示意图 2.2.2 光伏电池的等效电路 1. 理想状态下的模型 [22] 太阳能电池的核心部分是P-N 结二极管。在没有光照下的太阳能电池的基本行 为特性就类似于一个普通二极管。若施加从P 区到N 区的电压时，电流就从P 区流 向N 区。可按肖特基二极管的模型来表示： s [ e x p ( ) 1] D q U I I k T (2-7) 式(2-7)中， D I 为暗电流； s I 为太阳能电池内部二极管反向饱和电流；q 为电子 电荷量 1 9 (1 . 6 1 0 ) C ；U 为施加的电压；k 为波尔兹曼常数 2 3 (1 . 3 8 1 0 / ) J K ；T 为 光伏电池温度。一旦太阳能电池受到光的照射，便产生光生电流 p h I 。光生电流随着 光照强度的增加而增大，当光照强度一定时，可以将太阳能电池看作恒流电源。太 阳能电池可看作P-N 结型二极管，在光的照射下产生正向偏压，所以在P-N 结为理 想状态的情况下，可等效为电流源和一个理想二极管的并联电路。太阳能电池的理 想模型如图2.6 所示，由此模型可知，理想太阳能电池的数学模型可表示为： p h s [ e x p ( ) 1 ] q U I I I k T (2-8) ph I D I L R U I 图2.6 太阳能电池的理想模型 2. 实际等效电路模型 [22] 在实际的太阳能电池中，目前常用的太阳能电池等效电路模型如图 2.7 所示。 此模型由微电子学家萨支唐最早提出，它避开了大量繁琐的数学问题，只需少量的 数据就可求解。 在此模型中， p h I 为光生电流。 p h I 值与入射光的辐射强度和太阳能电池的面积 成正比。 D I 为暗电流。它反映出在当前环境温度下，光伏电池P-N 结自身能产生的 总扩散电流的变化情况。I 是光伏电池输出的负载电流。 L R 为光伏电池的外负载电 阻。 s R 为串联电阻。 sh R 为旁路电阻。 s R 和 sh R 均为光伏电池本身固有电阻，相当于 光伏电池的内阻。若将 s R 和 sh R 都忽略不计，便可得到图2.6 所示的理想模型。 ph I D I j C sh I sh R s R L R U