课程设计任务书

2016 年 秋 季学期

摘要

随着现有能源结构的不断优化，各种新能源的开发和应用越来越受到各国政府的重视，其中对太阳能和风能方面的应用最具潜力。研究表明，利用太阳辐射资源和风能资源分布的互补特性，使风光柴蓄互补电站的供电质量和经济性一般都要优于单纯的太阳能光伏发电或风能发电，因此风光互补发电有着良好的应用前景。

本文以模块化思想贯穿始终，详细介绍了风光柴蓄集成装备系统的各个模块，对相关资料进行了收集和整理，同时介绍了一些厂家的相关产品，并进行了比较，特别是在风光柴蓄集成装备的应用方面，把风力机、太阳能电池板和蓄电池的配置这一复杂的问题逐步分解，首先根据负载情况确定蓄电池的容量，然后根据实际情况，选择一种合适的发电机，最后确定大阳能电池的安装量。使得整个过程概念清晰，计算且适中，且更易从中认识到风光互补发电系统的本质特性。

关键词：太阳能；风能；互补发电；装备

1绪论

1.1课题来源及研究意义

电源是现代战争的动力源，对部队的作战训练有着重要的保障作用，特别是驻地偏远的部队、峭所由于交通不便，用电成本偏高，严重制约了我军的现代化进程，投资小、隐蔽性好、持续工作时间长、性能稳定的风光柴蓄集成装备，适应现代军队轻型化、快速化和特种化的发展耍求，能够很好的满足驻边及执行野外任务部队的需要。

就我军备用电源装备而言，多采用污染大、噪音高的柴(汽)油发电机，它对油料保障要求高，不适用交通运输不便的边区和海岛，风光柴蓄集成装备作为一种新型集成能源装备，其模块化设计提高了抗打击的自我保护能力.具有持续供电能力和较强的生存能力。

1.2太阳能和风能发电的现状与展望

1.2.1太阳能发电

随着经济的快速发展和人们生活水平的不断提高，人们对能源的需求不断扩大，给现实社会带来两大难题:一是煤和石油的储藏量有限所产生的能源危机。二是以煤、石油的大量燃烧而排放的废气(co2和SO2)所产生的环境污染和温室效应使人类的生存环境不断恶化。这两大问题迫使人们不得不开发和利用新的可再生能源。而在新能源和可再生能源中，太阳能是最引人注目、开展研究开发工作最多、应用最广的能源之一。

进入21世纪以来，随着新材料的应用、电子技术等高科技的高速发展，为太阳能的有效利用提供了条件。人们将太阳能辐射通过收集和转换变为可直接利用的能源，使太阳能的利用得到相当大的发展，其中利用太阳能发电就是对太阳能最好的利用。

太阳能发电走进久仰的生产和生活

说起对太阳能的利用，人们最先想到的就是太阳能热水器，而对太阳能发电知之不多。其实在我们身边，太阳能光伏发电技术，即利用太阳能电池直接将太阳光能转化为电能的技术应用也随处可见。

光伏发电就是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能，在发电过程中不会产生任何污染或者废弃物。只要有阳光，太阳能电池板上就能产生电流，从物理意义上来说，光伏发电是一种最理想的发电方式。因此太阳能电池又称为"光伏电池"，是近些年来发展最快和最具经济潜力的能源开发领域。

通过各国多年的努力，太阳能技术发展一日千里，其应用范围也在不断拓展。许多发达国家和地区纷纷制定发展计划。目前，德、日、美等欧美发达国家走在了太阳能技术应用的前列，太阳能发电也进入了千家万户和各行业领域。

日本已于1992年4月实现了太阳能发电系统同电力公司电网的联网，已有一些家庭开始安装太阳能发电设备。而全球知名的日本夏普公司，就在其位于三重县的液晶电视工厂厂区内安装了巨大的太阳能电池板。这些电池板分布在工厂的屋顶、窗户，甚至是水池里面，总面积达到4.7万m2，总功率达到5150kW，发电能力可供1300个普通家庭使用。值得一提的是窗户上安装的电池板，不但可以采光、发电，还能拦截了大部分的热量，可以在夏天降低室内温度。

据日本有关部门估计日本2100万户个人住宅中如果有80%装上太阳能发电设备，便可满足其全国总电力需要的14%，如果工厂及办公楼等单位用房也进行太阳能发电，则太阳能发电将占全国电力的30%-40%。

国外太阳能发电产业发展迅速

然而太阳能也有不足的地方，比如太阳辐射的强度受到气候、昼夜、纬度、季节、海拔的影响，往往需要配备储能设备。又如其能流密度低，占地面积大，投资大。这些因素也都制约了太阳能的利用。

而当前阻碍太阳能发电普及的最主要因素是则费用昂贵。目前在我国，1平方米太阳能电池板的价格在4000元至5000元，若加上安装其它配套装置等所需费用，每平方米太阳能发电系统约需6000元至7000元。一般情况下，一套3kW的太阳能发电系统可以基本满足一户人家的用电需求。安装这套装置需要20多平方米的屋顶面积，其耗资将达18万元，对于普通家庭来说，这是很难承受的。

降低费用的关键在于太阳电池提高变换效率和降低成本。尽管其光电转化效率也非常可观，但受原料价格和提纯工艺的限制，发电成本始终高高在上。因此，提高发电能力、降低发电成本是推广太阳能发电应用的关键。为了降低太阳能发电系统的成本，世界各国纷纷投入巨资以提高太阳能电池的发电能力。方法主要分为两种:一是提高太阳能电池的光电转换效率，单晶硅太阳能电池的平均效率为15%;多品硅太阳能电池效率也达14%。非晶硅太阳能电池的稳定效率，单结电池为6%~9%，多结电池为8%~10%。二是通过自动跟踪技术使太阳能电池始终对准太阳。现有太阳能发电系统中的太阳能电池一般是固定安装，因不能始终正对太阳，故未充分利用太阳能电池的发电能力。自动跟踪是提高太阳能电池发电能力的有效措施，无论太阳能电池自身的光电转换效率有多高，通过跟踪装置都可以使其发电能力在原基础上再度提高，从而获得更多的电能。因此自动跟踪太阳的太阳能发电系统的研究引起了世界各国的广泛重视，已经成为太阳能利用技术的研究热点之一。

在光电转换材料的研究等领域，发达国家走在了前列。目前国内一般产业化的太阳能电池板的光电转换效率为13%至16%，但在一些发达国家的实验室中，这个数字可以达到18%至20%。美国是最早制定太阳能发电的发展规划的国家。1997年又提出"百万屋顶"计划。日本1992年启动了新阳光计划，到2003年日本太阳能组件生产占世界的50%，世界前10大厂商有4家在日本。而德国新可再生能源法规定了太阳能发电上网电价，大大推动了太阳能市场和产业发展，使德国成为继日本之后世界太阳能发电发展最快的国家。瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国，也纷纷制定太阳能发展计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。目前世界上已经建成了10多座兆瓦级太阳能发电系统，6个兆瓦级的联网太阳能电站。

据专家介绍，德、日、美、荷等发达国家破除太阳能发电高价"瓶颈"的主要办法是价格补贴，并且由政府推动实施"太阳能百万屋顶计划"，现在日本和欧盟许多国家屋顶上的太阳能发电装置已成为一道独特的风景线。

我国太阳能发电产业发展方兴未艾

目前，我国利用太阳能发电处于起步阶段，但是太阳能资源非常丰富，开发利用的潜力非常大。全国三分之二以上地区的年日照大于2000小时，年均辐射量约为590OMJ/m2，属于太阳能利用条件较好的地区。

我国利用太阳能发电还是主要用于太阳能发电(如利用光伏发电为偏远地区和特殊领域供电，以及建设屋顶并网光伏发电示范项目等)和太阳能热能的转换利用(如太阳能热水器在日常生活中的应用)。

近年来，我国太阳能电产业在国际市场的拉动下得到了迅速发展，随着该产业的升温，已经有越来越多的公司参与晶体硅的生产，涉足太阳能发电。晶硅锭和硅片及太阳电池的生产技术水平、生产规模不断得到提升，产品纷纷出口国际市场，已经成为国际上太阳能产品的主要生产国家。

但是，中国的太阳能发电产业的发展遭遇了瓶颈。在晶体硅太阳能电池的整个产业链中，原料、技术和设备已经被国外垄断，国内太阳能企业能做的只有终端设备的研发和生产。太阳能光电转换电池主要分为两类，一类是晶体硅电池，包括单晶硅电池、多晶硅电池两种，它们占据约93%的市场份额;另一类是薄膜电池，主要包括非晶体硅(a-Si，使用的是硅，但以不同的形态表现)太阳能电池、铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池和鍗化镉(CdTe)太阳能电池，这类电池占据7%的市场份额。晶体硅料作为太阳能发电的主要原料，占太阳能电池板总成本的40%以上。虽然中国的硅原料矿藏储量占世界总储量的25%，但因中国现有的硅原料原始提炼技术远远落后于西方发达国家，导致国内太阳能电池生产企业所需原材料绝大多数需要从国外进口。

原料供应不足问题已经严重威胁太阳能产业的发展。据调查，2005年，我国对多晶硅的需求量为3800吨，其中太阳能产业需求2691吨，而2004年我国多品硅的产量只有60吨，即使全部供应太阳能产业，也仅占市场需求的2.6%，大量的缺口只能依赖进口。

由于市场供不应求，太阳能多晶硅短缺和供应紧张，预计这种紧缺状况将持续到2010年。而多晶硅的价格大幅上涨增加企业的生产成本，制约了我国太阳能产业的发展。

技术的缺失加上国内太阳能市场方兴未艾，造成了我国太阳能产业"两头在外"的被动局面，国内企业以低廉价格出口纯度低的硅，再高价从国外太阳能企业购入经过提纯后的晶体硅，然后制成太阳能电池，组装成太阳能产品并出口到国外。如何掌握太阳能发电产业链中的核心技术，使中国走在利用太阳能的前列，对于中国太阳能发电产业乃至整个能源行业都具有重要意义。而从长期来看，积极拓展产业链上游业务，增强太阳能产业研发力量才能保障中国太阳能产业发展。

虽然目前已经在偏远地区通过"送电到乡"等国家工程推广了一些户用太阳能发电系统和小型太阳能电站，解决了部分无电人口的供电问题，但是由于太阳能发电的成本较高，全国目前的太阳能发电规模还很小，目前还没有一个太阳能发电的真正商业化示范。

发展太阳能发电产业亟需贯彻实施细则和规划

近些年来，欧美国家对太阳能发电的应用制定了许多优惠政策，太阳能发电装机容量越来越大。去年，全世界太阳能装机容量为180万千瓦，增长率达50%。但中国在太阳能发电应用上还远远落后于发达国家，当前国内太阳能发电的成本是水电、煤电的5至10倍。据了解，目前我国太阳能光伏发电成本大概为4元/度，比0.3元/度的火电上网电价高出许多。业内人士普遍认为，太阳能产品要想得到大面积推广，需要国家政策的大力支持，政府推动是太阳能产业初期发展的主要动力。虽然国内在宏观层面上出台了许多相关法律法规，但其中并没有具体的实施细则，这在一定程度上制约了目前太阳能相关企业的发展。

国家首先应制订以培养太阳能应用市场和促进太阳能产业发展为目标的中长期规划。

1.2.2风力发电

地球上的风能资源是十分丰富的，特别是高空风能，随高度增大呈指数规律上升，还有海洋上的风力能等。有人估计。地球上的风能如有1%被利用，就可全部满足人类对能源的需求。我国著名科学家钱学森也曾指出，用400万台标准化了的500千瓦的风力发电机组，就可以解决21世纪我国的供电问题。并且，相对常规能源，风力发电是最其有竞争力的可再生能源.因此，各国政府都把风力发电作为促进电力结构多样化及改善环境与生态的重要途径。目前，风力发电技术相当成熟，无论设备制浩.还是商业性发电场，均已形成相当的规模全世界风电总装机容量迅速增长，2005年全球风力发电机的新装机容量己超过11800兆瓦，与2004相比，增长43.4%0到2005年底，全球风力发电总装机容量景计己突破59300兆瓦，比2004年增加25%,预计到2030年，风力发电量将占世界发电总量的25%,欧洲己有15个国家将风力发电列为重要能源，制定有关的能源政策。作为21世纪的替代能源，在技术上，风力发电正朝着轻型、高效、高可靠性及大型化的方向发展。

风力发电与其他的发电方式相比较而言，具备很多的优势。比如，风力发电前期的建设周期耗时少，而且风力发电装机完成一台就能够投产一台；风力发电十分的简便灵活，基本上不受到地域、资金、技术等方面的限制；风力发电的前期投入较低，可以根据投入到资金多少来决定装机的规模和数量，便于资金的筹集；风力发电运行简单，而且不需要投入大量的人力物力，对于占地需求较少，对环境破坏较少，而且在风电场地人们依然可以从事农、牧、渔等作业；风力发电装机对于土地环境要求不高，在任何的地质条件下都可以进行建设；风力发电在运行方式上与其他的能源发电比较而言，风力发电的运行方式呈现多样化的特点，既可以选择并网作业，也可以选择独立作业，而且风力发电还能够与光伏发电等其他的发电装置系统形成优势互补的作业方式。

1.3我国太阳能和风能资源

太阳能在解决能源供应和环境保护上有明显优势。中国2/3以上国土的年日照大于2200小时，年辐射总量平均大于5900MJ百万焦尔/平方米，资源非常丰富，有必要和可能大力发展。太阳能的利用有两大方面：

(1)太阳能光热利用 用太阳能热水器等装置把太阳能转化为热能。中国是世界上最大的太阳能光热利用国家，2003年太阳能热水器产量1200万平方米，使用量5200万平方米，占全世界的40％。北京2008年奥运村90％的洗浴热水将来自太阳能。

(2)太阳能光电转换 基于半导体材料的光电效应，用太阳能光电器件把太阳能转化为电能。2003年底，全国已安装的光伏电池容量约50MW（百万瓦）。广东深圳最近建成亚洲最大的MW太阳光电系统，年发电量100万度，2008年奥运村80％的路灯将采用太阳能供电。中国正在西部实施大规模的光电计划，为边远地区的居民提供电力，已建立7座光电站。

总体上中国的太阳能利用、特别是太阳能光电利用，还处于初级阶段，高成本是制约光伏发电大规模应用的主要因素 高纯度硅的制备 ，上网电价约为常规发电的10倍，缺乏市场竞争力，需要政策支持和技术进步推动。预计到2010年有望下降至每度0.8元，接近常规发电的2倍，竞争力将显著提高。另外，太阳能的能量密度低，集能面积大，需要在科学技术上取得重大突破，大幅提高光电转换效率，降低成本。

中国可开发利用的地表风电资源约为10亿千瓦，其中陆地2.5亿千瓦，海上7.5亿千瓦，如果扩展到50－60米以上高空，风力资源将有望扩展到20－25亿千瓦。如果能开发出其中2/3份额，将能提供约15亿千瓦的电力，再加上约5亿千瓦的水电，将能大幅度补充2050年所需电力的缺额。 中国风力发电十几年来迅速发展，建成了43座大型风电场，2004年并网风电装机容量达到57万千瓦，但总体规模仍不大，对国家能源供应的贡献很小。风力发电是目前中国最具有大规模产业化前景的可再生能源，2020年装机容量有望超过2000万千瓦。目前，国家正在推进大型风电设备的国产化，以大幅降低风电成本，提升产业竞争力。

1.4风光互补发电

1.概念及技术原理

风光互补，是一套发电应用系统，该系统是利用太阳能电池方阵、风力发电机（将交流电转化为直流电）将发出的电能存储到蓄电池组中，当用户需要用电时，逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电，通过输电线路送到用户负载处。是风力发电机和太阳电池方阵两种发电设备共同发电。风光互补发电站采用风光互补发电系统，风光互补发电站系统主要由风力发电机、太阳能电池方阵、智能控制器、蓄电池组、多功能逆变器、电缆及支撑和辅助件等组成一个发电系统，将电力并网送入常规电网中。夜间和阴雨天无阳光时由风能发电，晴天由太阳能发电，在既有风又有太阳的情况下两者同时发挥作用，实现了全天候的发电功能，比单用风机和太阳能更经济、科学、实用。适用于道路照明、农业、牧业、种植、养殖业、旅游业、广告业、服务业、港口、山区、林区、铁路、石油、部队边防哨所、通讯中继站、公路和铁路信号站、地质勘探和野外考察工作站及其它用电不便地区。

风光发电系统的技术构成大致可以分为如下的几个方面：

（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。

2 特点

（1）风光互补发电系统由太阳能光电板、小型风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器等几部分组成，发电系统各部分容量的合理配置对保证发电系统的可靠性非常重要。

（2）由于太阳能与风能的互补性强，风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以降低，系统成本趋于合理。

（3）风光互补发电站是针对通信基站、微波站、边防哨所、边远牧区、无电户地区及海岛，在远离大电网，处于无电状态、人烟稀少，用电负荷低且交通不便的情况下，利用本地区充裕的风能、太阳能建设的一种经济实用性发电站。 3 风光互补的优点

（1）昼夜互补——中午太阳能发电，夜晚风能发电 。

（2）季节互补——夏季日照强烈，冬季风能强盛。

（3）稳定性高——利用风光的天然 。

（4）互补性，大大提高系统供电稳定性 。

4 风光互补系统应用

风光互补系统典型应用如下：

(1)日用产品。如风光互补路灯照明系统、风光互补供暖、风光互充电电源、风光互补野营灯和独立电源等。

(2)建筑行业。北京奥运会已经将风力发电机和太阳能集热管安装进了奥运村。风光互补系统还用于光伏一体化建筑BIPV、屋顶风力发电机、风光互补锅炉和风光互补并网等。

(3)并网发电。在发达国家，光伏产品的80％用于并网发电，而我国几乎为0，未来风能和太阳能发电的大规模并网势在必行。一平方千米的沙漠可装100 MW光伏，若将1％的中国沙漠装上光伏，总容量将达到1．31x109 kW．而截止到2007年底我国总的装机容量不过7．13x108 kW。所以，未来我国可再生能源发展具有广阔的发展前景。

(4)沙漠治理。随着我国经济的发展，国家逐渐有财力对沙漠进行治理。沙漠公路已经开通了数条。改善了当地自然生态和居民的生活条件。沙漠治理不仅需要大量的水资源，也需要大量的电能。在西部广大地区，风光互补水泵、光伏水泵和风能水泵都有广阔的市场。

5 风光互补技术中存在的若干问题

（1）技术方面

风电和光电系统都存在由于资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡问题 风电和光电系统都必须通过蓄电池储能才能稳定供电 但每天的发电 受天气的影响很大 会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态。这也是引起蓄电池组使用寿命降低的主要原因。风光联合发电站一般处于无人值守的状态，对于系统运行状态的了解，就需要逆变器具有数据检测、显示和通讯的功能，当然，这要根据具体情况来决定是否需要此项功能，但是，高可靠性和稳定性是光伏电站中逆变器一个特别重要的指标。

而对于小型离网式系统需进行大风限速保护，当风机输入的能量大于系统当时所能消耗的能量以及系统所能储存的能量总和的时候，能有效地减小风机吸收风能，使风机不致超速运行。目前，各型风机的限速保护方案大多使用机械限速保护。

机械限速保护装置可靠性差，除了设计不当的因素以外，实际上是其固有弊端。自然界的风况是十分复杂的。紊流是主状态，同时，风速风向的变化频繁而迅速。任何机合间隙增大。所有这些均会导致保护滞后、失效以及剧烈的震动，引发风机飞车、过载和剧烈震动等破坏性结果。因此，目前大多建议使用的是磁电限速保护，其通过降低风轮的风能利用率的方法进行减速，使保护动作更加安全可靠。

有许多工作致力于探索一种相对简单的设计光伏及其互补发电系统的方法，然而他们中的绝大部分忽略了系统性能的精确确定。有些工作把重点放在气象数据的统计学特征对系统性能的影响；还有一些工作以时间为步长进行系统性能的模拟，并以此为基础试图找出连系有限个气象特征参数和系统配置关系的公式，然而模拟所使用的表征组件特性的数学模型往往过于简单，譬如用线性模型表征组件特性；另外，负载通常也被假定是恒定不变的，这些都造成了所推导出的公式的适用范围非常有限。另外，确定系统工作状态所使用的表征组件特性及评估实际获得的风光资源的数学模型也需要进一步完善。

因光伏发电系统只能够发出直流电，并网型的风光互补发电系统必需采用逆变器，目前国内对逆变器的研究还处于起步阶段，功能强大的逆变器具有数据采集、效率追踪、系统保护和通讯功能，这些功能都是风光互补发电系统必不可少的功能模块，是系统运行的保证，这就要求我们，如果有条件，逆变器的研制是风光互补发电监控系统必需的环节。

（2）能量方面

风能与太阳能都属于能量密度很低的能源，且都随着天气和气候的变化而变化。这种能量的不稳定性给这两种能源的使用带来了困难。现在全世界比较公认的看法是，间歇式能源在常规电网中的比重不能超过20%(除非电网中有大量的水电或者抽水蓄能电站)，否则，就有可能造成电网的运行困难甚至崩溃。

继电保护课程设计-电力系统新能源的建设和发展，控制方法及前沿科技综述