太陽(yáng)能電池培訓(xùn)手冊(cè)(下)

太陽(yáng)能電池培訓(xùn)手冊(cè)(下).太陽(yáng)能電池培訓(xùn)手冊(cè)(下).64/64太陽(yáng)能電池培訓(xùn)手冊(cè)(下).第一部分地面太陽(yáng)電池發(fā)電系統(tǒng)太陽(yáng)電池發(fā)電系統(tǒng)（又稱(chēng)光伏發(fā)電系統(tǒng)），按其使用地方不一樣，可分為空間應(yīng)用和地面應(yīng)用兩大類(lèi)。在地面能夠作為獨(dú)立的電源使用，也能夠與風(fēng)力發(fā)電機(jī)或柴油機(jī)等組成混雜發(fā)電系統(tǒng)，還可以夠與電網(wǎng)聯(lián)接，向電網(wǎng)輸送電力。目前應(yīng)用比較廣泛的光伏發(fā)電系統(tǒng)主若是作為地面獨(dú)立電源使用。第一節(jié)獨(dú)立光伏系統(tǒng)系統(tǒng)歸納平時(shí)的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)電池方陣、蓄電池、控制器以及擁塞二極管組成，其方框圖以下：１．１．１太陽(yáng)電池方陣方陣的作用是將太陽(yáng)輻射能直接變換成電能，供給負(fù)載使用。一般由若干太陽(yáng)電池組件按必然方式連接，再配上合適的支架及接線盒組成。１．１．２蓄電池組蓄電池組是太陽(yáng)電池方陣的貯能裝置，其作用是將方陣在有日照時(shí)發(fā)出的節(jié)余電能儲(chǔ)藏起來(lái)，在晚間或陰雨天供負(fù)載使用。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池處于浮充放電狀態(tài)，夏天日照量大，除了供給負(fù)載用電外，還對(duì)蓄電池充電；在冬天日照量少，這部分儲(chǔ)藏的電能漸漸放出，在這種季節(jié)性循環(huán)的基礎(chǔ)上還要加上小得多的日循環(huán)，白天方陣給蓄電池充電，（同時(shí)方陣還要給負(fù)載用電），夜晚則負(fù)載用電全部由蓄電池供給。所以，要求蓄電池的自放電要小，而且充電效率要高，同時(shí)還要考慮價(jià)格和使用可否方便等因素。常用的蓄電池有鉛酸蓄電池和硅膠蓄電池，要求較高的場(chǎng)合也有價(jià)格比較昂貴的鎳鎘蓄電池。１．１．３控制器在不一樣種類(lèi)的光伏發(fā)電系統(tǒng)中控制器各不同樣，其功能多少及復(fù)雜程度差別很大，需依照發(fā)電系統(tǒng)的要求及重要程度來(lái)確定?？刂破髦饕呻娮釉骷?、儀表、繼電器、開(kāi)關(guān)等組成。在簡(jiǎn)單的太陽(yáng)電池，蓄電池系統(tǒng)中，控制器的作用是保護(hù)蓄電池，防范過(guò)充，過(guò)放。若光伏電站并網(wǎng)供電，控制器則需要有自動(dòng)監(jiān)測(cè)、控制、調(diào)治、變換等多種功能。若是負(fù)載用的是交流電，則在負(fù)載和蓄電池間還應(yīng)裝備逆變器，逆變器的作用就是將方陣和蓄電池供給的低壓直流電逆變成220伏交流電，供給負(fù)載使用。１．１．４擁塞二極管也稱(chēng)作為反充二極管或隔斷二極管，其作用是利用二極管的單導(dǎo)游電性阻攔無(wú)日照時(shí)蓄電池經(jīng)過(guò)太陽(yáng)電池方陣放電。對(duì)擁塞二極管的要求是工作電流必定大于方陣的最大輸出電流，反向耐壓要高于蓄電池組的電壓。在方陣工作時(shí)，擁塞二極管兩端有必然的電壓降，對(duì)硅二極管平時(shí)為；肖特基或鍺管0.3V左右。第二節(jié)太陽(yáng)電池組件太陽(yáng)電池是將太陽(yáng)光直接變換為電能的最基本元件。但單體太陽(yáng)電池是不能夠直接做為電源使用的。由于單體電池薄而脆，簡(jiǎn)單碎裂，其電極的耐濕，耐腐化性能也還不能夠滿足長(zhǎng)遠(yuǎn)裸露使用的要求，而且單體太陽(yáng)電池的工作電壓太低，遠(yuǎn)不能夠滿足一般用電設(shè)備的電壓要求。所以需依照使用要求將若干單體電池進(jìn)行合適的連接并經(jīng)過(guò)封裝后，組成一個(gè)能夠單獨(dú)對(duì)外供電的最小單元即組件。１．２．１組件電氣性能的設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)中主若是確定組件工作電壓和功率這兩個(gè)參數(shù)。同時(shí)還要依照目前資料、工藝水平和長(zhǎng)壽命的要求，讓組件面積比較合適，并讓單體電池之間的連接可靠，且組合損失較小。經(jīng)過(guò)對(duì)單體太陽(yáng)電池進(jìn)行合適的串、并聯(lián)，以滿足不一樣的需要。電池串通時(shí)，兩端電壓為各單體電池中電壓之和，電流等于各電池中最小的電流；并聯(lián)時(shí)，總電流為各單體電池電流之和，電壓取平均值。組件設(shè)計(jì)舉列：用Φ40mm的單晶硅太陽(yáng)電池（效率為8.5%）設(shè)計(jì)一工作電壓為1.5伏，峰值功率為1.2瓦的組件。單晶硅電池的工作電壓為：則串通電池?cái)?shù)：片，取Ns=4片單體電池面積：s=π/4d2=?π單體電池封裝后功率：Pm=100mv/cm2?12.57?8.5%?95%=100mw=0.1w式中95%是考慮封裝時(shí)的失配損失需太陽(yáng)電池總的片數(shù)：片太陽(yáng)電池并聯(lián)數(shù)：NP=N/Ns=12/4=3組故用12片Φ40mm的單晶硅太陽(yáng)電池四串三并，即可滿足要求。聯(lián)接的方法如圖7.1但這種聯(lián)接方法有缺點(diǎn)，一旦其中一片電池?fù)p壞、開(kāi)路或被陰影遮住，損失的不是一片電池的功率，而是整串電池都將失去作用，這在串通電池?cái)?shù)量很多時(shí)影響特別嚴(yán)重。為了防范這種情況，能夠用混聯(lián)（或稱(chēng)網(wǎng)狀連接）的對(duì)應(yīng)的電池之間連片連接起來(lái)，如圖，這樣，即使有少量電池?zé)o效（如有陰影線的），也不致于對(duì)整個(gè)輸出造成嚴(yán)重?fù)p失。圖串并聯(lián)圖混聯(lián)１．２．２組件的結(jié)構(gòu)單體電池聯(lián)接后，即可進(jìn)行封裝，以前組件的結(jié)構(gòu)多數(shù)是：正面用透光率高的玻璃覆蓋，太陽(yáng)電池的前后邊都用透明的硅橡膠粘接，反面用鋁板式玻璃作依靠，周?chē)娩X質(zhì)或不銹鋼作邊框，引出正負(fù)極即成組件。這種組件質(zhì)量不易保證，封裝勞動(dòng)強(qiáng)度大。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外組件大多已采用新式結(jié)構(gòu)；正面采用高透光率的鋼化玻璃，反面是一層聚乙烯氟化物膜，電池兩邊用EVA或PVB膠熱壓封裝，周?chē)禽p質(zhì)鋁型材邊框，有接線盒引出電極。組件封裝后，由于蓋板玻璃，密封膠對(duì)透光的影響及各單體電池之間性能失配等原因，組件效率一般要比電池效率低5~10%，但他也有些玻璃膠的厚度及折射率等般配較好，封裝后反而使效率有所提高。太陽(yáng)電池組件經(jīng)常裸露在陽(yáng)光下直接經(jīng)受當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境的的影響，這種影響包括環(huán)境、氣象和機(jī)械因素。為了保證使用的可靠性，工廠生產(chǎn)的太陽(yáng)組件在正式投產(chǎn)以前一般要經(jīng)過(guò)一系列的性能和環(huán)境試驗(yàn)，濕、溫度循環(huán)、熱沖擊、高溫高濕度老化、鹽水噴霧、低濕老化、耐天氣性、室外曝曬、沖擊、振動(dòng)等試驗(yàn)，如應(yīng)用在特別場(chǎng)合還要進(jìn)行一些特地試驗(yàn)。工廠生產(chǎn)的通用組件一般都已考慮了蓄電池所需充電電壓，擁塞二極管和線路壓降，以及溫度變化等因素而進(jìn)行了特地的設(shè)計(jì)，如用36~40片晶體硅太陽(yáng)電池串通而成的組件即可充分滿足對(duì)12V蓄電池的充電需要。各種組件功率大小從數(shù)瓦到數(shù)十瓦不等，用戶采用特別方便。１．２．３太陽(yáng)電池方陣在實(shí)質(zhì)使用中，經(jīng)常一塊組件其實(shí)不滿足使用現(xiàn)場(chǎng)的要求，可將若干組件按必然方式組裝，在固定的機(jī)械結(jié)構(gòu)上，形成直流發(fā)電的單元，即為太陽(yáng)電池方陣。太陽(yáng)電池方陣在安裝的時(shí)候，應(yīng)固定牢靠，能夠經(jīng)受當(dāng)?shù)刈畋╋L(fēng)力。且離地面要有必然的高度，省得冬天積雪掩埋。方陣與地面之間要有必然的傾角。有些方陣的組件兩端并聯(lián)有旁路二極管，有的方陣帶有追蹤系統(tǒng)成聚光裝置，下面分別加以談?wù)摚海保?。３。１方陣的傾角太陽(yáng)電池方陣平時(shí)是面向赤道放置，相對(duì)地平面有必然傾角。傾角不一樣，各個(gè)月份方陣面接收的太陽(yáng)輻射量差別很大。關(guān)于全年負(fù)載平均的固定式光伏方陣，若是設(shè)計(jì)斜面的輻射量小，意味著需要更多的太陽(yáng)電池來(lái)保證向用戶供電；若是傾面各月太陽(yáng)輻射量起伏很大，意味著需要大量的蓄電池來(lái)保證太陽(yáng)輻射量低的月份的用電供給。這些都會(huì)提高整個(gè)系統(tǒng)的耗費(fèi)。所以，確定方陣的最優(yōu)傾角是光伏發(fā)電系統(tǒng)中不能缺少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。關(guān)于方陣傾角的選擇應(yīng)結(jié)合以下要求進(jìn)行綜合考慮：連續(xù)性。一年中太陽(yáng)輻射總量大體上是連續(xù)變化的，多數(shù)是單調(diào)同落，個(gè)別也有少量起伏，但一般不會(huì)大起大落。平均性。選擇傾角，最好使方陣表面上全年接收到的日平均輻射量比較平均，省得夏天接收輻射量過(guò)大，造成浪費(fèi)；而冬天接碰到的輻射量太小，造成蓄電池過(guò)放致使損壞，降低系統(tǒng)壽命，影響系統(tǒng)供電牢固性。極大性。選擇傾角時(shí)，不僅要使方陣表面上輻射量最弱的月份獲取最大的輻射量，同時(shí)還要兼顧全年日平均輻射量不能夠太小。同時(shí)，對(duì)特定的情況要作詳盡解析。如，有些特其他負(fù)載（灌溉用水泵、制冷機(jī)等，）夏天耗費(fèi)功率多，方陣傾角的取值自然應(yīng)使得方陣夏天接收輻射量相對(duì)冬天要多才合適。１．２．３．２旁路二極管為了保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，有些系統(tǒng)還在組件兩端并聯(lián)旁路二極管，其作用是在組件開(kāi)路或遮蔭時(shí)，供給電流通路，不致于使整串組件無(wú)效（見(jiàn)以下列圖）。使用時(shí)要注意極性，旁路二極管的正極與太陽(yáng)電池組件的負(fù)極相連，負(fù)極與組件的正極相連，不能接錯(cuò)。平時(shí)旁路二極管處于反向偏置狀態(tài)，基本不用耗電能。顯然，旁路二極管的耐壓和贊同經(jīng)過(guò)正向電流應(yīng)大于組件的工作電壓及電流。圖旁路二極管的連接１．２．３．３追蹤系統(tǒng)由于太陽(yáng)的方向角和高度角每日每時(shí)都在作周期性的變化。固定方陣接收的太陽(yáng)輻射能只有在中中午分才最強(qiáng)，如能使方陣面向來(lái)與太陽(yáng)光輝保持垂直，顯然能夠接收更多的輻射能量，所以要利用追蹤裝置。追蹤方式依照要求不一樣，能夠單獨(dú)追蹤太陽(yáng)方向角（稱(chēng)一維追蹤），也能夠同時(shí)追蹤太陽(yáng)高度角（稱(chēng)二維追蹤），后者收效較好，但結(jié)構(gòu)也相對(duì)復(fù)雜。追蹤的方法有機(jī)械方法，物理方法，電子方法及計(jì)算機(jī)控制的高精美度追蹤系統(tǒng)等。使用追蹤裝置能提高太陽(yáng)電池方陣的輸出功率，但要增加部分投資，同時(shí)也帶來(lái)了方陣結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和不能靠因素，轉(zhuǎn)動(dòng)也要耗費(fèi)必然的能量，所以采用追蹤系統(tǒng)可否合算，要進(jìn)行綜合考慮。一般小型方陣都不介紹采用追蹤裝置。１．２．３．４聚光太陽(yáng)電池方陣按接收的光輝的方式的不一樣能夠分為聚光式方陣和非聚光（平板式）方陣，前者是將太陽(yáng)光聚到太陽(yáng)電池上，以提高輸出功率。經(jīng)過(guò)聚光后，照在太陽(yáng)電池上的光強(qiáng)可增加數(shù)倍到幾百甚至上千倍，電池效率雖有提高，但其實(shí)不與光強(qiáng)成正比，主若是由于聚光后電池的工作溫度的高升而致使對(duì)效率影響的增加，所以要采用合適的冷卻方法，如風(fēng)冷或水冷等。一般來(lái)說(shuō)，聚光方陣都要采用追蹤方式，否則很可能會(huì)對(duì)發(fā)電量產(chǎn)生負(fù)面影響。聚光方陣需要一套聚光、追蹤、冷卻等裝置，增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜程度，但由于效率有所提高，特別是在同時(shí)需供熱的大型系統(tǒng)中，聚光方陣擁有突出的優(yōu)越性，所以聚光組件及方陣的研究還是有必然的價(jià)值的。１．２．４太陽(yáng)電池發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一個(gè)完滿的太陽(yáng)電池發(fā)電系統(tǒng)需要考慮好多因素，進(jìn)行各種設(shè)計(jì)，如電氣性能設(shè)計(jì)、熱力設(shè)計(jì)、靜電障蔽設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等等，對(duì)地面應(yīng)用的獨(dú)立電源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最主要的是依照使用要求，決定太陽(yáng)電池方陣和蓄電池規(guī)模，以滿足正常工作的需求。光伏發(fā)電系統(tǒng)總的設(shè)計(jì)原則是在保證滿足負(fù)載用電需要的前提下，確定最少的太陽(yáng)電池組件和蓄電池容量，以盡量減少投資，即同時(shí)考慮可靠性及經(jīng)濟(jì)性。１．２．４．１決定方陣發(fā)電量的因素光照條件：太陽(yáng)照在地面太陽(yáng)電池方陣上的輻射光的光譜，光強(qiáng)碰到大氣質(zhì)量、地理地址、當(dāng)?shù)靥鞖狻庀?、地形等多方面因素的影響，其能量在一日、一月和一年間都有很大的變化。太陽(yáng)電池方陣的光電變換效率：由于變換效率碰到電池自己的溫度和太陽(yáng)光強(qiáng)、蓄電池電壓浮動(dòng)等因素的影響，所以方陣的輸出功率也隨著這些因素的改變而出現(xiàn)一些顛簸。負(fù)載用電情況：由于用途不一樣，耗電功率、用電時(shí)間、對(duì)電源可靠性的要求等各不同樣。有的用電設(shè)備有固定的耗電規(guī)律，如中繼站、航標(biāo)燈等；有些負(fù)載用電則沒(méi)有規(guī)律，如水泵。這些因素相當(dāng)復(fù)雜，原則上需要對(duì)每個(gè)發(fā)電系統(tǒng)單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)一些無(wú)法確定數(shù)量的影響因素，只能采用一些系數(shù)來(lái)進(jìn)行估計(jì)。由于考慮的因素及其復(fù)雜程度不一樣，采用的方法也不同樣。在這里介紹一種比較簡(jiǎn)單而又合用的設(shè)計(jì)方法，這種方法不但能說(shuō)明所涉及的看法，而且對(duì)一般使用來(lái)說(shuō)足夠精確。１．２．４．２太陽(yáng)電池發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟1、列出基本數(shù)據(jù)、全部負(fù)載的名稱(chēng)、額定工作電壓、耗電功率、用電時(shí)間、有無(wú)特別要求等。B、當(dāng)?shù)氐牡乩淼刂罚喊ǖ孛⒔?jīng)度、緯度、海拔等。、當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料：主要有逐月平均太陽(yáng)總輻射量，直接輻射及散射量，年平均氣溫及極端氣溫，最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)、最暴風(fēng)速及冰雹等特別天氣情況。這些氣象數(shù)據(jù)需取積累幾年或幾十年的平均值。2、確定負(fù)荷大小：算出全部負(fù)載工作電流與平均每日工作小時(shí)數(shù)相乘積之和。Q=ΣI*H3、選擇蓄電池容量：蓄電池儲(chǔ)備容量的大小主要取決于負(fù)載的耗電情況，其他還要考慮現(xiàn)場(chǎng)的天氣條件，環(huán)境溫度，系統(tǒng)控制的規(guī)律性及系統(tǒng)無(wú)效的結(jié)果等因素，平時(shí)儲(chǔ)備10~20天容量比較合適。蓄電池在太陽(yáng)電池系統(tǒng)中處于浮充電狀態(tài)，充電電流遠(yuǎn)小于蓄電池要求的正常充電電流。特別在冬天，太陽(yáng)輻射量小，蓄電池常處于欠充狀態(tài)，長(zhǎng)遠(yuǎn)深放電會(huì)影響蓄電池的壽命，故必定考慮留有必然余量，常以放電深度來(lái)表示：CCCdR-=式中：d放電深度C蓄電池標(biāo)稱(chēng)容量CR蓄電池儲(chǔ)備容量過(guò)大的放電深度會(huì)縮短蓄電池的壽命；過(guò)小的放電深度又會(huì)增加太陽(yáng)電池方陣的規(guī)模，加大總的投資成本，放電深度最大到80%較為合適。自然，隨著太陽(yáng)電池組件價(jià)格的下降，能夠贊同設(shè)計(jì)較淺的放電深度。這樣，確定蓄電池的儲(chǔ)備容量CR和放電深度后，即可初步選定蓄電池的標(biāo)稱(chēng)容量：(d式中：Q――負(fù)載每日平均總耗電量４．決定方陣傾角：在這里，我們來(lái)用一種較近似的方法來(lái)確定方陣傾角。一般地，在我國(guó)南方地區(qū)，方陣傾角可取比當(dāng)?shù)鼐暥仍黾?0?~15?；在北方地區(qū)傾角可比當(dāng)?shù)鼐暥仍黾??~10?，緯度較大時(shí)，增加的角度可小一些。在青藏高原，傾角不宜過(guò)大，可大體等于當(dāng)?shù)鼐暥?。同時(shí)，為方陣支架的設(shè)計(jì)，安裝方便，方陣傾角常取成整數(shù)。5、計(jì)算日輻射量從氣象站獲取的資料一般只有水平面上的太陽(yáng)輻射總量H，直接輻射量HB及散射輻射量Hd且有：H～HB＋Hd需換算成傾斜面上的太陽(yáng)輻射量。（１）．直接輻射重量HBTHBT=HBRB其中RB為傾斜面上的直接輻射重量與水平面上直接輻射重量的比值。關(guān)于朝向赤道的傾斜面來(lái)說(shuō)：(((δφωπωδφδβφωπωδβφsinsin180sincoscossinsin180sincoscosSSSTSTBR+-+-=式中：φ——當(dāng)?shù)鼐暥圈隆疥噧A角太陽(yáng)赤緯：(??????+=n284365360sin45.23δ水平面上日落時(shí)角：[]δφωnttancos1-=-S傾斜面上日落時(shí)角：([]{}δβφωωtantancos,min1-=-SST（2）、天空散射輻射重量HdT在各向同性時(shí)：(βcos12+=ddTHH（3）、地面反射輻射重量HrT：平時(shí)可將地面的反射輻射看作是各向同性的，其大小為：(βρcos12-=HHrT其中ρ為地面反射率，其數(shù)值取決于地面狀態(tài)，各種地面的反射率以下表所示：一般計(jì)算時(shí)，可取ρ故斜面上太陽(yáng)輻射量即為：((βπρβπcos1cos1-+++=HHRHHdBBT平時(shí)計(jì)算時(shí)用上式即可滿足要求。如考慮天空散射的各向不一樣性，則可用下式計(jì)算：((βρβcos12cos112100-+??????+??????-++=HHHRHHHRHHBBBdBBT式中：HO為大氣層外水平面上輻射量。6、估計(jì)方陣電流：將歷年逐月平均水平面上太陽(yáng)直接輻射及散射輻射量，代入以上各公式即可算出逐月輻射總量，爾后求出全年平均日太陽(yáng)輻射總量TH，單位化成mwh/cm2，除以標(biāo)準(zhǔn)日光強(qiáng)即求出平均日照時(shí)數(shù)：22/100/cmmwcmmwhHTTm=則方陣應(yīng)輸出的最小電流為：21minηη??=mTQI式中：Q—負(fù)載每日總耗電量η1—蓄電池充電效率η2—方陣表面塵埃掩蓋損失同時(shí)，由于傾斜面上各月中最小的太陽(yáng)總輻射量可算出各月中最少的峰值日照數(shù)Tmin。方陣應(yīng)輸出的最大電流為：21minmaxηη??=TQI7、確定最正確電流：方陣的最正確額定電流介于Imin和Imax這兩個(gè)極限值之間，詳盡數(shù)值可用嘗試法確定。先選定一電流值I，爾后對(duì)蓄電池全年荷電狀態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)，方法是按月求出方陣輸出的發(fā)電量：221/100/cmmwHNIQTout????ηη=式中：N――當(dāng)月天數(shù)而各月負(fù)載耗電量為：QNQload?=兩者相減，Q=Qout-Qload為止，表示該月方陣發(fā)電量大于耗電量，能給蓄電池充電。若Q為負(fù)，表示該月方陣發(fā)電量小于耗電量，要用蓄電池儲(chǔ)蓄的能量來(lái)補(bǔ)足。若是蓄電池全年荷電狀態(tài)低于原定的放電深度，就應(yīng)增加方陣輸出電流；若是荷電狀態(tài)向來(lái)大大高于放電深度贊同的值，則可減少方陣電流。自然也可相應(yīng)地增加或減少蓄電池容量。如有必要，還可更正方陣傾角，以求得最正確的方陣輸出電流Im。8、決定方陣電壓：方陣的電壓輸出要足夠大，以保證全年能有效地對(duì)蓄電池充電。方陣在任何季節(jié)的工作電壓應(yīng)滿足：V=Vf+Vd式中:Vf蓄電池浮充電壓Vd因線路(包括擁塞二極管耗費(fèi)引起的電壓降9、最后確定功率：由于溫度高升時(shí)，太陽(yáng)電池的輸出功率將下降，所以要求系統(tǒng)即使在最高溫度下也能保證正常運(yùn)行，所以在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試溫度下（25?C）方陣的輸出功率應(yīng)為：(251max--?=tVIPmα式中：α—太陽(yáng)電池功率的溫度系數(shù)。對(duì)一般的硅太陽(yáng)電池，α=0.5%tmax—太陽(yáng)最高工作溫度。這樣，只要依照算出的蓄電池容量，太陽(yáng)電池方陣的電壓及功率，參照生產(chǎn)廠家供給的蓄電池和太陽(yáng)電池組件的性能參數(shù)，采用合適的型號(hào)即可。第三節(jié)太陽(yáng)電池發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例為西安地區(qū)設(shè)計(jì)一座全自動(dòng)無(wú)人指導(dǎo)3瓦彩色電視差轉(zhuǎn)站所用的太陽(yáng)能電源，其工作條件以下：電壓為24V，每日發(fā)射時(shí)間15小時(shí)，功耗20瓦，其他9小時(shí)為接收等候時(shí)間，功耗為5瓦。1、列出基本數(shù)據(jù)：A、負(fù)載耗電情況：B、西安緯度：北緯34?18'東經(jīng)108?56'海拔396.9米。C、有關(guān)氣象資料見(jiàn)后列表格。2、確定負(fù)載大?。好咳蘸碾娏浚害?∑I3：選擇蓄電池容量：選蓄電池容量為10天，放電深度α依照蓄電池的規(guī)格。取C=200Ah4、決定方傾角：因當(dāng)?shù)鼐暥圈?34?18'，取β=Φ+10?=45?5、計(jì)算傾斜面上各月太陽(yáng)輻射總量由氣象資料查得水平面上20年各月平均太陽(yáng)輻射量H，HB及Hα，計(jì)算出傾斜面上各月太陽(yáng)輻射擊總量，結(jié)果見(jiàn)下表：其中：n為從一年開(kāi)頭算起的天數(shù)。Ｈ為水平面上的幅射量，ＨＴ為傾斜４５度平面上的幅射量，單位為mwh/cm2。11６．估計(jì)方陣電流：由上表可知，傾斜面上全年平均日輻射量為d，故全年平均峰值日照時(shí)數(shù)為：dhcmmwdcmmwhTm/58.3/100/5.35722=?=取蓄電池充電效率為：η；方陣表面的灰法塵遮損失為η，算出方陣應(yīng)輸出的最小電流為：ATQIm97.49.09.058.34.1421min=??==ηη由上表查出在12月份傾斜面上的平均日輻射量最小，為的峰值日照數(shù)最少，只有。

相應(yīng)則方陣輸出的最大電流為：.09.088.24.1421minmax=??=??=ηη7、確定最正確電流：依照Imin=4.97A和Imin=6.17A采用I=5.4A，將方陣各月輸出電量及負(fù)載耗電量以及蓄電池的荷電狀態(tài)計(jì)算列表。由表7.3可見(jiàn)，即使從10月份開(kāi)始，連續(xù)7個(gè)月蓄電池未充滿，但最少時(shí)容量仍有37.1%，即放電深度最大只有62.9%，未起過(guò)75%，所以取I=5.4A是合適的。若是計(jì)算結(jié)果放電深度遠(yuǎn)小于規(guī)定的75%，則可減少方陣輸出電流或蓄電池容量，重新進(jìn)行計(jì)算。8、決定方陣電壓：?jiǎn)沃汇U酸蓄電池工作電壓為2V，故需12只單體電池串通才可滿足系統(tǒng)的工作電壓24V。每只單體鉛酸電池的工作電壓為：2.0~2.35V，取線路壓降：V，則方陣工作電壓為：V=Vf+Vd=12?2.35+0.8=29V129、確定最后功率:設(shè)太陽(yáng)電池的最高溫度為60?C,則由(7.1--20式中可算出需的方陣的輸出功率為P＝Im*V/[1-α(tmax-25]=5.4*29/[1-0.5%(60-25]=189.8W取P＝192W所以，最后取太陽(yáng)電池方陣的輸出功率為192W，可用6塊32瓦的組件(每塊電壓約為16伏2串3并而成。蓄電池容量為24V，200AH，只要用4只6Q—100鉛酸電池以2串2并的方式連接起來(lái)的，即可滿足需要。第四節(jié)光伏系統(tǒng)的安裝及保護(hù)光伏發(fā)電系統(tǒng)在設(shè)計(jì)制造完成后,要運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝.使用現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常是在荒僻的地區(qū),道路波折,交通不便,在運(yùn)輸中,全部部件都要穩(wěn)當(dāng)包裝.如組件等易碎物品要用木箱裝運(yùn)，省得損壞，蓄電池不能夠傾倒，防范電解液溢出。１．４．１安裝注意事項(xiàng)在建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)過(guò)程中，安裝是個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。1、安裝時(shí)最好用指南針確定方向，并應(yīng)注意在方陣前全天不能夠有高大建筑物或樹(shù)木等遮陽(yáng)光。2、仔細(xì)檢查地腳螺釘及方陣支架等可否結(jié)實(shí)可靠，全部螺釘接線柱等均應(yīng)擰緊，不能夠有松動(dòng)。3、方陣安裝在房頂上的要采用防火措施。134、在高處安裝的方陣應(yīng)設(shè)避雷針。必要時(shí)還需設(shè)置驅(qū)鳥(niǎo)裝置。5、陽(yáng)光下安裝時(shí)注意不要同時(shí)接觸組件（特別是方陣）的正、負(fù)兩極，省得電擊。必要時(shí)可用不透明資料覆蓋后再接線或安裝。6、安裝組件時(shí)要輕拿輕放，嚴(yán)禁碰撞、敲擊，省得損壞。7、注意組件，二極管、蓄電池、控制器等極性不要接反。8、蓄電池室應(yīng)保持通風(fēng)干燥、干凈。在北方冬天寒冷，蓄電池應(yīng)采用保暖措施。１．４．２光伏系統(tǒng)的保護(hù)太陽(yáng)電池發(fā)電系統(tǒng)沒(méi)有活動(dòng)部件，不簡(jiǎn)單損壞，其保護(hù)也特別簡(jiǎn)略。但是也需作如期保護(hù)，否則可能影響正常使用，甚至縮短使用壽命。（1）一般來(lái)說(shuō)，方陣傾角高出300時(shí)，所以塵?？捎捎晁疀_洗而自行干凈，但是在風(fēng)沙較大地區(qū)，應(yīng)當(dāng)經(jīng)常除去塵埃，保持方陣表面的干凈，省得影響發(fā)電量。這關(guān)于小型適用電源系統(tǒng)是不難做到的。干凈時(shí)可揩去塵埃，有條件可用清水沖洗，再用干凈抹布擦干。切勿用腐化性溶劑或硬物沖洗洗試。（2）如期檢查全部安裝部件的緊固程度。（3）碰到冰雹、暴風(fēng)、暴雨等異常天氣，應(yīng)及時(shí)采用保護(hù)措施。（4）經(jīng)常檢查蓄電池的充電放電情況，如期測(cè)量電解液的比重，及時(shí)增加新的電解液。隨時(shí)觀察電極或接線可否有腐化或接觸不良之處。（5）在一些簡(jiǎn)單的系統(tǒng)中應(yīng)依照儲(chǔ)能情況，控制用電量，防范蓄電池因過(guò)放而損壞。（6）發(fā)現(xiàn)有異常情況應(yīng)當(dāng)立刻檢查、維修。14第二部分風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)15第二部分風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)風(fēng)能、太陽(yáng)能都是無(wú)污染的、取之不盡用之不斷的可再生能源，“六五”、“七五”時(shí)期，小型風(fēng)電和太陽(yáng)光電系統(tǒng)在我國(guó)已獲取初步應(yīng)用。這兩種發(fā)電方式各有其優(yōu)點(diǎn)，但風(fēng)能、太陽(yáng)能都是不牢固的,不連續(xù)的能源，用于無(wú)電網(wǎng)地區(qū)，需要裝備相當(dāng)大的儲(chǔ)能設(shè)備，也許采用多能互補(bǔ)的方法，以保證基本牢固的供電。我國(guó)屬季風(fēng)氣候區(qū)，一般冬天風(fēng)大，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度小；夏天風(fēng)小，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大，正好能夠相互補(bǔ)充利用。風(fēng)—光互補(bǔ)結(jié)合發(fā)電系統(tǒng)有好多優(yōu)點(diǎn)：（1）利用太陽(yáng)能、風(fēng)能的互補(bǔ)特點(diǎn)，能夠獲取比較牢固的總輸出，提高系統(tǒng)供電的牢固性和可靠性；（2）在保證同樣供電的情況下，可大大減少儲(chǔ)能蓄電池的容量；（3）對(duì)混雜發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和般配，能夠基本上由風(fēng)/光系統(tǒng)供電，很少啟動(dòng)備用電源如柴油發(fā)電機(jī)等，并可獲取較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。所以綜合開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能、太陽(yáng)能，發(fā)展風(fēng)/光互補(bǔ)結(jié)合發(fā)電有著廣闊的遠(yuǎn)景碰到了好多國(guó)家的重視。２．１風(fēng)力資源２．１．１風(fēng)的形成及其特點(diǎn)風(fēng)是一種自然現(xiàn)象，它是由太陽(yáng)輻射熱引起的。從太陽(yáng)傳到地球的能量中，大體有2%的能量轉(zhuǎn)變成風(fēng)能。地球上全部風(fēng)能估計(jì)約為2?1017千瓦，其中，可利用的約為2?1010千瓦，這個(gè)能量是相當(dāng)大的。風(fēng)的變化眾所周知，風(fēng)隨時(shí)間、離地高度、地形和環(huán)境而變化。：風(fēng)隨時(shí)間的變化在一天之內(nèi)，風(fēng)的強(qiáng)弱可能不一樣。在地面上，白天風(fēng)大，而夜間風(fēng)小；相反，在高空中倒是夜間風(fēng)大，白天風(fēng)小。在沿海地區(qū)，由于陸地和海洋熱容量不一樣，白天產(chǎn)生海風(fēng)（從海洋吹向陸地）；夜間產(chǎn)生陸風(fēng)（從陸地吹向海洋）。在不一樣的季節(jié)，太陽(yáng)和地球的相對(duì)地址也發(fā)生變化，使地球上存在季節(jié)性溫差，所以，風(fēng)向和風(fēng)的強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生季節(jié)性變化。在我國(guó)，大多數(shù)地區(qū)的風(fēng)的季節(jié)性變化情況是：春季最強(qiáng)，冬天次強(qiáng)，秋季第三，夏天最弱。：風(fēng)隨高度的變化由于空氣的粘性和地面摩擦的影響，風(fēng)速隨高度而變化，可用下面的公式表示：V=V1(h1/h2n其中V1——高度為h1處的風(fēng)速；h1——高度（一般為10米）V——待測(cè)高度h處的速度；h——待測(cè)點(diǎn)離地高度；n——指數(shù)，由大氣牢固度和地表的粗糙程度來(lái)決定，其值約為1/21/8。牢固度居中的廣闊平川取1/7，粗糙度大的大城市常取1/3，一般上下風(fēng)速差較小，n較小，反之n值取大。風(fēng)速隨高度變化及其大小情況，因地面的平坦度，地表粗糙度以及風(fēng)通道上的氣溫變化不一樣而異。特別是受地表粗糙度的影響程度最大。、風(fēng)的隨機(jī)性變化：自然風(fēng)是一種平均風(fēng)速與激烈變動(dòng)的剎時(shí)凌亂氣流相重合的風(fēng)。氣流凌亂主要與地面的摩擦，除此之外，當(dāng)風(fēng)速與牢固層是垂直分布時(shí)會(huì)產(chǎn)生重力波，在山風(fēng)下測(cè)也會(huì)產(chǎn)生山岳波等。這種凌亂氣流不但影響風(fēng)速，也顯然影響風(fēng)向。利用風(fēng)力驅(qū)動(dòng)風(fēng)力機(jī)時(shí)，所以收集關(guān)于風(fēng)向變化的資料也是很重要的。若是準(zhǔn)時(shí)間區(qū)分，可將風(fēng)向的變化區(qū)分為：一年或一個(gè)月內(nèi)風(fēng)向的趨勢(shì)；短時(shí)間內(nèi)變動(dòng)的凌亂氣流；介于兩者之間的平均風(fēng)向。關(guān)于第一種風(fēng)向的變化狀況，如制成風(fēng)向玫瑰圖（風(fēng)向頻度），即可清楚地看出風(fēng)向的大體趨勢(shì)，如圖。對(duì)風(fēng)速，一般采用年平均風(fēng)速時(shí)間曲線（表示一地方一年中各種風(fēng)速小時(shí)數(shù)）來(lái)進(jìn)行記錄。如圖。圖風(fēng)玫瑰圖圖年平均速度時(shí)間曲線風(fēng)能資源空氣運(yùn)動(dòng)擁有動(dòng)能，若是風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的斷面積為A，則當(dāng)一般體積為AV的空氣在單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)風(fēng)輪時(shí)，該空氣傳達(dá)給風(fēng)輪的風(fēng)能功率（一般稱(chēng)為風(fēng)能）為322121AvAvvPρρ=?=式中ρ——空氣密度（Kg/m3）；A——風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)一圈所掃過(guò)的面積（m2）；——風(fēng)速（m/s）；P——每秒鐘空氣流過(guò)風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪斷面積的風(fēng)能，即風(fēng)能功率（W）若是風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪直徑為D，則24DAπ這時(shí)32238421vDDvPρππρ=?=如有效風(fēng)速時(shí)間為t，則在時(shí)間t內(nèi)的風(fēng)能為tvDtPE328ρπ=由上式可知，風(fēng)能與空氣密度ρ、風(fēng)輪直徑的平方D2·風(fēng)速的立方V3細(xì)風(fēng)連續(xù)時(shí)間t成正比。一般說(shuō)來(lái)，必然高度范圍內(nèi)的空氣密度能夠認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)。所以，當(dāng)風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪越大，有效風(fēng)速時(shí)間越長(zhǎng)，特別是風(fēng)速越大，則風(fēng)力機(jī)所能獲取的風(fēng)能就越大。表征一個(gè)地址的風(fēng)能資源潛力，要視該地區(qū)常年平均風(fēng)能密度的大小。風(fēng)能密度是單位面積上的風(fēng)能，關(guān)于風(fēng)力機(jī)來(lái)說(shuō)，風(fēng)能密度是指風(fēng)輪掃過(guò)單位面積的風(fēng)能，即W=ρ/A=ρ1/2V3（W/m2）式中W——風(fēng)能密度（W/m2）；ρ——空氣密度（Kg/m3）；V——風(fēng)速（m/s）。常年平均風(fēng)能密度為?=TdtvT03211ρ式中，W－平均風(fēng)能密度(W/m2T－總的時(shí)間(h在實(shí)質(zhì)應(yīng)用時(shí)，常用下式來(lái)計(jì)算某地年（月）風(fēng)能密度，即年（月）＝nn式中：W年（月）－年（月）風(fēng)能密度（W/m2）；Wi（1≤i≤）n－各等級(jí)風(fēng)速下的風(fēng)速密度（W/m2）Ti（1≤i≤）n－各等級(jí)風(fēng)速在每年（月）出現(xiàn)的時(shí)間（h）。在我國(guó)，風(fēng)力資源比較豐富。據(jù)估計(jì)，我國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)量為2.2?103千瓦時(shí)以上。２．２風(fēng)力機(jī)1、分類(lèi)風(fēng)力機(jī)是風(fēng)能利用中一種最重要的風(fēng)能變換裝置。風(fēng)力機(jī)可用于發(fā)電、提水、攪拌池水充氧和致熱等。它主要有以下三種分類(lèi)方法：按風(fēng)力機(jī)功率：分為大中小型風(fēng)力機(jī)。功率在10千瓦以下的風(fēng)力機(jī)叫小型風(fēng)力機(jī)，10至100千瓦叫中型風(fēng)力機(jī)，100千瓦以上叫大型風(fēng)力機(jī)。按風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪軸地址：分為水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)。水平軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪軸與風(fēng)向平行（圖），而垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪軸與風(fēng)向垂直（圖）按風(fēng)輪轉(zhuǎn)速：分為高速風(fēng)力機(jī)和低速風(fēng)力機(jī)。圖水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)1－風(fēng)輪；2－調(diào)速控制系統(tǒng)；3－發(fā)電機(jī)（做功裝置）；4－尾輪（方向控制）；5－蓄電池（儲(chǔ)能裝置）；6－塔架；7－輪殼。圖垂直軸風(fēng)力機(jī)2、風(fēng)力機(jī)的性能和特點(diǎn)（1）功率吸取風(fēng)輪從風(fēng)中吸取的功率等于風(fēng)輪效率幾乘以經(jīng)過(guò)風(fēng)輪掃拂面的體積流量VTAT，再乘上壓力加動(dòng)能變化Δθ之和：(θρη?+?=TTAVP關(guān)于老例的水平軸風(fēng)力機(jī)，設(shè)風(fēng)的初始速度為V0，當(dāng)空氣湊近風(fēng)輪時(shí)，空氣速度漸漸減小，直到經(jīng)過(guò)風(fēng)輪，并走開(kāi)一段距離，速度倒是下降的。當(dāng)空氣的速度增加，直到速度達(dá)到初始速度。圖水平軸風(fēng)力機(jī)的最正確性能當(dāng)空氣吹過(guò)風(fēng)輪時(shí)，單位體積的空氣的壓力能和動(dòng)能之和是常數(shù)。壓力能增加，動(dòng)能減小。在風(fēng)輪面上，壓力能達(dá)到最大。當(dāng)空氣經(jīng)過(guò)風(fēng)輪時(shí)，空氣將動(dòng)能傳給風(fēng)輪，壓力能大大下降，低于大氣壓。當(dāng)空氣走開(kāi)風(fēng)輪向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，空氣壓力增加，直到達(dá)到大氣壓。空氣經(jīng)過(guò)風(fēng)輪后，它的動(dòng)能進(jìn)一步下降，直到它的壓力恢復(fù)到大氣壓。流經(jīng)風(fēng)輪的氣流流管的橫截面積與空氣的速度成反比，當(dāng)空氣流向風(fēng)輪，經(jīng)過(guò)風(fēng)輪，直到走開(kāi)它一段距離，空氣的流管是膨脹的。當(dāng)擾動(dòng)的空氣從周?chē)娘L(fēng)中吸取動(dòng)能此后，由于氣流中的擾動(dòng)彌散，風(fēng)輪的影響消失。風(fēng)輪的效率（功率）系數(shù)定義為風(fēng)輪供給的功率除以風(fēng)輪掃拂面內(nèi)氣流的總適用功率：功率系數(shù)：Cp＝風(fēng)輪供給功率/3021VATρ從動(dòng)量理論得知：風(fēng)輪從空氣中吸取的最大能量是經(jīng)過(guò)風(fēng)輪空氣的動(dòng)能的九分之八。這時(shí)，風(fēng)速的最大損失是空氣初始速度V0的三分之二。風(fēng)輪的最大功率系數(shù)為：(2029832200maxVVVATρρρ=其中，ρV03/2是空氣單位體積的功率密度。系數(shù)0.593稱(chēng)為貝茲系數(shù)，這是風(fēng)輪的最大功率系數(shù)。（2）典型功率系數(shù)理想風(fēng)輪的功率系數(shù)隨葉片尖端速度與風(fēng)速之比（尖速比λ）而變化。當(dāng)尖速比λ達(dá)到5或6時(shí)，功率系數(shù)達(dá)到最大。試驗(yàn)表示，擁有較好氣動(dòng)外形的二葉片風(fēng)輪，當(dāng)其轉(zhuǎn)動(dòng)速度較大；尖速比為5或6時(shí)，功率可達(dá)。同樣，關(guān)于垂直軸風(fēng)力機(jī)，達(dá)里厄風(fēng)輪在圓周速度和空氣速度之比為6時(shí)，最大功率系數(shù)可達(dá)。還有其他形式的風(fēng)輪，最大功率系數(shù)較低，對(duì)應(yīng)的尖速比都小于高速水平軸風(fēng)輪和垂直軸達(dá)里厄風(fēng)輪（圖）。圖典型功率系數(shù)（3）輸出特點(diǎn)：擁有固定槳距的水平軸風(fēng)輪產(chǎn)生的扭矩隨風(fēng)速和轉(zhuǎn)速變化。若是葉片的旋轉(zhuǎn)速度太低，葉片將失速，風(fēng)輪輸出的扭矩下降，所認(rèn)為了從氣流中獲取最大功率輸出（當(dāng)氣流速度變化時(shí)）必定改變?nèi)~片的槳距角或葉片的轉(zhuǎn)速。此刻好多風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪都設(shè)計(jì)成變槳距葉片，使風(fēng)輪以常轉(zhuǎn)速運(yùn)行。當(dāng)風(fēng)速額定風(fēng)速，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速必定隨風(fēng)速改變，以便從空氣中獲取最大功率。但關(guān)于由風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)的同步或異步交流發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，這其實(shí)不是最正確的。這種不般配問(wèn)題關(guān)于風(fēng)輪及其輸出關(guān)系來(lái)說(shuō)是很重要的。解決的方法之一是贊同風(fēng)輪轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化，同時(shí)使用變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，以獲取電網(wǎng)所需的常頻電流。為此，可使用差動(dòng)裝置。美國(guó)MOD—O風(fēng)力機(jī)，在風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，減小功率，風(fēng)輪的功率系數(shù)。該機(jī)的最大理論輸出以以下列圖的虛線所示。在風(fēng)速為27米/秒時(shí)，輸出功率應(yīng)為4935千瓦。但是，帶有固定增速比齒輪傳動(dòng)裝置的同步系統(tǒng)發(fā)電機(jī)只能是常轉(zhuǎn)速，所以風(fēng)輪轉(zhuǎn)速要必然。除去摩擦損失此后，在切入速度米/秒和額定風(fēng)速8米/秒之間，能夠保持理想的最大輸出。經(jīng)過(guò)改變系統(tǒng)輸出載荷，能夠保持風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為40周/分。當(dāng)風(fēng)速大于8米/秒時(shí)，經(jīng)過(guò)改變風(fēng)輪葉片的槳距角保持風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為40周/分。用這樣的方法，在額定風(fēng)速8米/秒和切出風(fēng)速27米/秒之間，保持恒定的功率輸出，在27米/秒時(shí)，風(fēng)輪葉片順槳，保護(hù)風(fēng)力機(jī)。這種風(fēng)力機(jī)不會(huì)致使有效風(fēng)能很大的損失。圖MOD－0風(fēng)力機(jī)（風(fēng)輪直徑38米，額定功率100千瓦）的功率輸出。理論功率密度時(shí)間曲線表示在風(fēng)場(chǎng)上擁有特定功率系數(shù)的風(fēng)力機(jī)，在一年內(nèi)，能供給某一功率密度的小時(shí)數(shù)。在這樣一條功率密度曲線下的面積表示安裝在該風(fēng)場(chǎng)上風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪單位面積上每年產(chǎn)生的總的有效能量。比方：一臺(tái)功率系數(shù)為0.35的風(fēng)力機(jī)，安裝在擁有以下列圖功率密度時(shí)間曲線的風(fēng)場(chǎng)上，風(fēng)輪掃拂面每平方米面積上能產(chǎn)生1000瓦以上的功率小時(shí)數(shù)，每年為876小時(shí)。圖Cp＝0.35風(fēng)力機(jī)的理論功率密度時(shí)間曲線這樣的風(fēng)力機(jī)，帶有固定傳動(dòng)比的增速裝置驅(qū)動(dòng)的固頻交流發(fā)電機(jī)，其實(shí)質(zhì)功率密度小于上述理論值。比方，這種風(fēng)力機(jī)的切入風(fēng)速為6.7米每秒，額定風(fēng)速為13.4米/秒。切出風(fēng)速為27米/秒，而實(shí)質(zhì)輸出功率密度按圖7.12虛線變化。每年的實(shí)質(zhì)能量密度輸出用虛線下的陰影面積表示。圖每年實(shí)質(zhì)功率密度輸出（一臺(tái)風(fēng)力機(jī)）由于氣流的功率隨空氣速度細(xì)風(fēng)輪掃拂面變化，所以當(dāng)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速增加細(xì)風(fēng)輪直徑平增大，都能使風(fēng)力機(jī)的功率輸出增加。但是，為了降低風(fēng)能利用成本，風(fēng)力機(jī)的大小和安裝地址必定仔細(xì)選擇。（4）附加載荷當(dāng)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生幾種附加載荷，對(duì)葉片的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生很大的影響。它包括陀螺力、葉片不平衡力、風(fēng)剪切、風(fēng)的不平均性、陣風(fēng)、重力和塔尾流的影響。這些載荷可能引起葉片、塔架、軸承和其他部件周期運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)，而且會(huì)對(duì)風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)的可靠性、壽命和性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。當(dāng)設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)時(shí)，這些載荷都需要仔細(xì)進(jìn)行解析。圖風(fēng)力機(jī)的附加載荷（5）生產(chǎn)能量的成本誠(chéng)然風(fēng)力機(jī)的成本隨著尺寸的增大而增加，但是風(fēng)力機(jī)每千瓦的成本隨著尺寸增大而下降，運(yùn)輸成本也隨尺寸增大而下降。從經(jīng)濟(jì)上講，最好使用大型風(fēng)力機(jī)，越大越好。但是，由于目前制造和運(yùn)行可靠性的限制，風(fēng)力機(jī)的尺寸還不能夠太大。其他，風(fēng)力機(jī)成本隨額定風(fēng)速的增加而下降。依照這個(gè)估計(jì)，批量生產(chǎn)的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)（兆瓦級(jí)）的成本為批量生產(chǎn)的中型風(fēng)力機(jī)（百千瓦級(jí)）成本的一半。（6）蓄能方式風(fēng)力機(jī)供給的能量完好取決于風(fēng)況。由于風(fēng)的不連續(xù)性，風(fēng)力機(jī)供給能量是中止的。所以需要合適的蓄能設(shè)備與之配合。風(fēng)力機(jī)蓄能系統(tǒng)可分為以下面幾類(lèi)：a、電化蓄能系統(tǒng)——蓄電池和電解蓄氫；b、熱能蓄能系統(tǒng)——能經(jīng)過(guò)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，將產(chǎn)生的熱蓄存起來(lái)；c、動(dòng)能系統(tǒng)——飛輪或超導(dǎo)電磁系統(tǒng)；d、勢(shì)能系統(tǒng)——泵水系統(tǒng)或壓縮空氣系統(tǒng)。（7）風(fēng)力機(jī)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)在風(fēng)力機(jī)的應(yīng)用中，要求風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)性能好，供給能源的成本低。這就要求，風(fēng)力機(jī)（包委婉能設(shè)備在內(nèi)）投資低，各部件（葉片、發(fā)電機(jī)、軸承、齒輪箱、塔架和蓄能設(shè)備等）在風(fēng)力機(jī)的使用年限內(nèi)，運(yùn)行和維修花銷(xiāo)最低。其他標(biāo)準(zhǔn)包括：a、能源送還時(shí)間—風(fēng)力機(jī)利用風(fēng)產(chǎn)生的能量正好等于制造風(fēng)力機(jī)所耗費(fèi)的能量加上在送還期運(yùn)行和維修耗費(fèi)的能量所需要的時(shí)間—應(yīng)短。B、系統(tǒng)的能量收益—在風(fēng)力機(jī)使用壽命內(nèi)風(fēng)力機(jī)所產(chǎn)生的能量除以風(fēng)力體系造、運(yùn)行和維修所需的能量—應(yīng)大。2.3風(fēng)場(chǎng)選擇由于風(fēng)力機(jī)的能量輸出與風(fēng)速三次方成正比，所以選擇風(fēng)力機(jī)的安裝地址時(shí)，特別要小心。由于當(dāng)風(fēng)吹過(guò)地表時(shí)，水氣的空氣流會(huì)產(chǎn)生剪切和加速。剪切的作用會(huì)使地面上風(fēng)速比高空的風(fēng)速低得多。而不受剪切影響的高度比氣象站測(cè)量高度（10米）要大得多。風(fēng)的剪切要受地形影響，所以有效風(fēng)能也受地形影響。也就是說(shuō)，建筑物、樹(shù)及其他阻攔物對(duì)剪切和有效風(fēng)能有影響。圖地形對(duì)風(fēng)的影響當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)山丘或窄谷時(shí)，氣流產(chǎn)生加速作用，利用這一特點(diǎn)，能夠?qū)L(fēng)力機(jī)安裝在這樣的有利地形上以增加功率輸出，有關(guān)地形影響見(jiàn)上圖和下表所示:風(fēng)洞試驗(yàn)表示：一個(gè)風(fēng)場(chǎng)上風(fēng)力機(jī)之間的距離應(yīng)有必然的要求，省得風(fēng)輪之間產(chǎn)生攪亂。試考據(jù)明，風(fēng)力機(jī)之間的距離不應(yīng)小于六個(gè)風(fēng)輪直徑。合適的風(fēng)場(chǎng)特點(diǎn)綜合以下：a、擁有較高的平均風(fēng)速；b、在風(fēng)力機(jī)來(lái)風(fēng)的方向上沒(méi)有高大建筑物（其距離與高度有關(guān)）；c、在平地的圓滑山頂或湖、海中的島上；d、廣闊的平坦地，廣闊的海岸線；e、能產(chǎn)生煙筒效應(yīng)的山谷。2.4風(fēng)力機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀2.4.1小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)（10千瓦以下）小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝和維修方便，合適于無(wú)電地區(qū)居民使用。目前，其產(chǎn)品已經(jīng)成熟，整機(jī)效率可達(dá)25%~30%，運(yùn)行壽命可達(dá)20年。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用水平軸風(fēng)力機(jī)。，風(fēng)輪的葉片數(shù)量2~3片，多用玻璃鋼制造。這種資料壽命長(zhǎng)，加工復(fù)雜的氣動(dòng)外形簡(jiǎn)單。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)好多采用定槳距風(fēng)輪。在暴風(fēng)時(shí)保護(hù)風(fēng)力機(jī)，只能依靠機(jī)械氣動(dòng)力剎車(chē)或使整個(gè)風(fēng)輪自動(dòng)偏離風(fēng)向。我國(guó)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)（50~200瓦）發(fā)展很快，現(xiàn)已實(shí)行應(yīng)用多萬(wàn)臺(tái)，主要分布在內(nèi)蒙、新疆、青海、甘肅等地。2.4.2中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)（10~100千瓦）中型風(fēng)力機(jī)大多是70－80年代完成研制并商品化的，技術(shù)上已比較成熟，是目前風(fēng)電場(chǎng)主要機(jī)種之一，多用于并網(wǎng)運(yùn)行。中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)多是二葉片或三葉片式風(fēng)輪，風(fēng)輪的功率系數(shù)CP一般在左右。葉片多數(shù)采用玻璃鋼制成。風(fēng)輪部署多采用下風(fēng)向，無(wú)尾舵，有的甚至省卻自調(diào)向?qū)Ｓ玫膶?duì)風(fēng)裝置，依靠風(fēng)輪和艙體合理部署實(shí)現(xiàn)自調(diào)向。我國(guó)的10千瓦和18千瓦風(fēng)力機(jī)已先后作過(guò)并網(wǎng)運(yùn)行。2.4.3大型風(fēng)力機(jī)（100千瓦以上）大型風(fēng)力機(jī)的研究，美國(guó)、丹麥、德國(guó)等技術(shù)比較先進(jìn)。我國(guó)在這方面的研究有待進(jìn)一步拓展。2.5風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)2.5.1系統(tǒng)的組成與原理風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖以下：圖風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖發(fā)電部分由太陽(yáng)電池方陣、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、柴油發(fā)電機(jī)組、控制器及蓄電池組組成。2.5.1.1太陽(yáng)電池方陣圖太陽(yáng)電池發(fā)電部分原理框圖上圖為太陽(yáng)電池發(fā)電部分的原理框圖。太陽(yáng)電池方陣的支路經(jīng)過(guò)二極管、充電控制器并聯(lián)向蓄電池充電。充電控制器采用增量控制太陽(yáng)電池方陣對(duì)蓄電池的充電過(guò)程。當(dāng)蓄電池組的充電電壓達(dá)到設(shè)定的最高充電電壓時(shí)，自動(dòng)依次切斷一個(gè)或數(shù)個(gè)方陣供電支路，以限制蓄電池的充電電壓連續(xù)增加，保證蓄電池的壽命，并最大限度的利用和儲(chǔ)蓄太陽(yáng)電池發(fā)出的電能。2.5.1.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般由多臺(tái)風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)組成。以下列圖即為風(fēng)力機(jī)輸出功率曲線。其中Vc為起動(dòng)風(fēng)速，VR為額定風(fēng)速，此時(shí)風(fēng)機(jī)輸出額定功率，VP為截止風(fēng)速。圖風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出特點(diǎn)當(dāng)風(fēng)速小于起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)不能夠轉(zhuǎn)動(dòng)。風(fēng)速達(dá)到起動(dòng)風(fēng)速后，風(fēng)機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。輸出電能供給負(fù)載以及給蓄電池充電。當(dāng)蓄電池組端電壓達(dá)到設(shè)定的最高值時(shí)，由電壓檢測(cè)獲守信號(hào)電壓經(jīng)過(guò)控制電路進(jìn)行開(kāi)關(guān)切換，使系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)壓閉環(huán)控制，既得保持對(duì)蓄電池充電，又不致使蓄電池過(guò)充。在風(fēng)速高出截止風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)經(jīng)過(guò)機(jī)械限速機(jī)構(gòu)使風(fēng)力機(jī)在必然轉(zhuǎn)速下限速運(yùn)行或停止運(yùn)行，以保證風(fēng)力機(jī)不致?lián)p壞。2.5.1.3蓄電池組仿佛獨(dú)立光伏系統(tǒng)中的蓄電池組，發(fā)揮同樣的作用，儲(chǔ)能供無(wú)風(fēng)、無(wú)日照的時(shí)間使用。2.5.1.4控制器在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，控制器主要包括風(fēng)電控制系統(tǒng)，光電控制系統(tǒng)和蓄電池充放電控制器三部分。它們主若是依照蓄電池的充電情況來(lái)控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，太陽(yáng)電池發(fā)電方陣的運(yùn)行方式和開(kāi)斷情況，從而保證負(fù)載的正常供電以及系統(tǒng)各個(gè)部分的安全運(yùn)行。2.5.1.5逆變器逆變器在系統(tǒng)框圖中未標(biāo)出，它將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出變換后獲取的直流電，以及太陽(yáng)電池方陣輸出和蓄電池放電變換成負(fù)載所需要的交流電。逆變器主電路由大功率晶體管組成，采用正弦脈寬調(diào)制，抗攪亂能力強(qiáng)，三相負(fù)載不平衡度可達(dá)0—100%，還有很強(qiáng)的過(guò)載及限流保護(hù)功能。2.5.1.6擁塞二極管作用也是防范無(wú)日照時(shí)蓄電池經(jīng)過(guò)太陽(yáng)電池方陣放電。2.5.1.7備用柴油發(fā)電機(jī)當(dāng)連續(xù)好多天無(wú)風(fēng)，無(wú)太陽(yáng)時(shí)可啟動(dòng)備用柴油發(fā)電機(jī)對(duì)蓄電池增補(bǔ)充電，以防止蓄電池長(zhǎng)時(shí)間處于缺電狀態(tài)。一般柴油發(fā)電機(jī)只供給保護(hù)性的充電電流，其直流充電電流值不宜過(guò)高。關(guān)于小型的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，有時(shí)能夠不配柴油發(fā)電機(jī)。2.5.2系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中涉及的問(wèn)題好多。在這里主要經(jīng)過(guò)一個(gè)列子，簡(jiǎn)單說(shuō)明風(fēng)力發(fā)電機(jī)與太陽(yáng)電池的功率分配這一中心問(wèn)題。例中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用太原汾西機(jī)器廠50W—200W系列產(chǎn)品，太陽(yáng)電池采用哈爾濱克羅拉公司3W—120W非晶硅系列，其電池變換效率取6%，壽命20年。蓄電池采用鉛蓄電池，壽命3—5年，放電率30%。不裝備柴油發(fā)電機(jī)。1、依照資料對(duì)當(dāng)?shù)仫L(fēng)力機(jī)與太陽(yáng)電池的年發(fā)電量及兩者互補(bǔ)的發(fā)電量進(jìn)行測(cè)算，以下表所示:各發(fā)電量數(shù)據(jù)（單位KWh/年）２．依照負(fù)載要求，選擇可能的發(fā)電方式，設(shè)負(fù)載功率130瓦，每日工作5小時(shí)，年需要240KWh。依照上表能夠選擇100Wyc風(fēng)力發(fā)電機(jī)單獨(dú)發(fā)電，也許兩組HC915?1220電池板并聯(lián)100W太陽(yáng)電池單獨(dú)發(fā)電，也許50Wyc風(fēng)力發(fā)電機(jī)加一組HC915?122050W太陽(yáng)電池互補(bǔ)發(fā)電。3．蓄電池容量的確定，在不需要連續(xù)供電的場(chǎng)合，如生活用電，為了降低成本，能夠只依照負(fù)載每日所需的能量與場(chǎng)合，如差轉(zhuǎn)臺(tái)、航標(biāo)燈用電，則必定考慮天氣變化（如連雨天，連續(xù)無(wú)風(fēng)）的因素加校正。設(shè)蓄電池電壓24V，計(jì)算結(jié)果4、三種發(fā)電方式的經(jīng)濟(jì)效益比較列入下表，其他，當(dāng)負(fù)載需要量大時(shí)，風(fēng)電—光電互補(bǔ)能夠有多種組配方式。此時(shí)，能夠依照上述原則分別計(jì)算，爾后比較利害，求得最正確般配。從下表能夠看出，利用風(fēng)能和太陽(yáng)能互補(bǔ)發(fā)電；性能價(jià)格比要高得多，發(fā)電質(zhì)量也好。第三部分光電水泵系統(tǒng)原理及測(cè)試第三部分光電水泵系統(tǒng)原理及測(cè)試３．１序言水無(wú)論是對(duì)人們的平時(shí)生活還是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都是必不能少的，在此刻世界，大體有十幾億人連干凈衛(wèi)生的飲水都沒(méi)有保證。在好多干旱地區(qū)，由于缺少水灌溉，土地漸漸形成鹽堿地，甚至被沙漠損害。使得生態(tài)自然環(huán)境漸漸惡化，在我們這個(gè)人口多耕地少的國(guó)家里，仍有好多大片大片的荒地，僅是由于無(wú)水而未被開(kāi)墾利用。在諸多的水違紀(jì)地方，其實(shí)不是沒(méi)有水源，而是缺少合適的抽水工具及動(dòng)力。世界上諸多的荒僻、邊遠(yuǎn)、部落地區(qū)，到此刻未被電網(wǎng)覆蓋并在今后若干年內(nèi)也不能能鋪設(shè)老例電網(wǎng)。那么，使用老例的抽水工具也就碰到了很大的阻攔，利用取之不盡，用之不斷的太陽(yáng)光能作動(dòng)力，以光電水泵為抽水工具是一種卓有收效的并為人們?cè)絹?lái)越關(guān)注的好方法。光電水泵擁有壽命長(zhǎng)、安全可靠、使用方便、保護(hù)簡(jiǎn)單、無(wú)噪聲、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，從七十年代后期，外國(guó)好多生產(chǎn)廠家紛紛研制光電水泵。目前生界上約有四十多家廠商供給該類(lèi)產(chǎn)品，其系統(tǒng)效率、可靠性能也在不斷提高；功率范圍從幾十瓦到15千瓦，品種也在不斷增加，西方一些發(fā)達(dá)國(guó)家的光電水泵已經(jīng)系列化；并大量銷(xiāo)往到非洲、南美、中東和東南亞等地。迄今已有數(shù)十萬(wàn)臺(tái)光電水泵在世界各地可靠地運(yùn)行。隨著太陽(yáng)電池技術(shù)的迅速發(fā)展，光電水泵系統(tǒng)也將獲取更廣泛的應(yīng)用。３．２光電水泵系統(tǒng)簡(jiǎn)介從光伏水泵的結(jié)構(gòu)形式分，可大體分成三類(lèi)：1、直耦式：圖直耦式水泵系統(tǒng)特點(diǎn)是：①除去了電壓調(diào)治器和蓄電池，結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)②系統(tǒng)可靠性和效率都很高③操作簡(jiǎn)單，晨起暮閉自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，很合適發(fā)展中國(guó)家的荒僻地區(qū)④但合用范圍窄2、帶有貯能裝置的光伏水泵：圖帶有貯能的光伏水泵主要特點(diǎn)是：①可隨時(shí)工作②合用性廣③機(jī)泵產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)量大、價(jià)格廉價(jià)3、不帶貯能裝置的光伏水泵系統(tǒng)這是在第一種類(lèi)的基礎(chǔ)上，增加逆變器和最大功率點(diǎn)追蹤器而獲取，驅(qū)動(dòng)老例的交流電機(jī)水泵工作。特點(diǎn)是：①合用性廣②機(jī)泵產(chǎn)品系列化，價(jià)格廉價(jià)③但因增加了電子控制和D/A變換，效率有所降低圖帶有功率點(diǎn)追蹤的光伏水泵第二種分類(lèi)方法是依照水泵的安裝地址分類(lèi)：1、淺水式：電機(jī)和水泵都安裝在地面上。便于保護(hù)維修，效率也較高。缺點(diǎn)是吸程有限（離心式為7米），限制了它的使用。2、飄浮式：電機(jī)和水泵固定在飄浮物上，揚(yáng)程不高出10米，但流量卻可達(dá)200米3/天。3、潛水式：電機(jī)和水泵組成一體，沉于井、河等水下，可達(dá)較遠(yuǎn)揚(yáng)程（10米～100米），流量也可達(dá)250米/天。三種形式如圖示：圖淺水式實(shí)物圖圖潛水式實(shí)物圖圖飄浮式實(shí)物圖３．３光伏水泵系統(tǒng)各部分介紹主要介紹動(dòng)力部件：太陽(yáng)電池方陣、電機(jī)和水泵種類(lèi)和性能3.3.1太陽(yáng)電池陣列前面章節(jié)已經(jīng)介紹過(guò)太陽(yáng)電池及其組件，及由這些組件組成的方陣。在此僅強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，就是方陣的I-V負(fù)載特點(diǎn)曲線，如圖示。方陣工作在A點(diǎn)，則輸出功率為Pa=Ia﹡Va。工作在M點(diǎn)輸出功率最