—9—分布式風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)分析1.1整體結(jié)構(gòu)一個(gè)風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)應(yīng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能電池板、逆變器、整流器、DC/DC變換器、控制器、儲能系統(tǒng)、交直流負(fù)載等部分組成。實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖2-1。交流負(fù)載DCAC直流負(fù)載ACDCDCDC蓄電池控制器交流負(fù)載DCAC直流負(fù)載ACDCDCDC蓄電池控制器太陽能電池板風(fēng)力發(fā)電機(jī)圖2-1風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)AC/DC整流器儲存至蓄電池中，太陽能電池板發(fā)出的電是直流電，經(jīng)DC/DC變換器儲存至蓄電池中，由蓄電池向負(fù)載供電，控制器負(fù)責(zé)采樣太陽能電池板發(fā)電的電壓電流、風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電的電壓電流，進(jìn)行最大功率控制，同時(shí)也要檢測蓄電池電壓電流，判斷其工作狀態(tài)，當(dāng)其充滿電時(shí)及時(shí)切除電路，防止蓄電池過充；當(dāng)其放電一定程度時(shí)及時(shí)切回充電電路，防止過放，以此保護(hù)蓄電池，盡可能延長蓄電池壽命。1.2太陽能發(fā)電部分工作原理太陽能電池是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，其原理是當(dāng)太陽光照射在半導(dǎo)體P-N結(jié)上時(shí)會形成空穴-電子對，在P-N結(jié)內(nèi)電場的作用下，電子因帶負(fù)電，在電場力的作用下，會從P區(qū)流向N區(qū)，同時(shí)等量的帶正電的空穴會從N區(qū)流向P區(qū)，于是導(dǎo)致P端顯正極性，N端顯負(fù)極性，由此產(chǎn)生電壓差，如果此時(shí)將電路接通，電路中就會產(chǎn)生電流。若太陽光照增強(qiáng)，通過光照產(chǎn)生的空穴-電子對就越多，電位差就越大，輸出電流也就越大。但太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)換為電能的效率并不是100%，一般在15%-30%之間，其中未被轉(zhuǎn)換的太陽能會使得電池板溫度升高，將能量散發(fā)到環(huán)境中。其原理圖如圖2-2所示。電極－電極＋P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體防反射膜太陽光電流電極－電極＋P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體防反射膜太陽光電流圖2-2太陽能電池板原理圖RsRIp?ILVIs?Rs?DId光照負(fù)載IIVIRDI光照負(fù)載圖2-3太陽能電池等效電路其中：Ip?IdIs?RsIL由等效電路可以看出，太陽能電池可以看做一個(gè)電流源與一個(gè)二極管并聯(lián)，由光照—10—所產(chǎn)生的光生電流Ip?先減去結(jié)電流Id，再減去旁漏電流Is?，剩下的I IL=Ip??Id?又由二極管電流經(jīng)典表達(dá)式，Id Id=其中，q為電子電荷量1.602×10?19C；K為玻爾茲曼常數(shù)1.38×10?23J/K；m為P-N結(jié)理想因子，當(dāng)正偏電壓大時(shí)m取1，當(dāng)正偏電壓小時(shí)旁漏電流Is? Is?=負(fù)載電流IL IL=實(shí)際中旁漏電流一般很小，經(jīng)常就忽略不計(jì)了。使用MATLAB可以繪制0.1kW/m20.5kW/m21kW/m20.1kW/m0.1kW/0.5kW/1kW/0.1kW/0.5kW/1kW/Current（A）Power（W）Voltage（V）Voltage（V）圖2-4不同光照強(qiáng)度下太陽能電池特性曲線—12—通過特性曲線可以看到，太陽能電池的輸出功率是非線性的，且為單峰曲線，存在最大功率點(diǎn)，本課題的設(shè)計(jì)就是要跟蹤最大功率點(diǎn)的位置，使其時(shí)刻輸出最大功率，從而提高太陽能利用率。1.3風(fēng)力發(fā)電部分工作原理風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，當(dāng)風(fēng)吹過葉片時(shí)，一部分風(fēng)能轉(zhuǎn)化為葉片旋轉(zhuǎn)的動能，葉片帶動低速軸轉(zhuǎn)動，連接增速機(jī)可將低速軸的速度提升，來帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。貝茨理論是解釋理想情況下風(fēng)力的動能傳給風(fēng)力機(jī)葉輪而轉(zhuǎn)化為功率的理論。S2V2VSV1S1SVVSVS圖2-5風(fēng)力發(fā)電原理示意圖風(fēng)能即是風(fēng)的動能，令ρ為空氣密度，質(zhì)量為m的空氣以速度V1 E=12又由流體力學(xué)的連續(xù)性原理知： SV1風(fēng)作用于風(fēng)輪上的壓力為： F=ρSV（V風(fēng)輪的功率為： P=FV=ρSV2單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)能的變化量為： ΔE=1理想狀態(tài)下，風(fēng)能的改變量就是傳遞給風(fēng)輪的功率： 12ρSV整理得： V=12所以有： P=1風(fēng)速V1可通過傳感器測得，是給定的，因此上式中P是V2的函數(shù)，其兩邊同時(shí)對 dPdV令導(dǎo)數(shù)為零，即可求得其最大值，V2 Pmax=定義Cp Cpmax=這就是貝茨極限，其意義是，風(fēng)輪在流動的空氣中旋轉(zhuǎn)一周所獲得的最大功率，不超過其掃過面積范圍內(nèi)的空氣動能的59.3%，但是在實(shí)際中，風(fēng)力機(jī)無法達(dá)到這樣高的值。風(fēng)力機(jī)的功率可用以下公式表示： P=14實(shí)際上風(fēng)能利用系數(shù)Cp是葉尖速比λ和槳距角β的函數(shù)，即Cp=f（λ，β Cpλ，β 1λi式中：C1=0.5176，C2=116，C3=0.4對于不同廠家甚至不同型號的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其Cp與λ的關(guān)系會略有不同，一般情況下廠家都會給出測試所得的C使用MATLAB可畫出其函數(shù)圖像，Cp與λ的關(guān)系如圖2-6所示，可以觀察到以下規(guī)律，Cp曲線也是單峰曲線，當(dāng)確定一個(gè)β時(shí)，其最大風(fēng)能利用系數(shù)也已確定，對于任意的λ，當(dāng)β=0°時(shí)，Cp最大。由此，可以得到獲得風(fēng)能最大利用系數(shù)的思路：當(dāng)風(fēng)力較小，低于額定風(fēng)速時(shí)，可控制β=0°PAGE2Cp風(fēng)能利用系數(shù)Cpλ葉尖速比圖2-6風(fēng)能利用系數(shù)曲線1.4蓄電池部分工作原理若系統(tǒng)直接使用風(fēng)能與太陽能發(fā)出的電能對外供電，將使得輸出功率很不穩(wěn)定，系統(tǒng)輸出功率會受到天氣多云、無風(fēng)等諸多不利因素的影響導(dǎo)致輸出功率大范圍無規(guī)律的波動。因此，若將系統(tǒng)發(fā)出的電能儲存在蓄電池中，利用蓄電池對外供電，即可使輸出功率平穩(wěn)。當(dāng)下常用的儲能元件主要有鉛酸蓄電池、鋰離子電池、金屬氧化物電池等。其中被廣泛應(yīng)用的電池是鉛酸蓄電池，目前的閥控密封鉛酸蓄電池具有免維護(hù)、成本低的特點(diǎn)，也因此作為最經(jīng)濟(jì)便利的儲能方案被應(yīng)用于風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)中。但鉛酸蓄電池存在很明顯的缺點(diǎn)，其能量密度較低，體積較大，另外循環(huán)壽命較短，多在300-350次之間，且產(chǎn)業(yè)鏈存在鉛污染風(fēng)險(xiǎn)。而鋰離子電池容量大壽命長，循環(huán)壽命可達(dá)500次以上，某些新式材料的鋰離子電池循環(huán)壽命更可達(dá)千次以上，鋰離子電池內(nèi)阻小，能夠降低電池自耗電，另外可以靈活組合增加容量。在本課題的設(shè)計(jì)中選擇鋰離子電池組作為儲能部分。鋰離子電池通常用碳作負(fù)極，以含鋰的化合物作正極，其中是沒有金屬鋰存在的，人們常常對此存有誤解。其中的鋰元素以鋰離子的形式存在，鋰離子電池在充放電過程中，伴隨著鋰離子不斷地嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時(shí)伴隨著與鋰離子電荷量相當(dāng)?shù)碾娮拥那度牒兔撉丁Ｔ诔浞烹娺^程中，鋰離子在正、負(fù)極之間不斷地往返嵌入/脫嵌、插入/脫插，于是產(chǎn)生了電流（表述中正