新能源发电技术

新能源发电技术太阳能发电技术风力发电与并网技术大规模储能技术太阳能发电技术主要内容一、开发利用太阳能的战略意义二、太阳能光伏发电太阳能电池离网光伏系统并网光伏系统三、太阳能热力发电槽式热力发电装置塔式热力发电装置碟式热力发电装置一、开发利用太阳能的战略意义化石燃料的储量有限，全球石油还可开采约45年，天然气大约61年，煤炭可开采约230年，铀大约71年。如果再考虑到现在世界石油消费量大约每年增长2%，这样每隔35年，消费量将增加一倍。目前主要依靠化石燃料提供能量。化石燃料储量与日递减，面临化石能源枯竭的危机。优点:太阳能取之不尽，用之不竭，照射到地球上的太阳能要比人类消耗的能量大6000倍。只要在美国阳光丰富的西南部沙漠地区，建立一个面积为100哩×100哩的巨型光伏电站，所发的电力可以满足全美国的用电需要。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。太阳能随处可得，可就近供电，不必长距离输送，避免了输电线路等损失。太阳能不用燃料，运行成本很低。太阳能发电没有运动部件，不易损坏，维护简单，特别适合于无人值守情况下使用。太阳能发电不产生任何废弃物，没有污染，无噪声等公害，对环境无不良影响，是理想的清洁能源。太阳能发电系统建设周期短，方便灵活。而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳电池容量，避免了浪费。二、太阳能光伏发电太阳能电池组太阳能控制器蓄电池逆变器光伏发电系统组成：图1光伏发电系统示意图2.1太阳能电池过去30多年（1980年开始）始终是晶体硅光伏技术为主单晶硅硅电池多晶硅硅电池非晶硅硅电池太阳能电池类型1.单晶硅电池单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为16-18%（目前20%）。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜作为单晶硅太阳能电池的替代产品。单晶硅电池图4单晶硅太阳电池代表性生产厂家：荷兰ShellSolar、西班牙Iso-foton，印度Microsol等厂家。太阳能电池类型2.多晶硅电池多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池。其实验室最高转换效率为18%，工业规模生产的转换效率为15-16%（目前，为18%）多晶硅薄膜电池已经在太阳能电池市场上占据主导地位.多晶硅太阳能电池板太阳能电池类型3.非晶硅电池非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。非晶硅太阳能电池板光伏电池等效电路当负载RL从0变化到无穷大时，即可得到如图所示太阳能电池输出特性曲线。调节负载电阻RL到某一值Rm时，在曲线上得到一点M，其对应的工作电压和工作电流之积最大，即Pm=Im*Vm，将此M点定义为最大功率输出点（MPP）。光伏电池的输出特性图光伏组件发电功率受环境的影响光照强度：•电压基本不变•电流线性影响温度：•电流影响较小（正温度系数）•电压影响较大（负温度系数）在光伏系统中，通常要求光伏电池的输出功率保持在最大，也就是让光伏电池工作在最大功率点，从而提高光伏电池的转换效率。MPPT就是一个不断测量和不断调整以达到最优的过程，它不需要知道光伏阵列精确的数学模型，而是在运行过程中不断改变可控参数的整定值，使得当前工作点逐渐向峰值功率点靠近，使光伏系统运作在峰值功率点附近。光伏阵列DC/DC电力电子变换器+-abDC/AC或者AC或者DC常用的MPPT控制算法1、定电压跟踪法：先求得或设置某一中心电压，通过控制使光伏阵列的输出电压一直保持该电压，从而使光伏系统输出功率达到或接近最大功率输出值。2、扰动观察法：1510502025U/V204060P/WP1P2P3P4P5Pn-1Pn3、增量电导法根据光伏阵列的P/U曲线，当输出功率为P最大时，即Pmax处的斜率为零。0,IdPdIIUdUdUdIdUU即：2.2离网光伏系统太阳能电池发电，蓄电池贮能，独立为负载供电，不联接公网。广泛应用于太阳能建筑、微波通讯、基站、电台、野外活动、高速公路等。也可用于无电山区、村庄、海岛。太阳能供电系统的特点不必拉设电线，不必挖开马路，安装使用方便；一次性投资，可保证二十年不间断供电（蓄电池一般为5年需更换）；免维护，无污染。系统可分为：直流供电系统和交直流供电系统两种。直流供电系统控制器作用：控制蓄电池组的放电、充电过程，防止过冲和过放；最优化能量管理（最佳工作点跟踪、温度补偿等）；光伏系统工作状态显示；光伏系统信息存储等。图5直流供电系统交直流供电系统图6交直流供电系统太阳能广告牌太阳能交通灯太阳能车站太阳能飞机2.3并网光伏系统并网光伏电站投资巨大、建设期长，需要复杂的控制和配电设备，占用大片土地，目前其发电成本远高于目前市场电价。住宅并网光伏系统，特别是与建筑结合的住宅屋顶并网光伏系统，投资小，有诸多优越性，在发达国家备受青睐，发展迅速。住宅并网光伏系统的主要特点，是所发的电能可直接分配到负载上，多余或不足的电力通过联接电网来调节。根据系统是否允许向电网馈电，可分为可逆流与不可逆流并网光伏发电系统根据是否有储能装置，分为有储能系统和无储能系统。有储能系统主动性强，在电网掉电、停电情况下可正常供电。图8（b）无储能系统图8（a）有储能（带蓄电池）系统徐州光伏电站三、太阳能热力发电太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能转换成热能并通过热力循环过程进行发电，是太阳能热利用的重要方面。目前主要热力发电装置：槽式塔式碟（盘）式3.1槽式太阳能热电系统抛物柱面槽式反射器将阳光聚焦到管状的接收器上，将管内的传热工质加热，产生高温水蒸气，推动汽轮发电机发电。图9槽式太阳能热电系统原理图槽式太阳能热电厂产能64兆瓦，可为14000个家庭提供足够的电能。由西班牙阿希奥纳集团负责建造，占地面积250英亩，拥有18.2万块凹面镜。图10“内华达太阳能一号”槽式太阳能热电厂，位于美国内华达州柏德市。槽式太阳能热电厂图11加利福尼亚州KramerJunctionSEGSIII太阳能热发电项目3.2塔式太阳能热电系统塔式太阳能热发电系统的基本型式是利用一组独立跟踪太阳的定日镜，将阳光聚焦到一个固定在塔顶部的接收器上，用以产生高温，进而产生水蒸气或高温气体，推动汽轮发电机发电。图12塔式太阳能热电系统原理塔式太阳能热电厂塔式太阳能热电厂2009年4月，西班牙在安达卢西亚（Andalucian）沙漠中建成当时全球最大太阳能电站。3.3碟（盘）式太阳能热电系统碟式系统由许多镜子组成的抛物面反射镜组成，接收器在抛物面的焦点上，通过加热接收器内的传热工质，驱动电机发电。图14碟式太阳能热电系统原理碟式太阳能热电装置碟式太阳能热电装置三种发电装置比较表1塔式、槽式、盘式发电装置比较风力发电与并网技术随着全球化石能源枯竭、供应紧张、气候变化形势严峻，世界各国都认识到了发展可再生能源的重要性，并对风电发展高度重视，世界风电产业得到迅速发展。自1996年以后，全球风电装机年均增长率保持在25%以上，风能成为世界上增长最快的清洁能源。绪论国内外风力发电的发展现状风力发电的基本原理及结构风电并网技术风电的发展趋势目录1.世界风电的发展自1990年以来,风力发电一直是世界上增长最快的可再生新能源。从1996年起，全球累计风电装机连续11年增速超过20％，平均增速达到28.35％。2008年虽然经历了历史罕见的金融危机，但风电依然成为最具吸引力的发电投资，已经成为各个国家替代能源的首选。一国内外风力发电的发展现状2010年底，全球风电总装机容量达199,520兆瓦，发电量超过4099亿千瓦时，占世界电力总发电量的1.92%。2008年和2009年全球年装机容量分别增加42%和35%，而2010年年度装机增长率仅为3%。受金融危机的影响，2010年年度装机增长率仅为3%。2010年美国风电装机新增下滑最厉害，欧洲保持平稳增长。中国、印度等新兴市场显示出强大的生命力。经过2010年的转折，最大风电国家市场的排名发生了变化：中国以18,928兆瓦的新增装机容量稳居第一位，并且创造了单个国家年度新增装机容量的世界纪录；美国以5,115兆瓦的新增装机容量位列第二；第三名是印度，新增装机容量2,139兆瓦。在欧洲，德国、英国和西班牙成为排名前三的欧洲国家，每个国家的新增装机容量大约是1,500兆瓦。2013年全球风电新增装机前十大国家•2013年中国风电新增机容量为16.1GW,占全球新增装机总量的45.4%；•德国风电新增装机容量为3238MW，占比为9.1%；•英国风电新增装机容量为1883MW，占比为5.3%；2.我国风电的发展我国的风电自2003年进入高速发展时期。从2005年开始，中国的风电总装机连续5年实现翻番。2009年，中国以2580万千瓦的总累计装机容量超过德国，成为世界第二，但与排名第一的美国仍有近1000万千瓦的差距。截至2010年底，中国全年风力发电新增装机达1600万千瓦，累计装机容量达到4182.7万千瓦，首次超过美国，跃居世界第一。《中国风电发展报告2010》预测：2020年，中国风电累计装机可以达到2.3亿千瓦，相当于13个三峡电站；总发电量可以达到4649亿千瓦时，相当于取代200个火电厂。一国内外风力发电的发展现状我国风能资源分布中国陆地上10m高度层上可开发的风能储量为2.52亿千瓦近海可开发风能资源是陆地的3倍多风电总装机容量快速增长，风电比重不断加大；单个风电场装机容量不断增加，已有多个10万千瓦级风电场投运，正建千万千瓦级大型风电基地；风电场接入系统的电压等级由低到高(110kV)；风电机组的种类不断增多，从早期的定速风电机组（1MW以下），到双馈感应风力发电和直驱同步风力发电（1MW以上）我国风电发展特点2.风力发电的基本原理及结构2.1风力发电机组的基本原理及结构工作原理风以一定的速度和攻角流过桨叶，使风轮获得旋转力矩而转动，风轮通过主轴联接齿轮箱，经齿轮箱增速后带动发电机发电2.风力发电的基本原理及结构2.2风力机的类型2.风力发电的基本原理及结构2.2风力机的类型2.风力发电的基本原理及结构风力机基础理论贝茨（Betz）理论假定风轮是理想的，没有轮毂，叶片无穷多，并且对通过风轮的气流没有阻力。纯粹的能量转换器。根据该理论可以计算风轮获取的风能和功率。叶素理论把叶片分割成无限多个微元，每个微元都是叶片的一部分，每个微元的长度无限小。用于分析微元的空气动力学特征。动量理论应用该理论去研究风力发电机组各部件的运动规律及运动状态的理论。2.风力发电的基本原理及结构2.风力发电的基本原理及结构2.3分类恒速恒桨变速变桨2.3.1.恒速恒桨技术原理：恒速恒桨一般采用鼠笼式异步发电机，风力机桨距固定，其运行完全靠叶片气动特性控制，当风机带动发电机达到或接近同步速时并入电网，此后电机转速基本保持恒定，系统送入电网的电压频率恒定。恒速恒桨风力发电技术的特点电气系统简单，可适合于在野外缺少维护的环境下工作。转速不变，无法根据风速变化调节转速追踪最大风能利用系数，效率较低；强阵风来时，转速不变，机械承受应力大，要求坚固，所以又称“刚性”风力发电。适用于中小功率风电系统，通常不大于1000kW2.3.2.变速变桨技术分类采用DFIG（双馈感应发电机）采用普通同步发电机（全功率变换型）采用多极永磁同步发电机（全功率变换直驱型）按照风轮结构及其在气流中的位置：水平轴风力机:叶片围绕一个水平轴旋转，旋转平按风轮结构划分按功率调节方式划分定桨距风力机变桨距风力机主动失速型风力机面与风向垂直。垂直轴风