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1、-新能源-第 16 页新能源的综合利用及其控制方法一、环境问题、能源危机与可再生能源利用的提出1、环境问题与能源危机随着世界经济的迅速发展，环境问题与能源危机日益突出。可以毫不夸张的说，环境问题与能源危机已经成为当今世界人类所面临的最大威胁之一。环境污染，很大程度上是由于能源结构不合理造成的。大量使用化石燃料使得空气中的CO2，和SO2急剧增加，造成温室效应及酸雨蔓延。自20世纪50年代美国东北部工业区首次出现酸雨以来，70年代酸雨大面积扩展，几乎蔓延至所有国家。大气中的SO2几乎每年以20%的速率增加，酸雨导致农作物减产和大片森林死亡。我国作为最大的发展中国家，能源消费以煤为主，能源效率低下

2、、煤的大量燃烧严重污染环境。1999年，在中国排放的CO2中含有6.19亿吨碳，居世界第二位，其中85%是由燃煤排放的。2000年，我国排放的SO2为1995万吨，居世界第一位，其中90%是由燃煤排放的。排放烟尘1165万吨，其中70%是由于煤炭等能源开发利用排放的。全国有57%的城市颗粒物超过国家限制值，许多城市的氮化物有增无减。目前，不少发展中国家的空气污染还在进一步恶化。1997年11月在日本京都举行的全球气候变化高峰会议中，与会各国政府代表一致认为，全球气候变暖已经成为一个重要的环境问题。2002年9月在约翰内斯堡地球峰会上，能源替代、环境问题成为争论的焦点，中国核准京都协议书，严格限

3、制废气排放，正在为改善全球气候而努力。按目前污染排放推算，再过100年，地球上就无法生存。发达国家承诺：在2012年前将CO2以及其它种气体的排放量平均削减5.2%。能源危机，社会生产在飞速的发展，对能源的需求也达到前所未有的程度全球范围的能源危机也日益突出。目前，全世界的能源主要依靠煤炭、石油和天然气。经过20世纪70年代第一次世界范围的“石油危机”，人类终于意识到地球蕴藏的矿物资源是有限的。人类赖以生存、发展的能源总有一天要被消耗殆尽为了保证人类稳定、持久的能源供应，必须优化现有的以资源有限、不可再生的化石能源为基础的世界能源结构，建立资源无限、可以再生、多样化的新的能源结构，走经济社会可

4、持续发展之路。因此，风能、太阳能、小水电、潮汐能、生物质能等新能源的探求与利用己经成为世界各国竞相追逐的对象。2、可再生能源利用新能源和可再生能源的含义是指除常规能源和大型水力发电之外的风能、太阳能、小水电、潮汐能、生物质能、地热能等能源资源。中国拥有丰富的新能源与可再生能源可供开发利用。经粗略计算，在现有科技水平下，中国太阳能、风能、生物质能和水能等一年可以获得的资源量大约相当于46亿吨标准煤，为200年全国一次能源总消耗量12.8亿吨标准煤的3.59倍。但目前小水电资源只开发了约33%；太阳能的开发利用量还不到可开发量的0.1%；风能资源的开发利用量相当于可开发资源量的0.09%；现代生物

5、质能开发量只有331万吨标准煤，仅相当于可开发资源量的0.6%；地热能和海洋能的已开发利用量，相对于资源量来说，就更微不足道。目前新能源和可再生能源主要以非商品能源的形式为广大农村地区提供能源供应，但随着社会、经济的发展新能源和可再生能源也正稳步的向商品化能源的方向转变。太阳能和风能是目前应用比较广泛的两种可再生能源。在当今化石能源日益减少、生态环境遭受破坏的情况下，利用以风能、太阳能为代表的清洁、可再生能源为人类服务，可以推动技术进步，改善现有能源结构，实现人与自然的可持续发展。二、节能发电调度背景和政策解读1、节能发电调度背景中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要提出了“十一

6、五”期间单位国内生产总值能耗降低20%左右，主要污染物排放总量减少10%的约束性指标。这是贯彻落实科学发展观，构建社会主义和谐社会的重大举措；是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择；是推进经济结构调整，转变增长方式的必由之路；是提高人民生活质量，维护中华民族长远利益的必然要求。节能减排是我国国民经济和社会发展的一项长远战略方针，而电力行业的节能减排成效又对全社会的节能减排影响甚大。电力行业落实节能减排有三大任务：节能发电调度、关停小火电机组和加大脱硫力度。其中，节能发电调度又是电力行业节能减排的主要环节。中国电力调度长期存在一些问题，主要表现在不同能耗水平的机组在电力市场和发电调度中的“大

7、锅饭”，这与历史上供需形势、投资机制、运行管理机制和市场机制有很大关系。20世纪80年代前，发电调度采用发电燃料消耗最低或者发电成本最小原则进行调度，发电煤耗量小或发电成本低的机组先运行，发电煤耗量大或发电成本高的机组后运行。从20世纪80年代初期开始，随着集资办电政策的实施，形成了独立电厂和直属电厂并存的局面，存在着混合的发电调度方式。2002年电力体制改革后，实现了厂网分开，发电厂归属了不同的发电主体。电力市场规则不完善，发电竞争上网市场尚未建成，能耗高、效率低的中小火电机组和能耗低、效率高的大型火电机组的年运行小时数基本相当，存在只求公平而忽视效率的倾向。可以看出，现有的发电调度排序原则

8、未能从降低能源消耗的角度来进行优化，已不能适应建设资源节约型、环境友好型社会的要求。因此研究以节能降耗为目标的发电调度方式来促使高效节能机组多运行、淘汰低效高能耗发电机组、提高电力行业的整体效率势在必行。节能发电调度，不止是技术上的电量转移，也将牵一发而动全身，对电力行业投资、电价政策和企业生产经营稳定产生深刻影响，需要通过综合措施才能解决。改变调度方式的过程实际上是利益再分配的过程，与市场内相关各方的切身利益密切相关。因此，这是关系到各方面的一个问题。如何将其合理的解决，以平衡的方式过渡到新的阶段，是在工作中考虑的一个重点。根据国务院办公厅关于节能发电调度办法(试行)通知的要求，节能发电调度

9、将作为电力行业改革的主要环节，放在重中之重的位置上。以确保电力系统安全稳定运行和连续供电为前提，以节能、环保为目标，通过对各类发电机组按能耗和污染物排放水平排序，以分省排序、区域内优化、区域间协调的方式，实施优化调度。改革现行发电调度方式，开展节能发电调度，对于减少能源消耗和污染物排放，推动国民经济又好又快发展，具有重要意义。根据电力系统实际情况，优先使用可再生和清洁发电资源，依序使用其它发电资源，减少环境污染，使整个电力系统在节能、环保的方式下运行。2、节能发电调度目标节能发电调度是指在保障电力可靠供应的前提下，按照节能、经济的原则，优先调度可再生发电资源，按机组能耗和污染物排放水平由低到高

10、排序，依次调用化石类发电资源，最大限度地减少能源、资源消耗和污染物排放。与以往以能源消耗最少为目标的经济调度不同，节能发电调度以能源、资源消耗和污染物排放最小为目标。办法体现了国家对发展可再生能源发电的激励机制。国家提倡用可再生能源发电，但由于可再生能源发电，如风电、太阳能发电等存在投入大、容量小、见效慢等难题，很难与燃煤大型发电机组竞争上网；可再生能源发电在价格上没有优势，相对较高的上网电价抑制了风电、太阳能的快速发展，加之缺少激励政策，可再生能源发电的规模一直难有跨越式发展。办法明确规定“优先调度可再生发电资源”3、节能发电调度的范围从制度安排的角度给可再生能源以优先上网发电的保障。范围：

11、节能发电调度试点省（区、市）所有并网运行的发电机组，包括并入主网运行的各类公用电厂、企业自备电厂的发电机组，以及与主网相连接的地方电网的发电机组。在细则第52条中规定：自备电厂、非统调燃煤电厂的发电机组最迟应于节能发电调度实施或试点工作启动后3个月内纳入省级以上电力调度机构统一调度，否则，不得并网运行。4、实现方式及流程节能发电调度办法是一种制度安排，执行的关键在于发电机组上网序位的确定、机组发电组合方案的制定与机组发电负荷的分配。节能发电调度流程：机组发电排序负荷预测与机组发电组合机组发电负荷分配及安全校核。在机组发电组合和发电负荷分配中需参照检修、调峰、调频和备用部分的规定。机组发电序位表

12、：1)无调节能力的风能、太阳能、海洋能、水能等可再生能源发电机组；2)有调节能力的水能、生物质能、地热能等可再生能源发电机组和经省级以上环保部门验收满足环保要求的垃圾发电机组。当有调节能力的水能发电机组出现非正常弃水时，列无调节能力的水能发电机组之前；3)核能发电机组；4)余热、余气、余压、煤层气等非燃煤资源综合利用发电机组；5)国家确定的示范发电机组及国家统一安排的发电机组；6)燃煤热电联产机组；7)由省级以上环保部门认定达标排放，并经国家发展改革委和省级发展改革委（经委、经贸委）按照审核权限认定的煤矸石或洗中煤等资源综合利用发电机组；8)天然气、煤气化发电机组；9)其他燃煤发电机组，包括热

13、电联产机组超出“以热定电”以及资源综合利用机组超出“以（资源）量定电”的部分；10)燃油发电机组。如何优先保障可再生能源发电上网，关键是发电机组上网排序。办法确定了发电机组发电排序的序位：对无调节能力的风能、太阳能、海洋能和水能等可再生能源发电机组排在首位，优先保障上网发电，充分体现了对不可再次回收能源的珍惜。其后依次是有调节能力的水能、生物质能、地热能等到可再生能源发电机组和满足环保要求的垃圾发电机组；核能发电机组；按“以热定电”方式运行的燃煤热电联产机组，余热、余气、余压、煤矸石、洗中煤、煤层气等资源综合利用发电机组；天然气、煤气化发电机组；其它燃煤发电机组，包括没有带热负荷的热电联产机组

14、的序位排在倒数第二，最后是燃油发电机组。这个排序有利于建立电力行业节能减排工作的长效机制。同时对小火电、假热电联产和燃油机组发电及高耗能机组发电也是一种约束，有助于在电力市场化改革的过程中，淘汰小火电和高能耗发电机组，为可再生能源发展提供容量空间；充分体现了在电力市场中对现有能源资源的优化配置和综合利用，既有利于提升可再生能源在发电中所占比例，也有利于有步骤地逐步压缩燃煤机组在总发电容量中所占比例。细则中第10条规定同类型火电机组按照能耗水平由低到高排序，节能优先；能耗水平相同时，按照污染物排放水平由低到高排序。第11条规定未安装脱硫设备或已安装脱硫设备，但未经省级以上环保部门验收合格的发电机

15、组列同类、同级别容量发电机组之后。第10条和第11条规定了因机组能耗、污染物排放的差异，火电机组的排序顺序。5、节能发电调度政策对现有发电计划模式的影响省发改委（经贸委）制定年度发电量计划；电力公司根据年度电量计划，逐月编制月度电量计划并根据安全约束及调频、调峰要求，参考机组年累电量计划制定日前发电调度计划。节能发电调度办法规定：省发改委负责制定年、季、月机组组合的基础方案，调度机构依据机组排序和发电组合基础方案确定次日机组组合方案。节能调度实施后，年、月电量计划将退出历史舞台，机组排序及组合方案成为调度部门制定日计划、分配负荷的主要依据，传统的发电计划制定、执行、结算模式将进行较大调整。直接

16、实现节能发电调度需要诸多政策及技术支持，在现有条件下不能一步到位实施节能发电调度，但电力行业节能减排任务仍要完成，这就需要在实施节能发电调度前的过渡时期内对年度发电计划安排及实际调度中采取适当手段和措施，达到电力行业节能减排的目标。三、中国新能源的资源现状同其它能源相比，风能和太阳能有着其自身的优点:1、取之不尽、用之不竭太阳内部由于氢核的聚变热核反应，从而释放出巨大的光和热，这是太阳能的根本来源。在氢核聚变产能区中，氢核稳定燃烧的时间可在60亿年以上。也就是说，太阳至少还可以像现在这样有60亿年可以无限度被利用，从这个意义上来讲，太阳能对我们是“取之不尽、用之不竭”的。在太阳辐射出的能量中，

17、仅有二十万分之一被地球获得，但即使是这些能量也是十分可观的。据有关人员统计估算，地球一年当中从太阳所获得的能量相当于燃烧200万亿吨煤所发出的巨大热量，风能是太阳能在地球表面的另外一种表现形式。由于地球表面的不同形态(如沙土地面、植被地面和水面)对太阳光照的吸热系数不同，在地球表面形成温差，地表空气的温度不同形成空气对流而产生风能。根据相关估计，在全球边界层风的总能量特别巨大相当于目前全世界每年所燃烧的能量的3000倍。2、就地可取、无需运输煤炭和石油这类矿物能源地理分布不均，加之工业布局的不平衡，从而造成了煤炭和石油运输的不均衡。这些都给交通运输带来了压力。即使通过电力调度，对高山、古道、草

18、原和高原这类电网不易到达的地区也有很大的局限性。风能和太阳能的分布虽然也有一定的局限性，但相对于矿物能、水能和地热能等能源而言可视为分布较广的一种能源。各个地区都可根据当地的风力、日照状况采取合理的利用方式。3、无环境污染人们在利用矿物能源过程中，释放出大量的有害物质，这是造成大气污染的主要原因。此外，其它新能源中，水电、核能、地热能等在开发利用过程中也都存在着一些不容忽视的环境问题。而风能和太阳能在利用中不会给环境带来污染，也不会破坏生态。风能、太阳能虽然存在上述优点，但也存在着一些弊端:1、能量密度低空气在标准状况下的密度为水密度的1/773，所以在3m/S的风速时，其能量密度为0.02K

19、w/厅，水流速度为3m/S时，能量密度为20Kw/厅。在相同的流速下，要获得与水能同样大的功率，风轮直径为水轮的27.8倍。太阳能在晴天平均密度为IKw/mZ，昼夜平均为0.16KW/mZ。其能量密度也很低，故必须配备足够大的受光面积，才能得到足够的功率。由此可见，不论是风能还是太阳能都是一种能量密度很低的能源，给推广利用带来了困难。2、能量稳定性差不论风能还是太阳能，都随天气和气候的变化而变化。虽然各地区的太阳辐射和风力特性在一较长的时间内有一定的统计规律可循，但是风力和日照强度无时无刻都在不断地变化。不但各年间有变化，甚至在很短的时间内还有无规律的脉动变化。这种能量的不稳定性也给这两中能源

20、的使用带来了困难。由于这些不利因素的存在，在单独利用其中一种能源转变成为经济可靠的电能过程中存在着很多技术问题。这也是几个世纪以来，两种能源利用发展缓慢的原因。但是，随着现代科学技术的发展，风能和太阳能的利用在技术上都有突破和进展，特别是将风能、太阳能综合利用，充分利用它们在多方面的互补性，可以建立起更加稳定可靠、经济合理的能源系统。 我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源比较丰富。据国家气象局估算，全国风能密度为100Wm2，风能资源总储量约1.6X105MW,特别是东南沿海及附近岛屿、内蒙古和甘肃走廊、东北、西北、华北和青藏高原等部分地区，每年风速在3ms以上的时间近4000h左右，一些地区年平

21、均风速可达67ms以上，具有很大的开发利用价值。有关专家根据全国有效风能密度、有效风力出现时间百分率，以及大于等于3ms和6ms风速的全年累积小时数。1、将我国风能资源划分为如下几个区域。 1、东南沿海及其岛屿，为我国最大风能资源区。 这一地区，有效风能密度大于、等于200Wm2的等值线平行于海岸线，沿海岛屿的风能密度在300Wm2以上，有效风力出现时间百分率达8090，大于、等于8 ms的风速全年出现时间约70008000h，大于、等于 6 ms的风速也有4000 h左右。但从这一地区向内陆，则丘陵连绵，冬半年强大冷空气南下，很难长驱直下，夏半年台风在离海岸50km时风速便减少到68。所以，

22、东南沿海仅在由海岸向内陆几十公里的地方有较大的风能，再向内陆则风能锐减。在不到100km的地带，风能密度降至50Wm2以下，反为全国风能最小区。但在福建的台山、平潭和浙江的南麂、大陈、嵊泗等沿海岛屿上，风能却都很大。其中台山风能密度为534.4Wm2， 有效风力出现时间百分率为90，大于、等于3 ms的风速全年累积出现7905h。换言之，平均每天大于、等于3 ms的风速有21.3h，是我国平地上有记录的风能资源最大的地方之一。 2、内蒙古和甘肃北部，为我国次大风能资源区。 这一地区，终年在西风带控制之下，而且又是冷空气入侵首当其冲的地方，风能密度为200300Wm2，有效风力出现时间百分率为7

23、0左右，大于、等于3 ms的风速全年有5000h以上， 大于、等于6ms的风速在2O00h以上，从北向南逐渐减少，但不象东南沿海梯度那么大。风能资源最大的虎勒盖地区，大于、等于3 mS和大于、等于6ms的风速的累积时数，分别可达7659h和4095h。这一地区的风能密度，虽较东南沿海为小，但其分布范围较广，是我国连成一片的最大风能资源区。 3、黑龙江和吉林东部以及辽东半岛沿海，风能也较大。 风能密度在200Wm2以上，大于、等于3ms和6ms的风速全年累积时数分别为50007O00h和3000h。 4、青藏高原、三北地区的北部和沿海，为风能较大区。 这个地区（除去上述范围），风能密度在1502

24、00Wm2之间，大于、等于3 ms的风速全年累积为 40005000h， 大于、等于6ms风速全年累积为3000h以上。青藏高原大于、等于3 ms的风速全年累积可达6500h，但由于青藏高原海拔高，空气密度较小，所以风能密度相对较小，在 4000m的高度，空气密度大致为地面的67。也就是说， 同样是8ms的风速，在平地为3136Wm2，而在4000m的 高度却只有209.3Wm2。所以，如果仅按大于、等于3 ms 和大于、等于6ms的风违的出现小时数计算，青藏高原应属于最大区，而实际上这里的风能却远较东南沿海岛屿为小。 从三北北部到沿海，几乎连成一片，包围着我国大陆。 大陆上的风能可利用区，也

25、基本上同这一地区的界限相一致。 5、云贵川，甘肃、陕西南部，河南、湖南西部，福建、 广东、广西的山区，以及塔里木盆地，为我国最小风能区。 有效风能密度在50W/m2以下，可利用的风力仅有20左右，大于、等于3ms的风速全年累积时数在2000h以下，大于、 等于6 ms的风速在15Oh以下。在这一地区中，尤以四川盆地和西双版纳地区风能最小，这里全年静风频率在60以上，如绵阳为67，巴中为60，阿坝为67，恩施为75， 德格为63，耿马孟定为72，景洪为79。大于、等于3ms的风速全年累积仅300h，大于、等于6ms的风速仅20h。 所以，这一地区除高山顶和峡谷等特殊地形外，风能潜力很低，无利用价

26、值。 6、在4和5地区以外的广大地区，为风能季节利用区。 有的在冬、春季可以利用，有的在夏、秋季可以利用。这一地区，风能密度在50100Wm2之间，可利用风 力为3040，大于、等于3ms的风速全年累积在20004000h，大于、等于6ms的风速在1000h左右。2、我国太阳能资源：在我国，西藏西部太阳能资源最丰富，最高达2333 KWh/ （日辐射量6.4KWh/ ），居世界第二位，仅次于撒哈拉大沙漠。 根据各地接受太阳总辐射量的多少，可将全国划分为五类地区。一类地区为我国太阳能资源最丰富的地区，年太阳辐射总量66808400 MJ/，相当于日辐射量5.16.4KWh/。这些地区包括宁夏北部

27、、甘肃北部、新疆东部、青海西部和西藏西部等地。尤以西藏西部最为丰富，最高达2333 KWh/（日辐射量6.4KWh/），居世界第二位，仅次于撒哈拉大沙漠。 二类地区为我国太阳能资源较丰富地区，年太阳辐射总量为5850-6680 MJ/m2，相当于日辐射量4.55.1KWh/。这些地区包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。 三类地区为我国太阳能资源中等类型地区，年太阳辐射总量为5000-5850 MJ/m2，相当于日辐射量3.84.5KWh/。主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南

28、部、福建南部、苏北、皖北、台湾西南部等地。 四类地区是我国太阳能资源较差地区，年太阳辐射总量42005000 MJ/，相当于日辐射量3.23.8KWh/。这些地区包括湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏北部、安徽南部以及黑龙江、台湾东北部等地。 五类地区主要包括四川、贵州两省，是我国太阳能资源最少的地区，年太阳辐射总量33504200 MJ/，相当于日辐射量只有2.53.2KWh/。 太阳能辐射数据可以从县级气象台站取得，也可以从国家气象局取得。从气象局取得的数据是水平面的辐射数据，包括：水平面总辐射，水平面直接辐射和水平面散射辐射。 从全国来看，我国是太阳能资源相

29、当丰富的国家，绝大多数地区年平均日辐射量在4 kWh/以上，西藏最高达7 kWh/。 从以上数据可以看出，我国的太阳能及风能资源相当丰富，综于以上所分析的各个因素，所以我们提出了新时代的能源需求，即风力和太阳能发电。四、风力与太阳能发电的原理1、风力发电机原理永磁直驱同步发电机永磁直驱同步发电机系统结构如图：由变浆距风轮机直接驱动永磁同步发电机，省去了增速用齿轮箱。发电机输出先经整流器变为直流，再经IGBT（绝缘栅双极晶体管）逆变器将电能送到电网。对风力发电机工作点的控制是通过控制逆变器送到电网的电流实现对直流环节电压的控制，从而控制风轮机的转速。发电机发出电能的频率、电压、电功率都是随着风速

30、的变化而变化的，这样有利于最大限度地利用风能资源，而恒频恒压并网的任务则由整流逆变系统系统完成。除了永磁直驱同步发电机可以直接并网外，还可以构成风力发电机（群），通常采用的是高压永磁直驱同步发电机（群），结构如下： 单机容量为35MW，输出额定电压高达20kV，频率为510Hz，每一台发电机机端只配置有整流器，把交流变换为直流，通过直流母线实现与风电场其他机组(群)的并联运行，既提高了可靠性，又改进了效率。风电场由一台大容量公用逆变器把直流母线的直流电转换成50Hz的交流电，电压为12kV，可直接并入当地电网使用，也可经变压器升压至更高电压后并入更高压电网传输到远处。 永磁直驱同步发电机系统存

31、在的缺点是：对永磁材料的性能稳定性要求高，电机重量增加。另外，IGBT逆变器的容量较大，一般要选发电机额定功率的120以上。但使用IGBT逆变器也带来一些好处：使用脉宽调制（PWM）获得正弦形转子电流，电机内不会产生低次谐波转矩，改善了谐波性能。有功功率和无功功率的控制更为方便。大功率IGBT很容易驱动。IGBT有很好的电流共享特性，这对于要达到风力发电机所需的功率水平，进行并联使用是非常必要。开关时间短，导通时间不到1毫秒，关断时间小于6毫秒，使得管子功耗小。目前单管容量已经较大，如Eupec公司的FZ600R65KF1等器件，可以在6kV电压下控制1.2kA 电流，FZ3600R12KE3

32、 等低电压器件，可以在1.2kV电压下开关3.6kA电流。 发电机控制系统除了控制发电机“获取最大能量”外，还要使发电机向电网提供高品质的电能。因此要求发电机控制系统：尽可能产生较低的谐波电流，能够控制功率因数，使发电机输出电压适应电网电压的变化，向电网提供稳定的功率目前国内外兆瓦级以上技术较先进的、有发展前景的风力发电机组主要是双馈型风力发电机组和永磁直驱风力发电机组，二者各有优缺点。单从控制系统本身来讲，永磁直驱风力发电机组控制回路少，控制简单，但要求逆变器容量大。而双馈型风力发电机组控制回路多，控制复杂些，但控制灵活，尤其是对有功、无功的控制，而且逆变器容量小得多。2、太阳能发电原理由光

33、伏阵列负责将太阳光辐射转换成电能。光伏发电阵列是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳能直接转化为电能的。常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。晶体硅太阳能电池由一个晶体硅片组成，在晶体硅片的上表面紧密排列着金属栅线，下表面是金属层。硅片本身是P型硅，表面扩散层是N区，两个区的连接处称为PN结。PN结形成一个电场。太阳能电池的顶部被一层减反射膜所覆盖，以便减少太阳能的反射损失。光生伏打效应就是在这样的结构下产生的。光是由光子组成的，而光子是含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波长决定。光被晶体硅吸收后，在PN结中产生一对对的正、负电荷，由于在PN结区域的正、负电荷被分离，于是一个外电场就产

34、生了，将一个负载连接在太阳能电池的上、下两表面间时，将有电流流过负载，于是太阳能电池就产生了电流，电流从晶体硅片电池的底端经过负载流至电池的顶端。太阳能电池吸收的光子越多，产生的电流也就越大。目前世界上有三种已经商品化的硅太阳能电池，即单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。单晶硅电池材料成本比较昂贵；多晶硅电池的效率一般要比单晶硅电池稍低，但是它的成本比单晶硅电池要低；非晶硅太阳能电池属于薄膜电池，造价低廉，但是光电转换效率比较低，稳定性也不如晶体硅太阳能电池，目前多用于弱光性电源，如手表、计算器等的电池。太阳能电池单体是光电转换的最小单元，它的尺寸一般为4cm2到100cm2

35、。太阳能电池单体的工作电压为0.450.50V，工作电流为2025mA/cm2，一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串联、并联并封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串联、并联并封装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，它可以满足负载所要求的输出功率。一套基本的光伏发电系统一般是由太阳能电池板、太阳能控制器、逆变器和蓄电池(组)构成。令太阳能电池板:太阳能电池板是光伏发电系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换成电能，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。令太阳能控制器:太阳能控制器的基木作用是为蓄电池提供最佳的充电电流

36、和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命:同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。如果用户使用的是直流负载，通过太阳能控制器可以为负载提供稳定的直流电(由于天气的原因，光伏电池方阵发出的直流电的电压和电流不是很稳定)。逆变器:逆变器的作用就是将光伏电池阵列和蓄电池提供的低压直流电逆变成220V交流电，供给交流负载使用。蓄电池(组):蓄电池(组)的作用是将光伏阵列发出的直流电直接储存起来，供负载使用。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，当日照量大时，除了供给负载用电外，还对蓄电池充电;当日照量小时，这部分储存的能量将逐步放出。光伏发电系

37、统按与电力系统的关系分类，通常分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统、混合型光伏发电系统三种。独立光伏发电系统是不与常规电力系统相连而独立运行的发电系统，通常建设在远离电网的偏远地区或作为野外移动式便携电源。它由光伏阵列、储能装置、电能变换装置、控制系统配电设备组成。光伏阵列接受太阳能并转换为电能，发出的电能经变换器变换成用电负载所需要的合格电力，经配电设备向负载供电，并将发电与负载用电之剩余的电能供给充电器向蓄电池充电。控制系统则采用光伏电池的最大功率点跟踪、能量管理和变换器输出控制。光伏发电的特点是白天发电，而负荷往往是全天候用电，因此在光伏发电系统中储能元件是必不可少的。工程上使用的储能

38、元件主要是蓄电池，科学研究中也有使用超级电容器、超导储能器件的，但限于成本过高尚未达到实用。从负载用电时间。划分的光伏发电系统有白大用电的光伏发电系统、夜间用电的光伏发电系统和昼夜用电的光伏发电系统。白天用电的负载包括计算机、光伏空调器、光伏水泵等。理论上，供给此类负荷的光伏发电系统不需要储能器件，一定程度上降低了系统造价。在光照充足的条件下，负载能正常工作。该系统工作特点是光伏阵列发电全部供给负载使用，发电和川电是平衡的。负载用电受环境因素影响较大，工程实际中由于太阳光照、云层、风沙等天气因素变化较大，加之光伏电池负载特性较软，系统为了稳定运行往往也介入一定容量的储能元件，同时此储能元件也可

39、以在一定程度上提高光伏电池发电的利用率，以应付负载的冲击性负荷或冲击性启动等造成的电压剧烈波动。夜间用电的光伏发电系统主要包括照明灯、电视机等。储能元件是必不可少的，白天光伏阵列所发电量除去自身系统所用外全部储存在储能元件中，夜间光伏电池停止发电，由储能元件向负载和自身系统供电。虽然光伏发电受气象环境因素影响较大，但此种系统在考虑了阴天影响的基础上，只要发电容量和储能容量设计合理，从宏观上用电与发电可以达到平衡，由此受气象环境的影响较小。光伏发电系统的合理设计要根据负载用电情况、负载特性和当地年平均日照量而进行。光伏并网发电系统是与电力系统连接在一起的光伏发电系统，像其他类型发电站一样，可为电

40、力系统提供有功和无功电能。光伏并网系统分集中式和分散式两种，集中式并网电站一般容量很大，通常在几百千瓦到兆瓦级，而分散式并网系统一般容量较小，在几千瓦到几十千瓦，目前并网光伏发电系统大多为分散式的并网系统。并网光伏发电系统有光伏阵列、变换器和控制器组成，光伏电池所发的直流电能经变换器变换成一与电网相同频率的交流电能，以电压源或电流源方式送入电力系统，其中控制器是非常重要的部件，它控制着并网电流的频率、相位、波形、光伏电池的最大功率点等。并网系统不需要蓄电池，减少了蓄电池的投资与损耗，也间接减少了处理废旧蓄电池产生的污染，降低了系统运行成本，提高了系统运行和供电的稳定性。并网是光伏发电发展的最合

41、理和最经济方向。太阳能电池板DC/DC蓄电池直流负载控制器逆变器交流负载图1.1独立运行的光伏发电系统结构框图五、风机和太阳能发电系统控制器的设计下面我们主要研究风力发电机的控制器的设计方法1、风力发电控制器的设置目前风电场所采用的风电机组都是以大型并网型机组为主，各机组有自己的控制系统，用来采集机组数据及状态，通过计算、分析、判断而控制机组的启动、停机、调向、刹车和开启油泵等一系列控制和保护动作，能使单台风力发电机组实现全部自动控制，无需人为干预。 目前国内监控系统的下位机是指着风电机组的控制器。对于每台风力发电机组来说，即使没有上位机的参与，也能安全正确地工作。所以相对于整个监控系统来说，

42、下位机控制系统是一个子系统，具有在各种异常工况下单独处理风电机组故障，保证风电机组安全稳定运行的能力。从整个风电场的运行管理来说，每台风电机组的下位控制器都应具有与上位机进行数据交换的功能，使上位机能随时了解下位机的运行状态并对其进行常规的管理性控制，为风电场的管理提供方便。因此，下位机控制器必须使各自的风力发电机组可靠地工作，同时具有与上位机通讯联系的专用通讯接口。 国外进口的风机控制器主机一般采用专门设计的工业计算机或单板机。也有采用可编程控制器（PLC）。国内生产的一般较多采用可编程控制器（如西门子S7-300），这样硬件的可靠性和稳定性好，尤其是对于海上风电维护不便，更需要高可靠的控制

43、器。PLC模块化的结构方便组成各种所需单元。控制器之间的联接也很方便，易于构成主从式分散控制系统。 2、计算机监控系统计算机监控系统负责管理各风电机组的运行数据、状态、保护装置动作情况、故障类型等。为了实现上述功能，下位机（风机控制器）控制系统应能将机组的数据、状态和故障情况等通过专用的通讯装置和接口电路与中央控制器的上位计算机通讯，同时上位机应能向下位机传达控制指令，由下位机的控制系统执行相应的动作，从而实现远程监控功能。中央监控系统一般运行在位于中央控制室的一台通用PC机或工控机上，通过与分散在风电场上的每台风力机就地控制系统进行通信，实现对全场风力机的集群监控。风电场中央监控机与风力机就

44、地控制系统之间的通信属于较远距离的一对多通信。国内现有的风电场中央监控系统一般采用RS485串行通信方式和420 mA电流环通信方式。比较先进的通讯方式还有PROFIBUS通信方式、工业以太网通信方式等。 上述各种通讯方式能够完成风电场中央监控系统中的通信问题，但具有各自的特点，主要通信方式简要对比如下：3、监控系统软件 目前，我国各大风电场在引进国外风力发电机组的同时，一般也都配有相应的监控系统，但各有自己的设计思路和通讯规约，致使风电场监控技术互不兼容。同时，控制界面全部是英文的也不利于运行人员操作。如果一个风电场中有多个厂家的多种机型的风电机组的话，就会给风电场的运行管理造成一定困难。如

45、内蒙辉腾锡勒风电厂就有约5种的监控软件。因此，国家在科技攻关计划中除了对大型风电机组进行攻关外，也把风电场的监控系统列入攻关计划，以期开发出适合我国风电场运行管理的监控系统。目前也有一些国产监控系统开发成功并投入运行。如：新疆风能有限责任公司的“通用风电场中央及远程监控系统”。 风电场的监控软件应具有如下功能：友好的控制界面。在编制监控软件时，应充分考虑到风电场运行管理的要求，应当使用中文莱单，使操作简单，尽可能为风电场的管理提供方便。能够显示各台机组的运行数据，比如每台机组的瞬时发电功率、累计发电量、发电小时数、风轮及电机的转速和风速、风向等，将下位机的这些数据调入到上位机，在显示器上显示出

46、来，必要时还应当用曲线或图表的形式直观地显示出来。显示各风电机组的运行状态。如开机、停车、调向、手自动控制以及大利、发电机工作情况。通过各风电机组的状态了解整个风电场的运行情况，这对整个风电场的管理是十分重要的。能够及时显示各机组运行过程中发生的故障。在显示故障时，应能显示出故障的类型及发生时间，以便运行人员及时处理和消除故障，保证风电机组的安全和持续运行。能够对风电机组实现集中控制。值班员在集中控制室内，就能对下位机进行状态设置和控制，如开机、停机、左右调向等。但这类操作必须有一定的权限，以保证整个风电场的运行安全。历史记录。监控软件应当具有运行数据的定时打印和人工即时打印以及故障自动记录的

47、功能，以便随时查看风电场运行状况的历史记录情况。 监控软件的开发应尽可能在现有工业控制软件的基础上进行二次开发，这样一方面可以缩短开发周期，另一方面现有的工业控制软件技术成熟、应用广泛，因此稳定性好。随着软件的升级而方便地升级。而直接从底层开发的监控软件如果没有强大的软件队伍，和经验丰富的软件人员很难与之相比。 远程监控系统功能：实时查看就地风机运行情况、数据记录。实际上只要通讯网连通，理论上远程监控系统能够实现的功能和中央监控系统一样。但是为了安全起见目前国内远程监控系统只完成监视功能，随着技术的发展，无人值班风电场的推出，远程监控系统将发挥更大作用。远程监控系统的实现通讯网络又是关键环节，

48、根据国家经贸委关于“电网和电厂计算机监控系统及调度数据网络安全防护规定”，电力监控系统和电力调度数据网络均不得和互联网相连。因此远程监控系统通常只能使用专线或电力调度数据网络。考虑到实际情况和需要，现在实现的风电场远程监控系统一般采用电话线进行通讯。六、风力发电机的并网的研究由于太阳能发电机并网技术已经相当成熟，在此主要研究风力发电机的并网技术。风力发电领域要解决的一个很重要的问题是风力发电机组的并网问题。目前在国内和国外大量采用的是交流异步发电机，其并网方法也根据电机的容量不同和控制方式不同而变化。异步发电机并入网运行时，是靠滑差率来调整负荷的，其输出的功率与转速近乎成线性关系，因此对机组的调速要求不像同步发电机那么严格和精确，只要检测到转速接近同步转速时就可并网，但异步发电机在并网瞬间会出现较大的冲击电流（约为异步发电机额定