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非洲新能源风光互补独立供电系统的应用
栏目:新能源 编辑:作者:     2019-05-22 10:05
    1前言
 
    伴随非洲地区区域经济的快速发展,对于电力能源的需求也日趋紧迫,而全球能源供应的紧缺和环境保护的要求,也为绿色新能源的开发和利用提出了迫切要求,并提供了广阔的市场前景。国内能源装备制造业更应充分发挥新能源领域的人才、技术、装备、资金优势,有效利用企业海外工程实施与项目管理经验,加快拓展海外尤其是非洲地区新能源市场,为企业的产业升级及用户的能源发展带来双赢。
 
    2概述
 
    2.1光伏发电
 
    太阳能是太阳内部核聚变反应过程产生的能量,其中辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的22亿分之一,但已高达173,000TW,每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。在海平面上的标准峰值强度为1kw/m2,年平均24h辐射强度为0.20kw/m2,相当于102,000TW的能量,人类依赖这些能量维持生存,其中包括除地热能资源外所有其他形式的可再生能源,其总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍,但太阳能的能量密度低,而且因地而异,因时而变,这是开发利用太阳能面临的主要问题。(附图1:全球平均辐照分布示意图)而非洲大陆绝大部分地区为太阳能的开发利用提供了得天独厚的辐照条件。
 
   
 
    附图1:全球平均辐照分布示意图
 
    从太阳能获得电能,需通过太阳能电池的光生伏打效应(PV)进行光电转换来实现,太阳能电池主要有晶体硅电池(单晶硅、多晶硅)、薄膜电池(非晶/微晶硅、CdTe、CIGS)、砷化镓电池三代电池技术。随着太阳能电池技术的不断提升、产能的不断扩张,全球PV装机容量也正以空前的速度快速增长,(附图2:全球PV市场预测)。
 
   
 
    附图2:全球PV市场预测
 
    光伏发电系统由太阳能电池方阵、蓄电池组、充放电控制器、逆变器、交流配电柜等设备组成。(附图3:光伏发电系统示意图)太阳能电池方阵利用光生伏打效应吸收光能实现电能转换;蓄电池组主要有铅酸蓄电池或镉镍电池,用以储存电能并可随时向负荷供电;充放电控制器用以控制蓄电池循环充放电次数及放电深度并防止蓄电池过充电或过放电,以延长电池使用寿命;逆变器是将直流电转换成交流电的设备,有离网逆变器和并网逆变器两种;交流配电柜实现交流电源切换、负荷分配及电能计量。
 
 
 
    附图3:光伏发电系统示意图
 
    2.2风力发电
 
    风能就是地球大气层空气的动能,风能的大小决定于风速和空气的密度。全球的风能约为2.74X109MW,其中可利用的风能为2X107MW,(附图4:全球平均风速分布示意图)比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍,是目前全世界每年燃烧煤所获得的能量的3倍,至今全球风电发电量以每年超过30%的速度快速增长,风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力。非洲大陆北部地区及周边沿海地区有着较为丰富的风力资源,也为风电资源的开发应用提供了有利条件。
 
    
 
    附图4:全球平均风速分布示意图
 
    小型风力发电系统由风力发电机、充电控制器、数字逆变器构成。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。(附图5:小型风力发电系统示意图)叶片用来接受风力并通过机头转为电能;尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得较大的风能;转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能;机头的转子是永磁体,定子绕组切割磁力线产生电能。风力发电机因风量不稳定,故其输出的是13~25V变化的交流电,须经充电控制器整流,对蓄电池充电,使风力发电机产生的电能变成化学能,然后用数字逆变器把电池化学能转变成交流220V市电,才能保证稳定使用。
 
   
 
    附图5:小型风力发电系统示意图
 
    3小型风/光(互补)独立供电系统的应用
 
    针对非洲地区的沿海岛屿、边远山区、沙漠草场,以及远离电网供电的乡村地区,为充分利用当地风能、光伏等绿色可再生能源,满足灌溉、照明、通讯、医疗等生产和生活能源需求,改善人民生活条件,促进当地经济起步,100kW以下的小型风/光(互补)独立供电系统的应用,作为一种相对稳定、可靠的解决途径,有着十分重要的政治与经济意义(附图6:风光互补独立供电系统示意图)。目前已经取得成熟推广的方案应用有饮水灌溉、路灯照明、通讯基站、海水淡化、气象监测、边防哨所、独立社区、孤岛供电等。
 
   
 
    附图6:风光互补独立供电系统示意图
 
    4案例:4kW风光互补独立供电系统方案应用
 
    4.1环境措施:
 
    1)沿海地区:风机和叶片表面采用防腐漆;尾梁、尾舵板、塔管、安装支架表面进行热浸锌处理;外露旋转连接件采用不锈钢材料;标准件采用不锈钢或达克罗处理工艺;控制器采用三防漆防护;
 
    2)高原地区:塔架材料采用Q345;采用低温润滑脂;适用膨胀土或冻土层的特殊地基处理;控制器采用低温加热;
 
    3)沙漠戈壁:发电机采用F级绝缘;进行大风条件下结构受力分析;大风时采用尾舵机械侧偏和电磁刹车等措施,确保风机的安全;
 
    4.2设计原则
 
    优化系统设计方案,确保满足用电负荷需求前提下,根据不同使用地域环境条件,进行风机和光伏组件合理匹配,包括风力发电机功率、光伏阵列规模和蓄电池容量的较佳配套和组合比例。一般情况下,如采用系统电网架线供电的投资已达到绿色能源供电投资的60%以上即可考虑采用风光互补电力供应解决方案。
 
    4.3设计程序:
 
    4.3.1系统计算包括以下内容:
 
    ①负载特性、功率和用电量统计及相关计算;
 
    ②风力发电机日平均发电量计算;
 
    ③太阳能电池方阵面辐射量和日平均发电量计算;
 
    ④蓄电池容量计算;
 
    ⑤风力发电机、太阳能电池组件、蓄电池匹配优化设计;
 
    ⑥太阳能电池方阵安装倾角的确定。
 
    4.3.2设备选型包括以下内容:
 
    ①风力发电机、太阳能电池组件、控制器和蓄电池的选型;
 
    ②太阳能电池方阵支架设计,风力发电机组安装设计,逆变器等附属设备的选型和设计;
 
    ③控制、监控系统的选型和设计;
 
    4.3.3系统部件匹配设计内容:
 
    风光互补独立供电系统的安全性、经济性和可靠性是通过系统内各部件的良好匹配而获得的,主要有以下几项匹配设计:
 
    ①发电量与用电量的匹配设计;
 
    ②风力发电机组功率与太阳电池组件功率的匹配设计;
 
    ③风力发电机组、太阳电池组件、风光互补控制器、蓄电池、泄荷器和逆变器等部件的匹配优化。
 
    发电量与用电量的匹配计算公式为:
 
    日平均用电量<日平均发电量×控制器效率×蓄电池效率×逆变器效率×线损;
 
    4.4设备选型要点:
 
    4.4.1风力机:
 
    风力发电机组的设计寿命应不低于15年;机组配置应采用N+1冗余方式,即每个系统都应有一台备用发电机作为冗余使用;根据当地气象资料,风力机应安装在主风向的上风头,尽量避免迎风方向有建筑物或树木等障碍物,避免风的紊流影响,风轮高度范围内的风速垂直切变要小。
 
    4.4.2控制器:
 
    控制器对风力发电和光伏发电的控制作用应保持独立并有效隔离;控制器风电充电电路的较大功率一般应大于等于风力发电机组额定输出功率的1.5倍;控制器光伏充电电路的较大功率应大于光伏发电额定输出功率的1.2倍;控制系统应具备蓄电池管理系统及相应的通讯接口。
 
    4.4.3逆变器:
 
    在进行逆变器选型之前,应充分了解并分析用电负载特性,包括:直流负载还是交流负载;单相负载还是三相负载;冲击性负载还是非冲击性负载;重要负载还是一般性负载。逆变器的输出功率应当根据用电负荷电器的类型、功率和时长来计算和确定,一般情况如下:
 
    ①负荷电器中有用三相电源的电器,如三相电机等,则应选用三相逆变器;
 
    ②中、小功率的风光互补系统(50kW以内),应优先选用单相逆变器;
 
    ③逆变器额定功率的选择应考虑可能同时工作的所有负荷电器额定功率之和的120%以上;
 
    ④用电负荷有电冰箱、水泵等感性负载时,感性负载总功率应小于逆变器额定功率的20-30%;
 
    ⑤用电负荷长时间不间断运行的功率应控制在逆变器额定功率的50~60%以内,应避免长时间满负荷工作。
 
    4.4.4蓄电池:
 
    优先选用铅酸蓄电池及其它适合风光互补发电使用的新型蓄电池;蓄电池组的串联电压必须与风力发电机组的输出电压及太阳电池组件的输出电压相匹配;蓄电池的容量应由日较低耗电量、设定的连续阴天数、较长无风期的天数、蓄电池的性能参数(包括自放电率、充放电效率和放电深度)等因素共同确定。孤岛独立供电系统的蓄电池在现场安装前,应先充满电后再运往现场使用。
 
    蓄电池容量简易计算公式:
 
    蓄电池容量=(日平均用电量X连续无有效风速天数)/(系统蓄电池电压X较大放电深度X传输效率X充放电效率)
 
    4.5系统配置一览:
 
    以下为风光互补独立供电系统典型配置及现场运行图片
 

名称

 

 

 

 

规格

 

 

 

 

单位

 

 

 

 

数量

 

 

 

 

风机

 

 

 

 

FD5-5/10

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

光伏组件

 

 

 

 

TPM-110M

 

 

 

 

 

 

 

 

18

 

 

 

 

控制器

 

 

 

 

ZK220-10K

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

逆变器

 

 

 

 

SN-12KF/380

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

电池组

 

 

 

 

12V100Ah

 

 

 

 

 

 

 

 

18

 

 

 

 

支架

 

 

 

 

12m

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

附件

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 
    4结语
 
    综上所述,利用绿色可再生能源发电技术的应用前景广阔,是满足未来社会发展需求的理想能源,尤其对于非洲边远欠发达地区的推广应用,将是促进地区经济,造福当地人民,也是国内企业拓展海外市场形象,扩大产业规模的有效举措。
来源:互联网
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