太阳能光伏-温差混合发电系统的研究

第 1 章 绪论

1.1 课题来源
溪霞水库是南昌地区境内最大的一座重点中型水库，于 1960 年动工兴建，1962 年建成，总面积 7000 亩，集雨面积 85.53 平方公里，设计库容 5010 万方，有效库容 3500 万方，湖面 7000 余亩，水深 18 米，周长 30 多华里，担负着溪霞、乐化、樵舍、金桥等乡镇的农业灌溉（约 4 万余亩）和江西昌北机场、桑海企业集团等企业的生产生活用水。溪霞水库水电站则位于水库大坝北涵输水渠，距溪霞镇约 4 公里，是一座以灌溉为主，兼有防汛、发电、供水、旅游、养殖等综合利用效益的水利工程，并于 2011 年被水利部评为“全国水利风景区”。溪霞水库水电站是溪霞镇唯一一座水电站，电站设计装机 1×75KW、1×55KW，保证出力 125KW，据多年的数据统计，其平均发电量 122.64 万 KW·h，扩容增效改造后为 158 万 KW·h。建成之初的供电范围包括溪霞水库管理所和近区几个村(包括至头村、刘家村和麦港村)部分农村与居民用电。在上世纪 90 年代对该所和近区几个村的工农业生产有着举足轻重的作用，有效地促进了当地经济的发展，对改善民生，服务三农具有现实意义。溪霞水库水电站建成至今已十八年，直供电片区也发生了较大变化，目前的直供电片区是本单位及近区的居民区，用户分布在至头、刘家和麦港三个村，约 545 户居民。一座变电站，主要包括 9.5km 的 0.4kV 及以下的线路，基本情况如上表 1.1 所示。溪霞水库水电站主要由 0.4KV 线路组成，主要供自身用电、昌北机场供水泵房、桑海水厂泵房及周边三个村用电。其供电主要有 4 条线路，其中有占总线路的 25%的重载线 1 条和占总线路的 50%的过载线路 2 条。2014 年溪霞水库水电站的发电量为 122.64 万 KW.h，直供电片区内的售电量为 169KW.h，外购电量为 46.36 万 KW.h，其综合损耗和综合线损率分别为 20 万 KW.h 和 16%，详见表 1.2。
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1.2 课题研究的意义
随着技术水平的提高，沿着原有技术方向继续提高常规太阳电池效率需要花费更大精力与财力[6]。1954 年贝尔实验室报道发现 4.5%效率的单晶硅电池，当年效率就提高到 6%，而 1980 年代到 90 年代世界太阳电池最高效率从 22%提高到 23.3%[7]，再从 23.3%提高到 25%，各花了 10 年左右时间。可见太阳电池效率的每一点提高都弥足珍贵，因此，为了充分利用太阳电池材料与工艺己有研究成果，通过温差发电技术对太阳电池进行冷却，抑制太阳电池的温升，使太阳电池实际工作时保持较高的效率，是提高太阳电池效率的另一条有效途径。而温差发电在解决光伏组件温度高这一问题的同时，利用其热能进行发电，既能解决光伏电池背板“变黄”开裂的问题，增加光伏电池板的使用寿命，也实现太阳能的梯级利用，从而获得更高的太阳能转换效率。在水库存水不足或枯水季节，拟建设一个水-光-蓄微电网系统，实现农电、水电与 PV-TE 发电的自适应调节，保证合理的库存水量，实现最大经济与社会效益。另者，在水库坝体和空地拟建的 2MW 级光伏-温差热电混合发电系统将会是一道靓丽的风景线，很易博得游人的眼球，进而会提升溪霞风景区的效益。本文对拟建设2MW级光伏- 温差热电混合发电系统进行的前期理论研究工作，可为将要建设的水-光-蓄微电网中的太阳能光伏-温差混合发电系统提供理论参考和投资价值分析，是非常有必要性的。
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第 2 章 太阳能光伏电池的研究

2.1 太阳能光伏电池概述
太阳能光伏电池具有的能源环保性、易获得性和能源可再生性等优点，致使成为各国研究者追逐研究的焦点。21 世纪初期，太阳能电池之父 MartinA.Green 建议根据发展时间将太阳能电池分为 3 个阶段[48]：(1)第一代晶体硅太阳能电池：包括单晶硅和多晶硅，由于发展历史较久，各企业的生产技术较为成熟，目前有近 80%的市场占有率；(2)第二代薄膜太阳能电池：包括非晶硅薄膜太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池等有约 19%的市场占有率，生产成本较第一代晶体硅太阳能电池较低，进而预计到 2015 年将有超过 20%的应用市场占有率；(3)第三代太阳能电池主要包括聚光和有机太阳能电池等，特点是较第一代和第二代的转换效率要高，其中聚光光伏组件最高转换效率达到 40%，但其成本较高且技术尚不成熟，聚光光伏电池只有约 1%的市场占有率。目前市场应用及研究使用较多的太阳电池主要包括单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅薄膜太阳能电池、碲化镉薄膜太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳电池和砷化镓聚光太阳电池[49]。各类型太阳能电池的光电转换效率，制造成本，占地面积和生产规模情况如下表 2.1 所示：
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2.2 太阳能光伏电池的数学模型
通过研究发现，在 PV 电池发电系统中，PV 电池的内部参数以及各外界因素如光照强度、温度、负载，风速，湿度等，对其输出特性都具有一定的影响。由上述 PV 电池的发电原理，可用一个等效电路来对其进行形象的描述与研究，如下图 2.3 所示[54]。太阳能光伏电池因其无枯竭危险，清洁性，无资源分布地域的限制，可在用电处就近发电等优点，使太阳能光伏电池得到广泛应用。但在应用时，仍存在一些问题，主要有以下两个：第一，光伏电池吸收太阳辐射转化为电能的同时，其中波长 0.5-1.2μm 的部分辐射转化为热能，而波长大于 1.2μm 的辐射全部转化为热能。这些转化的热能使电池板的温度升高，影响光伏电池的转化效率，从 2.3 节分析中也可以看出PV 的输出功率随着面板温度的升高而下降。并且光伏组件长期处于高温将会使得 PV 面板出现“变黄”开裂等问题，影响太阳能电池的使用寿命。
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第 3 章 温差发电模块的研究....21
3.1 温差发电基本介绍 ..........21
3.2 温差发电基本工作原理 .........21
3.3 温差电模块基本性能参数 .....22
3.4 温差电模块数学模型的建立 ........24
3.5 温差发电模块的输出特性仿真及分析 ......26
3.6 本章小结 .....31
第 4 章 太阳能 PV-TE 混合发电系统的研究.......32
4.1 PV-TE 混合发电系统的介绍 .........32
4.2 混合发电系统数学模型的建立 ....34
4.3 PV-TE 混合发电系统仿真及分析 ........37
4.4 混合发电系统的投资经济性分析 .......45
4.5 本章小结 .....47
第 5 章 太阳能 PV-TE 混合发电系统的并网研究......48
5.1 DC/DC 变换器的介绍及选择 ........48
5.2 传统升压斩波电路(Boost 电路)的工作原理 ....49
5.3 双输入 Boost 变换器 .......50
5.4 双输入 Boost 变换器仿真及分析 ........53
5.5 本章小结 .....56

第 5 章 太阳能 PV-TE 混合发电系统的并网研究

5.1 DC/DC 变换器的介绍及选择
DC/DC 变流电路，也称斩波电路，是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电的电路，它的种类较多，其中六中基本的斩波电路为：降压斩波电路(Buck 电路)、升压斩波电路(Boost 电路)、升降压斩波电路(Buck-Boost 电路)、Cuk 斩波电路、Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路，其中三种是基本的斩波电路[76]。文献[77]讨论这三种典型 DC/DC 电路的原理、结构、电压变换关系，建立模型仿真验证，，并比较其优缺点，结果表明：Boost 电路具有较好的总体性能，如需要得到高于输入电压的输出电压可优先考虑选择 Boost 电路作为系统 DC/DC 变换电路[77]。传统的新能源混合发电系统中两种能源形式应各需要一个 DC/DC 直流变换器，将 PV 电池和温差发电器的不可控直流电压输出变成可控稳定的直流电压输出，之后并联到公共的直流母线上，如图 5.1 所示，此传统方法结构复杂、成本高、效率低[78]。为简化混合发电系统的结构使其具有更高的效率，更少的元件数量以及更低的发电成本，可以选用一个双输入 DC/DC 变换器代替两个单输入DC/DC 变换器，如图 5.2 所示。拟建的太阳能 PV-TE 混合发电系统中的 PV 和 TEG 两模块的输出电压因经DC/DC 变换后接入 320V 的直流母线上，再统一进行逆变成可供用户使用的单相 220V 交流电。文献[79]在高频隔离型光伏并网逆变器应用设计中，前级也是采用 Boost 变换电路将不可控输出电压升高到一个可控稳定的电压[79]。所以在前人相关研究的基础上，本文选用双 Boost 直流变换对 PV-TE 混合系统两种不同能源联合起来，实现混合发电系统的并网。

结论

在能源危机和环境污染问题的大背景和太阳能光伏背板“变黄”开裂的小背景下，提出太阳能 PV-TE 混合发电系统，既解决了太阳能电池板因温度过高导致变黄开裂的问题，延长了太阳能电池寿命，又能利用太阳能电池不能使用的那部分热能进行发电，提高了对太阳能的利用率，实现对太阳能量的梯级利用。本文以南昌市溪霞水库拟建水-光-蓄微电网项目为对象，对其中将拟建的 2兆级的太阳能 PV-TE 混合发电系统进行了研究，主要具体地有以下几个方面的研究内容与成果：
1）为研究太阳能光伏电池和温差发电模块的输出特性，本文分别根据其数学模型在仿真平台 Matlab/Simulink 搭建了各自的仿真模型，分析其各自的输出特性，为混合系统的研究做准备。
2）利用拟建项目的特殊地理环境，提出 PV-TE 的冷却系统采用低温库水对温差发电器冷端降温，提高了系统的发电效率。当然，热水也可进一步加以利用，提高能源的利用率。
3）利用太阳能 PV-TE 混合系统的能量关系搭建了混合系统的仿真模型，在设定环境下对混合系统进行仿真及分析，并与传统 PV 系统进行对比研究。实验仿真结果表明：冷却系统的水流量，光伏电池板的热传系数和温差发电器的优值系数是混合系统的三个重要影响因子。且混合系统的输出功率和发电效率较传统 PV 发电系统显著提高。
4）以 250Wp 的太阳能光伏电池为例，太阳能 PV-TE 混合系统进行了与传统的 PV 系统对比性的投资经济分析。通过各方面的成本计算本系统预计可在10 年后实现盈利，同时具有很好的环境效益。
5）研究了太阳能 PV-TE 混合系统的 DC/DC 并网问题，提出了双输入 Boost升压变换器，并利用仿真验证了该变换电路的可行性，说明可利用双输入 Boost电路对混合系统的混合能源进行并网，不仅增大了系统电压的增益，又提高了系统稳定性和灵活性。
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参考文献（略）