220kv地區(qū)變電所電氣一次初步設(shè)計劉沛然
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華 北 電 力 大 學 科 技 學 院
畢 業(yè) 設(shè) 計(論 文)附 件
外 文 文 獻 翻 譯
學 號: 071901010717 姓 名: 劉沛然
所在系別: 電力工程系 專業(yè)班級: 電氣07K6
指導(dǎo)教師: 楊用春
原文標題: Technical analysis of an electric power system consisting of solar PV energy,wind power,and hydrogen fuel cell
2011年 6 月 22 日
由太陽能光伏發(fā)電,風能發(fā)電,氫燃料電池
組成的電力系統(tǒng)的技術(shù)分析
Ahmad Zahedi
摘要:本文總結(jié)了設(shè)計混合可再生能源系統(tǒng)時需要考慮到的技術(shù)問題。本文介紹了一項供電系統(tǒng)在技術(shù)層面的研究成果,其中風力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電與氫燃料電池結(jié)合。雖然這個系統(tǒng)中的動力來源是間歇性的,但因為能源存儲技術(shù)(氫氣)被納入到系統(tǒng)中,間歇性的負面影響將微乎其微。本文還介紹了使用計算機建模仿真整個發(fā)電和存儲系統(tǒng)的結(jié)果。這一方案使我們能夠得到一個近乎完美的系統(tǒng)元件的容量并預(yù)測系統(tǒng)性能。
Ⅰ.介紹
本次研究中的電力系統(tǒng)由太陽能光伏(PV)方陣,風力發(fā)電機和質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池(FC)組成。這些組件有著差別非常大的特點。但是,當他們設(shè)計得當時,他們可以以可持續(xù)和可靠的途徑一起工作來發(fā)電。
太陽能光伏發(fā)電和風能發(fā)電可以互補,在夏天可以預(yù)計少風的時候可以多使用太陽能發(fā)電,在冬天可以預(yù)計少太陽能的時候可以多使用風能發(fā)電。因此,太陽能和風能可以在一定程度上供應(yīng)相對穩(wěn)定的電能。然而,由于這兩個動力來源的間歇性,電源不會傳遞恒定的負載功率,所以在電力平衡方面總是會產(chǎn)生過剩或者虧損。在正平衡情況下,多余的電力將在電解槽中轉(zhuǎn)換為氫氣;當電力平衡出現(xiàn)虧損時,燃料電池將提供虧損額。
Ⅱ.該系統(tǒng)描述方法的研究
本研究中提出的混合動力系統(tǒng)遵循一般理論上的任何混合動力站,如圖1所示。這個系統(tǒng)的主要組成部分是太陽能方陣,風力發(fā)電機,燃料電池,電解槽和控制器。
由太陽能方陣和風力發(fā)電機產(chǎn)生的電能被分為了兩個部分。電能的一部分被直接輸送并馬上被負荷應(yīng)用,另一部分是被轉(zhuǎn)化成氫氣并儲存在容器中,無論是壓縮還是液體形式,然后被送到一個不間斷生產(chǎn)的燃料電池中,以恒定的功率貫穿全年。電解槽用于此轉(zhuǎn)換過程。
這個系統(tǒng)中的各個組成部分的最佳容量取決于混合化水平,被定義為直接從太陽能方陣和風力發(fā)電機上傳送的能量與負荷的總的消耗量的比值。
由間歇性能量來源造成的發(fā)電量的變化對系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生的負面效應(yīng)是一個人人關(guān)心的問題,但是完整的能源儲存技術(shù)將減少這種影響。
然而,間歇性的風能在低或中等的普及水平程度上使用或者與其他的間歇性能源,例如太陽能,結(jié)合使用時很少造成問題。
Ⅲ.PV和WT子系統(tǒng)的最優(yōu)容量
最佳容量是任何工程設(shè)計的重要組成部分。最佳容量產(chǎn)生最小的系統(tǒng)花銷。這個系統(tǒng)中的兩個重要組成部分即PV和WT的最佳容量是在每年負荷的能源需求的基礎(chǔ)上確定的。它的選擇能夠使這些組成元件產(chǎn)生負荷至少50%的能源需求。這使得在涵蓋系統(tǒng)內(nèi)功率損耗的情況下可以提供可靠的電力負荷。PV系統(tǒng)的容量取決于負荷的能源需求以及太陽能電廠的太陽輻射量。從澳大利亞的太陽輻射數(shù)據(jù)手冊得到的每月太陽輻射的平均值如表1所示。
風能和風速之間的關(guān)系可以由取自參考書目[12]中的等式1確定。
其中,ρ(rho)是以kg/m3的單位的空氣密度,A是風流動的截面積。這種關(guān)系告訴我們,我們不能簡單的把平均風速帶入等式中來獲取平均風功率。我們需要使用這種非線性特性的風以確定平均風功率。為了達到這一目的,我們需要就平均量重寫這個等式。
所以我們需要確定速度的立方((U3)Ave)的平均值。平均風速被用來確定平均風功率[12]。如下所示。(n是所有的可利用的風速)
根據(jù)Gilbert M.教授所說的,風的概率密度可以通過等式3估算出。
瑞利統(tǒng)計平均風功率的計算方法是利用公式4。
每月的平均風速值見表二
太陽能光伏子系統(tǒng):光伏性能比=75%,并且燃料電池(FC)的效率為45%。
風能子系統(tǒng):效率=0.45,收集風的數(shù)據(jù)的高度是10m。半徑=30m;ρ=1.225kg/m3;風力發(fā)電機的數(shù)量:1;風力發(fā)電機的高度是60m;粗糙度因數(shù)為0.15。模擬結(jié)果如圖10到18所示。供電給50戶平均每天消耗20kWh的用戶,因此電力的平均需求為每天1MWh或者每年365MWh。光伏方陣和風力發(fā)電機的容量是基于這兩個單位均能生產(chǎn)超過50%電力需求的假設(shè)上確定的。
Ⅳ.間歇性問題
間歇性能量來源是一些變化的或者間歇的能量來源,例如風能和太陽能。使用間歇性能源發(fā)電的產(chǎn)生的變化的性質(zhì),使人們提出了電網(wǎng)對間歇性電源的承受能力以及其對經(jīng)濟的影響的擔憂。但是,通過對電能存儲技術(shù)的整合,利用間歇性的電源只會對電網(wǎng)運行造成很小的影響。
間歇性的負面影響也必須被考慮在發(fā)電的經(jīng)濟性中。使用目前已知的方法來管理變化電源的供應(yīng)會增加風力發(fā)電生產(chǎn)中的總成本,特別是在高度普及后。
當使用低、中等普及程度的風力發(fā)電或與其他間歇性能量來源如太陽能配合使用時,風力發(fā)電的間歇性很少產(chǎn)生問題。
Ⅴ.能量存儲
增加風能和太陽能在電力系統(tǒng)中的普及程度的一個潛在的方法就是充分利用能源存儲系統(tǒng)。許多不同的技術(shù)可以有效的存儲電能,包括電池技術(shù),飛輪儲能等。對于大型電網(wǎng)而言,抽水蓄能水力發(fā)電站已經(jīng)被大規(guī)模的應(yīng)用了,但是適合這種設(shè)施的站點的數(shù)量是有限的。在我們的研究中,我們使用電解槽/燃料電池的存儲技術(shù)。
Ⅵ.電解器
在該系統(tǒng)中,我們正在研究由太陽能光伏方陣和風力發(fā)電機產(chǎn)生的過剩電能用于電解產(chǎn)生氫氣。電解過程本身是清潔和有效率的。電解器的效率取決于工作電壓,溫度,氫氣流。電解水的能源效率變化很大。電解水的效率在無壓縮機,攝氏23℃的情況下為65%;在55℃的情況下的效率為70%。在氫氣被壓縮后電解槽的效率減少5%。
Ⅶ.燃料電池
在這項研究中,我們假設(shè)用質(zhì)子交換膜燃料電池進行電力再生產(chǎn)。燃料電池技術(shù)被認為是一項成熟的技術(shù),原則上它就像一個電池工作。不同于電池,燃料電池不需要進行充電。它只要能夠滿足燃料的供應(yīng)就會產(chǎn)生電能和熱能兩種形式的能量。由于燃料電池的工作依靠的是化學反應(yīng)而不是燃燒,這個類型的系統(tǒng)中的排放物會比清潔燃料燃燒過程中產(chǎn)生的排放物還要少很多。燃料電池技術(shù)的意義在于它有能力通過改變輸入能量源(目前有6個不同的)產(chǎn)生電能。一個氫燃料電池系統(tǒng)可以是緊湊的,輕便的,并且對于運行元件需要較少的維護。
Ⅷ.仿真系統(tǒng)
為了分析系統(tǒng)運行而開發(fā)的仿真軟件工具同時考慮到了所有涉及的設(shè)備的特點和效率。這個仿真工具通過輸入過去一年的平均風速的數(shù)據(jù)和太陽輻射的數(shù)據(jù)計算出在產(chǎn)氫量和存儲等級這兩個不同的部分之間的能量流動,以及燃料電池的可用性。
根據(jù)所選器件(太陽能光伏方陣,風力發(fā)電機,電解器,燃料電池和氫氣罐)的容量和效率,可以預(yù)測出該系統(tǒng)一年內(nèi)的性能。而整個系統(tǒng)的效率是有太陽能光伏方陣和風力發(fā)電機產(chǎn)生的能量比確定的。
由風能和太陽能產(chǎn)生的多余電能供給電解器產(chǎn)生氫氣,而氫氣又被輸送到燃料電池進行發(fā)電。如圖2和圖3所示。
圖2:從太陽能和風能發(fā)電產(chǎn)生的過剩電能被供應(yīng)到電解池產(chǎn)生氫氣
圖3:從電解池產(chǎn)生的氫氣被提供到燃料電池進行發(fā)電
由于以下幾個目的,MATLAB被用于模擬該系統(tǒng):
為了最優(yōu)化系統(tǒng)組件的容量;
為了預(yù)測能量流動的性能;
為了確定每臺發(fā)電機的發(fā)電量;
為了確定供給當?shù)刎摵傻碾娏浚?
為了確定電能過剩或虧損;
為了確定每月氫氣總的產(chǎn)量以及由氫氣產(chǎn)生的發(fā)電量。
電解器是在以下條件下運行的:
1.當電源提供給電解槽的功率在電解槽的額定功率運行范圍內(nèi),并且存儲罐不滿時;
2.當電源提供給電解槽的功率超過了其額定功率并且容器不滿時,電解槽是滿負荷運行,而過剩電能就會廢棄掉。如果存儲罐已滿,那么過剩電能就會直接被廢棄掉。這些廢棄的電能可以用于其他設(shè)備,如加熱水和抽水,但不在本次研究內(nèi)討論。仿真結(jié)果如圖4—圖11所示。
圖4:每月由太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能
圖5:每月由風能發(fā)電產(chǎn)生的電能
圖6:每月由太陽能和風能聯(lián)合發(fā)電產(chǎn)生的電能
圖7:每月的電能平衡
圖8:每月氫氣的產(chǎn)量
圖9:每月氫氣的發(fā)電量
圖10:氫氣的累積產(chǎn)量
圖11:由氫氣產(chǎn)生的累積發(fā)電量
為了簡化計算,我們暫時假定為75戶用戶每天消耗15kWh且全年保持不變的情況進行計算。
Ⅸ.總結(jié)
本文介紹了一個由風力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電與氫燃料電池結(jié)合起來的電力系統(tǒng)在技術(shù)角度上的一項研究成果。雖然這個電能的來源是間歇性的,但是因為能源儲存技術(shù)(氫氣)納入到了系統(tǒng)中,間歇性的負面影響微乎其微。
本文還介紹了計算機仿真在MATLAB環(huán)境下開發(fā)的用來模擬整個發(fā)電和存儲系統(tǒng)的程序。這個程序使我們能夠找到一個近乎完美的容量的系統(tǒng)組件,并且可以預(yù)測系統(tǒng)的性能。
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