最全的可再生能源发电原理

3．2 自然资源电能转换电能原理
3．2．1 太阳能光伏发电原理
太阳能光伏发电系统（Photovoltaic Power System，PVS）主要涉及太阳能电池和矩阵、电源转换（逆变器、充电器）、控制系统、储能系统、并网技术等领域。

具体结构如图1所示。

图1太阳能光伏发电系统结构图（此图用VISO画）
PVS发电是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能。

光—电转换的基本装置就是太阳能电池。

太阳能电池是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。

太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。

当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。

太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。

太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用。

与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的。

太阳能控制器全称为太阳能充放电控制器，是用于太阳能发电系统中，控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。

太阳能控制器是一个微机数据采集和监测控制系统，既可快速实时采集光伏系统当前的工作状态，随时获得PV站的工作信息，又可详细积累PV站的历史数据，为评估PV系统设计的合理性及检验系统部件质量的可靠性提供了准确而充分的依据。

太阳能控制器通常有6个标称电压等级：12V、24V、48V、110V、220V、500V。

由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，当负载是交流负载时，逆变器是将直流电转换成交流电的必不可少的设备。

逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变
器和并网逆变器。

独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电；并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。

逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。

太阳能发电系统对逆变器的主要要求是可靠、效率高、波形畸变小、功率因数高。

在可靠性和可恢复性方面，要求逆变器应具有一定的抗干扰能力、环境适应能力、瞬时过载能力及各种保护功能。

由于建筑的多样性，势必导致太阳能电池板安装的多样性，为了使太阳能的转换效率最高同时又兼顾建筑的外形美观，这就要求我们的逆变器的多样化，来实现最佳方式的太阳能转换。

现在世界上比较通行的太阳能逆变方式为：集中逆变器、组串逆变器，多组串逆变器和组件逆变。

工程上光伏发电的I-V 关系为：（以下公式已损坏，不好调整格式，用公式编辑器重新写）
12[exp(/)1]scref scref ocref I I C I V C V =-- （3-1） 最大功率点时：
22exp(/)1exp(/)mref ocref mref ocref V C V V C V -≈可解的1C ，2C
12(1)exp(/)
mref scref mref ocref C I I V C V =-- （3-2） 2(/1)[ln(1)]mref ocref mref scref C V V I I =-- （3-3）
当日照强度和光照温度均有变化时，从新计算sc new I -，
oc new V -，m new I -，m new V -，即可得新的I-V 曲线：
1ref S S S ∆=- （3-4）
ref T T T ∆=- （3-5）
(1)(1)
oc new ocref V V c T b S -=-∆+∆ （3-6） (1)sc new scref ref
S I I a T S -=+∆ （3-7） (1)m new mref ref S I I a T S -=+∆ （3-8）
(1)(1)
m new mref V V c T b S -=-∆+∆ （3-9） 式中系数a ,c 采用典型值：0.0025/o a C =；0.00288/o c C =
系数b 采用优化后的参数值：
40.19497.05610b S -=-+⨯⨯ （3-10）
设E T 为任意的环境温度，则光伏电池板温度T 为：
E T T KS =+ （3-11）
式中K 据试验测得大量数据取为
20.003/o Cm W 对于M N ⨯光伏电站阵列，可以等效成一个光伏电池，工程模型的参数等效如下，
sc sc I NI = （3-12）
oc oc V MV =,m m I NI =,m m V MV =（3-13）
3．2．2 风力发电原理
风力发电是把风能转变为电能并加以利用的一种方式。

风力发电机一般有风轮、发电机（包括装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构等构件组成。

风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能。

发电机在风轮轴的带动下旋转发电。

具体结构如图2所示。

图2 风力机结构
风轮是集风装置，它的作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋转的机械
能。

一般风力发电机的风轮由2个或3个叶片构成。

风力发电机中调向器的功能是使风力发电机的风轮随时都迎着风向，从而能最大限度地获取风能。

一般风力发电机几乎全部是利用尾翼来控制风轮的迎风方向的。

限速安全机构是用来保证风力发电机运行安全的。

限速安全机构的设置可以使风力发电机风轮的转速在一定的风速范围内保持基本不变。

塔架是风力发电机的支撑机构，稍大的风力发电机塔架一般采用由角钢或圆钢组成的桁架结构。

风力机的输出功率与风速的大小有关。

机械连接与功率传递水平轴风机桨叶通过齿轮箱及其高速轴与万能弹性联轴节相连,将转矩传递到发电机的传动轴,此联轴节应按具有很好的吸收阻尼和震动的特性，表现为吸收适量的径向、轴向和一定角度的偏移，并且联轴器可阻止机械装置的过载。

另一种为直驱型风机桨叶不通过齿轮箱直接与电机相连风机电机类型。

风力机的风功率转换模型可以用下式表示：
23),(21w P m C R T υλ
βλρπ= （3-14） 式中m T 为风力机机械转矩；ρ为空气密度；R 为风力机叶片半径；w v 为风速，λ为风力机的叶尖速比；P C 为风能利用系数，表达式为： i
e C i P λβλβλ5
.12)54.0116(22.0),(---= （3-15） 1035.008.011
3+-+=ββλλi （3-16）
根据贝茨定理，风力机捕获的风能与风速的立方成正比例的关系，同时还与风力机叶片的转速及结构参数有关。

根据风力机功率特性方程有： N p T p A c p 2103
3⨯=ρυ （3-17）
式中：T p 为风力机机械功率（p.u ）；p c 为风能转换系数，它是桨距角β和叶尖速率比λ（v R /ωλ=）的函数； R 为叶片半径(m)；ω为风力机叶片转速
(rad/s)；A为叶片扫掠面积(m2)；ρ为空气密度，(kg/m3)；v为风速(m/s)；P N
为功率基值(kw)。

（文字中出现的英文字母、拉丁字母、希腊字母用不建议用公式编辑器写，否则不好调整格式，可以用“插入”—“符号”来编辑）
3．2．2 水力发电原理
水力发电是利用河川、湖泊等位于高处具有位能的水流至低处，将其中所含之位能转换成水轮机的动能，就是利用流水量及落差来转动水涡轮。

利用水轮机为原动机，推动发电机产生电能。

因水力发电厂所发出的电力其电压低，要输送到远距离的用户，必须将电压经过变压器提高后，再由架空输电路输送到用户集中区的变电所，再次降低为适合于家庭用户、工厂之用电设备之电压，并由配电线输电到各工厂及家庭用户。

在天然河流上，修建水工建筑物，集中水头，通过一定的流量将“载能水”输送到水轮机中，使水能→旋转机械能→带动发电机组发电→输电线路→用户。

具体结构如图3所示。

图3 水能转换系统
水力发电输出功率公式为：
.9
81
=（3-18）
Pη
QH
式中：
Q—通过水轮机的流量，Q =V/t，m3/s；
H—水轮机的工作水头，m；
η—水轮机的效率。

3．2．2 地热发电原理
地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术。

其基本原理与火力发电类似，也是根据能量转换原理，首先把地热能转换为机械能，再把机
械能转换为电能。

而地热发电实际上就是这种能量的转变过程。

地热能来源于地球深处的熔融岩浆和放射性物质的衰变，是一种重要的清洁能源。

自20世纪70年代以来，随着地热能基础研究、勘测技术、利用技术的发展，全球地热能利用的水平与规模大幅提高。

地热发电是一种利用地下热水和蒸汽力动力源的发电技术，其原理类似于火力发电，是利用蒸汽的热能在汽轮机中转变为机械能，然后带动发电机发电。

按照载热体类型、温度、压力和其它特性的不同，地热发电可分为蒸汽型地热发电和热水型地热发电两大类。

具体结构图如图3所示。

图4 地热发电系统结构图（此图用VISO 画）
地热资源主要分为蒸汽型和热水型两类，因此，地热发电也分为两大类。

地热蒸汽发电有一次蒸汽法和二次蒸汽法两种。

一次蒸汽法直接利用地下的干饱和（或稍具过热度）蒸汽，或者利用从汽、水混合物中分离出来的蒸汽发电。

二次蒸汽法有两种含义，一种是不直接利用比较脏的天然蒸汽（一次蒸汽），而是让它通过换热器汽化洁净水，再利用洁净蒸汽（二次蒸汽）发电。

第二种含义是，将从第一次汽水分离出来的高温热水进行减压扩容生产二次蒸汽，压力仍高于当地大气压力，和一次蒸汽分别进入汽轮机发电。

地热发电输出功率公式为： )(3600KW H D p η∆=
（3-20） 式中：
D:汽轮机利用系数
η:汽轮机效率。