第 1 章 緒論

1.1 課題來源
溪霞水庫是南昌地區(qū)境內(nèi)最大的一座重點(diǎn)中型水庫，于 1960 年動(dòng)工興建，1962 年建成，總面積 7000 畝，集雨面積 85.53 平方公里，設(shè)計(jì)庫容 5010 萬方，有效庫容 3500 萬方，湖面 7000 余畝，水深 18 米，周長(zhǎng) 30 多華里，擔(dān)負(fù)著溪霞、樂化、樵舍、金橋等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的農(nóng)業(yè)灌溉（約 4 萬余畝）和江西昌北機(jī)場(chǎng)、桑海企業(yè)集團(tuán)等企業(yè)的生產(chǎn)生活用水。溪霞水庫水電站則位于水庫大壩北涵輸水渠，距溪霞鎮(zhèn)約 4 公里，是一座以灌溉為主，兼有防汛、發(fā)電、供水、旅游、養(yǎng)殖等綜合利用效益的水利工程，并于 2011 年被水利部評(píng)為“全國水利風(fēng)景區(qū)”。溪霞水庫水電站是溪霞鎮(zhèn)唯一一座水電站，電站設(shè)計(jì)裝機(jī) 1×75KW、1×55KW，保證出力 125KW，據(jù)多年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，其平均發(fā)電量 122.64 萬 KW·h，擴(kuò)容增效改造后為 158 萬 KW·h。建成之初的供電范圍包括溪霞水庫管理所和近區(qū)幾個(gè)村(包括至頭村、劉家村和麥港村)部分農(nóng)村與居民用電。在上世紀(jì) 90 年代對(duì)該所和近區(qū)幾個(gè)村的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著舉足輕重的作用，有效地促進(jìn)了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)改善民生，服務(wù)三農(nóng)具有現(xiàn)實(shí)意義。溪霞水庫水電站建成至今已十八年，直供電片區(qū)也發(fā)生了較大變化，目前的直供電片區(qū)是本單位及近區(qū)的居民區(qū)，用戶分布在至頭、劉家和麥港三個(gè)村，約 545 戶居民。一座變電站，主要包括 9.5km 的 0.4kV 及以下的線路，基本情況如上表 1.1 所示。溪霞水庫水電站主要由 0.4KV 線路組成，主要供自身用電、昌北機(jī)場(chǎng)供水泵房、桑海水廠泵房及周邊三個(gè)村用電。其供電主要有 4 條線路，其中有占總線路的 25%的重載線 1 條和占總線路的 50%的過載線路 2 條。2014 年溪霞水庫水電站的發(fā)電量為 122.64 萬 KW.h，直供電片區(qū)內(nèi)的售電量為 169KW.h，外購電量為 46.36 萬 KW.h，其綜合損耗和綜合線損率分別為 20 萬 KW.h 和 16%，詳見表 1.2。
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1.2 課題研究的意義
隨著技術(shù)水平的提高，沿著原有技術(shù)方向繼續(xù)提高常規(guī)太陽電池效率需要花費(fèi)更大精力與財(cái)力[6]。1954 年貝爾實(shí)驗(yàn)室報(bào)道發(fā)現(xiàn) 4.5%效率的單晶硅電池，當(dāng)年效率就提高到 6%，而 1980 年代到 90 年代世界太陽電池最高效率從 22%提高到 23.3%[7]，再從 23.3%提高到 25%，各花了 10 年左右時(shí)間。可見太陽電池效率的每一點(diǎn)提高都彌足珍貴，因此，為了充分利用太陽電池材料與工藝己有研究成果，通過溫差發(fā)電技術(shù)對(duì)太陽電池進(jìn)行冷卻，抑制太陽電池的溫升，使太陽電池實(shí)際工作時(shí)保持較高的效率，是提高太陽電池效率的另一條有效途徑。而溫差發(fā)電在解決光伏組件溫度高這一問題的同時(shí)，利用其熱能進(jìn)行發(fā)電，既能解決光伏電池背板“變黃”開裂的問題，增加光伏電池板的使用壽命，也實(shí)現(xiàn)太陽能的梯級(jí)利用，從而獲得更高的太陽能轉(zhuǎn)換效率。在水庫存水不足或枯水季節(jié)，擬建設(shè)一個(gè)水-光-蓄微電網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)電、水電與 PV-TE 發(fā)電的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，保證合理的庫存水量，實(shí)現(xiàn)最大經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。另者，在水庫壩體和空地?cái)M建的 2MW 級(jí)光伏-溫差熱電混合發(fā)電系統(tǒng)將會(huì)是一道靚麗的風(fēng)景線，很易博得游人的眼球，進(jìn)而會(huì)提升溪霞風(fēng)景區(qū)的效益。本文對(duì)擬建設(shè)2MW級(jí)光伏- 溫差熱電混合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行的前期理論研究工作，可為將要建設(shè)的水-光-蓄微電網(wǎng)中的太陽能光伏-溫差混合發(fā)電系統(tǒng)提供理論參考和投資價(jià)值分析，是非常有必要性的。
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第 2 章 太陽能光伏電池的研究

2.1 太陽能光伏電池概述
太陽能光伏電池具有的能源環(huán)保性、易獲得性和能源可再生性等優(yōu)點(diǎn)，致使成為各國研究者追逐研究的焦點(diǎn)。21 世紀(jì)初期，太陽能電池之父 MartinA.Green 建議根據(jù)發(fā)展時(shí)間將太陽能電池分為 3 個(gè)階段[48]：(1)第一代晶體硅太陽能電池：包括單晶硅和多晶硅，由于發(fā)展歷史較久，各企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)較為成熟，目前有近 80%的市場(chǎng)占有率；(2)第二代薄膜太陽能電池：包括非晶硅薄膜太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池等有約 19%的市場(chǎng)占有率，生產(chǎn)成本較第一代晶體硅太陽能電池較低，進(jìn)而預(yù)計(jì)到 2015 年將有超過 20%的應(yīng)用市場(chǎng)占有率；(3)第三代太陽能電池主要包括聚光和有機(jī)太陽能電池等，特點(diǎn)是較第一代和第二代的轉(zhuǎn)換效率要高，其中聚光光伏組件最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 40%，但其成本較高且技術(shù)尚不成熟，聚光光伏電池只有約 1%的市場(chǎng)占有率。目前市場(chǎng)應(yīng)用及研究使用較多的太陽電池主要包括單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池、非晶硅薄膜太陽能電池、碲化鎘薄膜太陽能電池、銅銦鎵硒薄膜太陽電池和砷化鎵聚光太陽電池[49]。各類型太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，制造成本，占地面積和生產(chǎn)規(guī)模情況如下表 2.1 所示：
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2.2 太陽能光伏電池的數(shù)學(xué)模型
通過研究發(fā)現(xiàn)，在 PV 電池發(fā)電系統(tǒng)中，PV 電池的內(nèi)部參數(shù)以及各外界因素如光照強(qiáng)度、溫度、負(fù)載，風(fēng)速，濕度等，對(duì)其輸出特性都具有一定的影響。由上述 PV 電池的發(fā)電原理，可用一個(gè)等效電路來對(duì)其進(jìn)行形象的描述與研究，如下圖 2.3 所示[54]。太陽能光伏電池因其無枯竭危險(xiǎn)，清潔性，無資源分布地域的限制，可在用電處就近發(fā)電等優(yōu)點(diǎn)，使太陽能光伏電池得到廣泛應(yīng)用。但在應(yīng)用時(shí)，仍存在一些問題，主要有以下兩個(gè)：第一，光伏電池吸收太陽輻射轉(zhuǎn)化為電能的同時(shí)，其中波長(zhǎng) 0.5-1.2μm 的部分輻射轉(zhuǎn)化為熱能，而波長(zhǎng)大于 1.2μm 的輻射全部轉(zhuǎn)化為熱能。這些轉(zhuǎn)化的熱能使電池板的溫度升高，影響光伏電池的轉(zhuǎn)化效率，從 2.3 節(jié)分析中也可以看出PV 的輸出功率隨著面板溫度的升高而下降。并且光伏組件長(zhǎng)期處于高溫將會(huì)使得 PV 面板出現(xiàn)“變黃”開裂等問題，影響太陽能電池的使用壽命。
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第 3 章 溫差發(fā)電模塊的研究....21
3.1 溫差發(fā)電基本介紹 ..........21
3.2 溫差發(fā)電基本工作原理 .........21
3.3 溫差電模塊基本性能參數(shù) .....22
3.4 溫差電模塊數(shù)學(xué)模型的建立 ........24
3.5 溫差發(fā)電模塊的輸出特性仿真及分析 ......26
3.6 本章小結(jié) .....31
第 4 章 太陽能 PV-TE 混合發(fā)電系統(tǒng)的研究.......32
4.1 PV-TE 混合發(fā)電系統(tǒng)的介紹 .........32
4.2 混合發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 ....34
4.3 PV-TE 混合發(fā)電系統(tǒng)仿真及分析 ........37
4.4 混合發(fā)電系統(tǒng)的投資經(jīng)濟(jì)性分析 .......45
4.5 本章小結(jié) .....47
第 5 章 太陽能 PV-TE 混合發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)研究......48
5.1 DC/DC 變換器的介紹及選擇 ........48
5.2 傳統(tǒng)升壓斬波電路(Boost 電路)的工作原理 ....49
5.3 雙輸入 Boost 變換器 .......50
5.4 雙輸入 Boost 變換器仿真及分析 ........53
5.5 本章小結(jié) .....56

第 5 章 太陽能 PV-TE 混合發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)研究

5.1 DC/DC 變換器的介紹及選擇
DC/DC 變流電路，也稱斬波電路，是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電的電路，它的種類較多，其中六中基本的斬波電路為：降壓斬波電路(Buck 電路)、升壓斬波電路(Boost 電路)、升降壓斬波電路(Buck-Boost 電路)、Cuk 斬波電路、Sepic 斬波電路和 Zeta 斬波電路，其中三種是基本的斬波電路[76]。文獻(xiàn)[77]討論這三種典型 DC/DC 電路的原理、結(jié)構(gòu)、電壓變換關(guān)系，建立模型仿真驗(yàn)證，，并比較其優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)果表明：Boost 電路具有較好的總體性能，如需要得到高于輸入電壓的輸出電壓可優(yōu)先考慮選擇 Boost 電路作為系統(tǒng) DC/DC 變換電路[77]。傳統(tǒng)的新能源混合發(fā)電系統(tǒng)中兩種能源形式應(yīng)各需要一個(gè) DC/DC 直流變換器，將 PV 電池和溫差發(fā)電器的不可控直流電壓輸出變成可控穩(wěn)定的直流電壓輸出，之后并聯(lián)到公共的直流母線上，如圖 5.1 所示，此傳統(tǒng)方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、效率低[78]。為簡(jiǎn)化混合發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)使其具有更高的效率，更少的元件數(shù)量以及更低的發(fā)電成本，可以選用一個(gè)雙輸入 DC/DC 變換器代替兩個(gè)單輸入DC/DC 變換器，如圖 5.2 所示。擬建的太陽能 PV-TE 混合發(fā)電系統(tǒng)中的 PV 和 TEG 兩模塊的輸出電壓因經(jīng)DC/DC 變換后接入 320V 的直流母線上，再統(tǒng)一進(jìn)行逆變成可供用戶使用的單相 220V 交流電。文獻(xiàn)[79]在高頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器應(yīng)用設(shè)計(jì)中，前級(jí)也是采用 Boost 變換電路將不可控輸出電壓升高到一個(gè)可控穩(wěn)定的電壓[79]。所以在前人相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，本文選用雙 Boost 直流變換對(duì) PV-TE 混合系統(tǒng)兩種不同能源聯(lián)合起來，實(shí)現(xiàn)混合發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)。

結(jié)論

在能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的大背景和太陽能光伏背板“變黃”開裂的小背景下，提出太陽能 PV-TE 混合發(fā)電系統(tǒng)，既解決了太陽能電池板因溫度過高導(dǎo)致變黃開裂的問題，延長(zhǎng)了太陽能電池壽命，又能利用太陽能電池不能使用的那部分熱能進(jìn)行發(fā)電，提高了對(duì)太陽能的利用率，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能量的梯級(jí)利用。本文以南昌市溪霞水庫擬建水-光-蓄微電網(wǎng)項(xiàng)目為對(duì)象，對(duì)其中將擬建的 2兆級(jí)的太陽能 PV-TE 混合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了研究，主要具體地有以下幾個(gè)方面的研究?jī)?nèi)容與成果：
1）為研究太陽能光伏電池和溫差發(fā)電模塊的輸出特性，本文分別根據(jù)其數(shù)學(xué)模型在仿真平臺(tái) Matlab/Simulink 搭建了各自的仿真模型，分析其各自的輸出特性，為混合系統(tǒng)的研究做準(zhǔn)備。
2）利用擬建項(xiàng)目的特殊地理環(huán)境，提出 PV-TE 的冷卻系統(tǒng)采用低溫庫水對(duì)溫差發(fā)電器冷端降溫，提高了系統(tǒng)的發(fā)電效率。當(dāng)然，熱水也可進(jìn)一步加以利用，提高能源的利用率。
3）利用太陽能 PV-TE 混合系統(tǒng)的能量關(guān)系搭建了混合系統(tǒng)的仿真模型，在設(shè)定環(huán)境下對(duì)混合系統(tǒng)進(jìn)行仿真及分析，并與傳統(tǒng) PV 系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比研究。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明：冷卻系統(tǒng)的水流量，光伏電池板的熱傳系數(shù)和溫差發(fā)電器的優(yōu)值系數(shù)是混合系統(tǒng)的三個(gè)重要影響因子。且混合系統(tǒng)的輸出功率和發(fā)電效率較傳統(tǒng) PV 發(fā)電系統(tǒng)顯著提高。
4）以 250Wp 的太陽能光伏電池為例，太陽能 PV-TE 混合系統(tǒng)進(jìn)行了與傳統(tǒng)的 PV 系統(tǒng)對(duì)比性的投資經(jīng)濟(jì)分析。通過各方面的成本計(jì)算本系統(tǒng)預(yù)計(jì)可在10 年后實(shí)現(xiàn)盈利，同時(shí)具有很好的環(huán)境效益。
5）研究了太陽能 PV-TE 混合系統(tǒng)的 DC/DC 并網(wǎng)問題，提出了雙輸入 Boost升壓變換器，并利用仿真驗(yàn)證了該變換電路的可行性，說明可利用雙輸入 Boost電路對(duì)混合系統(tǒng)的混合能源進(jìn)行并網(wǎng)，不僅增大了系統(tǒng)電壓的增益，又提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和靈活性。
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參考文獻(xiàn)（略）