2.4　风力发电和光伏发电原理

风力发电和光伏发电的特性不仅与风能、太阳能资源的自然变化相关，也与风力发电机组、光伏发电系统的自身特点密切联系。本节内容基于风力发电机组、光伏发电系统的工作原理，对风力发电、光伏发电与风能、太阳能之间的关系进行简要介绍。

2.4.1　风力发电的能量转换原理

2.4.1.1　风能

空气的运动是在力的作用下产生的。作用于空气的力除重力外，还有由于气压分布不均而产生的气压梯度力、由于地球自转而产生的地转偏向力、由于空气与地面之间相对运动而产生的摩擦力，以及空气做曲线运动时产生的惯性离心力。这些力在水平分量之间的不同组合，构成了不同形式的大气运动。风是空气运动的结果，风能可利用的能量基本来自于沿地球表面运动的大气团动能。

风力发电中，叶片捕捉空气动能，并将所捕获的动能转换成为电能。风能转换成其他可利用能量形式的效率取决于叶轮和气流相互作用的效率。

质量为m的气流以速度v运动，其动能为：

假定在T时间内气流流过的截面积为A的风的容积为L，则

L＝AvT

以ρ来表示空气密度，风能大小（即功率）可以表示为：

将式（2－13）中时间T取值为1，即得到常用的风功率公式，或习惯称为风能公式：

由此可知，影响气流中可利用能量的因素是空气密度、叶轮扫风面积以及风速。风功率和风速成三次方关系，风速的变化对于风功率的影响十分显著。

影响空气密度的因子有温度、大气压力、海拔和空气成分等。一般情况下，干空气可以被视为理想气体，理想气体状态方程为：

空气密度为1kmol空气的质量和其体积之比，描述为：

由上两式，密度可以表示为：

如果已知风电场的海拔Z和温度T，则此处空气密度可以求得：

空气密度随着风电场海拔和温度的增加而降低，且随空气的干湿混合比变化而变化。风能资源评估中，大部分风电场的理论空气密度值可取定常值1.225kg/m3，但在精度要求更为苛刻的风力发电功率预测中则不能忽视空气密度对风能密度的影响。

2.4.1.2　风力发电机组功率

风力发电所用的风力发电机组大多为螺旋桨型的水平轴风力发电机组。常见的螺旋桨式风力发电机组多为双叶片或三叶片。为了提高启动性能，减少空气动力损失，多采用叶根强度高、叶尖强度低、带有螺旋角的结构。

风力发电机组主要包括风轮、塔架、机舱等部分。风轮由轮毂及安装于轮毂上的若干桨叶组成，是风力发电机组捕获风能的部件；塔架是风力发电机组的支撑结构，保证风轮能在地面上方具有较高风速的位置运行；为了使风向正对风轮的回转平面，水平轴风力发电机组需要装有调向装置进行方向控制。调向装置、控制装置、传动机构及发电机等都集中放置在机舱内。

任何类型的风力发电机组无法获得风中的全部动能，当气流经过风力发电机组时，一部分动能传给叶轮，剩下的能量被流过风力发电机组的气流带走。风轮能够产出的实际功率取决于能量转换过程中风与风轮相互作用时的效率，这种效率通常称为功率系数（Cp），也叫风能利用系数，定义为由风轮转换的实际风功率与风中具有的全部功率的比值：

Cp值越大，表示风力发电机组能够从风中获取的能量比例越大，风能利用率也就越高。德国科学家贝茨（Betz）在1926年建立了著名的风能转化理论，即贝茨理论。根据贝茨理论，风力发电机组的功率系数理论最大值是0.593。

风力发电机组的功率系数取决于多种因素，风轮叶片的外形、叶片的装配与设置等，都会影响功率系数的大小。为了在更广的风速范围内获得最大的功率系数Cp，需要将风力发电机组参数调整到Cp的最优水平。

作用在叶轮上的推力F可以表示为：

叶轮的扭矩T可以表示为：风轮获得的实际扭矩与理论最大扭矩限值的比值称为扭矩系数CT：

当叶轮以很慢的速度旋转时，而风以很快的速度流向风轮，一部分流向风轮的气流可能尚未与叶片发生能量转换就已经从风轮间流过；类似地，如果风轮旋转很快而风速很慢，风力发电机组可能会使气流改变方向，能量可能会因为湍流和涡旋分离而损失。在这两种情况下风能利用率都很低。

叶片的叶尖旋转速率与上游未受干扰的风速比，称为叶尖速比λ：

从风力发电机组的功率系数Cp与风力发电机组叶尖速比λ的对应关系中可以发现，当叶尖速比λ取某一特定值时，Cp有最大值。与Cp最大值对应的叶尖速比称为最佳叶尖速比。为了使Cp维持最大值，当风速变化时，风力发电机组转速也需要随之变化，使之运行于最佳叶尖速。对于任意给定的风力发电机组，最佳叶尖速比取决于叶片的数目和每片叶片的宽度。对于现代叶片较少的风力发电机组，最佳叶尖速比介于6～20之间。

由于

则

由此可见，叶尖速比为风轮功率系数与扭矩系数的比值。

风力发电机组输出功率与空气密度、风速、叶片半径和风力发电机组的功率系数有关，而空气密度、风速、叶片半径等因素无法进行实时控制，为了实现风能捕获最大化，唯一可以控制的参数就是风力发电机组的功率系数Cp。事实上，风力发电机组并不是在所有风速下都能正常工作，各种型号的风力发电机组通常都有一个额定工作风速，在该风速下，风力发电机组的输出功率达到标称功率，风力发电机组的工况最为理想。风速提高时，可利用调节系统使风力发电机组的输出功率保持恒定。

对于风力发电机组而言，可利用的风能是在“切入风速”和“切出风速”之间的有效风速范围内，这个范围内的风能叫“有效风能”，该风速范围内的平均风功率密度称为“有效风功率密度”。我国规定的有效风能密度所对应的风速范围为3～25m/s。

2.4.2　光伏发电的能量转换原理

太阳能电池是一种基于光生伏特效应（简称光伏效应，Photovoltaic Effect）将光能直接转化为电能的器件，所以太阳能电池又叫光伏电池。与其他类型的电池不同，光伏电池本身不储存能量，它只将接收到的光能立即转化为电能。在光照下，太阳能电池组件产生一定的电动势，通过组件的串、并联形成电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。通过光伏电池将太阳辐射转换为电能的发电系统称为光伏发电系统。

2.4.2.1　半导体的导电性

要利用太阳能，必须找到适合制作太阳能电池的材料。制作太阳能电池的材料主要以半导体材料为基础，其中硅系太阳能电池是目前发展最快、最成熟的太阳能电池。

在硅晶体中，每个硅原子有内层的10个电子和外层的4个电子，而这4个电子（又称价电子）和相邻原子的外层电子构成共价键。共价键受原子核的束缚力较小，由于共价键的作用，电子无法移动。但当受到外力作用，获得足够的能量时，电子就会脱离原子作用成为自由电子，而脱离的电子原来所在的地方会出现一个空穴。受到外界电场作用时，自由电子沿着和电场相反的方向运动，空穴邻近的电子由于热运动脱离原来原子的束缚填充了这个空穴，在远处留下了新的空穴。如此一来，空穴也在移动，其方向和电子运动的方向相反。半导体之所以能够导电，就是因为内部具有电流载流子和空穴载流子，硅原子的共价键结构和硅的晶体结构与电子—空穴对的产生如图2－10所示。

根据量子理论，电子和空穴无论怎样运动，在未受到外来能量的作用时，都保持稳定的运动状态。这些运动状态一般用能量表示，即用“能级”表示各种不同的运动状态。处于低能级的电子获取能量后可跃迁到高能级，处于高能级的电子返回低能级会释放能量。由于电子数量众多且最高能级和最低能级之差不大，这些能级在事实上组成了一个在能量上可认为是连续的带，称为“能带”。电子只能在各能带内运动，在能带之间的区域没有电子态，这个区域称为“禁带”。完全被电子填满的能带称为“满带”，电子通常填满能量较低的能带使之变为满带，再占据能量更高端外面一层的能带。处于原子中最外层能带的电子称价电子，与价电子能级相对应的能带称为“价带”。价带以上未被电子填满的能带称为“导带”。导带底与价带顶的能量间隔就是“禁带宽度”，半导体的能带如图2－11所示。

半导体温度升高后，价带中的电子获得能量，跃迁至导带，这样价带就产生了空穴。导带的电子与价带的空穴同时发生，形成电子空穴对，电子和空穴这两种载流子在某种作用下产生定向流动便构成了半导体材料中的导电过程。

2.4.2.2　光生伏特效应

当半导体表面受到太阳光照射时，如果其中有些光子的能量大于等于半导体的禁带宽度，就能使电子摆脱原子核的束缚，在半导体中产生大量的电子空穴对，这种现象称为内光电效应，半导体材料就是依靠内光电效应把光能转化为电能的。

光子能量大于半导体材料的禁带宽度，即：

又因为：

式（2－26）可改写为：

满足了上式要求的光子波长称为截止波长，截止波长才能产生电子空穴对，波长大于截止波长的光子不能产生载流子。

将纯净的半导体硅中掺入少量杂质，可以提高导电能力。如果半导体中占支配地位的载流子是电子，这种类型的半导体主要依靠电子导电，称为电子型半导体，也叫N型半导体。如果全部载流子中，绝大多数是空穴，这种半导体叫空穴半导体，也叫P型半导体。纯净的晶体中掺入的杂质不同，两种类型半导体中的多数载流子和少数载流子也就不同，N型半导体和P型半导体中能够出现多数载流子是掺杂的结果。如果把P型半导体和N型半导体紧密地“结合”起来，在两者的交界处会形成PN结。在其交界处，N型区域的电子向P型区域扩散而带正电，P型区域空穴向N型区域扩散而带负电，于是便形成了一个内电场，电场方向由正电荷指向负电荷，PN结电场如图2－12所示。

太阳能电池是一块大面积的PN结，阳光照射时，PN结的N区、空间电荷区和P区吸收一定能量的光子后，产生电子空穴对，称为“光生载流子”。两者的电极性相反，电子带负电，空穴带正电。电极性相反的光生载流子在半导体PN结的内电场作用下被分离开，在P区聚集光生空穴，在N区聚集光生电子，使P区带正电，N区带负电，在PN结两边产生电动势。光生电子和空穴分别向太阳能电池的正、负极聚集，当太阳能电池的两端接上负载，就可以获得电功率输出。

不同半导体材料的禁带宽度不同，所需激发电子空穴对的光子能量也不同。超过禁带宽度的光子被吸收后转化为电能，而能量小于禁带宽度的光子被半导体吸收，产生热能。对于太阳能电池而言，禁带宽度越大，可供利用的太阳能就越少。目前的太阳能电池可以将所接受光照能量的10%～20%转变为电能，所以光线越强，发出的电能就越多。

2.4.2.3　光伏发电系统与光伏发电站

光伏发电系统是利用太阳能电池组及其他辅助设备将太阳能转换成电能的系统。以光伏发电系统为主，包含各类建（构）筑物及检修、维护、生活等辅助设施在内的发电站称为光伏发电站。

光伏发电系统有离网系统、并网系统和混合系统之分。离网光伏发电系统通过太阳能电池组将光能转换成电能，直接供给负载，多余电量储存于蓄电池中。并网光伏发电系统则将转换成的直流电升压、逆变，向电网输出交流电。混合光伏发电系统主要是市电互补光伏发电系统和风光互补发电系统。

（1）光伏发电系统主要构成。光伏发电系统主要由太阳能电池、蓄电池、控制器、逆变器、附属设施等组成。

太阳能电池是能量转换的器件。单一太阳能电池的发电量十分有限，实用中通常将单一太阳能电池片经串、并联组成电池系统，称为电池组件。当发电容量较大时，需要用多块电池组件串、并联后形成太阳能电池方阵。

蓄电池是存储电能的设备。其作用是存储太阳能电池受光照时发出的电能，并可随时向负载供电。由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池才能使负载正常工作。蓄电池需具备自放电率低、使用寿命长、充电效率高、深放电能力强等特点。

控制器是防止蓄电池过充电和过放电的设备。控制器对蓄电池的充、放电进行控制，并按负载电源需求控制太阳能电池组件和蓄电池对负载输出电能。由于蓄电池循环放电次数及放电深度在很大程度上决定蓄电池的使用寿命，因此控制器对于蓄电池来说必不可少。

逆变器是将直流电转换成交流电的设备。当负载是交流负载时，需要依靠逆变器将太阳能电池产生的直流电转换为交流电。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光伏发电系统，为独立负载供电；并网逆变器用于并网运行的太阳能发电系统。

（2）离网光伏发电系统。离网发电系统又叫独立发电系统，离网光伏发电系统如图2－13所示，太阳能电池将太阳辐射能转换为电能，通过控制器把电能存储于蓄电池中。当负载用电时，蓄电池中的电能通过控制器合理地分配到各个负载上。太阳能电池产生的直流电可直接应用于直流负载，也可经逆变器转换成交流电供交流负载使用。

（3）并网光伏发电系统。并网光伏发电系统如图2－14所示，一般没有蓄电池，太阳能电池组将太阳辐射能转换成电能，经直流配电箱进入并网逆变器。经逆变器输出的交流电供负载使用，多余的电能通过电力变压器等设备馈入公共电网。

并网光伏发电系统有集中式大型并网光伏系统和分散式小型并网光伏系统。

集中式大型并网光伏电站一般是将太阳能电池所发的电能直接送入电网，由电网统一调配向用户供电；分散式小型并网光伏系统将所发的电能直接分配到住宅的用电负载上，电能多余或不足则通过电网调节。