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12 独立系统
独立动力系统主要用于在偏远地区，其中由于地形，很难找到正确的方法，或环境顾虑，公用线路是不合算的。即使没有这些约束，建设新的输电线路也是昂贵的。一个230千伏线路的费用超过100万每英里。对于那些距离最近的传输线几英里远的偏远村庄来说，一个独立的供风系统会是更经济的。距离一个独立的光伏（PV）系统收支平衡还有较长的路要走，因为目前光伏能量比风能更昂贵。
太阳能和风能功率输出波动可以以每小时或每天的为基础。因此独立系统，在雨天必须使用晴天储存多余的电能。另外，在偏远地区可以使用风力，太阳能或两者在用柴油机发电机混合配置或者使用在城市地区的燃料电池。
根据世界银行的数据，超过二十亿人生活在尚未连接到公用线路的村庄。这些村庄是使用风力或太阳能光伏柴油发电机的独立的混合动力系统的最大的潜在市场。此外，与投资其他许多行业相比，风能和光伏系统每美元会创造更多的就业机会。这一点，在农村地区提供急需的电力之上，有助于减少迁移到在大多数国家已紧张的城市。
因为具有显著不同性能的电源必须并联使用的，与为了扩充现有公用网络，而简单地的连接到电网系统的设计相比，独立的混合系统在技术上更有挑战性和更昂贵。
12.1 光伏系统
典型的PV单机系统包括太阳能电池阵列和连接如图12.1的电池。光伏阵列供电给负载并且在存在太阳光时给电池充电，否则就是电池功率负载。逆变器转换数组的直流电源和电池为60或50Hz的电源。逆变器是在广泛使用的效率从85％到95％的额定功率的提供。该阵列是分段与隔离二极管形式的，用于提高可靠性。在这样的设计中，太阳能电池阵列的一个串发生故障，它不会加载或短路剩余的串。多个逆变器是首选的可靠性。例如，三个反相器，每个都有一个35％的评价，是很好的，与一个具有105％的相比。如果一个这样的逆变器出现故障时，其余两个可以继续供给大多数负载直到发生故障的一个被修复或更换。相同的设计方法也扩展到使用多个电池。
大多数独立光伏系统安装在发展中国家提供基本生活必需品，如照明和抽水。其他更进一步（图12.2）。
风能和太阳能发电系统：设计，分析及操作
图12.1 PV单机含电池动力系统。
图 12.2 一个流动诊所使用光伏发电，以保持在非洲沙漠地区冷藏疫苗。
12.2电动车
在美国和其他许多国家制定的太阳能电动车是一个独立（或者更确切地说，“移动独立”）的光伏发电系统的一个例子。第一个太阳能汽车始建于1981年，由澳大利亚汉斯驾驶穿过了整个澳大利亚内陆。现代的太阳能汽车已经被开发并商业化，虽然它比目前传统的汽车更昂贵。然而，持续的发展，使价格日益接近。
在美国的大学，近来的新运动是两年一次的太阳能汽车比赛。能源部（DOE）和几个汽车制造商赞助比赛每两年举办一次。这是开放给所有的在美国各地的中心地带设计，建造和运行他们的汽车的工程和商科学生。第一届美国太阳能汽车比赛在1990年举办。如图12.3所示，1993年在密歇根大学建了一个这样的车。它完成了首先在1100英里“新蕾”，从阿灵顿德克萨斯州开始，并通过俄克拉荷马州，堪萨斯州，密苏里州，爱荷华州，并在明尼苏达州结束。它在六天半的时间里走过了1102英里。1994年，联合太阳能汽车完成了从达尔文的1900英里长的世界太阳能车挑战赛，阿德莱德，穿过了整个澳大利亚内陆。几十支球队参加了这些比赛。绝不仅仅是举办了更多的比赛，这个美国能源部计划的目标是“在心灵”为青少年学生提供经验，在可再生能源方面提供帮助。
图片12.3 密歇根大学的太阳能汽车比赛在美国1100米和澳大利亚1900毫升。
表12.1
美国大学生为双年展1100-MI“新蕾”设计的内置太阳能赛车的特性范围
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设计参数 |
参数范围 |
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太阳能电池阵列功率能力（晶体硅，砷化镓） |
750-1500W |
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电池（铅 - 酸，银 - 锌） |
3.5minus;7 kWh |
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电动机（直流无刷） |
4minus;8 hp |
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车重 |
500minus;1000 lb |
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轿厢尺寸 |
asymp;20-ft long times;7-ft widetimes;3.5-ft high |
太阳能汽车进入这样的大学比赛一般都有广泛的设计特性，如表12.1所示。密执安汽车的设计采用硅电池和铅酸电池，其中改变为银 - 锌电池以后。随着永磁（PM）直流无刷电机的发展，它达到了50英里的峰值速度。在澳大利亚的比赛中砷化镓（PV）电池使用很多，但这些在美国比赛中是不允许的。一些赛车已经设计了斯特林发动机通过太阳能驱动而不是使用PV电池的加热氦气驱动。该设计考虑，包括在数百本书中介绍的技术参数及会议约束的，在车辆的设计折衷。但确定性的关键技术因素是胜利的必要条件。它们如下：
bull;光伏发电电池有高转换效率
bull;峰值功率追踪设计
bull;轻型电池具有比能量高
风能和太阳能发电系统：设计，分析及操作
图12.4 单机风力发电系统电池。
bull;节能的电池充电和放电
bull;低空气阻力
bull;高可靠性不增加重量
在第10章中讨论的锌空气电池是轻质的电池的一个例子。第9章中的覆盖着太阳能电池阵列，采用隔离二极管为不增加重量达到可靠性,以及用于提取的最大功率输出的光伏阵列，对于一个给定的太阳辐射的峰值功率跟踪原理。
汽车在设计和测试后，制定一项战略，以优化太阳能捕获并有效地使用它，同时保持与比赛的那一天的地形和天气的能量平衡，成为最终测试。对于大小的太阳能电池阵列和电池的能量平衡分析方法在本章后面介绍。
12.3 独立风系统
使用恒速发电机的简单的独立风系统示于图12.4。它有许多功能是类似于光伏单机系统。对于一个小型风力系统提供局部载荷，一个直流发电机，使系统变得简单，更易于操作。进来被越多越消费者使用的感应发电机，在另一方面，给出了交流电源。发电机是自激，因为连接到输出端子并联电容器。频率是通过控制涡轮机速度来控制。该电池是由一个AC-DC整流器充电并通过一个DC-AC逆变排出。
风独立电力系统通常用于养殖场（图12.5）供电。在德国，有将近一半安装在农场风系统不是由农民个人或由协会所有。根据“250万千瓦风”节能涡轮机的性能进行监测和公布ISET，太阳能技术在卡塞尔大学学院的业绩报告中，也可以从德国风能研究所得到。报告列出所有安装过程中，他们的表现和任何技术问题。
发电机的稳态性能是通过在第5章介绍的理论和分析来确定。这包括确定需要对电容器评级，自激励发生器所需电压和频率。负载的功率因数对稳态和感应发电机的瞬态性能两者有很大的影响。负载功率因数可统一，滞后或领先，取决于负载是电阻，电感或电容。大多数负载在电感为大约0.9滞后的功率因数时聚合。不像在同步发电机，对于给定的负载感应发电机的输出电流和功率因数都由发电机参数确定。因此，当感应发电机提供一定的负荷，它也提供了一定的相电流和一定的正交电流。正交电流由连接到终端的电容器组提供。因此，所述感应发电机是不适合用于供给低功率因数负载。
独立系统
图12.5 偏远的农场是独立电力系统的主要市场。
独立，自激感应发电机的瞬态性能，反过来说，是更复杂的。要求发生器的广义D-q轴模型。使用D-q轴模型的计算机模拟显示以下的一般瞬态特性：
bull;在由于电容器组跳闸，自激突然丧失，电阻和电感负载引起的端电压迅速达到稳态零。容性负载需要较长的时间在端子电压衰减到零之前。
bull;在发电机，电阻和电感的负载降低，导致突然的电压下降，而容性负载对端电压的影响不大。
bull;在电阻和电感负载的突然消失，端电压迅速上升到其稳态值。
bull;在轻载时，磁化电抗切换到它的不饱和值，它是大的。这使得机器的性能不稳定，导致端子电压崩溃。为了弥补这种不稳定性问题，独立感应发电机必须有一个最低的负载，如果需要的话应该有一个虚设值，并永久地连接到其端子。
12.4混合系统
12.4.1 混合动力柴油机
在任何时候都满足负载需求的确定性是通过使用一个以上的电源的混合动力系统实现的。大多数混合动力车使用带有光伏和风力柴油发电机，因为需求时柴油提供了更多的力量。电池仅仅在一些杂种柴油发电机上使用。电池满足日常负荷波动，柴油发电机组负责长期波动。例如，柴油发电机在最恶劣的天气条件下使用，如阴天期延长或者当好多周没有风。
风能和太阳能发电系统：设计，分析及操作
图12.6 一个300千瓦光伏柴油混合动力系统在高级谷，加利福尼亚。
图12.7 风力柴油电池混合动力系统。
图12.6显示安装在加州大型光伏柴油混合动力系统。该项目是环保局的PV-柴油计划的一部分。图12.7是风力柴油 - 电池混合系统的示意布局。电源连接和控制单元（CCU）提供了一个集中的地方，使大多数系统组件的组织连接。所述PCCU容纳以下组件：
bull;电池充电，放电调节器
bull;转换开关和保护断路器
bull;电源流量计
bull;模式控制器
独立系统
图12.8 集成了风光伏电池混合动力系统的电源连接和控制单元。
图12.8显示了混合动力系统的市售PCCU。集成风PV-柴油机的瞬态分析需要大量的模型，采取必要的输入日期和事件来定义为计算机模拟。
12.4.2 混合动力燃料电池
在混合设计的独立可再生能源系统，燃料电池具有取代柴油机在城市地区的潜力，其中，在柴油发动机是不好的，因为它的高碳排放。燃料电池发电设备的气体排放物是微不足道的，每兆瓦时约25g。工厂和医院已经开始在它们的不间断电源系统，用燃料电池更换柴油发电机。在本周内，电力公司正在考虑使用燃料电池来满足需求高峰，用于均衡昼夜之间的负载。
在小规模，大约洗碗机的尺寸燃料电池可以驱动一个没有电网连接的3000到5000平方英尺房子。这样一个单位的设备，生产成本将是2,500到4000美金。在1998年至2000年被安装在纽约州的80个地点的第一个燃料电池用于住宅区。在一个规模较大，纽约电力管理局已安装122.4兆瓦的并网燃料电池工厂。
在一个大规模，在冰岛的雷克雅未克，居住着约12万人，计划成为世界上第一个氢城市。冰岛在雷克雅未克现有第一个商用加氢站，壳牌零售站开通。它通过使用可再生能源技术的电解产生的氢。一辆奔驰车第一个使用这个站，在2003年年底放置的3台戴姆勒 - 克莱斯勒氢动力公交车正在服役。正如冰岛大学所说，政府希望到2050年将整个国家变成一个氢经济国家。
风能和太阳能发电系统：设计，分析及操作
图12.9 燃料电池的原理：氢和，电力和水出氧气。
德国汽车制造商戴姆勒 - 奔驰和加拿大巴拉德动力系统开发用固体高分子型燃料电池作为替代电池的汽车。第一个商业化的燃料电池动力汽车已经在市场上。
燃料电池是一种不改变电极和电解质材料的电化学装置，其通过化学反应产生电。用电极的磨损来区分燃料电池和电化学电池。燃料电池的概念是水的电解的逆过程，氢气和氧气被组合以产生电能和水。因此，燃料电池是将燃料的化学能直接转换成电能的静态设备。因为这个过程绕过热 - 机转换，并且还因为它的操作是等温的，转换效率并不限于卡诺定律。因为这些，它不同于柴油机。
燃料电池中，由NASA开发为空间应用的中期电源，这是第一次在月球车使用，并继续在航天飞机舰队使用。此外，它还在其他特殊反面应用。用电池提供几天或几个星期的能量是不实际的，但却有效地被燃料电池完成。
燃料电池的基本结构特征示于图12.9。氢气在氧气从空气中组合，以产生电力。氢“燃料”不在内燃机之类的机械内燃烧，它通过电化学反应产生电能。水和热是该反应的唯一的副产物，如果燃料是纯氢。用天然气，乙醇，或甲醇作为氢的来源，产生的副产物包括一些二氧化碳和一氧化碳，碳氢化合物和氮氧化物。然而，它们都小于由柴油发动机排出的的1％。优越的可靠性，没有移动部件是于燃料电池相比，柴油发电机的一个额外的好处。多个燃料电池叠起来的串联 - 并联组合提供所需的电压和电流，正如电化学反应做成的电池。
独立系统
表 12.2
各种燃料电池的特点
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燃料电池类型 |
工作温度 |
功率密度 |
预计寿命 |
预计成本 |
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PAFC |
150–200 |
0.2–0.25 |
40,000 |
1000 |
|
AFC |
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