家用風光互補發(fā)電系統(tǒng)分析設計說明

1、 PAGE- 13 - / NUMPAGES13風光互補發(fā)電技術(shù)風光互補發(fā)電系統(tǒng)的特點風力發(fā)電系統(tǒng)利用風力發(fā)電機，將風能轉(zhuǎn)換成電能，然而通過控制器對蓄電池充電，最 后通過逆變器對負載供電。該系統(tǒng)具有日發(fā)電量較高，系統(tǒng)造價較低，運行維護成本低等優(yōu) 點。缺點是小型風力發(fā)電機可靠性低，常規(guī)水平軸風力發(fā)電機對風速的要求較高。 光伏發(fā)電系統(tǒng)利用光電板將太陽能轉(zhuǎn)換成電能， 然后通過控制器對蓄電池充電， 最后通 過逆變器對負載供電。該系統(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)供電可靠性高、資源條件好、運行維護成本低， 缺點是系統(tǒng)造價高。 發(fā)電與用電負荷的不平衡性是風電和光電系統(tǒng)共同存在的一個缺陷， 它是由資源的不確 定性造成的。 風

2、電和光電系統(tǒng)發(fā)出電能后都必須通過蓄電池儲能才能穩(wěn)定供電， 但是每天的 發(fā)電量受、 風力的影響很大， 、 風力較弱會導致系統(tǒng)的蓄電池組長期處于虧電狀態(tài)， 這是引起蓄電池組使用壽命降低的主要原因。 較風電和光電獨立系統(tǒng)，風光互補發(fā)電系統(tǒng)具有以下特點： （1）風光互補發(fā)電系統(tǒng)彌補 了風電和光電獨立發(fā)電系統(tǒng)在資源上的缺陷， 利用太陽能和風能的互補性， 提供較穩(wěn)定的電 能； （2）在風光互補發(fā)電系統(tǒng)中，風電和光電系統(tǒng)可以共用一套蓄電池組和逆變環(huán)節(jié)，減少 系統(tǒng)造價； （3）整個系統(tǒng)是兩種發(fā)電系統(tǒng)進行互補運行，因此，在保證同等供電的情況下， 可大大減少儲能裝置的容量； （4）風光互補發(fā)電系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需要

3、合理配置系統(tǒng)容量， 在不影響供電可靠性的情況下減少系統(tǒng)造價； （5） 風光互補發(fā)電系統(tǒng)可以根據(jù)用戶所在地的 季節(jié)與天氣變化情況優(yōu)化系統(tǒng)設計方案，在滿足用戶要求的情況下節(jié)約資源。適合風光互補地區(qū)分析太陽能和風能是最普遍的自然資源，也是取之不盡的可再生能源。圖1為我國太陽能風能分部情況。圖1 風能太陽能分部圖風能是太陽能在地球表面的另外一種表現(xiàn)形式，由于地球表面的不同形態(tài)對太照的吸熱系數(shù)不同，在地球表面形成溫差，地表空氣的溫度不同形成空氣對流而產(chǎn)生風能。因此，太陽能與風能在時間上和地域上都有很強的互補性。白天太最強時，風很小，晚上太陽落山后，光照很弱，但由于地表溫差變化大而風能加強。在夏季，太強度

4、大而風小，冬季，太強度弱而風大。太陽能和風能在時間上的互補性使風光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性，風光互補發(fā)電系統(tǒng)是資源條件最好的獨立電源系統(tǒng)。綜合考慮北部、北部、東部、西部和西部等地最適合 風光互補發(fā)電，西北部、北部、南部、南部、中部、青 部、東南部和南部等地次之。雖然東南沿海最適合風力發(fā)電，但臺 風的破壞性太大，有可能一次性將風光互補發(fā)電設備摧毀，因而根據(jù)實際地點考 慮是否安裝風光互補發(fā)電裝置。風光互補發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)風光互補發(fā)電系統(tǒng)主要由風力發(fā)電機組、太陽能光伏電池組、控制器、蓄電池、逆變器、交流直流負載等部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖2。該系統(tǒng)是集風能、太陽能與蓄電池等多種能源發(fā)電技術(shù)與

5、系統(tǒng)智能控制技術(shù)為一體的復合可再生能源發(fā)電系統(tǒng)。 HYPERLINK :/baike.baidu /albums/3113044/3113044.html l 0$8d158aee4790f3192cf53465 o 查看圖片 t _blank圖2 風光互補發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(1)風力發(fā)電部分是利用風力機將風能轉(zhuǎn)換為機械能，通過風力發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能，再通過控制器對蓄電池充電，經(jīng)過逆變器對負載供電； (2)光伏發(fā)電部分利用太陽能電池板的光伏效應將光能轉(zhuǎn)換為電能，然后對蓄電池充電，通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電對負載進行供電； (3)逆變系統(tǒng)由幾臺逆變器組成，把蓄電池中的直流電變成標準的220v

6、交流電，保證交流電負載設備的正常使用。同時還具有自動穩(wěn)壓功能，可改善風光互補發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量； (4)控制部分根據(jù)日照強度、風力大小與負載的變化，不斷對蓄電池組的工作狀態(tài)進行切換和調(diào)節(jié)：一方面把調(diào)整后的電能直接送往直流或交流負載。另一方面把多余的電能送往蓄電池組存儲。發(fā)電量不能滿足負載需要時，控制器把蓄電池的電能送往負載，保證了整個系統(tǒng)工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性； (5)蓄電池部分由多塊蓄電池組成，在系統(tǒng)中同時起到能量調(diào)節(jié)和平衡負載兩大作用。它將風力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能轉(zhuǎn)化為化學能儲存起來，以備供電不足時使用。 離網(wǎng)風光互補發(fā)電系統(tǒng)設計與配制方案風光互補發(fā)電系統(tǒng)作為一個獨立發(fā)電系統(tǒng)，從

7、風力發(fā)電機、太陽能電池組件與儲能系統(tǒng)容量的配置都有一個最佳配置設計問題，需要結(jié)合風力發(fā)電機、太陽能電池組件安裝地點的自然資源條件來進行系統(tǒng)最佳容量配置的設計，本例將以作為設計地點。選定地區(qū)的氣候分析位于東經(jīng)10210至10340，北緯2423至2622，市中心位于北緯250211，東經(jīng)1024231。屬北緯低緯度亞熱帶-高原山地季風氣候，由于受印度洋西南暖濕氣流的影響，日照長、霜期短、年平均氣溫15。氣候溫和，夏無酷暑，冬無嚴寒，四季如春，氣候宜人，年降水量1035毫米，具有典型的溫帶氣候特點，城區(qū)溫度在029之間，年溫差為全國最小，這樣的氣候特征在全球少有，因此，素以“春城”而享譽中外。圖3

8、為地區(qū)氣候詳細數(shù)據(jù)。圖3 氣象軟件retscreen 截圖家用電器功耗分析為了盡量合理而準確的設計，我們在這里分析計算了一般家庭使用的用電器功耗，見表1，以與在各月使用情況，見表2。表1 家庭用電器功耗表（w）名稱數(shù)量標稱功率（w）節(jié)能燈520w彩色電視機100 w電風扇240 w電冰箱120 w電飯鍋300 w洗衣機230 w微波爐500 w抽油煙機185 w電熱壺400 w電腦180 w空調(diào)1600 w表2 各電器每月日均使用時間（h）與日均總功耗（kwh）電器日均使用時間月份節(jié)能燈彩色電視機電風扇電冰箱電飯鍋洗衣機微波爐抽油煙機電熱杯電腦空調(diào)日均耗能一月760810.30.51150.2

9、4.744二月760810.30.51150.24.744三月660910.30.31150.24.664四月6601210.30.31150.25.024五月6621210.50.210.550.24.980六月5641610.50.210.550.25.520七月5661610.50.210.550.25.680八月5651610.50.210.550.25.600九月5601210.30.31150.24.924十月5601010.30.41150.24.734十一月660810.30.51150.24.644十二月760810.30.51150.24.744平均5.000蓄電池部分設計

10、首先確定系統(tǒng)直流電壓，確定的原則是：1依據(jù)國家電壓標準即12V、24V、48V，2要盡量提高電壓，減少線路損失。3最好不要超過300v,以便于選取設備。綜合考慮風光互補發(fā)電系統(tǒng)專用控制逆變器額定電壓大多為48V，所以這里我們選取48V為系統(tǒng)直流電壓。蓄電池容量Bc=(1) 式中 A 安全系數(shù)，取值為1.1 1.4; Q1 日耗電量T0 溫度系數(shù)，一般在0以上取1，-10 0 取1.1，-10以下取1.2Cc 放電深度,據(jù)圖4分析，由于當?shù)貧鉁匾恢痹诹愣纫陨希赃@里我們?nèi)∩愿咧?.8N1 自給天數(shù) ，這里取3天V 工作電壓，取220v 圖4 Cc- T 關(guān)系圖所以 Cc=Ah我們?nèi)⌒吞枮镚FM

11、-300，單個標準電壓為2v,容量300Ah (10h)蓄電池串聯(lián)數(shù)=48v224 (塊) 并聯(lián)數(shù)=546.8753002（塊）光伏發(fā)電部分設計首先確定光伏發(fā)電部分負載功耗用電器日平均能耗為5kwh,考慮到當?shù)仫L能和太陽能資源的綜合情況，我們將光伏和風機的電能貢獻比定為7：3，所以風光互補發(fā)電系統(tǒng)中由太陽能發(fā)的電能為5kwh70%=3.5kwh 確定最佳傾角這里我們將借助一款光伏系統(tǒng)設計軟件PVSYST來計算最佳傾角，見圖5，我們可以清楚的知道最佳傾角為25圖5 PVSYST軟件最佳傾角計算截圖斜面輻射量與峰值日照時數(shù)Klien和theilacker提出的傾斜面上月平均太陽輻照量的計算方法是：

12、(2) 傾斜面上月平均太陽輻照量與水平面上月平均太陽輻照量的比值；水平面上月平均散射輻照量；水平面上月平均總輻照量；方陣傾角；地面反射率，一般情況下取0.2由于此方法計算過于復雜，這里我們采用軟件輔助計算的方法我們通過查詢RETSCREEN這款軟件來查看傾斜面上的太陽輻射值圖6是軟件計算結(jié)果圖6 RETSCREEN軟件截圖所以年平均峰值日照時數(shù)為4.44h確定光伏陣列這里我們先擇峰值功率為100W 峰值電壓17.2V 峰值電流 5.81A光伏組件串聯(lián)數(shù)=(3)=（塊）光伏組件并聯(lián)數(shù)Np=（4）式中 20年太陽能組件衰降、方陣組合損失、塵埃遮擋等綜合系數(shù)，取1.02 逆變器效率 取0.9 充電效

13、率 取0.8Q1 日耗電量V 工作電壓H 峰值日照時數(shù)A 組件峰值電流所以 光伏組件并聯(lián)數(shù)光伏組件實際功率數(shù)=44100=1600W太陽能電池方陣前后間距的計算 根據(jù)圖7，我們可以清楚計算出方陣前后間距。圖7 方陣間距示意圖L=H/tan(5)=arcsin(sinsin+coscoscos)(6)=arcisn(cossin/cos)(7)首先計算冬至上午九點太陽高度角和太陽方位角。冬至時的赤緯角是-23.45，上午九點的角是45，于是有： =arcsin(0.648cos-0.399sin)=arcisn(0.9170.707/cos)這樣我們就可以知道：D=Lcos=Hcos/tan(8

14、)此例中我們選用的太陽能組件尺寸為長：1480mm 寬：665mm將本例中各個數(shù)據(jù)代入公式,計算結(jié)果為=24.75=45.55D=1090mm太陽能日均發(fā)電量影響太陽能電池組件發(fā)電能力的因素很多，如溫度、日照強度、陰影、晶體結(jié)構(gòu)與負載阻抗等諸多因素。為計算簡便，可彩用下述簡易方式進行估算(9) 太陽能日均發(fā)電量(kwh) 灰塵遮蔽損失 （0.93） 輸配電損失（0.98） 逆變器損失 溫度損失因子（0.95）充放電損失太陽電池組件峰值功率（kw）當?shù)胤逯等照諘r數(shù)風力發(fā)電部分設計1由風力發(fā)電部分分擔的用電功耗為5kwh30%=1.5kwh對于小型風發(fā)電機，通?？捎檬剑?）來確定各月的發(fā)電量：(1

15、0)(11)(12)當月發(fā)電量；風力發(fā)電機在不同風速段的發(fā)電量；當時風速；風力發(fā)電機啟動風速；風力發(fā)電機額定風速；風力發(fā)電機停機風速；風力發(fā)電機額定功率；該月中與相對應的小時數(shù).按照當?shù)貧庀笈_提供的近幾年的風速實測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計得到風速情況，由于大部分時間當?shù)氐木W(wǎng)速值都在2m/s左右，低于水平風力機的3m/s的啟動風速，所以我們選取風力發(fā)電機起動風速為2m/s，額定風速為8m/s的垂直風力發(fā)電機，由此可以算出地區(qū)1kw風力發(fā)電機的各月發(fā)電量，見表3表3 地區(qū)1kw風力發(fā)電機的各月發(fā)電量 /kwh月份發(fā)電量月份發(fā)電量162.77722.74289.12822.743106.01918.99497.3

16、61017.81550.801134.04628.641230.16從風機發(fā)電量的公式可以看出，風力發(fā)電機的輸出功率與風速的三次方成正比，也就是說，當風速值有較小的變化時，輸出的功率將產(chǎn)生較大的變化，所以，選擇風力發(fā)電機的設計風速與當?shù)仫L能資源達到最大匹配，可以提高風力發(fā)電機的能量輸出，根據(jù)上面的計算結(jié)果，可考慮選用2臺 500w 風力機聯(lián)網(wǎng)發(fā)電。系統(tǒng)可靠性分析與最終方案表4 各月份充放電情況風能發(fā)電光伏發(fā)電負載消耗差值一月62.77163.15 142.3283.60 二月89.12179.48 142.32126.28 三月106.01189.08 139.92155.17 四月97.36

17、191.81 150.72138.45 五月50.8160.84 149.462.24 六月28.64138.67 165.61.71 七月22.74127.04 170.4-20.62 八月22.74140.90 168-4.36 九月18.99133.88 147.725.15 十月17.81121.67 142.02-2.54 十一月34.04146.95 139.3241.67 十二月30.16150.58 142.3238.42 根據(jù)上表4我們可以得出，風光互補發(fā)電系統(tǒng)在二、三、四月份發(fā)電量遠高于負載耗電量，造成一定的浪費，而六、七、八月連續(xù)虧電，七月份是所虧電能已經(jīng)超過蓄電池的85

18、%的最大放電深度，此時有三種方案解決此問題：1繼續(xù)增加風機數(shù)量或電池板數(shù)量，雖然能解決夏季電量不足的問題，但是成本會大大增加，而且會使得二、三、四月份浪費電能更加嚴重，2重新設計傾角，使得夏季輸出電能達到最大值。如果采用這種方法，又會有新的問題1傾角過小，不利于下雨沖刷電池板污物。2增加輸出電能有限，很難徹底解決問題。3會使其全年發(fā)電量減小。3為了平衡這些因素，我們考慮增加蓄電池容量，我們將蓄電池型號改為GFM-400(10h)，單個標準電壓為2v，容量為400Ah 。我們采用第三種方案。各月蓄電池狀態(tài)見表5，最終配置見表6。表5 各月蓄電池狀態(tài)一覽表月份kwh蓄電池狀態(tài)系統(tǒng)輸出負載消耗差值開始(kwh)終了(kwh)%全充一月225.92 142.3283.60 38.438.4100%二月268.60 142.32126.28 38.438.4100%三月295.09 139.92155.17 38.438.4100%四月289.17 150.72138.45 38.