家用风光互补发电系统分析设计

-1-1、风光互补发电技术1.1风光互补发电系统的特点风力发电系统利用风力发电机，将风能转换成电能，然而通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对负载供电。该系统具有日发电量较高，系统造价较低，运行维护成本低等优点。缺点是小型风力发电机可靠性低，常规水平轴风力发电机对风速的要求较高。光伏发电系统利用光电板将太阳能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对负载供电。该系统的优点是系统供电可靠性高、资源条件好、运行维护成本低，缺点是系统造价高。发电与用电负荷的不平衡性是风电和光电系统共同存在的一个缺陷，它是由资源的不确定性造成的。风电和光电系统发出电能后都必须通过蓄电池储能才能稳定供电，但是每天的发电量受阳光、风力的影响很大，阳光、风力较弱会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态，这是引起蓄电池组使用寿命降低的主要原因。较风电和光电独立系统，风光互补发电系统具有以下特点：（1）风光互补发电系统弥补了风电和光电独立发电系统在资源上的缺陷，利用太阳能和风能的互补性，提供较稳定的电能；（2）在风光互补发电系统中，风电和光电系统可以共用一套蓄电池组和逆变环节，减少系统造价；（3）整个系统是两种发电系统进行互补运行，因此，在保证同等供电的情况下，可大大减少储能装置的容量；（4）风光互补发电系统可以根据用户需要合理配置系统容量，在不影响供电可靠性的情况下减少系统造价；（5）风光互补发电系统可以根据用户所在地的季节及天气变化情况优化系统设计方案，在满足用户要求的情况下节约资源。1.2适合风光互补地区分析太阳能和风能是最普遍的自然资源，也是取之不尽的可再生能源。图1为我国太阳能风能分部情况。-2-图1风能太阳能分部图风能是太阳能在地球表面的另外一种表现形式，由于地球表面的不同形态对太阳光照的吸热系数不同，在地球表面形成温差，地表空气的温度不同形成空气对流而产生风能。因此，太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性。白天太阳光最强时，风很小，晚上太阳落山后，光照很弱，但由于地表温差变化大而风能加强。在夏季，太阳光强度大而风小，冬季，太阳光强度弱而风大。太阳能和风能在时间上的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性，风光互补发电系统是资源条件最好的独立电源系统。综合考虑宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西部和西藏西部等地最适合风光互补发电，河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地次之。虽然东南沿海最适合风力发电，但台风的破坏性太大，有可能一次性将风光互补发电设备摧毁，因而根据实际地点考虑是否安装风光互补发电装置。2、风光互补发电系统的结构风光互补发电系统主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、蓄电池、逆变器、交流直流负载等部分组成，系统结构图见图2。该系统是集风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统。-3-图2风光互补发电系统结构(1)风力发电部分是利用风力机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电；(2)光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电；(3)逆变系统由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的220v交流电，保证交流电负载设备的正常使用。同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量；(4)控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节：一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载。另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性；(5)蓄电池部分由多块蓄电池组成，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。3、离网风光互补发电系统设计及配制方案-4-风光互补发电系统作为一个独立发电系统，从风力发电机、太阳能电池组件及储能系统容量的配置都有一个最佳配置设计问题，需要结合风力发电机、太阳能电池组件安装地点的自然资源条件来进行系统最佳容量配置的设计，本例将以云南昆明作为设计地点。3.1选定地区的气候分析昆明位于东经102°10'至103°40'，北纬24°23'至26°22'，市中心位于北纬25°02'11，东经102°42'31。昆明属北纬低纬度亚热带-高原山地季风气候，由于受印度洋西南暖湿气流的影响，日照长、霜期短、年平均气温15℃。气候温和，夏无酷暑，冬无严寒，四季如春，气候宜人，年降水量1035毫米，具有典型的温带气候特点，城区温度在0—29℃之间，年温差为全国最小，这样的气候特征在全球少有，因此，昆明素以“春城”而享誉中外。图3为昆明地区气候详细数据。图3气象软件retscreen截图3.2家用电器功耗分析为了尽量合理而准确的设计，我们在这里分析计算了一般家庭使用的用电器功耗，见表1，以及在各月使用情况，见表2。表1家庭用电器功耗表（w）-5-名称数量标称功率（w）节能灯×520w彩色电视机100w电风扇×240w电冰箱120w电饭锅300w洗衣机230w微波炉500w抽油烟机185w电热壶400w电脑180w空调1600w表2各电器每月日均使用时间（h）及日均总功耗（kwh）节能灯彩色电视机电风扇电冰箱电饭锅洗衣机微波炉抽油烟机电热杯电脑空调日均耗能一月760810.30.51150.24.744二月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5.0003.3蓄电池部分设计首先确定系统直流电压，确定的原则是：1依据国家电压标准即12V、24V、48V……，2要尽量提高电压，减少线路损失。3最好不要超过300v,以便于选取设备。综合考虑风光互补发电系统专用控制逆变器额定电压大多为48V，所以这里我们选取48V为系统直流电压。电器日均使用时间月份-6-蓄电池容量Bc=110CAQNTCV........................................(1)式中A—安全系数，取值为1.1～1.4;Q1—日耗电量T0—温度系数，一般在0℃以上取1，-10℃～0℃取1.1，-10℃以下取1.2Cc—放电深度,据图4分析，由于当地气温一直在零度以上，所以这里我们取稍高值0.8N1—自给天数，这里取3天V—工作电压，取220v图4Cc-T关系图所以Cc=1.4500031=546.8750.848Ah我们取型号为GFM-300，单个标准电压为2v,容量300Ah(10h)蓄电池串联数=48v÷2＝24(块)并联数=546.875÷300≈2（块）-7-3.4光伏发电部分设计3.4.1首先确定光伏发电部分负载功耗用电器日平均能耗为5kwh,考虑到当地风能和太阳能资源的综合情况，我们将光伏和风机的电能贡献比定为7：3，所以风光互补发电系统中由太阳能发的电能为5kwh×70%=3.5kwh确定最佳倾角这里我们将借助一款光伏系统设计软件PVSYST来计算最佳倾角，见图5，我们可以清楚的知道最佳倾角为25°图5PVSYST软件最佳倾角计算截图3.4.2斜面辐射量及峰值日照时数Klien和theilacker提出的倾斜面上月平均太阳辐照量的计算方法是：+1122dHRDCOSCOSH.......................(2)R—倾斜面上月平均太阳辐照量与水平面上月平均太阳辐照量的比值；D—水平面上月平均散射辐照量；dH—水平面上月平均总辐照量；—方阵倾角；—地面反射率，一般情况下取0.2由于此方法计算过于复杂，这里我们采用软件辅助计算的方法我们通过查询RETSCREEN这款软件来查看倾斜面上的太阳辐射值图6是软件计算结果-8-图6RETSCREEN软件截图所以年平均峰值日照时数为4.44h3.4.3确定光伏阵列这里我们先择峰值功率为100W峰值电压17.2V峰值电流5.81A光伏组件串联数SN=1.43工作电压（蓄电池电压）（系数）组件峰值电压....(3)SN=481.43417.2（块）光伏组件并联数Np=112ZQCVHAηη.....................（4）式中ZC—20年内太阳能组件衰降、方阵组合损失、尘埃遮挡等综合系数，取1.021η—逆变器效率取0.92η—充电效率取0.8Q1—日耗电量V—工作电压H—峰值日照时数-9-A—组件峰值电流所以光伏组件并联数SN35001.02=4484.445.810.90.8块光伏组件实际功率数=4×4×100=1600W3.4.4太阳能电池方阵前后间距的计算根据图7，我们可以清楚计算出方阵前后间距。图7方阵间距示意图L=H/tanα(5)α=arcsin(sinφsinδ+cosφcosδcosω)...................(6)β=arcisn(cosδsinω/cosα).............................(7)首先计算冬至上午九点太阳高度角和太阳方位角。冬至时的赤纬角δ是-23.45°，上午九点的角ω是45°，于是有：α=arcsin(0.648cosφ-0.399sinφ)β=arcisn(0.917×0.707/cosα)这样我们就可以知道：D=Lcosβ=Hcosβ/tanα...................................(8)此例中我们选用的太阳能组件尺寸为长：1480mm宽：665mm将本例中各个数据代入公式,计算结果为α=24.75°β=45.55°D=1090mm3.4.5太阳能日均发电量影响太阳能电池组件发电能力的因素很多，如温度、日照强度、阴影、晶体-10-结构及负载阻抗等诸多因素。为计算简便，可彩用下述简易方式进行估算12345PPQWT.............................(9)Q—太阳能日均发电量(kwh)1—灰尘遮蔽损失（0.93）2—输配电损失（0.98）3—逆变器损失4—温度损失因子（0.95）5—充放电损失PW—太阳电池组件峰值功率（kw）PT—当地峰值日照时数风力发电部分设计1由风力发电部分分担的用电功耗为5kwh×30%=1.5kwh对于小型风发电机，通常可用式（1）来确定各月的发电量：12()miHEEEvvv≤＜..................................(10)31=p/()NiiHimHEPhvvvvv:=........................(11)2()NiiHTEPhvvv:=..................................(12)E—当月发电量；1E2E—风力发电机在不同风速段的发电量；iv—当时风速；mv—风力发电机启动风速；Hv—风力发电机额定风速；Tv—风力发电机停机风速；NP—风力发电机额定功率；ih—该月中与iv相对应的小时数.-11-按照当地气象台提供的近几年的风速实测数据，统计得到风速情况，由于大部分时间当地的网速值都在2m/s左右，低于水平风力机的3m/s的启动风速，所以我们选取风力发电机起动风速为2m/s，额定风速为8m/s的垂直风力发电机，由此可以算出昆明