第一届节能减排大赛

1离网型风光互补发电系统设计说明书设计者：龚航、程寅、孙楠、弓雯静、严学勇、钟智、余泓实指导教师：周步祥学校名称：四川大学所在学院：电气信息学院学校所在地：四川省成都市邮编：610065摘要：随着能源危机和环境恶化日益加剧，人们越来越关注环境保护和新能源技术的发展。风力发电和太阳能发电是所有可再生能源中最有前景的，它们具有零污染、低辐射、永不枯竭等诸多不可取代的优点。近年来，世界各国都加大对风能和太阳能产业的投入。随着成本的进一步降低，产业技术的升级以及政府财政与政策的支持，风光互补智能系统作为一种灵活、稳定的能源供给系统，将是新能源利用研究与应用的热点。关键词:风光互补发电、能源、promodel仿真作品内容简介离网风光互补发电系统主要由太阳能电池组件、风力发电机、控制器、蓄电池、逆变器、支架以及其它保护电气元件组成。离网运行的风光互补发电系统，太阳能光伏组件和风力发电机将分别在有光照和有风的情况下输出电能，弥补了单独风力发电或光伏发电在某些情况下无法输出电能的不足。系统所产生的电能可通过控制器直接供给直流负载或逆变后供给交流负载使用，多余电能将储存于蓄电池中供负载在无光无风的条件下使用。在远离电网的地区，独立供电系统就成为人们最需要的电源。部队的边防哨所、邮电通讯的中继站、公路和铁路的信号站、地质勘探和野外考察的工作站、偏远地区的农牧民都需要低成本、高可靠性的独立电源系统，而这些地方要解决长期稳定可靠的供电问题，就可以依赖当地的自然能源，太阳能和风能是普遍的自然资源，也是取之不尽的可再生能源。而且太阳能和风能在时间上和地域上都有很强的互补性。白天太阳光强时，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在这些情况下，风光互补发电系统无疑是资源条件最好的独立电源系统。1、作品背景什么是能源？能源就是向自然界提供能量转化的物质（矿物质能源，核物理能源，大气环流能源，地理性能源）。能源是人类活动的物质基础。在某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。在当今世界，能源的发展，能源和环境，是全世界、全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展的重要问题。2国际能源机构（IEA）发布的《2009世界能源展望》报告认为2007年到2030年，全球一次能源需求量会以每年1.5%的速度增长，从120亿吨油当量增长到168亿吨油当量，总体增幅达40%，发展中的亚洲国家是这一需求增长的主要驱动因素，其次是中东国家。该展望中还就2030年“各国不改变现行减排政策情况下”的参考情景与“将大气中温室气体长期浓度控制在450ppm二氧化碳当量”的450情景作了对比。图1参考情景与450情景下的二氧化碳排放量预测450情景提出了比各国减排目标更高的二氧化碳减排量，目标定为将“参考情景”中预测2020年34.5亿吨二氧化碳排放量骤减至3.8亿吨，即减排30.7亿吨。为了实现这一目标，不仅仅发达国家，发展中国家也被要求采取相应的措施。同时，普遍认为在各种减排对策中，节能贡献率最大，而可再生能源与CCS（二氧化碳封存与捕获应用）等，在2020年普及之后也会起到很大的作用。3由于世界能源的紧张现状，我国政府高度重视可再生能源的研究与开发。国家经贸委制定了新能源和可再生能源产业发展的“十五”规划，并制定颁布了《中华人民共和国可再生能源法》，重点发展太阳能光热利用、风力发电、生物质能高效利用和地热能的利用。近年来在国家的大力扶持下，我国在风力发电、海洋能潮汐发电以及太阳能利用等领域已经取得了很大的进展。随着能源危机日益临近，新能源已经成为今后世界上的主要能源之一。太阳能和风力发电已经逐渐走入我们寻常的生活。我国幅员辽阔，陆疆总长达2万多公里，还有18000多公里的海岸线，边缘海中有岛屿5000多个，风能资源丰富。我国现有风电场场址的年平均风速均达到6米/秒以上。一般认为，可将风电场风况分为3类：年平均风速6米/秒以上时为较好；7米/秒以上为好；8米/秒以上为很好。可按风速频率曲线和机组功率曲线，估算国际标准大气状态下该机组的年发电量。我国相当于6米/秒以上的地区，在全国范围内仅仅限于较少数几个地带。就内陆而言，大约仅占全国总面积的1/100，主要分布在长江到南澳岛之间的东南沿海及其岛屿，这些地区是我国最大的风能资源区以及风能资源丰富区，包括山东、辽东半岛、黄海之滨，南澳岛以西的南海沿海、海南岛和南海诸岛，内蒙古从阴山山脉以北到大兴安岭以北，新疆达坂城，阿拉山口，河西走廊，松花江下游，张家口北部等地区以及分布各地的高山山口和山顶。根据全国气象台部分风能资料的统计和计算，中国风能分区及占全国面积的百分比见表2。表2中国风能分区及占全国面积的百分比指标丰富区较丰富区可利用区贫乏区年有效风能密度（W/m2）200200-150150-50504年≥3m/s累计小时数（h）50005000-40004000-20002000年≥6m/s累计小时数（h）22002200-15001500-350350占全国面积的百分比（％）8185024图2全国年平均风功率密度分布图（瓦/平方米）风能是目前新能源中利用较为成熟的一种，太阳能作为第二大新能源已经渐渐地得到了大家的重视，在我国，西藏西部太阳能资源最丰富，最高达2333KWh/㎡（日辐射量6.4KWh/㎡），居世界第二位，仅次于撒哈拉大沙漠。我国的太阳能能资源分布图如下：5图3太阳能资源分布图（兆焦耳/平方米·年）就目前来说，人类直接利用太阳能和风能还处于初级阶段，它们的利用还存在一定的问题，这是由于它们的优缺点造成的。表3风能和太阳能的优缺点比较风能太阳能优点使用经验丰富，产业和基础设施发展较成熟没有地域的限制，可直接开发和利用，无限可再生资源开发利用太阳能不会污染环境项目规模灵活每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，其总量属现今世界上可以开发陆地发电成本低于海上。成本较低根据目前估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命约为几十亿年，可以说太阳的能量是用之不竭的缺点风速不稳定,产生的能量大小不稳定分散性6间歇性资源，并非所有地区都有效由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，太阳能不稳定转换效率低储能困难“尺有所短，寸有所长”结合两种能源的优点设计监理风光互补发电系统就成为了一个能源建设的技术手段。在远离电网的地区，独立供电系统就成为人们最需要的电源。部队的边防哨所、邮电通讯的中继站、公路和铁路的信号站、地质勘探和野外考察的工作站、偏远地区的农牧民都需要低成本、高可靠性的独立电源系统，而这些地方要解决长期稳定可靠的供电问题，就可以依赖当地的自然能源，太阳能和风能是普遍的自然资源，也是取之不尽的可再生能源。而且太阳能和风能在时间上和地域上都有很强的互补性。白天太阳光强时，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在这些情况下，风光互补发电系统无疑是资源条件最好的独立电源系统。2.原理介绍离网风光互补发电系统主要由太阳能电池组件、风力发电机、控制器、蓄电池、逆变器、支架以及其它保护电气元件组成。离网运行的风光互补发电系统，太阳能光伏组件和风力发电机将分别在有光照和有风的情况下输出电能，弥补了单独风力发电或光伏发电在某些情况下无法输出电能的不足。系统所产生的电能可通过控制器直接供给直流负载或逆变后供给交流负载使用，多余电能将储存于蓄电池中供负载在无光无风的条件下使用。7图4风光互补发电系统结构图表4离网风光互补发电系统配置单序号元件名称型号单位数量01光伏组件ETM572160套402风力发电装置200W/24V套103风光互补控制器SD4830台104离网逆变器SN481KS台105蓄电池GFM-500组2406支架系统热镀锌型材套18序号元件名称型号单位数量07浪涌保护器PUⅡ2/R75V/40kA台32.1太阳能发电系统太阳能发电系统主要包括：光伏组件、光伏控制器、蓄电池、逆变器等组成。其中，太阳能光伏组件和蓄电池为电源系统，光伏控制器和逆变器为控制保护系统。各部分的作用为：2.1.1光伏组件光伏组件是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。图5光伏组件工作原理92.1.2光伏控制器光伏控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。2.1.3蓄电池一般使用铅酸电池，其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的多余的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。2.1.4逆变器由于太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC，为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。图6太阳能转化图2.2风能发电系统风能发电系统主要包括：风力发电机、风机控制器、蓄电池、逆变器等组成。其中，风力发电装置和蓄电池为电源系统，风机控制器和逆变器为控制保护系统。各部分的作用为：2.2.1风力发电机将风的动能转换为电能，常用的风力发电机按风机轴向不同可分为水平轴风机和垂直轴风机。水平轴风机很早就被应用，是迄今应用风能最广泛的形式，因技术成熟、单位发电量10成本较低，我们使用水平轴风机。2.2.2风机控制器控制整个风能发电系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。2.2.3蓄电池其作用是将风机所发的多余电能储存起来，到需要的时候再释放出来。2.2.4逆变器将直流电转换成交流电供交流负荷使用。图7风能发电系统结构11产品的工艺流程表5光伏组件技术参数（1）标准测试条件下的输出特性峰值功率（Pmax）160W最大功率点电压（Vmpp）35.62V最大功率点电流（lmpp）4.49A开路电压（Voc）43.9V短路电流（lsc）5.07A标准测试条件：照度1000W/m2温度250C(2)温度特性前期原料进场支架系统的制作太阳能组件的安装太阳能电池组件和风力发电装置电气连接走线线路的整体安装及检测整体运行的检测电气柜的安装及布线12NOCT44.4±20CTKlsc+0.09%/0CTKVoc-0.34%/0CTKPm-0.37%/0C表6风力发电机组技术参数型号TZW-200额定功率（W）200额定电压（V）24风轮直径（m）1.2启动风速（m/s）1.5额定风速（m/s）5安全风速（m/s）25额定转速（r/m）200叶片材质玻璃钢叶片数量32.3.风光互补控制器(1)、控制器与风力发电充电电路应符合JB/T6939.1的要求。(2)、控制器与光伏发电充电电路应满足以下技术要求光伏充电电路可承受的最大电压为太阳电池组件额定电压的1.5倍;光伏充电电路可承受的最大电流为太阳电池组件短路电流的1.5倍;光伏充电电路电压降≤1.2V;应有防止组件反接的电路保护;应具有防止蓄电池通过太阳电池组件反向放电的保护功能表7风光互补控制器技术参数型号SD4830额定电压（V）DC48而定电流（A）30最大光伏组件功率（kWp）1.44光伏阵列输入控制路数1每路光伏阵列最大电流（A）3013蓄电池过放保护点（可设置V）43.2蓄电池过放恢复点（可设置V）49.2蓄电池过充保护点（可设置V）57.6负载过压保护点（可设置V）70负载过压恢复点（可设置V）60空载电流（mA）100电压降落光伏阵列与蓄电池（V）0.3蓄电池与负载（V）0.1温度补偿系数（mv/0C）0~5（可设置）使用环境温度（0C）-20~+50使用海拔高度