家用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)

1、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)1.1風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能，然而通過控制器對(duì)蓄電池充電，最后通過逆變器對(duì)負(fù)載供電。該系統(tǒng)具有日發(fā)電量較高，系統(tǒng)造價(jià)較低，運(yùn)行維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)可靠性低，常規(guī)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)風(fēng)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(duì)蓄電池充電，最后通過逆變器對(duì)負(fù)載供電。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)供電可靠性高、資源條件好、運(yùn)行維護(hù)成本低，缺點(diǎn)是系統(tǒng)造價(jià)高。發(fā)電與用電負(fù)荷的不平衡性是風(fēng)電和光電系統(tǒng)共同存在的一個(gè)缺陷，它是由資源的不確定性造成的。風(fēng)電和光電系統(tǒng)發(fā)出電能后都必須通過蓄電池儲(chǔ)能才能穩(wěn)定供電，但是每天的發(fā)電量受陽光、風(fēng)力的影響很大，陽光、風(fēng)力較弱會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的蓄電池組長(zhǎng)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(fēng)電和光電獨(dú)立系統(tǒng)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)彌補(bǔ)了風(fēng)電和光電獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)在資源上的缺陷，利用太陽能和風(fēng)能的互補(bǔ)性，提供較穩(wěn)定的電能；（2）在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)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(jià)；（3）整個(gè)系統(tǒng)是兩種發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行互補(bǔ)運(yùn)行，因此，在保證同等供電的情況下，可大大減少儲(chǔ)能裝置的容量；

（4）風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需要合理配置系統(tǒng)容量，在不影響供電可靠性的情況下減少系統(tǒng)造價(jià)；（5）風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以根據(jù)用戶所在地的季節(jié)及天氣變化情況優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，在滿足用戶要求的情況下節(jié)約資源。1.2適合風(fēng)光互補(bǔ)地區(qū)分析太陽能和風(fēng)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(guó)太陽能風(fēng)能分部情況。圖1風(fēng)能太陽能分部圖圖1風(fēng)能太陽能分部圖風(fēng)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(duì)太陽光照的吸熱系數(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(duì)流而產(chǎn)生風(fēng)能。因此，太陽能與風(fēng)能在時(shí)間上和地域上都有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。白天太陽光最強(qiáng)時(shí)，風(fēng)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(fēng)能加強(qiáng)。在夏季，太陽光強(qiáng)度大而風(fēng)小，冬季，太陽光強(qiáng)度弱而風(fēng)大。太陽能和風(fēng)能在時(shí)間上的互補(bǔ)性使風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是資源條件最好的獨(dú)立電源系統(tǒng)。綜合考慮寧夏北部、甘肅北部、新疆東部、青海西部和西藏西部等地最適合風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電，河北西北部、山西北部、內(nèi)蒙古南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部和新疆南部等地次之。雖然東南沿海最適合風(fēng)力發(fā)電，但臺(tái)風(fēng)的破壞性太大，有可能一次性將風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電設(shè)備摧毀，因而根據(jù)實(shí)際地點(diǎn)考慮是否安裝風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置。2、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽能光伏電池組、控制器、蓄電池、逆變器、交流直流負(fù)載等部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖2。該系統(tǒng)是集風(fēng)能、太陽能及蓄電池等多種能源發(fā)電技術(shù)及系統(tǒng)智能控制技術(shù)為一體的復(fù)合可再生能源發(fā)電系統(tǒng)。岡力發(fā)電機(jī)WindTurbine爺電板WAnjy(Optienali帝電池閔Loads岡力發(fā)電機(jī)WindTurbine爺電板WAnjy(Optienali帝電池閔Loads圖2風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)⑴風(fēng)力發(fā)電部分是利用風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，再通過控制器對(duì)蓄電池充電，經(jīng)過逆變器對(duì)負(fù)載供電；(2)光伏發(fā)電部分利用太陽能電池板的光伏效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能，然后對(duì)蓄電池充電，通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電；⑶逆變系統(tǒng)由幾臺(tái)逆變器組成，把蓄電池中的直流電變成標(biāo)準(zhǔn)的220v交流電，保證交流電負(fù)載設(shè)備的正常使用。同時(shí)還具有自動(dòng)穩(wěn)壓功能，可改善風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量；控制部分根據(jù)日照強(qiáng)度、風(fēng)力大小及負(fù)載的變化，不斷對(duì)蓄電池組的工作狀態(tài)進(jìn)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(fù)載。另一方面把多余的電能送往蓄電池組存儲(chǔ)。發(fā)電量不能滿足負(fù)載需要時(shí)，控制器把蓄電池的電能送往負(fù)載，保證了整個(gè)系統(tǒng)工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性；蓄電池部分由多塊蓄電池組成，在系統(tǒng)中同時(shí)起到能量調(diào)節(jié)和平衡負(fù)載兩大作用。它將風(fēng)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(xué)能儲(chǔ)存起來，以備供電不足時(shí)使用。3、離網(wǎng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及配制方案風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)，從風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能電池組件及儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的配置都有一個(gè)最佳配置設(shè)計(jì)問題，需要結(jié)合風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能電池組件安裝地點(diǎn)的自然資源條件來進(jìn)行系統(tǒng)最佳容量配置的設(shè)計(jì)，本例將以云南昆明作為設(shè)計(jì)地點(diǎn)。3.1選定地區(qū)的氣候分析昆明位于東經(jīng)102°10'至103°40'，北緯24°23'至26°22'，市中心位于北緯25°02'11"，東經(jīng)102°42'31"。昆明屬北緯低緯度亞熱帶-高原山地季風(fēng)氣候，由于受印度洋西南暖濕氣流的影響，日照長(zhǎng)、霜期短、年平均氣溫15°C。氣候溫和，夏無酷暑，冬無嚴(yán)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(diǎn)，城區(qū)溫度在0—29C之間，年溫差為全國(guó)最小，這樣的氣候特征在全球少有，因此，昆明素以“春城”而享譽(yù)中外。圖3為昆明地區(qū)氣候詳細(xì)數(shù)據(jù)。

國(guó)家地區(qū)中國(guó)吿.■?-|Yunnan豈愜歡據(jù)地點(diǎn)■■訃250W2~1,892宀JI1國(guó)家地區(qū)中國(guó)吿.■?-|Yunnan豈愜歡據(jù)地點(diǎn)■■訃250W2~1,892宀JI1；："?：.--占攝氏序.:心1-；十5：.廿區(qū)氏J5261：.■■>=!丄地溫度握嫡岳氏血170NASA「:戰(zhàn)&+J-I,:敘廳密月的系曖

度日數(shù)65.1%50.6%549%343%656%1%8D8%7G4%4%4%742%8%3.704.4150§56249E43B04233S0323347336干怕氷秒攝氏度S0.1Z56.9￡0.02.SQ.279g1J4T9919T798215797219TG62D2167G81B21280119196SOS14580410980376I_I—攝氏度日對(duì)2S219612113DD00圖3氣象軟件retscreen截圖3.2家用電器功耗分析為了盡量合理而準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)，我們?cè)谶@里分析計(jì)算了一般家庭使用的用電器功耗，見表1,以及在各月使用情況，見表2。表］家庭用電器功耗表（w）名稱數(shù)量標(biāo)稱功率（w）節(jié)能燈x520w彩色電視機(jī)100w電風(fēng)扇x240w

電冰箱120w電飯鍋300w洗衣機(jī)230w微波爐500w抽油煙機(jī)185w電熱壺400w電腦180w空調(diào)1600w表2各電器每月曰均使用時(shí)間（h）及日均總功耗（kwh）日八電使\、用\器\時(shí)\月\間\份7^節(jié)能燈彩色電視機(jī)電風(fēng)扇電冰箱電飯鍋洗衣機(jī)微波爐抽油煙機(jī)電熱杯電腦空調(diào)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662150.24.980六月5641650.25.520七月5661650.25.680八月5651650.25.600九月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蓄電池部分設(shè)計(jì)首先確定系統(tǒng)直流電壓，角定的原則是：1依據(jù)國(guó)家電壓標(biāo)準(zhǔn)即12V、24V、48V2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(shè)備。綜合考慮風(fēng)光互補(bǔ)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(1)AxQxNxT(1)Bc=110cCxVC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°C以上取1,-10°C~0°C取1.1,-10°C以下取1.2Cc—放電深度,據(jù)圖4分析,由于當(dāng)?shù)貧鉁匾恢痹诹愣纫陨?所以這里我們?nèi)∩愿咧?.8N1—自給天數(shù)，這里取3天V一工作電壓，取220v///806040200-60-40?20蓄電池最低溫度（°C）圖4Cc-T關(guān)系圖所以Cc=斗甘=5心Ah我們?nèi)⌒吞?hào)為GFM-300，單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓為2v,容量300Ah（10h）蓄電池串聯(lián)數(shù)=48x2=24（塊）并聯(lián)數(shù)=546.875三300~2（塊）3.4光伏發(fā)電部分設(shè)計(jì)3.4.1首先確定光伏發(fā)電部分負(fù)載功耗

用電器日平均能耗為5kwh,考慮到當(dāng)?shù)仫L(fēng)能和太陽能資源的綜合情況，我們將光伏和風(fēng)機(jī)的電能貢獻(xiàn)比定為7:3,所以風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中由太陽能發(fā)的電能為5kwhx70%=3.5kwh確定最佳傾角這里我們將借助一款光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件PVSYST來計(jì)算最佳傾角，見圖5,我們可以清楚的知道最佳傾角為25°翻OrientaLiui^Vuridiiit"NewsitiiulatitMivaridiir1FieldPatamaters已qAzimuihAzimuthodegSouthFiEIHtype|FixedTikedPlaneFieldPatamaters已qAzimuihAzimuthodegSouth圖5PVSYST軟件最佳傾角計(jì)算截圖3.4.2斜面輻射量及峰值日照時(shí)數(shù)Klien和theilacker提出的傾斜面上月平均太陽輻照量的計(jì)算方法是:R二D+Hd(1+COSP)+-(1-COSp)(2)2H2R—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;D—水平面上月平均散射輻照量；兀一水平面上月平均總輻照量；dp—方陣傾角；p一地面反射率，一般情況下取0.2(4)(4)由于此方法計(jì)算過于復(fù)雜，這里我們采用軟件輔助計(jì)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(jì)算結(jié)果250□.D毎日的太陽福射?傾每日05丈陽輻射■水平線斜的度f平方來｛日圉平方樹日37C4.724415.195.095.475.625.554.9B4.654.013.9436B4.234.DS3S03S73233.&23.474.2&3364.3I54.1S4.44月月月月月月月月月月月月月數(shù)一二三四五亠八七A九十二均十十平年圖6RETSCREEN軟件截圖所以年平均峰值日照時(shí)數(shù)為4.44h3.4.3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)ns=工作電壓監(jiān)池值壓壓1.43（系數(shù)）n=48r1f3S17.2光伏組件并聯(lián)數(shù)N光伏組件并聯(lián)數(shù)Np二QxC十ZVxhxnxnxa12式中C—20年內(nèi)太陽能組件衰降、方陣組合損失、塵埃遮擋等綜合系數(shù)，Z取1.02n—逆變器效率取0.91n—充電效率取0.82Q1—日耗電量V—工作電壓H—峰值日照時(shí)數(shù)A—組件峰值電流所以光伏組件并聯(lián)數(shù)N=35°°J02沁4（塊）S48x4.44x5.81x0.9x0.8光伏組件實(shí)際功率數(shù)=4x4x100=1600W3.4.4太陽能電池方陣前后間距的計(jì)算根據(jù)圖7，我們可以清楚計(jì)算出方陣前后間距。地面上的技影圖7方陣間距示意圖L=H/tana(5)a二arcsin(sin甲sin6+cos甲cos6cos3)(6)P=arcisn(cosSsinw/cosa)(7)首先計(jì)算冬至上午九點(diǎn)太陽高度角和太陽方位角。冬至?xí)r的赤緯角6是-23.45。，上午九點(diǎn)的角3是45°,于是有：a二arcsin(0.648cos甲-0.399sin甲)P二arcisn(0.917x0.707/cosa)這樣我們就可以知道：D二Lcosp二Hcosp/tana(8)此例中我們選用的太陽能組件尺寸為長(zhǎng)：1480mm寬：665mm將本例中各個(gè)數(shù)據(jù)代入公式,計(jì)算結(jié)果為a=24.75°p=45.55°D=1090mm3.4.5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(qiáng)度、陰影、晶體結(jié)構(gòu)及負(fù)載阻抗等諸多因素。為計(jì)算簡(jiǎn)便，可彩用下述簡(jiǎn)易方式進(jìn)行估算Q二耳xqxqxqxqxWxT(9)12345PPQ—太陽能日均發(fā)電量(kwh)q—灰塵遮蔽損失(0.93)1q—輸配電損失(0.98)2n—逆變器損失3n—溫度損失因子(0.95)4n—充放電損失5w一太陽電池組件峰值功率(kw)PT—當(dāng)?shù)胤逯等照諘r(shí)數(shù)P風(fēng)力發(fā)電部分設(shè)計(jì)1由風(fēng)力發(fā)電部分分擔(dān)的用電功耗為5kwhx30%=1.5kwh對(duì)于小型風(fēng)發(fā)電機(jī)，通常可用式(1)來確定各月的發(fā)電量：TOC\o"1-5"\h\zE=E+E(vWv<v)(10)12miHE=工「pPh(v/v)3(v二v?v)(11)E=PYh(v=v?v)(12)2NiiHTE—當(dāng)月發(fā)電量；EE—風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同風(fēng)速段的發(fā)電量；12v—當(dāng)時(shí)風(fēng)速；iv—風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速；mv—風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定風(fēng)速；Hv—風(fēng)力發(fā)電機(jī)停機(jī)風(fēng)速；TP—風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定功率；Nh—該月中與v相對(duì)應(yīng)的小時(shí)數(shù).ii按照當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)提供的近幾年的風(fēng)速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得到風(fēng)速情況，由于大部分時(shí)間當(dāng)?shù)氐木W(wǎng)速值都在2m/s左右，低于水平風(fēng)力機(jī)的3m/s的啟動(dòng)風(fēng)速，所以我們選取風(fēng)力發(fā)電機(jī)起動(dòng)風(fēng)速為2m/s，額定風(fēng)速為8m/s的垂直風(fēng)力發(fā)電

機(jī)，由此可以算出昆明地區(qū)1kw風(fēng)力發(fā)電機(jī)的各月發(fā)電量，見表3表3昆明地區(qū)1kw風(fēng)力發(fā)電機(jī)的各月發(fā)電量/kwh月份發(fā)電量月份發(fā)電量162.77289.123106.01497.36550.80628.64月份發(fā)電量722.74822.74918.991017.811134.041230.16從風(fēng)機(jī)發(fā)電量的公式可以看出，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率與風(fēng)速的三次方成正比，也就是說，當(dāng)風(fēng)速值有較小的變化時(shí)，輸出的功率將產(chǎn)生較大的變化，所以，選擇風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)速與當(dāng)?shù)仫L(fēng)能資源達(dá)到最大匹配，可以提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的能量輸出，根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果，可考慮選用2臺(tái)500w風(fēng)力機(jī)聯(lián)網(wǎng)發(fā)電。4、系統(tǒng)可靠性分析及最終方案表4各月份充放電情況風(fēng)能發(fā)電光伏發(fā)電負(fù)載消耗差值一月62.77163.15142.3283.60二月89.12179.48142.32126.28三月106.01189.08139.92155.17四月97.36191.81150.72138.45

五月50.8160.84149.462.24六月28.64138.67165.61.71七月22.74127.04170.4-20.62八月22.74140.90168-4.36九月18.99133.88147.725.15十月17.81121.67142.02-2.54十一月34.04146.95139.3241.67十二月30.16150.58142.3238.42根據(jù)上表4我們可以得出，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在二、三、四月份發(fā)電量遠(yuǎn)高于負(fù)載耗電量，造成一定的浪費(fèi)，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%的最大放電深度，此時(shí)有三種方案解決此問題：1繼續(xù)增加風(fēng)機(jī)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(huì)大大增加，而且會(huì)使得二、三、四月份浪費(fèi)電能更加嚴(yán)重，2重新設(shè)計(jì)傾角，使得夏季輸出電能達(dá)到最大值。如果采用這種方法，又會(huì)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(huì)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(hào)改為GFM-400(10h)，單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(fù)載消耗差值開始(kwh)終了(kwh)%全充一月225.92142.