風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)-

1、風(fēng)能和太陽(yáng)能都具有能量密度低、穩(wěn)定性差的弱點(diǎn),并受到地理分布、季節(jié)變化、晝夜交替等影響.然而太陽(yáng)能與風(fēng)能在時(shí)間上和地域上一般都有一定的互補(bǔ)性,白天太陽(yáng)光最強(qiáng)時(shí),風(fēng)較小,晚上太陽(yáng)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(yáng)光強(qiáng)度大而風(fēng)小;冬季,太陽(yáng)光強(qiáng)度小而風(fēng)大。太陽(yáng)能發(fā)電穩(wěn)定可靠,但目前成本較高,而風(fēng)力發(fā)電成本較低,隨機(jī)性大,供電可靠性差。若將兩者結(jié)合起來,可實(shí)現(xiàn)晝夜發(fā)電.在合適的氣象資源條件下,風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)能提高系統(tǒng)供電的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性,在很多地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用.如圖5.1為某地10月份某日典型的太陽(yáng)能和風(fēng)資源分布,因此采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng),可以彌補(bǔ)風(fēng)能和太陽(yáng)

2、能間歇性的缺陷。 圖5.1 某地10月份典型日太陽(yáng)能和風(fēng)能資源分布圖風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的優(yōu)勢(shì):(1利用風(fēng)能和太陽(yáng)能的互補(bǔ)性,彌補(bǔ)了獨(dú)立風(fēng)電和獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的不足,可以獲得比較穩(wěn)定的和可靠性高的電源。(2充分利用土地資源。(3保證同樣供電的情況下,可大大減少儲(chǔ)能蓄電池的容量。(4對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和匹配,可以基本上基本上由風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)供電,獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。(5大大提高經(jīng)濟(jì)效益。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要組成部分(1發(fā)電部分:由一臺(tái)或者幾臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池陣列構(gòu)成風(fēng)電、光電發(fā)電部分,發(fā)電部分輸出的電能通過充電控制器與直流中心完成蓄電池組自動(dòng)充電工作。(2蓄電部分:蓄電部分主要作用是將風(fēng)電或光

3、電儲(chǔ)存起來,穩(wěn)定的向電器供電。蓄電池組在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中起到能量調(diào)節(jié)和平衡負(fù)載兩大作用。(3控制及直流中心部分:控制及直流中心部分由風(fēng)能和太陽(yáng)能充電控制器、直流中心、控制柜、避雷器等組成,完成系統(tǒng)各部分的連接、組合及對(duì)蓄電池組充放電的自動(dòng)控制?？刂萍爸绷髦行木唧w構(gòu)成參數(shù)由最大用電負(fù)荷與日平均用電量決定。(4供電部分:供電部分不可缺少的部分是逆變器,逆變器把蓄電池儲(chǔ)存的直流電轉(zhuǎn)換為交流電,保證交流負(fù)載的正常使用。同時(shí),還有穩(wěn)壓功能,以改善風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的供電質(zhì)量。 圖5.2風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)完善的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)需要考慮 多種因素.如各個(gè)地區(qū)的氣候條件,當(dāng)?shù)氐奶?yáng)輻 照量情況,太陽(yáng)能方陣及

4、風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的選用, 作為儲(chǔ)能裝置蓄電池的特性等.因此,必須選擇建 立一些先進(jìn)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行多種計(jì)算,確定合理 的太陽(yáng)能電池方陣和風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量,使系統(tǒng)設(shè) 計(jì)最優(yōu)化.數(shù)學(xué)模型計(jì)算1.蓄電池容量計(jì)算蓄電池的容量 C 通常按照保證連續(xù)供電的 天數(shù)來計(jì)算:outmax d D0C U W n C =式中:n 蓄電池連續(xù)供電的天數(shù) (根據(jù)當(dāng)?shù)靥?陽(yáng)能和風(fēng)能的氣象數(shù)據(jù)確定,一般為 25 d ;d W 為日耗電量,kWh ;U 系統(tǒng)工作電壓,一般為 24 V 或 12 V ;max DOC 蓄電池最大放電深度, 一般取 40%;out 由蓄電池到負(fù)載的放電回路效率,包 括蓄電池的放電效率、 控制器的效率

5、及線路損耗 等,一般 out 為 95%98%。2 . 不同地點(diǎn)和不同高度的風(fēng)速計(jì)風(fēng)速隨高度的變化情況,地面的平坦度、地表 粗糙度,以及風(fēng)通道上的氣溫變化情況的不同而 有所差異¨。風(fēng)速隨高度而變化的經(jīng)驗(yàn)公式很 多,通常采用指數(shù)公式,即 =11h h 式中:距地面高度為h 處的風(fēng)速,m /s ;1高度為hl 處的風(fēng)速,m /s ; 風(fēng)切變指數(shù),它取決于大氣穩(wěn)定度和 地面粗糙度,其值約為1/21/8.對(duì) 于地面境界層,風(fēng)速隨高度的變化則 主要取決于地面粗糙度,這時(shí)一般取 地面粗糙度作為風(fēng)切變指數(shù).3. 風(fēng)力發(fā)電量的計(jì)算對(duì)于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī), 日發(fā)電量計(jì)算公式如下:21E E E += (/

6、i m (=H i i N 1/h P E (H m i /=i N 2h P E (/H i 式中:E 當(dāng)月發(fā)電量,kWh ;21E E ,風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同風(fēng)速段的發(fā) 電量,kWh ;i 當(dāng)時(shí)風(fēng)速,m/s ;m 風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速,m/s ;H 風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定風(fēng)速,m/s ;T 風(fēng)力發(fā)電機(jī)停機(jī)風(fēng)速,m/s ;N P 風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定功率,kW ;i h 該月中與i 相對(duì)應(yīng)的小時(shí)數(shù);選擇風(fēng)機(jī)容量應(yīng)是負(fù)載需求的 23 倍,最后 用上式來計(jì)算風(fēng)機(jī)的日發(fā)電量。4. 太陽(yáng)電池組件容量太陽(yáng)能電池所發(fā)電量應(yīng)為負(fù)載所需總電量與 風(fēng)機(jī)所發(fā)電量的差, 并且以太陽(yáng)能的發(fā)電量來確 定太陽(yáng)能電池板的容量。 太陽(yáng)能電池板

7、每月發(fā)容量的數(shù)學(xué)公式:3.6AF F F F F H E 0s p ti m Ti si =式中:si E 太陽(yáng)電池組合板第i 月發(fā)出的電能, kWh ;Ti H 組合板平面第 i 月單位面積上接受 的輻射量,MJ/m2;m 組件的轉(zhuǎn)換效率,通常為 8%16%;ti F 第 i 月組件轉(zhuǎn)換效率的溫度修正因 子;p F 組件的封裝因子,有效電池面積與組 件總面積之比,通常 Fp >0.8;s F 積塵因子,組件表面積塵時(shí)的發(fā)電量 與表面完全清潔時(shí)的發(fā)電量之比, 對(duì)于戶用系統(tǒng) Fs 取 1;F 組件未工作在最大功率點(diǎn)處影響組 件輸出功率的系統(tǒng)性能失配因子,一般 F=0.954.0F 由于材料

8、老化、性能下降等其它因素 影響組件輸出功率的修正因子,一般 F0 取 0.98;A 太陽(yáng)能電池板的總面積,m2。 通過計(jì)算出的太陽(yáng)電池板的總面積來確定太 陽(yáng)能電池板的容量。風(fēng)光互補(bǔ)控制器風(fēng)光互補(bǔ)控制器是專門為風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的;集風(fēng)能控制、太陽(yáng)能于一體的智能型控制器。充分利用風(fēng)能和光能資源發(fā)電,可減少采用單一能源可能造成的電力供應(yīng)不足或不平衡的情況。設(shè)備不僅能夠高效率地轉(zhuǎn)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池板所發(fā)出的電能對(duì)蓄電池進(jìn)行充電,而且還提供了強(qiáng)大的控制功能。為了更直觀地遠(yuǎn)程觀察,控制器外殼上除裝有風(fēng)力發(fā)電機(jī)充,放電,太陽(yáng)能充,放電指示燈外,還裝有液晶顯示屏,能直接觀察到蓄電池充,放電全過程

9、。控制器內(nèi)部裝有過載保護(hù)和超速保護(hù),使風(fēng)力發(fā)電機(jī)更安全可靠?？刂破鬟€具有光控、聲控、溫度補(bǔ)償及防雷、反極性保護(hù)等功能。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)按是否并入公共電網(wǎng)系統(tǒng)可以分為并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一般100W到100kW。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可達(dá)數(shù)千瓦至兆瓦。離網(wǎng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽(yáng)能電池方陣、風(fēng)力發(fā)電機(jī)(將交流電轉(zhuǎn)化為直流電將發(fā)出的電能存儲(chǔ)到蓄電池組中,當(dāng)用戶需要用電時(shí),通過輸電線路送到用戶負(fù)載處。是風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)電池方陣兩種發(fā)電設(shè)備共同發(fā)電。 圖5-3 離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法:(1功率匹配法: 在不同的太陽(yáng)輻射和風(fēng)速下對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能電池陣列的功率和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率之

10、和大于負(fù)載功率,主要用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化控制。(2能量匹配法: 在不同的太陽(yáng)輻射和風(fēng)速下對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能電池陣列的發(fā)電量和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電量之和大于負(fù)載耗電量,主要用于系統(tǒng)功率設(shè)計(jì)。電量與用電量的匹配設(shè)計(jì)離網(wǎng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能首先經(jīng)過蓄電池儲(chǔ)存起來,然后再由蓄電池向電器供電。所以,必須認(rèn)真科學(xué)地考慮,風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率,太陽(yáng)能電池組件功率與蓄電池容量匹配和靜風(fēng)期儲(chǔ)能等問題。目前,離網(wǎng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率與蓄電池容量一般都是按照輸入和輸出相等,或輸入大于輸出的原則二進(jìn)行匹配的。(1設(shè)備日用電量計(jì)算Qi=Pi*Ti式中:Qi 日用電量; Pi 設(shè)備額定功率; Ti 日用電小時(shí)數(shù)。(2系統(tǒng)總用電

11、量估算Qm=(P1+P2+.+Pi*Ni*Ti式中:Qm系統(tǒng)負(fù)荷最大日用電量(kW*h;Pi 每種相同設(shè)備的額定功率(kW;Ni 具有相同額定功率的設(shè)備的數(shù)量; Ti 該類設(shè)備的日平均使用時(shí)間(h; i 1,2,.n個(gè)不同類型的設(shè)備數(shù)量。(3發(fā)電能力的測(cè)算日平均發(fā)電量則是由風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池組件的發(fā)電能力及當(dāng)?shù)仫L(fēng)光資源狀況決定的。Q=Q1+Q2式中:Q1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的日平均發(fā)電量;Q2太陽(yáng)能電池組件的日平均發(fā)電量。(4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組供電能力的測(cè)算方法計(jì)算中假設(shè)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備利用率為100%。具有風(fēng)頻圖的風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率計(jì)算公式:Q=(P1+P2+.Pv*Tv式中:Q 風(fēng)力發(fā)電機(jī)在計(jì)算期間的發(fā)

12、電總量(kW*h;Pv在風(fēng)速v時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率(W;Tv場(chǎng)地風(fēng)速v的期間累計(jì)小時(shí)數(shù)(h。如果不能得到風(fēng)速頻率分布圖,則可用當(dāng)?shù)氐哪昶骄L(fēng)速進(jìn)行估算。用年平均風(fēng)速值時(shí)的發(fā)電機(jī)輸出功率值乘以年度總的小時(shí)值8760h,即:Q1=K*8760*Pv式中: Q1年發(fā)電量(kW*h;Pv 年平均風(fēng)速值時(shí)發(fā)電機(jī)組輸出功率;K修正系數(shù),取1.21.5。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),按平均風(fēng)速計(jì)算的發(fā)電量小于實(shí)際按風(fēng)速頻率分布的年發(fā)電量,因此可按一定的比例進(jìn)行適度修正(修正系數(shù)取1.21.5?？傊?風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)作為獨(dú)立的電源系統(tǒng),具有一定的合理性和可靠性,有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地區(qū),獨(dú)立供電系統(tǒng)已經(jīng)成為人們必須

13、的電源。邊防哨所、郵電通訊的中繼站、公路、漁船和鐵路信號(hào)站、地質(zhì)勘探野外的工作站以及偏遠(yuǎn)的農(nóng)牧民都需要低成本、高可靠性的獨(dú)立電源系統(tǒng);對(duì)于城市里的景觀燈、路燈等,隨著政府對(duì)節(jié)能環(huán)保的重視應(yīng)用前景也相當(dāng)廣闊。風(fēng)能和光能的互補(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。另外,風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)在蓄電池和逆變器環(huán)節(jié)上是可通用的。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)也可做成分布式,由風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、能源變換系統(tǒng)、直流母線(或交流母線及能量管理系統(tǒng)等若干子系統(tǒng)組成,風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可分為直流母線結(jié)構(gòu)及交流母線結(jié)構(gòu)。1.直流母線結(jié)構(gòu)如圖5-4所示為分布式直流母線控制方式。這種方案的主要優(yōu)點(diǎn)是:第

14、一,只需對(duì)母線電壓進(jìn)行控制,容易滿足系統(tǒng)性能要求,控制算法相對(duì)容易。第二,由于省去了子系統(tǒng)中的整流部分,因此,系統(tǒng)成本低,易于推廣。第三,采用分布式直流母線控制,系統(tǒng)容易擴(kuò)展,可以滿足用電設(shè)備和發(fā)電設(shè)備增加的要求。系統(tǒng)采用直流母線,儲(chǔ)能單元分為長(zhǎng)期儲(chǔ)能單元和短期儲(chǔ)能單元。蓄電池是長(zhǎng)期儲(chǔ)能單元的最佳選擇,而短期儲(chǔ)能單元采用開關(guān)磁阻電機(jī)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。開關(guān)磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、適合高速運(yùn)行等特點(diǎn)。利用飛輪儲(chǔ)能可以有效地補(bǔ)償由于風(fēng)速、光照變化以及負(fù)荷變化所引起的母線電壓波動(dòng),提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,降低由此而引起的蓄電池的充放電次數(shù)。對(duì)于系統(tǒng)中的交流用電負(fù)荷,采用逆變控制單位集中供電。在實(shí)際應(yīng)用中,

15、為了提高系統(tǒng)的適用性,可以非常方便地利用直流母線進(jìn)行擴(kuò)展。例如為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性,保證重要用電設(shè)備的正常運(yùn)行,可以在直流母線上加裝柴油發(fā)電機(jī)組,并通過系統(tǒng)控制部分統(tǒng)一進(jìn)行能量控制。也可以利用DC/DC變換器向直流用電設(shè)備如無(wú)整流模塊的變頻器進(jìn)行供電,可以降低系統(tǒng)成本、防止諧波污染。 5-4分布式風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)框圖2.交流母線結(jié)構(gòu)雖然直流母線控制算法簡(jiǎn)單,成本低,易擴(kuò)展,但對(duì)于獨(dú)立供電系統(tǒng)和其它任何遠(yuǎn)離公共電網(wǎng)的供電系統(tǒng)而言,重要的是系統(tǒng)能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)的擴(kuò)容。交流母線可以將各種類型的發(fā)電設(shè)備或負(fù)載都連接到同一母線系統(tǒng)上。這樣,無(wú)論增加負(fù)載,還是增加發(fā)電設(shè)備,系統(tǒng)都能夠隨意擴(kuò)容,并且

16、考慮現(xiàn)行設(shè)備的成熟性,所以本項(xiàng)目選取交流母線分布式供電系統(tǒng),交流母線分布式風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)如圖5-5所示。圖中IOKW風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)控制器、風(fēng)機(jī)逆變器組成的整體為風(fēng)機(jī)機(jī)組部分。2KW太陽(yáng)能電池輸出直流,經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電,接入AC母線。交流母線可經(jīng)開關(guān)控制接交流負(fù)載,或去電網(wǎng)。雙向逆變器可以將AC母線上的交流變成直流電向蓄電池充電,儲(chǔ)存能量,也可以將蓄電池的48V直流電接直流負(fù)載。 5-5 10kw風(fēng)機(jī)+2kw左右太陽(yáng)能組成風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)示意圖風(fēng)能和光能的互補(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。另外,風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)在蓄電池和逆變器環(huán)節(jié)上是可通用的。并網(wǎng)控制更提高了供電的可靠性

17、。并網(wǎng)控制系統(tǒng)主要有三種回路形式:工頻變壓器隔離方式、高頻變壓器隔離方式和無(wú)變壓器方式。1.工頻變壓器隔離方式這種方式是目前大功率下采用最多的結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了電壓變換和電氣隔離,所以安全性能好、可靠性高。但由于采用工頻變壓器,系統(tǒng)整體比較笨重,而且效率相對(duì)較低。其結(jié)構(gòu)如圖5-6所示。并網(wǎng)逆變器一般小型戶用風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立電源系統(tǒng)由太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng),風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、逆交變儲(chǔ)電系統(tǒng),充放電控制系統(tǒng)構(gòu)成。逆變器是可再生能源并網(wǎng)發(fā)電中的關(guān)鍵設(shè)備。 5-6 工頻變壓器隔離并網(wǎng)系統(tǒng)2.高頻變壓器隔離方式該方法采用了帶高頻變壓器DC-DC變換器,將太陽(yáng)能電池和風(fēng)機(jī)發(fā)出的電壓變換為滿足并網(wǎng)要求的直流電壓,再經(jīng)過逆變后直接與電網(wǎng)相連。這種系統(tǒng)體積小、重量輕,適合小功率場(chǎng)合。其結(jié)構(gòu)如圖5-7所示。 5-7 高頻變壓器隔離并網(wǎng)系統(tǒng)3.無(wú)變壓器方式該方式首先用無(wú)隔離的DCDC變換器將太陽(yáng)能電池陣列的直流電壓提升到逆變器并網(wǎng)需要的直流電壓,再經(jīng)過逆變與電網(wǎng)相連。這種方式在尺寸、重量和效率方面具有更大的優(yōu)勢(shì),因而在并網(wǎng)系統(tǒng)中成為目前研究的熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。該方式結(jié)構(gòu)如圖5-