目 錄

　　1. 引言

　　2. 項目技術方案

　　2.1 風光儲互補發電系統的特點

　　2.2 適合風光儲互補地區分析

　　2.3 風光儲互補發電系統的結構

　　3. 風光儲互補發電系統設計及配制方案

　　3.1 選定地區的氣候分析

　　3.2 斜面輻射量及峰值日照時數

　　3.3 光伏陣列間距設計

　　3.4 家用電器功耗分析

　　3.5 光伏組件及控制器

　　3.6 風力發電機及控制器

　　3.7 蓄電池部分

　　3.8 發電量情況

　　3.9 配置方案

　　1.引言

　　能源是國民經濟發展和人民生活必須的重要物質基礎，在過去的200多年里，建立在煤炭、石油、天然氣等化石燃料基礎上的能源體系極大的推動了人類社會的發展。但是人類在使用化石燃料的同時，帶來了嚴重的環境污染和生態系統破壞。近年來，世界各國逐漸認識到能源對人類的重要性，更認識到常規能源利用過程中對環境和生態系統的破壞，各國紛紛開始根據國情，治理和緩解已經惡化的環境，并把可再生、無污染的新能源的開發利用作為可持續發展的重要內容。太陽能、風能作為一種重要的可再生能源，其具有清潔、無污染、安全、儲量豐富的特點，受到了世界各國的普遍重視。自《中華人民共合國可再生能源法》頒布實施以來，包括太陽能風能在內的可再生能源利用事業進入了新的歷史發展時期。

　　風光儲互補發電系統是利用風能和太陽能資源的互補性，具有較高性價比的一種新型能源發電系統，具有很好的應用前景。目前隨著人們對風光儲互補發電技術認識的日漸提高和風光儲互補發電技術的不斷成熟，其應用領域也越來越廣泛，如獨立運行于無電地區的集中風光儲互補供電系統和戶用風光儲互補發電系統等。

　　2. 項目技術方案

　　2.1 風光儲互補發電系統的特點

　　風力發電系統利用風力發電機，將風能轉換成電能，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。該系統具有日發電量較高，系統造價較低，運行維護成本低等優點。缺點是小型風力發電機可靠性低，常規水平軸風力發電機對風速的要求較高。光伏發電系統利用光電板將太陽能轉換成電能， 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。該系統的優點是系統供電可靠性高、資源條件好、運行維護成本低，缺點是系統造價高。 發電與用電負荷的不平衡性是風電和光電系統共同存在的一個缺陷， 它是由資源的不確定性造成的。風電和光電系統發出電能后都必須通過蓄電池儲能才能穩定供電，但是每天的發電量受陽光、風力的影響很大， 陽光、風力較弱會導致系統的蓄電池組長期處于虧電狀態，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，風光儲互補發電系統具有以下特點：

　　(1)風光儲互補發電系統彌補了風電和光電獨立發電系統在資源上的缺陷， 利用太陽能和風能的互補性，提供較穩定的電能;

　　(2)在風光儲互補發電系統中，風電和光電系統可以共用一套蓄電池組和逆變環節，減少系統造價;

　　(3)整個系統是兩種發電系統進行互補運行，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)風光儲互補發電系統可以根據用戶需要合理配置系統容量， 在不影響供電可靠性的情況下減少系統造價;

　　(5)風光儲互補發電系統可以根據用戶所在地的季節及天氣變化情況優化系統設計方案，在滿足用戶要求的情況下節約資源。

　　2.2 適合風光儲互補地區分析

　　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2 中國全年風速大于3m/s小時數分布情況。由下圖不難看出在內蒙古東部和東北大部，光照資源和風力資源較為豐富，采用風光儲互補供電系統可靠性高。

　　圖1 風能及太陽能分布圖

　　圖2中國全年風速大于3m/s小時數分布圖

　　風能是太陽能在地球表面的另外一種表現形式，由于地球表面的不同形態對太陽光照的吸熱系數不同，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。白天太陽光最強時，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，太陽光強度大而風小，冬季，太陽光強度弱而風大。太陽能和風能在時間上的互補性使風光儲互補發電系統在資源上具有最佳的匹配性，風光儲互補發電系統是資源條件最好的獨立電源系統。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光互補發電，河北西北部、山西北部、內蒙古南部、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力發電，但臺風的破壞性太大，有可能一次性將風光儲互補發電設備摧毀，因而根據實際地點考慮是否安裝風光儲互補發電裝置。

　　2.3 風光儲互補發電系統的結構

　　風光儲互補發電系統主要由風力發電機組、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，系統結構圖見圖3。該系統是集風能、太陽能及蓄電池等多種能源發電技術及系統智能控制技術為一體的復合可再生能源發電系統。

 

　　圖3 風光儲互補發電系統結構

　　(1)風力發電部分是利用風力機將風能轉換為機械能，通過風力發電機將機械能轉換為電能，再通過控制器對蓄電池充電，經過逆變器對負載供電;

　　(2)光伏發電部分利用太陽能電池板的光伏效應將光能轉換為電能，然后對蓄電池充電，通過逆變器將直流電轉換為交流電對負載進行供電;

　　(3)逆變系統由幾臺逆變器組成，把蓄電池中的直流電變成標準的220V交流電，保證交流電負載設備的正常使用。同時還具有自動穩壓功能，可改善風光儲互補發電系統的供電質量;

　　(4)控制部分根據日照強度、風力大小及負載的變化，不斷對蓄電池組的工作狀態進行切換和調節：一方面把調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，保證了整個系統工作的連續性和穩定性;

　　(5)蓄電池部分由多塊蓄電池組成，在系統中同時起到能量調節和平衡負載兩大作用。它將風力發電系統和光伏發電系統輸出的電能轉化為化學能儲存起來，以備供電不足時使用。

　　3.風光儲互補發電系統設計及配制方案

　　風光儲互補發電系統作為一個獨立發電系統，從風力發電機、太陽能電池組件及儲能系統容量的配置都有一個最佳配置設計問題，需要結合風力發電機、太陽能電池組件安裝地點的自然資源條件來進行系統最佳容量配置的設計，本例將以吉林省長春市作為設計地點。

　　3.1 選定地區的氣候分析

　　長春市位于北緯43°05’～45°15’;東經124°18’～127°05’，居北半球中緯度北溫帶，其中主城區位于松遼平原腹地的伊通河臺地之上 。西北與松原市毗鄰，西南和四平市相連，東南與吉林市相依，東北同黑龍江省接壤。長春市地處中國東北平原腹地，市區海拔在250--350米之間，地勢平坦開闊。屬北溫帶大陸性季風氣候區，在全國干濕氣候分區中，地處濕潤區向亞干旱區的過渡地帶。氣溫自東向西遞增，降水自東向西遞減。春季干燥多風，夏季濕熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷漫長，具有四季分明，雨熱同季，干濕適中的氣候特征長春市年平均氣溫4.8°C，最高溫度39.5°C，最低溫度-39.8°C，日照時間2688小時。夏季，東南風盛行，也有渤海補充的濕氣過境。年平均降水量522至615毫米，夏季降水量占全年降水量的60%以上;最熱月(7月)平均氣溫23℃。秋季，可形成持續數日的晴朗而溫暖的天氣，溫差較大，風速也較春季小。

　　圖4 氣象軟件retscreen 截圖

　　3.2 斜面輻射量及峰值日照時數

　　Klien和theilacker提出的傾斜面上月平均太陽輻照量的計算方法是：

 

　　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。PVsyst V6.06是一款光伏系統設計輔助軟件，用于指導光伏系統設計及對光伏系統進行發電量進行模擬計算。我們通過查詢PVsyst V6.06這款軟件來查看傾斜面上的太陽輻射值，所以年平均峰值日照時數為4.9h，光伏組件的安裝傾角為45度。

 

　　圖5 光伏軟件PVsyst V6.06截圖

　　3.3 光伏陣列間距設計

　　陣列傾角確定后，應在南北向前后陣列間留出合理的間距，以避免前后排間出現陰影遮擋。前后間距應滿足冬至日上午9：00到下午3：00，組件之間南北方向無陰影遮擋。固定方陣安裝好后傾角不再調整。

　　計算光伏組件組件方陣前后安裝時的最小間距D，其幾何原理如下圖所示：

 

　　圖6 組件間距原理

　　該最小間距確定的一般原則為：冬至日9：00至15：00光伏組件組件方陣前排陰影不會遮擋后排。

　　一般確定原則：冬至當天早9：00至下午3：00光伏方陣不應被遮擋。

　　計算公式如下：

　　太陽高度角的公式：sina = sinf sind+cosf cosd cosw

　　太陽方位角的公式：sinβ= cosd sinw/cosa

　　式中：

　　f為當地緯度為43.90°;

　　d為太陽赤緯，冬至日的太陽赤緯為-23.45°;

　　w為時角，上午9:00的時角為-45°。

　　當地冬至日上午9:00的太陽高度角a=11.04°;

　　當地冬至日上午9:00的太陽方位角β=-41.37°。

　　D = cosβ×L，L = H/tana，a = arcsin (sinf sind+cosf cosd cosw)

　　即：

 

　　通過以上公式計算得到：

　　本項目固定傾角支架的光伏組件排布方式為：光伏組件豎向兩塊放置，光伏組件之間留有20mm的間隙，故光伏組件固定支架單元傾斜面的寬為3292mm。

　　由此，45度傾角光伏組件間距計算如下：

　　H=3292×sin45°≈2327mm (式中45°為安裝傾角)

　　則：

　　D 南北= cosβ×L≈9185mm

　　光伏組件傾斜45°后，光伏組件上緣與下緣產生相對高度差，陽光下光伏組件產生陰影，為保證在本項目選址地處，冬至日上午九時到下午三時子方陣之間不形成陰影遮擋，經計算，光伏組件傾斜后組件上緣與下緣之間相對高度與前后排安裝距離如圖7所示。

 

　　圖7 組件間距示意

　　如上圖，當傾角設定為45°時，光伏組件陣列間行間距應大于等于9185mm，此時通道間距應大于等于9185mm，能夠在冬至日9:00-15:00之間防止前后排組件的陰影遮擋，并能夠滿足人員通過的要求。

　　考慮土建、安裝差異和安裝誤差等因素，45°傾角時將組件行間距定為9200mm。

　　3.4 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。

　　表1 家庭用電器功耗表(W)

　　本項目設計最大負荷功率為3kW。

　　3.5 光伏組件及控制器

　　光伏組件選擇的基本原則：在產品技術成熟度高、運行可靠的前提下，結合電站周圍的自然環境、施工條件、交通運輸的狀況，選用行業內的主流光伏組件類型。再根據電站所在地的太陽能資源狀況和所選用的光伏組件類型，計算出光伏電站的年發電量，最終選擇出綜合指標最佳的光伏組件。

　　根據業主需求，本項目光伏組件容量為8KW，風機容量為2kW，用戶每日用電量約為6~8度，經計算，需要采用250W多晶硅光伏組件32塊，每路由2塊串聯，共16路。表2為光伏組件的規格參數表。

　　表2 光伏組件規格

　　光伏控制器采用高效PWM充電模式，對蓄電池的充放電進行控制;同步可對直流負載進行管理，保證蓄電池工作在安全區域，主要用于蓄電池充電管理?？蔀槟羺^、邊防、海島提供照明，也可作為移動通信基站、微波站等的直流電源?？刂破魇怯行Э刂铺柲馨l出的電向蓄電池充電,蓄電池向負載放電,使蓄電池在安全工作電壓、電流范圍內工作的裝置。它的控制性能直接影響蓄電池使用壽命和系統效率。本項目選擇的光伏控制器規格型號為48V/200A。

　　保護功能完善：具有短路、防反保護，充電保護、欠壓保護功能;

　　LCD顯示方式：對蓄電池電壓、蓄電池溫度、輸出電流、光伏充電電流進行顯示和告警;

　　高效PWM充電模式：保證蓄電池工作在最佳的狀態，大大延長蓄電池的使用壽命;

　　溫度補償功能：可實現對蓄電池的溫度補償，延長蓄電池使用壽命;

　　靈活的使用方式：可進入系統對參數進行設置;

　　具備RS232通訊接口，便于遠程控制。

　　表3 光伏控制器規格

 

　　3.6 風力發電機及控制器

　　風力發電機是將風能轉換為機械能，機械能轉換為電能的電力設備。風力發電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。依據目前的風力發電機技術，大約是3m/s的微風速度(微風的程度)，便可以開始發電。本項目采用的是1000W水平軸風力發電機，共計2臺。其性能特點如下：

　　電機采用銣鐵硼稀土永磁材料;

　　葉片采用玻璃鋼材料、碳纖維材料、高強度塑料等(可選擇);

　　啟動風速低、抗臺風、防腐蝕、防風沙性能優越;

　　集電磁制動和機械制動于一體限速方式、自動導航;

　　造型美觀、免維護、安裝方便;

　　低壓48V直流輸出(需加裝風機控制器)，無觸電危險;

　　使用壽命達15-20年;

　　性價比較高;

　　抗12級以上臺風。

 

　　圖8 1000W水平軸風力發電機

　　表3 1kW風機規格參數

 

　　表4 1kW風機控制器規格參數

 

　　3.7 蓄電池部分

　　首先確定系統直流電壓，確定的原則是：1、依據國家電壓標準即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電系統專用控制逆變器額定電壓大多為48V，所以這里我們選取48V為系統直流電壓。

 

　　式中： A ：安全系數，取值為1.1～ 1.4;

　　Q1 ：日耗電量;

　　T0 ：溫度系數，一般在0℃以上取1，-10℃ ～ 0℃ 取1.1，-10℃以下取1.2;

　　Cc ：放電深度,據圖9分析，由于當地氣溫一直在零度以上，所以這里我們取稍高值0.8;

　　N1 ：自給天數 ，這里取2天;

　　V ：工作電壓，取48V。

 

　　圖9 Cc- T 關系圖

　　所以 Bc=720Ah;

　　我們取型號為GFM-800，單個標準電壓為2V，容量800Ah (10h);

　　蓄電池串聯數=48V÷2=24 (塊)

　　3.8 發電量情況

　　3.8.1 光伏發電部分：

　　影響發電量的關鍵因素是系統效率，系統效率主要考慮的因素有：灰塵、雨水遮擋引起的效率降低、溫度引起的效率降低、組件串聯不匹配產生的效率降低、逆變器的功率損耗、直流交流部分線纜功率損耗、變壓器功率損耗等等。

　　(1) 灰塵、雨水遮擋引起的效率降低，效率取93%;

　　(2) 溫度引起的效率降低，效率取96%;

　　(3) 組件串聯不匹配產生的效率降低，效率取96%;

　　(4) 直流部分線纜功率損耗，效率取93%;

　　(5) 逆變器的功率損耗，效率取97%;

　　(6) 交流線纜的功率損耗，效率取98%;

　　(7) 測算系統各項效率：組件灰塵損失、組件溫度效率損失、組件不匹配損失、線路壓降損失、逆變器效率、交流線路損失等，考慮氣候變化等不可遇見自然現象，取0.99的修正系數，則系統綜合效率：

　　η　=93%×96%×96%×97%×97%×98%×0.99≈78%

　　因此，光伏電站整體效率為78%。

　　根據公式：Q = N×P×H×η

　　其中：

　　N 是當月天數;

　　P 是光伏系統容量，本項目為8kWp;

　　H 是傾斜面上當月日平均太陽輻射量;

　　η是整體效率;

 

　　3.8.2 風力發電部分：

　　對于小型風發電機，通?？捎脕泶_定各月的發電量：

 

　　3.9 配置方案

　　注：表2與表3主要是蓄電池類型的差異

　　表2 材料配置表1

　　表3 材料配置表2