風光互補發(fā)電技術(shù)風光互補發(fā)電系統(tǒng)的特點風力發(fā)電系統(tǒng)利用風力發(fā)電機，將風能轉(zhuǎn)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(tǒng)具有日發(fā)電量較高，系統(tǒng)造價較低，運行維護成本低等優(yōu)點。缺點是小型風力發(fā)電機可靠性低，常規(guī)水平軸風力發(fā)電機對風速的要求較高。光伏發(fā)電系統(tǒng)利用光電板將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，然后通過控制器對蓄電池充電，最后通過逆變器對負載供電。該系統(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)供電可靠性高、資源條件好、運行維護成本低，缺點是系統(tǒng)造價高。發(fā)電與用電負荷的不平衡性是風電和光電系統(tǒng)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(tǒng)發(fā)出電能后都必須通過蓄電池儲能才能穩(wěn)定供電，但是每天的發(fā)電量受陽光、風力的影響很大，陽光、風力較弱會導(dǎo)致系統(tǒng)的蓄電池組長期處于虧電狀態(tài)，這是引起蓄電池組使用壽命降低的主要原因。較風電和光電獨立系統(tǒng)，風光互補發(fā)電系統(tǒng)具有以下特點：（1）風光互補發(fā)電系統(tǒng)彌補了風電和光電獨立發(fā)電系統(tǒng)在資源上的缺陷，利用太陽能和風能的互補性，提供較穩(wěn)定的電能；（2）在風光互補發(fā)電系統(tǒng)中，風電和光電系統(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；（3）整個系統(tǒng)是兩種發(fā)電系統(tǒng)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）風光互補發(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；（5）風光互補發(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)計方案，在滿足用戶要求的情況下節(jié)約資源。適合風光互補地區(qū)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1風能太陽能分部圖風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流而產(chǎn)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互補發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性，風光互補發(fā)電系統(tǒng)是資源條件最好的獨立電源系統(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光互補發(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力發(fā)電，但臺風的破壞性太大，有可能一次性將風光互補發(fā)電設(shè)備摧毀，因而根據(jù)實際地點考慮是否安裝風光互補發(fā)電裝置。風光互補發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)風光互補發(fā)電系統(tǒng)主要由風力發(fā)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(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖2。該系統(tǒng)是集風能、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)。\o"查看圖片"

圖2風光互補發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(1)風力發(fā)電部分是利用風力機將風能轉(zhuǎn)換為機械能，通過風力發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能，再通過控制器對蓄電池充電，經(jīng)過逆變器對負載供電；(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，然后對蓄電池充電，通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電對負載進行供電；(3)逆變系統(tǒng)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(shè)備的正常使用。同時還具有自動穩(wěn)壓功能，可改善風光互補發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量；(4)控制部分根據(jù)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(tài)進行切換和調(diào)節(jié)：一方面把調(diào)整后的電能直接送往直流或交流負載。另一方面把多余的電能送往蓄電池組存儲。發(fā)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(tǒng)工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性；(5)蓄電池部分由多塊蓄電池組成，在系統(tǒng)中同時起到能量調(diào)節(jié)和平衡負載兩大作用。它將風力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能轉(zhuǎn)化為化學能儲存起來，以備供電不足時使用。離網(wǎng)風光互補發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計及配制方案風光互補發(fā)電系統(tǒng)作為一個獨立發(fā)電系統(tǒng)，從風力發(fā)電機、太陽能電池組件及儲能系統(tǒng)容量的配置都有一個最佳配置設(shè)計問題，需要結(jié)合風力發(fā)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(tǒng)最佳容量配置的設(shè)計，本例將以云南昆明作為設(shè)計地點。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-高原山地季風氣候，由于受印度洋西南暖濕氣流的影響，日照長、霜期短、年平均氣溫15℃。氣候溫和，夏無酷暑，冬無嚴寒，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，城區(qū)溫度在0—29℃之間，年溫差為全國最小，這樣的氣候特征在全球少有，因此，昆明素以“春城”而享譽中外。圖3為昆明地區(qū)氣候詳細數(shù)據(jù)。圖3氣象軟件retscreen截圖家用電器功耗分析為了盡量合理而準確的設(shè)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，以及在各月使用情況，見表2。表1家庭用電器功耗表（w）名稱數(shù)量標稱功率（w）節(jié)能燈×520w彩色電視機100w電風扇×240w電冰箱120w電飯鍋300w洗衣機230w微波爐500w抽油煙機185w電熱壺400w電腦180w空調(diào)1600w表2各電器每月日均使用時間（h）及日均總功耗（kwh）電電器日均使用時間月份節(jié)能燈彩色電視機電風扇電冰箱電飯鍋洗衣機微波爐抽油煙機電熱杯電腦空調(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5.000蓄電池部分設(shè)計首先確定系統(tǒng)直流電壓，確定的原則是：1依據(jù)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(shè)備。綜合考慮風光互補發(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Bc= (1)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℃以上取1，-10℃～0℃取1.1，-10℃以下取1.2Cc—放電深度,據(jù)圖4分析，由于當?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—工作電壓，取220v圖4Cc-T關(guān)系圖所以Cc=Ah我們?nèi)⌒吞枮镚FM-300，單個標準電壓為2v,容量300Ah(10h)蓄電池串聯(lián)數(shù)=48v÷2＝24(塊)并聯(lián)數(shù)=546.875÷300≈2（塊）光伏發(fā)電部分設(shè)計首先確定光伏發(fā)電部分負載功耗用電器日平均能耗為5kwh,考慮到當?shù)仫L能和太陽能資源的綜合情況，我們將光伏和風機的電能貢獻比定為7：3，所以風光互補發(fā)電系統(tǒng)中由太陽能發(fā)的電能為5kwh×70%=3.5kwh確定最佳傾角這里我們將借助一款光伏系統(tǒng)設(shè)計軟件PVSYST來計算最佳傾角，見圖5，我們可以清楚的知道最佳傾角為25°圖5PVSYST軟件最佳傾角計算截圖斜面輻射量及峰值日照時數(shù)Klien和theilacker提出的傾斜面上月平均太陽輻照量的計算方法是： (2) —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；—水平面上月平均散射輻照量；—水平面上月平均總輻照量；—方陣傾角；—地面反射率，一般情況下取0.2由于此方法計算過于復(fù)雜，這里我們采用軟件輔助計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是軟件計算結(jié)果圖6RETSCREEN軟件截圖所以年平均峰值日照時數(shù)為4.44h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)= (3) =（塊）光伏組件并聯(lián)數(shù)Np= （4）式中—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)，取1.02—逆變器效率取0.9—充電效率取0.8Q1—日耗電量V—工作電壓H—峰值日照時數(shù)A—組件峰值電流所以光伏組件并聯(lián)數(shù)光伏組件實際功率數(shù)=4×4×100=1600W太陽能電池方陣前后間距的計算根據(jù)圖7，我們可以清楚計算出方陣前后間距。圖7方陣間距示意圖L=H/tanα (5)α=arcsin(sinφsinδ+cosφcosδcosω) (6)β=arcisn(cosδsinω/cosα) (7) 首先計算冬至上午九點太陽高度角和太陽方位角。冬至時的赤緯角δ是-23.45°，上午九點的角ω是45°，于是有：α=arcsin(0.648cosφ-0.399sinφ)β=arcisn(0.917×0.707/cosα)這樣我們就可以知道：D=Lcosβ=Hcosβ/tanα (8)此例中我們選用的太陽能組件尺寸為長：1480mm寬：665mm將本例中各個數(shù)據(jù)代入公式,計算結(jié)果為α=24.75°β=45.55°D=1090mm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、日照強度、陰影、晶體結(jié)構(gòu)及負載阻抗等諸多因素。為計算簡便，可彩用下述簡易方式進行估算 (9) —太陽能日均發(fā)電量(kwh)—灰塵遮蔽損失（0.93）—輸配電損失（0.98）—逆變器損失—溫度損失因子（0.95）—充放電損失—太陽電池組件峰值功率（kw）—當?shù)胤逯等照諘r數(shù)風力發(fā)電部分設(shè)計1由風力發(fā)電部分分擔的用電功耗為5kwh×30%=1.5kwh對于小型風發(fā)電機，通常可用式（1）來確定各月的發(fā)電量： (10) (11) (12)—當月發(fā)電量；—風力發(fā)電機在不同風速段的發(fā)電量；—當時風速；—風力發(fā)電機啟動風速；—風力發(fā)電機額定風速；—風力發(fā)電機停機風速；—風力發(fā)電機額定功率；—該月中與相對應(yīng)的小時數(shù).按照當?shù)貧庀笈_提供的近幾年的風速實測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計得到風速情況，由于大部分時間當?shù)氐木W(wǎng)速值都在2m/s左右，低于水平風力機的3m/s的啟動風速，所以我們選取風力發(fā)電機起動風速為2m/s，額定風速為8m/s的垂直風力發(fā)電機，由此可以算出昆明地區(qū)1kw風力發(fā)電機的各月發(fā)電量，見表3表3昆明地區(qū)1kw風力發(fā)電機的各月發(fā)電量/kwh月份發(fā)電量月份發(fā)電量162.77722.74289.12822.743106.01918.99497.361017.81550.801134.04628.641230.16從風機發(fā)電量的公式可以看出，風力發(fā)電機的輸出功率與風速的三次方成正比，也就是說，當風速值有較小的變化時，輸出的功率將產(chǎn)生較大的變化，所以，選擇風力發(fā)電機的設(shè)計風速與當?shù)仫L能資源達到最大匹配，可以提高風力發(fā)電機的能量輸出，根據(jù)上面的計算結(jié)果，可考慮選用2臺500w風力機聯(lián)網(wǎng)發(fā)電。系統(tǒng)可靠性分析及最終方案表4各月份充放電情況風能發(fā)電光伏發(fā)電負載消耗差值一月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，風光互補發(fā)電系統(tǒng)在二、三、四月份發(fā)電量遠高于負載耗電量，造成一定的浪費，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，此時有三種方案解決此問題：1繼續(xù)增加風機數(shù)量或電池板數(shù)量，雖然能解決夏季電量不足的問題，但是成本會大大增加，而且會使得二、三、四月份浪費電能更加嚴重，2重新設(shè)計傾角，使得夏季輸出電能達到最大值。如果采用這種方法，又會有新的問題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，我們將蓄電池型號改為GFM-400(10h)，單個標準電壓為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)輸出負載消耗差值開始(kwh)終了(kwh)%全充一月225.92142.3283.6038.438.4100%二月268.60142.32126.2838.438.4100%三月295.09139.92155.1738.438.4100%四月289.17