家用风光互补发电系统分析设计.docx
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家用风光互补发电系统分析设计
1、风光互补发电技术
1.1风光互补发电系统的特点
风力发电系统利用风力发电机，将风能转换成电能，然而通过控制器对蓄电
池充电，最后通过逆变器对负载供电。
该系统具有日发电量较高，系统造价较
低，运行维护成本低等优点。
缺点是小型风力发电机可靠性低，常规水平轴风
力发电机对风速的要求较高。
光伏发电系统利用光电板将太阳能转换成电能，
然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对负载供电。
该系统的优点是
系统供电可靠性高、资源条件好、运行维护成本低，缺点是系统造价高。
发电
与用电负荷的不平衡性是风电和光电系统共同存在的一个缺陷，它是由资源的
不确定性造成的。
风电和光电系统发出电能后都必须通过蓄电池储能才能稳定
供电，但是每天的发电量受阳光、风力的影响很大，阳光、风力较弱会导
致系统的蓄电池组长期处于亏电状态，这是引起蓄电池组使用寿命降低的主要
原因。
较风电和光电独立系统，风光互补发电系统具有以下特点：
（1）风光互补发电系统弥补了风电和光电独立发电系统在资源上的缺陷，
利用太阳能和风能的互补性，提供较稳定的电能；
（2）在风光互补发电系统中，风电和光电系统可以共用一套蓄电池组和逆
变环节，减少系统造价；
（3）整个系统是两种发电系统进行互补运行，因此，在保证同等供电的情
况下，可大大减少储能装置的容量；
（4）风光互补发电系统可以根据用户需要合理配置系统容量，在不影响供
电可靠性的情况下减少系统造价；
（5）风光互补发电系统可以根据用户所在地的季节及天气变化情况优化
系统设计方案，在满足用户要求的情况下节约资源。
1.2适合风光互补地区分析
太阳能和风能是最普遍的自然资源，也是取之不尽的可再生能源。
图1为我
国太阳能风能分部情况。
图1风能太阳能分部图
风能是太阳能在地球表面的另外一种表现形式，由于地球表面的不同形态对
太阳光照的吸热系数不同，在地球表面形成温差，地表空气的温度不同形成空气
对流而产生风能。
因此，太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性。
白
天太阳光最强时，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，风
光互补发电系统是资源条件最好的独立电源系统。
综合考虑XX北部、XX北部、
XX东部、XX西部和XX西部等地最适合风光互补发电，XX西北部、XX
北部、XX南部、XX南部、XX中部、XX东部、XX东南部和XX南部
等地次之。
虽然东南沿海最适合风力发电，但台风的破坏性太大，有可能一次
性将风光互补发电设备摧毁，因而根据实际地点考虑是否安装风光互补发电装
置。
2、风光互补发电系统的结构
风光互补发电系统主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、蓄电
池、逆变器、交流直流负载等部分组成，系统结构图见图2。
该系统是集风能、
太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生
能源发电系统。
图2风光互补发电系统结构
（1）风力发电部分是利用风力机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电；
（2）光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电；
（3）逆变系统由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的220v交流电，保证交流电负载设备的正常使用。
同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量；
（4）控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，不断对蓄电池组的工
作状态进行切换和调节：
一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载。
另一
方面把多余的电能送往蓄电池组存储。
发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄
电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性；
（5）蓄电池部分由多块蓄电池组成，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。
它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。
3、离网风光互补发电系统设计及配制方案
风光互补发电系统作为一个独立发电系统，从风力发电机、太阳能电池组件
及储能系统容量的配置都有一个最佳配置设计问题，需要结合风力发电机、太阳
能电池组件安装地点的自然资源条件来进行系统最佳容量配置的设计，本例将以
XXXX作为设计地点。
3.1选定地区的气候分析
XX位于东经102°10'至103°40'，北纬24°23'至26°22'，市中心位于
北纬25°02'11"，东经102°42'31"。
XX属北纬低纬度亚热带-高原山地季风气候，由于受印度洋西南暖湿气流
的影响，日照长、霜期短、年平均气温15℃。
气候温和，夏无酷暑，冬无严寒，
四季如春，气候宜人，年降水量1035毫米，具有典型的温带气候特点，城区温
度在0—29℃之间，年温差为全国最小，这样的气候特征在全球少有，因此，昆
明素以“春城”而享誉中外。
图3为XX地区气候详细数据。
图3气象软件retscreen截图
3.2家用电器功耗分析
为了尽量合理而准确的设计，我们在这里分析计算了一般家庭使用的用电器
功耗，见表1，以及在各月使用情况，见表2。
表1家庭用电器功耗表（w）
名称数量标称功率（w）
节能灯×520w
彩色电视机100w
电风扇×240w
电冰箱
120w
电饭锅
300w
洗衣机
230w
微波炉
500w
抽油烟机
185w
电热壶
400w
电脑
180w
空调
1600w
表2
各电器每月日均使用时间（
h）及日均总功耗（
kwh）
日
节
彩
电
电
电
洗
微
抽
电
电
空
日
均
电
使
用
器
能
色
风
冰
饭
衣
波
油
热
脑
调
均
时
月
间
灯
电
扇
箱
锅
机
炉
烟
杯
耗
份
视
机
能
机
一月
7
6
0
8
1
0.3
0.5
1
1
5
0.2
4.744
二月
7
6
0
8
1
0.3
0.5
1
1
5
0.2
4.744
三月
6
6
0
9
1
0.3
0.3
1
1
5
0.2
4.664
四月
6
6
0
12
1
0.3
0.3
1
1
5
0.2
5.024
五月
6
6
2
12
1
0.5
0.2
1
0.5
5
0.2
4.980
六月
5
6
4
16
1
0.5
0.2
1
0.5
5
0.2
5.520
七月5661610.50.210.550.25.680
八月
5
6
5
16
1
0.5
0.2
1
0.5
5
0.2
5.600
九月
5
6
0
12
1
0.3
0.3
1
1
5
0.2
4.924
十月
5
6
0
10
1
0.3
0.4
1
1
5
0.2
4.734
十一月
6
6
0
8
1
0.3
0.5
1
1
5
0.2
4.644
十二月
7
6
0
8
1
0.3
0.5
1
1
5
0.2
4.744
5.000
平均
3.3蓄电池部分设计
首先确定系统直流电压，确定的原则是：
1依据国家电压标准即12V、24V、
48V⋯⋯，2要尽量提高电压，减少线路损失。
3最好不要超过300v,以便于选取
设备。
综合考虑风光互补发电系统专用控制逆变器额定电压大多为48V，所以这
里我们选取48V为系统直流电压。
蓄电池容量
A
Q1
N1
T0......................................................................
（1）
Bc=
CC
V
式中
A—
安全系数，取值为
1.1～1.4;
Q1—
日耗电量
T0—
温度系数，一般在0℃以上取1，-10℃～0℃取1.1，-10℃
以下取1.2
Cc—放电深度,据图4分析，由于当地气温一直在零度以上，所以
这里我们取稍高值0.8
N1—自给天数，这里取3天
V—工作电压，取220v
图4Cc-T关系图
1.4500031
所以Cc==546.875Ah
我们取型号为GFM-300，单个标准电压为2v,容量300Ah（10h）
蓄电池串联数=48v÷2＝24（块）
并联数=546.875÷300≈2（块）
3.4
光伏发电部分设计
3.4.1
首先确定光伏发电部分负载功耗
用电器日平均能耗为5kwh,考虑到当地风能和太阳能资源的综合情况，我们
将光伏和风机的电能贡献比定为7：
3，所以风光互补发电系统中由太阳能发的
电能为5kwh×70%=3.5kwh
确定最佳倾角
这里我们将借助一款光伏系统设计软件PVSYST来计算最佳倾角，见图5，
我们可以清楚的知道最佳倾角为25°
图5PVSYST软件最佳倾角计算截图
3.4.2斜面辐射量及峰值日照时数
Klien和theilacker提出的倾斜面上月平均太阳辐照量的计算方法是：
RD+Hd1COS
1COS..........................................
（2）
2H
2
R—倾斜面上月平均太阳辐照量与水平面上月平均太阳辐照量的比值；
D—水平面上月平均散射辐照量；
Hd—水平面上月平均总辐照量；
—方阵倾角；
—地面反射率，一般情况下取0.2
由于此方法计算过于复杂，这里我们采用软件辅助计算的方法
我们通过查询RETSCREEN这款软件来查看倾斜面上的太阳辐射值
图6是软件计算结果
图6RETSCREEN软件截图
所以年平均峰值日照时数为4.44h
3.4.3确定光伏阵列
这里我们先择峰值功率为
100W峰值电压17.2V
峰值电流5.81A
光伏组件串联数
工作电压（蓄电池电压）
1.43（系数）
NS=
组件峰值电压
........（3）
NS=481.43
4（块）
17.2
光伏组件并联数Np=
Q1CZ.....................................
（4）
VHη1η2A
式中
CZ—20年内太阳能组件衰降、方阵组合损失、尘埃遮挡等综合系数，
取1.02
η1—逆变器效率取0.9
η2—充电效率取0.8
Q1—日耗电量
V
—
工作电压
H
—
峰值日照时数
A
—
组件峰值电流
所以
光伏组件并联数NS=
3500
1.02
4块
4.44
5.81
0.9
48
0.8
光伏组件实际功率数=4×4×100=1600W
3.4.4太阳能电池方阵前后间距的计算
根据图7，我们可以清楚计算出方阵前后间距。
图7方阵间距示意图
L=H/tanα（5）
α=arcsin（sinφsinδ+cosφcosδcosω）............................................
（6）
β=arcisn（cosδsinω/cosα）............................................................
（7）
首先计算冬至上午九点太阳高度角和太阳方位角。
冬至时的赤纬角δ是
-23.45°，上午九点的角ω是45°，于是有：
α=arcsin（0.648cosφ-0.399sinφ）
β=arcisn（0.917×0.707/cosα）
这样我们就可以知道：
D=Lcosβ=Hcosβ/tanα.................................................................
（8）
此例中我们选用的太阳能组件尺寸为长：
1480mm宽：
665mm
将本例中各个数据代入公式,计算结果为
α=24.75°
β=45.55°
D=1090mm
3.4.5太阳能日均发电量
影响太阳能电池组件发电能力的因素很多，如温度、日照强度、阴影、晶体
结构及负载阻抗等诸多因素。
为计算简便，可彩用下述简易方式进行估算
Q12345WPTP....................................................
（9）
Q—太阳能日均发电量（kwh）
1—灰尘遮蔽损失（0.93）
2—输配电损失（0.98）
3—逆变器损失
4—温度损失因子（0.95）
5—充放电损失
WP—太阳电池组件峰值功率（kw）
TP—当地峰值日照时数
风力发电部分设计
1由风力发电部分分担的用电功耗为5kwh×30%=1.5kwh
对于小型风发电机，通常可用式
（1）来确定各月的发电量：
E
E1
E2（vm≤vi＜vH）.............................................................
（10）
E1=
pPNhivi/vH
3............................................
（11）
（vi=vm:
vH）
E2
PN
hi（vi=vH:
vT）............................................................
（12）
E—当月发电量；
E1E2—风力发电机在不同风速段的发电量；
vi—当时风速；
vm—风力发电机启动风速；
vH—风力发电机额定风速；
vT—风力发电机停机风速；
PN—风力发电机额定功率；
hi—该月中与vi相对应的小时数.
按照当地气象台提供的近几年的风速实测数据，统计得到风速情况，由于大
部分时间当地的网速值都在2m/s左右，低于水平风力机的3m/s的启动风速，
所以我们选取风力发电机起动风速为2m/s，额定风速为8m/s的垂直风力发电
机，由此可以算出XX地区1kw风力发电机的各月发电量，见表3
表3
XX地区
1kw风力发电机的各月发电量
/kwh
月份
发电量
月份
发电量
1
62.77
7
22.74
2
89.12
8
22.74
3
106.01
9
18.99
4
97.36
10
17.81
5
50.80
11
34.04
6
28.64
12
30.16
从风机发电量的公式可以看出，风力发电机的输出功率与风速的三次方成正
比，也就是说，当风速值有较小的变化时，输出的功率将产生较大的变化，所以，
选择风力发电机的设计风速与当地风能资源达到最大匹配，可以提高风力发电机
的能量输出，根据上面的计算结果，可考虑选用2台500w风力机联网发电。
4、系统可靠性分析及最终方案
表4各月份充放电情况
风能发电
光伏发电
负载消耗
差值
一月
62.77
163.15
142.32
83.60
二月
89.12
179.48
142.32
126.28
三月
106.01
189.08
139.92
155.17
四月97.36191.81150.72138.45
五月
50.8
160.84
149.4
62.24
六月
28.64
138.67
165.6
1.71
七月
22.74
127.04
170.4
-20.62
八月
22.74
140.90
168
-4.36
九月
18.99
133.88
147.72
5.15
十月
17.81
121.67
142.02
-2.54
十一月
34.04
146.95
139.32
41.67
十二月
30.16
150.58
142.32
38.42
根据上表4我们可以得出，风光互补发电系统在二、三、四月份发电量远高
于负载耗电量，造成一定的浪费，而六、七、八月连续亏电，七月份是所亏电能
已经超过蓄电池的85%的最大放电深度，此时有三种方案解决此问题：
1继续增
加风机数量或电池板数量，虽然能解决夏季电量不足的问题，但是成本会大大增
加，而且会使得二、三、四月份浪费电能更加严重，2重新设计倾角，使得夏季
输出电能达到最大值。
如果采用这种方法，又会有新的问题1倾角过小，不利于
下雨冲刷电池板污物。
2增加输出电能有限，很难彻底解决问题。
3会使其全年
发电量减小。
3为了平衡这些因素，我们考虑增加蓄电池容量，我们将蓄电池型
号改为GFM-400（10h），单个标准电压为2v，容量为400Ah。
我们采用第三种
方案。
各月蓄电池状态见表5，最终配置见表6。
表5各月蓄电池状态一览表
月份kwh蓄电池状态
系统输出
负载消耗
差值
开始（kwh）
终了（kwh）
%全充
一月
225.92
142.32
83.60
38.4
38.4
100%
二月
268.60
142.32
126.28
38.4
38.4
100%
三月
295.09
139.92
155.17
38.4
38.4
100%
四月
289.17
150.72
138.45
38.4
38.4
100%
五月
211.64
149.4
62.24
38.4
38.4
100%
六月
167.31
165.6
1.71
38.4
38.4
100%
七月
149.78
170.4
-20.62
38.4
17.78
46%
八月
163.64
168
-4.36
17.78
13.42
35%
九月
152.87
147.72
5.15
13.42
18.57
48%
十月
139.48
142.02
-2.54
18.57
16.5
43%
十一月
180.99
139.32
41.67
16.5
38.4
100%
十二月
180.74
142.32
38.42
38.4
38.4
100%
表6系统最终配置单及经费估算
配置
规格
数量
单位
备注
价格￥
垂直轴风
FD-500W/48
2
台
设计寿命
9250×2
力发电机
V
20年
太阳能电
100W/17.2V
16
块
与风机联
800×16
池组件
单晶
网
蓄电池
GFM
48
节
免维护铅
1000×48
400Ah/2V
酸蓄电池
控制逆变
3000W/48V
1
台
风光互补
5000
器
专用
风力机塔
10m
2
杆
定做
包含于风
杆
机
太阳能支
16
套
100W专用
100×16
架
其他
\
\
\
\
1000
总计
86900
5、结论
根据以上的详细分析计算，在此得出了一个比较合理的设计，得出1、在
计算过程得出，如果家用电器中加上空调或电暖器等大功率电器，，冬夏两季用
电量要比春秋两季多很多，会使系统均衡设计难度增加，造成系统可靠性降低或
浪费；2、风光互补装置的费用要比光伏系统造价低很多，这也为普及新能源提
供了可能。
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