风光互补系统设计.docx

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风光互补系统设计

摘要

本文结合太阳能、风能可再生绿色环保等特点，阐述了太阳能光伏发电、风力发电系统在运行过程中能量的产生、转换和控制等各个环节的工作原理以及单独利用所存在的问题。

进一步介绍了风光互补发电系统在运行过程中的工作原理，并且对太阳能光伏发电、风力发电系统和风光互补发电系统的输出功率控制进行了对比。

相比得出风光互补发电系统的优点。

通过查阅文献资料、收集数据并结合的基本情况和路灯照明系统的规范，对传统的路灯灯源进行了对比，在考虑安全和实用性方面选择20WLED节能灯泡作为此次设计的灯源。

根据路灯的高度计算公式和的路面宽度设计路灯高度为6m，灯泡离地面高度为5m，悬挑长度为0.75m。

对路面附近的一些固定物高度和风力资源及太阳能资源进行处理并进行计算，得出基地楼的风力资源和太阳能资源可以满足路灯的照明要求。

并采用300W叶片直径为1.5m的风力发电机，LNGF-85W的太阳能电池板作为路灯的用电来源；对基地实验楼高度、混泥土强度和楼顶风力及太阳能情况进行资料收集，根据基地楼的一些用电情况设计采用1个塔架高4m功率为300W，叶片直径为2.5m的垂直轴风力发电机，光伏阵列电池板选7块型号为LNGF-210W的电池板。

关键词：

风光互补发电；路灯；屋顶风光互补；

Abstract

Thiscombinationofsolar,windandotherrenewablegreenfeatures,elaboratedsolarphotovoltaic,windpowergenerationsystemintheprocessofenergygeneration,conversionandcontrolotheraspectsoftheworksanduseoftheproblemsalone.Furtherinformationonwindandsolarpowergenerationsystemduringoperationworks,andforsolarphotovoltaic,windpowersystemsandsolarhybridpowersystemoutputpowercontrolwerecompared.Comparedtowindandsolarpowersystemsderivedadvantage.

Throughaccesstoliterature,datacollectionandcombinethebasicsituationoftheenergybaseandstreetlightingsystemspecification,thetraditionalstreetlightsourceswerecompared,inconsideringthesafetyandpracticalitychoose20WLEDenergy-savinglightbulbsasthedesignofthelightsource.Calculatedaccordingtotheheightoflightsandenergybasedesignstreetpavementwidthheightis6m,bulbsfromthegroundheight5m,cantileveredlengthof0.75m.Ontheroadinthevicinityoftheenergybasefixtureheightandwindresourcesandsolarenergyresourcestobeprocessedanditcalculatedthebasefloorofthewindresourcesandsolarenergyresourcestomeettherequirementsofstreetlighting.Andusingarotordiameterof1.5m300Wwindturbine,LNGF-85Wsolarpanelelectricityasasourceoflights;laboratorybuildingonthebaseheightoftheroofofconcretestrengthandwindandsolarconditionsfordatacollection,accordingtothebasefloorSomeelectricityconsumptiondesignusesatower4mhighpower300W,bladediameterof2.0mverticalaxiswindturbine,photovoltaicarraypanelsselected23modelLNGF-210Wofsolarpanels.

Keywords:

Windandsolarpowergeneration;lights;rooftopscomplementary;

1前言

1.1可再生能源开发应用

一次能源可以进一步分为再生能源和非再生能源两大类型。

再生能源包括太阳能、水力、风力、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能等。

它们在自然界可以循环再生。

经过多年的发展，我国可再生能源的开发利用已取得了很大进展。

从风电资源开发来看，2003年底，全国并网风力发电装机容量为5.69×105kW，风电装机容量位居世界第10位，已经基本掌握单机容量7.5×102kW以下大型风力发电设备的制造能力，正在开发兆瓦级的大型风力发电设备。

从小水电发展来看，到2003年底，我国小水电装机容量为3.08×107kW，近年来年均增长量在1.5×106kW以上。

我国小水电设计、施工、管理及设备制造在国际上处于领先地位。

从太阳能技术发展来看，到2003年底，全国太阳能热水器使用量达到5.0×107m2，占全球使用量的40%以上。

太阳能热水器生产量达1.0×107m2，全真空玻璃管热水器在世界市场上占据主导地位。

从沼气利用来看，我国的沼气技术开发始于上世纪50年代，70和80年代得到大规模发展，主要用于满足农村居民生活用能。

目前全国有户用沼气池1000多万口，年产沼气约3.0×1010m3。

已建成大中型沼气工程1900多处，年产沼气约1.2×1010m3。

尽管我国可再生能源产业发展取得了很大进展，但与发达国家相比还有很大的差距，还远远不能适应我国能源发展战略的要求。

可再生能源发展缓慢客观上是风力发电、太阳能发电的成本难以与化石能源去竞争，但从国外的经验来看，关键是促进可再生能源发展的政策力度不够所至。

发展可再生能源利在社会，意在长远，可再生能源很难与常规能源在市场上竞争，因此必须通过辅以特殊的能源政策，反映国家的意志，促进可再生能源的发展[1]。

1.2风能资源现状

我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源比较丰富。

根据全国900多个气象站陆地上离地l0m高度资料进行估算，全国平均风功率密度为100W每平方m，风能资源总储量约32.26亿kW，可开发和利用的陆地上风能储量有2.53×109kW，近海可开发和利用的风能储量有7.5×109kW，共计约1.0×1010kW。

如果陆上风电年上网电量按等效满负荷2.0×103h计，每年可提供5.0×1012kWh电量，海上风电年上网电量按等效满负荷2.5×103h，每年可提供1.8×1013kWh电量，合计2.3×1013kWh电量[2]。

由于风能非常丰富、价格非常便宜、能源不会枯竭，又可以在很大范围内取得，非常干净、没有污染，不会对气候造成影响，因而风力发电具有极大的推广价值。

在中国，风能资源丰富的地区主要集中在北部、西北和东北的草原、戈壁滩以及东部、东南部的沿海地带和岛屿上。

这些地区缺少煤炭及其他常规能源，并且冬春季节风速高，雨水少；夏季风速小，降雨多，风能和水能具有非常好的季节补偿。

目前我国的风能利用方面与国际水平还在一定差距，但是发展很快，无论在发展规模上还是发展水平上，都有很大提高。

据资料显示，2004年全国在建项目的装机容量约1.5×1015kW，其中正在施工的约4.2×1014kW，可研批复的6.8×1014kW，项目建议书批复的4.5×1014kW，包括五个1.0×1014kW特许权项目。

1.3太阳能资源现状

我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。

据估算，全国各地太阳年辐射总量达3.3×105kJ/cm2年，中值为5.86×102kJ/cm2年。

年日照时数在2200小时以上的地区约占国土面积的2/3以上。

我国太阳能资源分布的主要特点有:

太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬220-350。

这一带，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，而且除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部；由于南方多数地区云雾雨多，在北纬300-40°地区，太阳能的分布情况与一般的太阳能随纬度而变化的规律相反，太阳能不是随着纬度的增加而减少，而是随着纬度的增加而增长[3]。

1.4风光互补供电系统的优势

图1-1是针对相同的天气数据、相同的风力发电和光伏发电模型，其中最下端曲线代表的是风光互补的结果，中间曲线表示风力发电的结果，最上端曲线表示的是太阳能发电的结果。

由图1-1可清楚地看到在较高的可靠性（如LOLP=0.1）时，风光互补独立供电系统成本最小，其次是独立风力发电系统，而太阳能独立供电系统成本最高。

从仿真的结果上看，采取风光互补独立供电系统是在这三种供电方式中最经济、最可靠的方式[4]。

图1-1风光互补、光伏、风力供电结果比较

1.5存在问题

其效率较低造价昂贵技术有待改进管理不够完善等因素。

而且风电和光电系统都存在由于资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡问题，所以风电和光电系统都必须通过蓄电池储能才能稳定供电。

但每天的发电受天气的影响很大导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态。

使得蓄电池组使用寿命降低。

1.6主要内容

通过介绍我国风能和太阳能资源情况，及风光互补研究进展，对风能、太阳能和风光互补进行了对比。

确立了风光互补系统设计方案，为沈阳农业大学工程学院农业建筑环境与能源工程专业的专业科研楼（）的过道照明，立面亮化，路灯照明的用电进行风光互补发电的设计。

在收集风能和太阳能资源的基础上，确定院内路灯、科研楼过道及整体立面亮化设计的方案。

设计内容包括：

（1）院内路灯的风光互补设备的设计；

（2）科研楼过道照明及立面亮化发电设备的计算和选择；（3）相关设备的选取及布置。

2风光互补系统原理

光电系统的原理是将太阳能通过光电板转化成电能，在通过控制器充电至蓄电池，然后通过逆变器对荷载供电。

其优点是系统的可靠性高、运行和维护成本低，缺点是造价成本高、部分地区的太阳辐射量较小，供能不足[5]。

风电系统的原理是将风能通过小型风机转化为电能，再利用控制器对蓄电池充电，然后通过逆变器对荷载供电。

其优点是系统单位时间发电量大，系统造价、运行和维护成本低，但是大部分地区风能供应量随季节和天气变化较大，可靠性不足。

风光互补发电系统利用风能和太阳能的强互补性，解决了单独的风电系统和光电系统在能量来源不足方面的问题。

并且风电系统和光电系统整体原理相似，在电能存储和逆变环节是通用的，因此风光互补发电系统的整体造价要比单独的风电和光电系统的造价要低，系统的建造和维护成本趋于合理[6]。

2.1风光互补发电系统结构

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、交直流负载等部分组成，如图2-1所示。

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，可以划分成４大环节，即发电部分、储能部分、控制部分及逆变部分。

图2-1风光互补发电系统结构

2.1.1发电部分

风力发电机组和光伏电池组是该系统的发电部分。

风力发电部分是先利用风力机将风能转换成机械能，再通过风力发电机将机械能转换成电能；光伏发电部分是利用太阳能电池板的光生伏打效应，将光能转换成电能。

在风光互补发电系统中，风能和太阳能可以独立发电也可以混合共同发电，具体要采用哪种发电形式，主要取决于当地的自然资源条件和发电的综合成本。

通常情况下，在风能资源较丰富的地区宜采用风能发电，而在光照较好的地区宜采用光伏发电。

就成本而言，风能发电的综合成本要远低于太阳能光伏发电的综合成本。

所以，根据风能和太阳能在时间和地域上的互补性，合理地将二者进行最佳匹配，既可实现供电的可靠性，又能降低发电系统的综合成本[7]。

（1）风力发电原理

风力发电机组进行发电时，要求输出电频率保持恒定。

这不论对风力并网发电还是风光互补运行都是必要的。

要保证风电的频率恒定，就要采取相应的措施。

一种方式就是保证发电机的恒定转速，即恒速恒频的运行方式，因为发电机由风力机经过传动装置进行驱动运转，所以这种方式无疑要恒定风力机的转速，这肯定会影响到风能的转换效率；另一种方式就是发电机转速随风速变化，通过其它的手段保证输出电能的频率恒定，即变速恒频运行[8]。

前面提到的风力机风能利用系数（该系数跟叶尖速比（叶轮尖的线速与风速的比值）有关），根据贝兹极限[9]，存在某一确定的叶尖速比使Cp达到最大值。

因此，在变速恒频的运行方式下，风力机和发电机的转速可在很大范围内变化而不影响输出电能的频率，这就给我们提供出条件来采取适当的措施使风力机的叶尖速比接近最佳值，从而更大限度地利用风能。

风力机的能量转化风轮从风中吸收的功率可以用下面的公式表示，即[10]

（2-1）

A=πR2（2-2）

式中:

P为风轮输出的功率,W；

Cp为风轮的功率系数为0.593；

A为风轮扫掠面积,m2；

ρ为空气密度kg/m3；

v为风速，m/s；

R为风轮的半径，m。

如果接近风力机的空气全部动能都被转动的风轮叶片所吸收，那么风轮后的空气就不动了，然而空气不可能完全停止，所以风力机的效率总是小于1。

各种类型的风力机都只能从风能中获取一部分能量。

风力机从自然风能中吸收的能量大小程度通过风能利用系数CP进行衡量。

风能利用系数定义为风轮吸收的能量和风能的总能量之比，即

（2-3）

（2-4）

式中：

W是风轮吸收到的能量；

W1为远前方风的总能量；

V0是风力机远前方风速。

（1）光伏阵列发电原理

风光互补发电系统中，由光伏阵列负责将太阳光辐射转换成电能。

光伏发电阵列是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳能直接转化为电能的。

常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。

晶体硅太阳能电池由一个晶体硅片组成，在晶体硅片的上表面紧密排列着金属栅线，下表面是金属层。

硅片本身是P型硅，表面扩散层是N区，两个区的连接处称为PN结。

PN结形成一个电场。

太阳能电池的顶部被一层减反射膜所覆盖，以便减少太阳能的反射损失。

光生伏打效应就是在这样的结构下产生的。

光是由光子组成的，而光子是含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波长决定。

光被晶体硅吸收后，在PN结中产生一对的正、负电荷，由于在PN结区域的正、负电荷被分离，于是一个外电场就产生了，将一个负载连接在太阳能电池的上、下两表面间时，将有电流流过负载，于是太阳能电池就产生了电流，电流从晶体硅片电池的底端经过负载流至电池的顶端。

太阳能电池吸收的光子越多，产生的电流也就越大[11]。

目前世界上有三种已经商品化的硅太阳能电池，即单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。

单晶硅电池材料成本比较昂贵；多晶硅电池的效率一般要比单晶硅电池稍低，但是它的成本比单晶硅电池要低；非晶硅太阳能电池属于薄膜电池，造价低廉，但是光电转换效率比较低，稳定性也不如晶体硅太阳能电池，目前多用于弱光性电源，如手表、计算器等的电池[12]。

太阳能电池单体是光电转换的最小单元，它的尺寸一般为4cm2到100cm2。

太阳能电池单体的工作电压为0.45-0.50V，工作电流为20-25mA/cm2，一般不能单独作为电源使用。

将太阳能电池单体进行串联、并联并封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。

太阳能电池组件再经过串联、并联并封装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，它可以满足负载所要求的输出功率[13]。

2.1.2控制部分

控制部分主要是根据风力大小、光照强度及负载变化情况，不断地对蓄电池组的工作状态进行切换和调节。

风光互补控制器，是整个系统中最重要的核心部件，一般采用无极卸载方式对蓄电池进行管理与控制，一方面把调节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储存起来，当发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池储存的电能送给负载。

在这一过程中，控制器要控制蓄电池不被过充或过放，从而保证蓄电池的使用寿命，同时也保证了整个系统工作的连续性和稳定性。

2.1.3储能部分

蓄电池在整个发电系统的作用：

一是储能，由于自然风和日照是不稳定的，在风、日照充足的条件下，可以存储供给负载后多余的电能，在风力、日照不佳的情况下，可以输出电能给负载；二是稳压，风力发电机的转速和输出电压的大小取决与风速的大小，由于自然风的变化极大，随机性强，使得电压浮动范围很大，通过蓄电池调节，供电电压可以保持稳定；三是风光互补，风力发电与光伏发电是两个独立发电系统，它们在某个时刻的发电强度有很大差别，利用蓄电池可以将二者产生的电能结合起来，实现二者的互补。

蓄电池容量配置是否合理，对小型风光互补发电的技术经济指标影响很大。

铅酸蓄电池价格低廉、性能可靠、安全性高，且技术上又不断进步和完善。

本文采用铅酸蓄电池作为风光互补发电系统的储能装置。

在系统中蓄电池除了将电能转化成化学能储存起来，使用时再将化学能转化为电能释放出来外，还起到能量调节和平衡负载的作用[14]。

铅蓄电池的放电过程是化学能转变为电能的过程。

蓄电池供给外电路电流时称为放电，放电时电流从正极流出，经用电器流向负极。

在蓄电池内部的电流方向则与上述方向相反，电流是从负极流向正极的。

在电流的作用下，电解液内部处于电离状态，硫酸和正负极板上的活性物质反应形成硫酸铅，硫酸量逐渐减少，硫酸中的氢和正负极板上的二氧化铅的氧气发生反应变成水。

根椐电解液相对密度的大小可以判断蓄电池的放电程度和确定放电终了的主要标志。

必需注意在正常使用情况下，蓄电池不宜放电过度，否则，将使和活性物质在一起的细小硫酸铅结成较大的结晶，增大了极板电阻，影响充电时的还原。

铅蓄电池的充电过程是电能转换成化学能的过程。

若使铅蓄电池在放电终了后，使正负极板上的生成物质恢复为原来的活性物质，就必须具备一定的条件，这个条件是利用直流电源进行充电。

充电的过程与放电过程正好相反，铅蓄电池内部电流方向是从正极流向负极，充电的电流即从负极流出，经过充电设备流向正极。

在充电电流的作用下，正负极板上硫酸铅分形成二氧化铅和铅，硫酸反回电解液中，当电池充电后，两极板活性物质被恢复为原来的状态，而且电解液中的硫酸成份增加，水份减少。

铅蓄电池充电终期可由电解液相对密度的大小来判断。

充电终期时，由于正负极上的硫酸铅已大部分转变成二氧化铅和海绵状铅。

如果再继续充电，充电电流只能起分解水的作用，结果在负极板便有氢气逸出,在正极板则有氧气逸出，形成强烈的冒气现象。

因此充电终期，电流不宜过大，否则，产生气泡过于剧烈，易使极板活性物质脱落，所以充电电流应适当的减小。

防反充二极管又称阻塞二极管，其作用是避免由于太阳能电池方阵在阴雨天和夜晚不发电或出现短路故障时，储能部件通过太阳能电池方阵放电，这种对太阳能电池的反向放电会致其损坏。

防反充二极管串联在太阳能电池方阵电路中，起到单向导通的作用。

它必须能承受足够大的电流，而且正向导通的电压降要小，反向饱和电流也要小。

一般可选用合适的整流二极管作为防反充二极管[15]。

2.1.4逆变部分

逆变器的作用是把蓄电池中的直流电能变换成交流电，供交流负载设备的正常使用，可由一台或几台逆变器组成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[16]。

由于蓄电池输出的是直流电，因此只能给直流负载供电。

而在实际生活和生产中，用电负载有直流负载和交流负载2种，当给交流负载供电时，必须将直流电转换成交流电提供给用电负载。

逆变器就是将直流电转换为交流电的装置，也是风光互补发电系统的核心部件之一，系统对其要求很高。

此外，逆变器还具有自动稳压的功能，可有效地改善风光互补发电系统的供电质量。

无论是对于光伏并网发电系统、风能并网发电系统，还是对风光互补并网发电系统，逆变器都是必不可少的关键组成部件。

逆变器的转换效率以及对逆变系统的控制效果将直接关系到整个系统的运行经济性、有效性和可靠性。

在并网式风光互补发电系统中，虽然整个系统及其生产的并网用电是整合统一的，但是由于系统主要是利用了风光资源在时间上的互补性，而且由于光伏发电和风能发电各自的特点也很不相同，所以光伏发电与风能发电在实际的系统中是相对独立的，而且使用相对独立的逆变器构成各自的逆变系统，最后在当地电网处整合并网。

2.1.5风光互补发电系统智能充电控制的设计

在风光互补发电系统中逆变器输入端的能量来源于蓄电池，而蓄电池中储存的能量来源于太阳能和风能这两种绿色能源。

系统具体构成参数由使用时最大用电负荷与日平均用电量所决定。

最大用电负荷是选择系统逆变器容量的最根本依据，而平均日发电量则是选择太阳能光伏板及风机和蓄电池组容量的依据。

同时系统安装地点的风光资源状况也是确定光电板和风机容量的另一个依据。

风光互补发电系统中铅酸蓄电池的充电控制方法直接影响到系统的性能。

充电控制方法的优劣影响到铅酸蓄电池的荷电量的大小，也关系到蓄电池的使用寿命。

选择合理的充电控制方法尤为重要。

本设计采用了基于单片机控制的三阶段智能充电方法。

所谓三阶段智能充电是指充电过程中的3个阶段[17]，即主充电阶段、限流充电阶段、浮充阶段。

第一阶段主充电阶段，由电压采样电路获取蓄电池的电压状况，当电压小于标准开路电压时，由最大功率点跟踪策略来找出风光互补系统的最佳工作点，以最大功率点电流对蓄电池进行充电。

太阳能电源、风力发电机以其所能提供的最大电流对蓄电池充电。

由于太阳能光伏电池和风力发电机的电流与天气状况有关，所以大电流的取值将在一定范围之内。

保持大电流充电至后，进入第二阶段。

第一阶段的充电程度可达70%～90%。

第二阶段过限流充电阶段，以恒定的标准电压充电，以恒定的标准电压充电，在此阶段，蓄电池仍未充满，但是为了避免充电电流过大而造成电池极化，要对充电电流进行逐渐的降低。

随着蓄电池端电压的进一步升高，电池电流进一步降低，直到到达浮充电流（浮充电流一般为0.015C）值时，第二阶段结束。

进入第三阶段。

第二阶段的充电程度近100%。

但为了防止蓄电池浅放电，并且使端电压维持在相对稳定的值域，要对其进行浮充电。

即以浮充电流值对蓄电池进行涓流充电，直到蓄电池亏电，然后进行下一个周期的充电过程[18,19]。

2.1.6用电负载

并网用风光互补发电系统的用电负载根据不同的系统布置会有一定的区别。

在可调度式系统中，由于系统有蓄电池存在，因此可以同时满足直流负载和交流负载的两种负载形式，通过逆变控制器可以协调直流负载与交流负载同时工作且满足并网需求；在不可调度式系统中，蓄电池不存在，光