风光互补发电系统设计

5.3.1风光互补发电系统设计

风能和太阳能都具有能量密度低、稳定性差的弱点，并受到地理分布、季节变化、昼夜交替等影响．然而太阳能与风能在时间上和地域上一般都有一定的互补性，白天太阳光最强时，风较小，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，太阳光强度小而风大。太阳能发电稳定可靠，但目前成本较高，而风力发电成本较低，随机性大，供电可靠性差。若将两者结合起来，可实现昼夜发电．在合适的气象资源条件下，风光互补发电系统能提高系统供电的连续性、稳定性和可靠性，在很多地区得到了广泛的应用．

如图5.1为某地10月份某日典型的太阳能和风资源分布，因此采用风光互补发电系统，可以弥补风能和太阳能间歇性的缺陷。

图5.1 某地10月份典型日太阳能和风能资源分布图

风光互补发电的优势：

（1）利用风能和太阳能的互补性，弥补了独立风电和独立光伏发电系统的不足，可以获得比较稳定的和可靠性高的电源。

（2）充分利用土地资源。

（3）保证同样供电的情况下，可大大减少储能蓄电池的容量。

（4）对系统进行合理的设计和匹配，可以基本上基本上由风光互补发电系统供电，获得较好的经济效益。

（5）大大提高经济效益。

风光互补发电系统主要组成部分

（1）发电部分：由一台或者几台风力发电机和太阳能电池阵列构成风—电、光—电发电部分，发电部分输出的电能通过充电控制器与直流中心完成蓄电池组自动充电工作。

（2）蓄电部分：蓄电部分主要作用是将风电或光电储存起来，稳定的向电器供电。蓄电池组在风光互补发电系统中起到能量调节和平衡负载两大作用。

（3）控制及直流中心部分：控制及直流中心部分由风能和太阳能充电控制器、直流中心、控制柜、避雷器等组成，完成系统各部分的连接、组合及对蓄电池组充放电的自动控制。控制及直流中心具体构成参数由最大用电负荷与日平均用电量决定。

（4）供电部分：供电部分不可缺少的部分是逆变器，逆变器把蓄电池储存的直流电转换为交流电，保证交流负载的正常使用。同时，还有稳压功能，以改善风光互补系统的供电质量。

图5.2风光互补发电系统

设计一个完善的风光互补发电系统需要考虑 多种因素．如各个地区的气候条件，当地的太阳辐 照量情况，太阳能方阵及风力发电机功率的选用， 作为储能装置蓄电池的特性等．因此，必须选择建 立一些先进的数学模型进行多种计算，确定合理 的太阳能电池方阵和风力发电机容量，使系统设 计最优化．

数学模型计算

1.蓄电池容量计算

蓄电池的容量 C 通常按照保证连续供电的 天数来计算：

out

max d D0C U W n C η⨯⨯⨯=

式中：n ——蓄电池连续供电的天数 （根据当地太 阳能和风能的气象数据确定），一般为 2～5 d ；

d W ——为日耗电量，kWh ；

U ——系统工作电压，一般为 24 V 或 12 V ；

max DOC ——蓄电池最大放电深度， 一般取 40%；

out η——由蓄电池到负载的放电回路效率，包 括蓄电池的放电效率、 控制器的效率及线路损耗 等，一般 out η为 95%～98%。

2 . 不同地点和不同高度的风速计

风速随高度的变化情况，地面的平坦度、地表 粗糙度，以及风通道上的气温变化情况的不同而 有所差异¨。风速随高度而变化的经验公式很 多，通常采用指数公式，即 α

υυ⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛=11h h 式中：υ——距地面高度为h 处的风速，m ／s ；

1υ——高度为hl 处的风速，m ／s ； α——风切变指数，它取决于大气稳定度和 地面粗糙度，其值约为1／2～1／8．对 于地面境界层，风速随高度的变化则 主要取决于地面粗糙度，这时一般取 地面粗糙度作为风切变指数．

3. 风力发电量的计算

对于小型风力发电机， 日发电量计算公式如下：

21E E E += (

)ννν/i m ≤ ()∑=H i i N 1/h P E νν ()H m i /ννν≤

∑=i N 2h P E (

)ννν/H i ≤ 式中：

E ——当月发电量，kWh ；

21E E ，——风力发电机在不同风速段的发 电量，kWh ；

i ν——当时风速，m/s ；

m ν——风力发电机启动风速，m/s ；

H ν——风力发电机额定风速，m/s ；

T ν——风力发电机停机风速，m/s ；

N P ——风力发电机额定功率，kW ；

i h ——该月中与i ν相对应的小时数；

选择风机容量应是负载需求的 2～3 倍，最后 用上式来计算风机的日发电量。

4. 太阳电池组件容量

太阳能电池所发电量应为负载所需总电量与 风机所发电量的差， 并且以太阳能的发电量来确 定太阳能电池板的容量。 太阳能电池板每月发容量的数学公式：

3.6A

F F F F F H E 0s p ti m Ti si μη=

式中：

si E ——太阳电池组合板第i 月发出的电能， kWh ；

Ti H ——组合板平面第 i 月单位面积上接受 的辐射量，MJ/m2；

m η——组件的转换效率,通常为 8%～16%；

ti F ——第 i 月组件转换效率的温度修正因 子；

p F ——组件的封装因子,有效电池面积与组 件总面积之比,通常 Fp ＞0.8；

s F ——积尘因子,组件表面积尘时的发电量 与表面完全清洁时的发电量之比， 对于户用系统 Fs 取 1；

F ——组件未工作在最大功率点处影响组 件输出功率的系统性能失配因子，一般 F=0.954.

0F ——由于材料老化、性能下降等其它因素 影响组件输出功率的修正因子，一般 F0 取 0.98；

A ——太阳能电池板的总面积，m2。 通过计算出的太阳电池板的总面积来确定太 阳能电池板的容量。