風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究

李習(xí)武

摘 要：風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是將風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電組合起來(lái)構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)。整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池陣列、光伏方陣直流防雷匯流箱、控制器、逆變器、交流防雷配電柜、防雷接地裝置、蓄電池組、測(cè)量設(shè)備等各部分組成。闡述了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)系統(tǒng)各部分的構(gòu)成特點(diǎn)及設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電；風(fēng)力發(fā)電；太陽(yáng)能光伏發(fā)電；控制器

中圖分類號(hào)：TM614；TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）20-0002-02

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)作為一種綜合利用光能、風(fēng)能的電源系統(tǒng)，一方面可為供電不便地區(qū)的電網(wǎng)提供高可靠性、低成本的電源；另一方面也可為有效解決當(dāng)前的環(huán)境污染和能源危機(jī)提供新的發(fā)展思路。單獨(dú)的太陽(yáng)能、風(fēng)能系統(tǒng)通常會(huì)受到地域、時(shí)間上的限制，尤其是無(wú)法全天候地利用太陽(yáng)能或風(fēng)能。然而，太陽(yáng)能和風(fēng)能在時(shí)間、地域上具有非常強(qiáng)的互補(bǔ)性特點(diǎn)。比如，白天光照較強(qiáng)時(shí)，風(fēng)速較小；而夜間光照較弱時(shí)，風(fēng)速則會(huì)因地表溫差變化不斷地增大。從這一層面來(lái)講，太陽(yáng)能和風(fēng)能在時(shí)間上是可以相互彌補(bǔ)的。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)具體的構(gòu)成參數(shù)取決于實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的最大用電負(fù)荷和日均發(fā)電量。其中，最大用電負(fù)荷是系統(tǒng)逆變器容量選擇的主要依據(jù)；而日均發(fā)電量則是風(fēng)機(jī)容量、光電板容量和蓄電池組容量選擇的主要依據(jù)。光伏發(fā)電單元采用的是光電板，可以對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)化，利用智能管理核心實(shí)現(xiàn)充電、放電以及逆變；而風(fēng)力發(fā)電單元主要是利用一些小型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)風(fēng)能進(jìn)行有效轉(zhuǎn)化，通過(guò)智能管理核心對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行充、放電管控。從應(yīng)用實(shí)踐來(lái)看，上述2個(gè)基本單元在能源采集層面上表現(xiàn)出一定的互補(bǔ)性，而且各具特色，2套系統(tǒng)相互補(bǔ)充大大提高了供電的安全性。

1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖1所示為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)是集風(fēng)能、

太陽(yáng)能和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)合再生能源發(fā)電系統(tǒng)。

1.1 光伏電池陣列

太陽(yáng)能電池單體作為光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中的最小單元，面積僅有4～100 cm2。通常情況下，太陽(yáng)能電池單體應(yīng)用過(guò)程中的電壓只有0.5 V，電流大約為20～25 mA/cm2，因此，實(shí)際操作過(guò)程中不可將其單獨(dú)用作電源。太陽(yáng)能電池單體串、并聯(lián)封裝完成后，構(gòu)成了電池組，此時(shí)的功率為幾瓦至幾十瓦，可單獨(dú)用作電源。太陽(yáng)能電池組件以后，經(jīng)串、并聯(lián)后將其安裝在支架上，此時(shí)便構(gòu)成了一個(gè)電池方陣，可滿足負(fù)載輸出功率的要求。實(shí)踐中，為滿足實(shí)際應(yīng)用要求，需要將太陽(yáng)能電池用導(dǎo)線連接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)電池組件。一般來(lái)說(shuō)，每個(gè)組件上的太陽(yáng)能電池?cái)?shù)量為36片（規(guī)格為10 cm×10 cm），即每個(gè)組件可以產(chǎn)生17 V的電壓，能夠?yàn)?2 V的額定電壓蓄電池充電。太陽(yáng)能電池組件通常具有防風(fēng)、防腐、防雹和防雨等功能，而且在各領(lǐng)域和各系統(tǒng)中的應(yīng)用都非常廣泛。當(dāng)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中所需的電壓、電流相對(duì)較高，單一的組件無(wú)法滿足要求時(shí)，可同時(shí)將多個(gè)組件并聯(lián)在一起，構(gòu)成一個(gè)電池方陣，以此來(lái)提高電壓、電流值。對(duì)于太陽(yáng)能電池而言，其安全性和可靠性主要取決于防風(fēng)、防腐、防雹和防雨能力與強(qiáng)度，主要的潛在質(zhì)量問(wèn)題為邊沿密封、組件背面接線盒問(wèn)題。太陽(yáng)能電池前面為玻璃板，背面為合金薄片。合金薄片的主要功能是防污、防潮。通常情況下，太陽(yáng)能電板被鑲嵌在聚合物之中，太陽(yáng)能電池組件中的接線盒及電池之間可用導(dǎo)線直接連接。

從實(shí)際運(yùn)用中可以看出，太陽(yáng)能電池組件的輸出功率主要取決于太陽(yáng)能光譜、輻照度以及太陽(yáng)能電池的溫度，因此，太陽(yáng)能電池組件的測(cè)量工作一定要在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行。具體條件為：光譜輻照度1 000 W/m2，大氣質(zhì)量系數(shù)AM1.5，太陽(yáng)能電池溫度25 ℃。滿足上述條件的電池組件的最大輸出功率被稱為“峰值功率”。

1.2 光伏方陣直流防雷匯流箱設(shè)計(jì)

光伏方陣直流防雷匯流箱具有以下特點(diǎn)：①滿足室外應(yīng)用要求；②可接入3～6路電池串列，且每路電流的最大值可達(dá)10 A；③接入最大光伏串列開(kāi)路電壓為900 V；④熔斷器的耐壓值不小于DC1 000 V；⑤每路光伏串列具有二極管防反保護(hù)功能；⑥配有光伏專用高壓防雷器，正極、負(fù)極都具備防雷功能；⑦采用正、負(fù)極分別串聯(lián)的四極斷路器提高直流耐壓值，可承受的直流電壓值不小于DC1 000 V。

1.3 選擇合適的控制器

光伏充電控制器主要包括5種類型，即串聯(lián)型、并聯(lián)型、脈寬調(diào)制型、智能型和最大功率跟蹤型控制器。其中，串聯(lián)型控制器一般用于高功率系統(tǒng)中，且繼電器自身的容量在很大程度上決定著充電控制設(shè)備的功率等級(jí)；并聯(lián)型控制器消耗熱能較多，一般用于小型、低功率系統(tǒng)；脈寬調(diào)制型控制器充電時(shí)能形成較為完整的充電狀態(tài)，可有效延長(zhǎng)光伏系統(tǒng)蓄電池的循環(huán)使用壽命；智能型控制器采用CPU單片機(jī)對(duì)光伏電源系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行高速、實(shí)時(shí)采集，同時(shí)，按照控制規(guī)律和要求，利用相關(guān)軟件程序?qū)Χ嗦贰温饭夥嚵星须x或接通管控；最大功率跟蹤型控制器主要是將太陽(yáng)能電池電壓U與電流I檢測(cè)后相乘，從而得到功率P，據(jù)此來(lái)判斷太陽(yáng)能電池的輸出功率。如果不在最大功率點(diǎn)運(yùn)行，那么需對(duì)脈寬進(jìn)行調(diào)整，調(diào)制輸出占空比D，并對(duì)充電電流進(jìn)行合理調(diào)整。在實(shí)時(shí)采樣時(shí)，需作出是否改變占空比的正確判斷，通過(guò)不斷地尋優(yōu)來(lái)保證太陽(yáng)能電池在最大功率點(diǎn)運(yùn)行，并利用太陽(yáng)能電池方陣將能量輸出來(lái)。

1.4 選擇合適的光伏逆變器

對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變器有以下幾點(diǎn)要求：①具有較高的逆變效率；②具有較高的可靠性；③直流輸入電壓有較廣的適用范圍；④逆變器的輸出應(yīng)為失真度較小的正弦波。

1.5 交流防雷配電柜設(shè)計(jì)

配電柜加裝電涌保護(hù)器，經(jīng)交流斷路器接入用戶系統(tǒng)，并配備數(shù)字式發(fā)電計(jì)量表。每臺(tái)交流配電柜都裝有電壓表和輸出電流表，可以直觀地顯示發(fā)電單元的電壓和電流。

1.6 防雷接地裝置

實(shí)踐中，為保證風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性，防止出現(xiàn)因雷擊、浪涌等意外因素造成的系統(tǒng)器件損壞，防雷接地裝置的布設(shè)是必不可少的。

1.6.1 接地裝置

在配電室基礎(chǔ)設(shè)施、太陽(yáng)能電池方陣的建設(shè)過(guò)程中，擬建地點(diǎn)周圍的土層一定要厚，而且要潮濕，地線坑的開(kāi)挖深度為1～2 m，并且利用40×4扁鋼將地線引出來(lái)，接地電阻應(yīng)小于4 Ω。

1.6.2 直流側(cè)防雷方法

電池支架應(yīng)當(dāng)有效接地，太陽(yáng)能電池陣列連接電纜接入光伏方陣直流防雷匯流箱。光伏方陣直流防雷匯流箱內(nèi)配備高壓防雷器保護(hù)設(shè)備，電池陣列匯流后接入直流防雷配電柜，經(jīng)多級(jí)防雷設(shè)備保護(hù)可避免雷擊，以免損壞設(shè)備。

1.6.3 交流側(cè)防雷方法

每臺(tái)逆變器交流輸出需經(jīng)過(guò)交流防雷柜（內(nèi)部配備防雷保護(hù)設(shè)備）接入用戶，以免出現(xiàn)雷擊、浪涌現(xiàn)象。此外，應(yīng)保證接地柜接地。

1.7 選擇合適的蓄電池組

蓄電池組是光伏電站的貯能設(shè)備。通過(guò)蓄電池組將太陽(yáng)能電池方陣從太陽(yáng)輻射能有效轉(zhuǎn)換來(lái)的直流電轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，然后貯存起來(lái)。蓄電池主要參數(shù)為蓄電池的電壓、容量和型號(hào)。

1.8 測(cè)量設(shè)備

對(duì)于小型電池發(fā)電系統(tǒng)而言，只需對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單測(cè)量即可，比如蓄電池電壓、充放電電流等，測(cè)量所用到的電壓表、電流表通常都安裝在控制器面板上；就太陽(yáng)能通信電源、陰極保護(hù)系統(tǒng)而言，通常需要對(duì)其進(jìn)行更多參數(shù)的測(cè)量，比如太陽(yáng)能輻射量、充放電電量和環(huán)境溫度等，甚至需對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、遙控和數(shù)據(jù)打印，此時(shí)需對(duì)太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)配備智能化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2 結(jié)論

將太陽(yáng)能和風(fēng)能作為再利用資源，可使風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不間斷的供電。在太陽(yáng)能和風(fēng)能資源豐富的偏遠(yuǎn)地區(qū)，由于負(fù)荷比較分散，用電量相對(duì)較少，長(zhǎng)距離輸配電投資和損耗都很大，因此沒(méi)有必要實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)用電量的需求越來(lái)越大，相信風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)將會(huì)有更加廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

[1]劉志煌.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2009.

[2]吳春華.光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變技術(shù)研究[D].上海：上海大學(xué)，2008.

[3]周志敏，紀(jì)愛(ài)華.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電實(shí)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

〔編輯：劉曉芳〕

實(shí)踐中，為保證風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性，防止出現(xiàn)因雷擊、浪涌等意外因素造成的系統(tǒng)器件損壞，防雷接地裝置的布設(shè)是必不可少的。

1.6.1 接地裝置

在配電室基礎(chǔ)設(shè)施、太陽(yáng)能電池方陣的建設(shè)過(guò)程中，擬建地點(diǎn)周圍的土層一定要厚，而且要潮濕，地線坑的開(kāi)挖深度為1～2 m，并且利用40×4扁鋼將地線引出來(lái)，接地電阻應(yīng)小于4 Ω。

1.6.2 直流側(cè)防雷方法

電池支架應(yīng)當(dāng)有效接地，太陽(yáng)能電池陣列連接電纜接入光伏方陣直流防雷匯流箱。光伏方陣直流防雷匯流箱內(nèi)配備高壓防雷器保護(hù)設(shè)備，電池陣列匯流后接入直流防雷配電柜，經(jīng)多級(jí)防雷設(shè)備保護(hù)可避免雷擊，以免損壞設(shè)備。

1.6.3 交流側(cè)防雷方法

每臺(tái)逆變器交流輸出需經(jīng)過(guò)交流防雷柜（內(nèi)部配備防雷保護(hù)設(shè)備）接入用戶，以免出現(xiàn)雷擊、浪涌現(xiàn)象。此外，應(yīng)保證接地柜接地。

1.7 選擇合適的蓄電池組

蓄電池組是光伏電站的貯能設(shè)備。通過(guò)蓄電池組將太陽(yáng)能電池方陣從太陽(yáng)輻射能有效轉(zhuǎn)換來(lái)的直流電轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，然后貯存起來(lái)。蓄電池主要參數(shù)為蓄電池的電壓、容量和型號(hào)。

1.8 測(cè)量設(shè)備

對(duì)于小型電池發(fā)電系統(tǒng)而言，只需對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單測(cè)量即可，比如蓄電池電壓、充放電電流等，測(cè)量所用到的電壓表、電流表通常都安裝在控制器面板上；就太陽(yáng)能通信電源、陰極保護(hù)系統(tǒng)而言，通常需要對(duì)其進(jìn)行更多參數(shù)的測(cè)量，比如太陽(yáng)能輻射量、充放電電量和環(huán)境溫度等，甚至需對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、遙控和數(shù)據(jù)打印，此時(shí)需對(duì)太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)配備智能化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2 結(jié)論

將太陽(yáng)能和風(fēng)能作為再利用資源，可使風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不間斷的供電。在太陽(yáng)能和風(fēng)能資源豐富的偏遠(yuǎn)地區(qū)，由于負(fù)荷比較分散，用電量相對(duì)較少，長(zhǎng)距離輸配電投資和損耗都很大，因此沒(méi)有必要實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)用電量的需求越來(lái)越大，相信風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)將會(huì)有更加廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

[1]劉志煌.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2009.

[2]吳春華.光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變技術(shù)研究[D].上海：上海大學(xué)，2008.

[3]周志敏，紀(jì)愛(ài)華.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電實(shí)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

〔編輯：劉曉芳〕

實(shí)踐中，為保證風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性，防止出現(xiàn)因雷擊、浪涌等意外因素造成的系統(tǒng)器件損壞，防雷接地裝置的布設(shè)是必不可少的。

1.6.1 接地裝置

在配電室基礎(chǔ)設(shè)施、太陽(yáng)能電池方陣的建設(shè)過(guò)程中，擬建地點(diǎn)周圍的土層一定要厚，而且要潮濕，地線坑的開(kāi)挖深度為1～2 m，并且利用40×4扁鋼將地線引出來(lái)，接地電阻應(yīng)小于4 Ω。

1.6.2 直流側(cè)防雷方法

電池支架應(yīng)當(dāng)有效接地，太陽(yáng)能電池陣列連接電纜接入光伏方陣直流防雷匯流箱。光伏方陣直流防雷匯流箱內(nèi)配備高壓防雷器保護(hù)設(shè)備，電池陣列匯流后接入直流防雷配電柜，經(jīng)多級(jí)防雷設(shè)備保護(hù)可避免雷擊，以免損壞設(shè)備。

1.6.3 交流側(cè)防雷方法

每臺(tái)逆變器交流輸出需經(jīng)過(guò)交流防雷柜（內(nèi)部配備防雷保護(hù)設(shè)備）接入用戶，以免出現(xiàn)雷擊、浪涌現(xiàn)象。此外，應(yīng)保證接地柜接地。

1.7 選擇合適的蓄電池組

蓄電池組是光伏電站的貯能設(shè)備。通過(guò)蓄電池組將太陽(yáng)能電池方陣從太陽(yáng)輻射能有效轉(zhuǎn)換來(lái)的直流電轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，然后貯存起來(lái)。蓄電池主要參數(shù)為蓄電池的電壓、容量和型號(hào)。

1.8 測(cè)量設(shè)備

對(duì)于小型電池發(fā)電系統(tǒng)而言，只需對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單測(cè)量即可，比如蓄電池電壓、充放電電流等，測(cè)量所用到的電壓表、電流表通常都安裝在控制器面板上；就太陽(yáng)能通信電源、陰極保護(hù)系統(tǒng)而言，通常需要對(duì)其進(jìn)行更多參數(shù)的測(cè)量，比如太陽(yáng)能輻射量、充放電電量和環(huán)境溫度等，甚至需對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、遙控和數(shù)據(jù)打印，此時(shí)需對(duì)太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)配備智能化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2 結(jié)論

將太陽(yáng)能和風(fēng)能作為再利用資源，可使風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不間斷的供電。在太陽(yáng)能和風(fēng)能資源豐富的偏遠(yuǎn)地區(qū)，由于負(fù)荷比較分散，用電量相對(duì)較少，長(zhǎng)距離輸配電投資和損耗都很大，因此沒(méi)有必要實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)用電量的需求越來(lái)越大，相信風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)將會(huì)有更加廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

[1]劉志煌.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2009.

[2]吳春華.光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變技術(shù)研究[D].上海：上海大學(xué)，2008.

[3]周志敏，紀(jì)愛(ài)華.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電實(shí)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

〔編輯：劉曉芳〕