風能和太陽能聯合供電在水文自動監測站中的應用及推廣實驗分析

惠 妍，蔣丹哲，董號強

（1.咸陽水文水資源勘測中心,陜西 咸陽 712000；2.漢中水文水資源勘測中心,陜西 漢中 723000；3.渭南水文水資源勘測中心,陜西 渭南 714000）

1 前言

咸陽市地處關中中部,遙測站點多為川道平原區和黃土高原溝壑區,日照不均勻,傳統的蓄電池加太陽能供電方式經常由于電力不足導致數據傳輸中斷。風能和太陽能是目前眾多可再生新能源中,應用潛力最大、最具有開發價值的兩種。近年來,風力和太陽能發電技術發展很快,其獨立技術應用已經成熟。根據風光的互補特性,使用風光互補系統可以很好地解決發電系統的供電問題,實現連續、穩定的供電。本文以渭河川道平原區、黃土高原溝壑區風能和太陽能聯合發電監測數據為基礎,分析掌握該地貌特征風光互補聯合發電規律。

2 實驗方法

根據楊凌區和旬邑縣當地自然地理條件,以及設備實際耗電量,設計性價比最高的風光聯合供電系統。

2.1 組成與原理

風能和太陽能聯合供電水文自動監測站組成,包括自動水文監測站設備、通訊終端、風能供電、太陽能供電、風光互補控制器和蓄電池。

2.2 設備負載設計

根據設備基本情況進行耗電量統計,河道視頻監控主要設備有：云臺、視頻監控攝像頭、風光互補器、電壓逆變器等設備。其中風光互補器、電壓逆變器為24 小時工作,視頻監控攝像頭間斷性使用,在全功率工作狀態下功率為16 W,靜止狀態功率5 W。主要耗電量見表1。

表1 視頻監控系統主要設備功耗表

2.3 蓄電池設計

蓄電池的配置與充電控制是風光互補應用的關鍵。在無風無太陽的天氣情況下,設備完全不能自主發電,電池必須要滿足連續陰雨天7 天的供電需求。

本項目使用2 組12V200AH 的電池組,滿足需求。

2.4 太陽能光伏板設計

考慮全年光照最差的季節,光伏板每天產生的電能可以滿足負載的每日用電需求。

根據氣象數據和站點的自然環境,太陽光可達到額定光照強度的時間4 h/d,全天額度發電時間按6 h,轉換效率按18%計,全天發電量為432 W·h。本項目,太陽能板采用400W,滿足需求。

2.5 風力發電機選用

風速隨著高度的變化會變化,風力發電對風機葉片的安裝高度很敏感。在小型風光互補供電系統中,風機的參數大多靠經驗配置。為了保證實驗的準確性,本項目選用的風機設備規格相同。

根據氣象數據和站點的自然環境,平均風速3 m/s,1 h/d,轉換效率按16%計,全天發電量為64 W·h。本項目,選用400 W 風力發電機1 臺,風輪直徑1.5 m,啟動風速2.5 m/s,3.0 m/s 切入風速,滿足需求。

2.6 蓄電池設計

設備總用電量：16.8 W×24 h×7 d=2822 W·h,電池使用7 天后剩余電量：400 A·h×12 V×90%-2822 W·h=1498 W·h。風能和太陽能每天聯合發電量：432+64=496 W·h。

蓄電池連續使用7 天,有風日照正常無故障持續供電,該組電池充滿電需：2822 W·h/496 W·h ≈5.7 d；無風日照正常無故障持續供電, 該組電池充滿電需：2822 W·h/432 W·h ≈6.5 d；有風連陰雨狀態下無故障持續供電,該組電池充滿電需：2822 W·h/64 W·h ≈44 d。

3 氣象條件分析

選取《咸陽市氣象局峰值日照時數》2020 年6 月～2020年12 月的資料,利用光伏系統實用計算公式進行風光互補系統中太陽能發電可靠性的分析,把系統數據與當地的氣象條件做比較,論證是否符合當地的氣象條件。其主要參照的太陽能輻射參數是當地峰值日照時數。

3.1 旬邑縣城氣象資料分析

太陽能電池總功率和蓄電池容量,以12 月份最差峰值日照時數計算：

因為當地環境比較好,植被覆蓋率高,損耗系數選1.6。

本項目,太陽能光伏板按照400 W 設計,蓄電池按照400 A·h 設計。可滿足旬邑縣城氣象資料的合理性和可靠性。

3.2 楊凌區氣象資料分析

太陽能電池總功率和蓄電池容量,以12 月份最差峰值日照時數計算：

因為當地環境比較好,植被覆蓋率高,損耗系數1.6。

本項目,太陽能光伏板按照400 W 設計,蓄電池按照400 A·h 設計。可滿足旬邑縣城氣象資料的合理性和可靠性。

4 用電需求

根據《水文自動測報系統技術規范》（SL 61-2003）規范的要求,遙測站在連續無日照情況下能正常工作30天以上；能在特大暴雨、狂風、雷電、停電等惡劣條件下正常工作；保證在30 天連續陰雨天氣情況下,能維持蓄電池正常工作；在連續30 天陰雨天氣后,能在7 天時間內,將蓄電池充足。

4.1 日需求量

視頻監控系統工作模式下全額功率16.87 W,待機狀態下功率5.87 W,按照實際運行情況,每天平均實際開機時間約4 h, 實際耗電量為0.18 kW·h, 估算半年實際耗電量為33.9 kW·h。

4.2 日發電量

根據氣象數據和站點的自然環境,太陽光可達到額定光照強度的時間4 h/d,全天額度發電時間按6 h,轉換效率按18%計,發電量約為2.592 kW·h；咸陽地區平均風速3 m/s,1 h/d,轉換率按16%計,發電量約為0.00064 kW·h。

4.3 供需是否平衡

本項目中,太陽能發電量為2.592 kW·h,風能發電量為6.4×10-4kW·h,風能和太陽能總共的發電量為2.593 kW·h,實際項目每天耗電量為0.185 kW·h,電量供需平衡。

5 數據收集處理分析

按照不同地貌類型,在關中渭河川道平原區楊凌水位站和咸陽北部黃土高原溝壑地區旬邑水文站安裝發電量遠程監測設備,收集6 月～12 月發電量數據。

5.1 監測數據

本次選用不同地貌2 處監測點,收集6 月～12 月風能和太陽能發電量。對監測數據每天進行統計,每旬進行合理性檢查。

5.2 數據可靠性分析

5.2.1 理論發電量計算

根據旬邑站時段降雨量表及相關氣象數據,采用以下公式進行計算（單位：kW·h）：

太陽能：（月天數-降雨天數）×日照時長/天（6 小時）×400 W×18%（轉換系數）=累計發電量。

風能：啟動天數×風速歷時/天（1 小時）×400 W×16%（轉換系數）=累計發電量。

5.2.2 發電量與實際監測值誤差分析

為了充分證明本次設備采集風能和太陽能聯合供電系統發電量數據可靠性,采用2020 年6 月1 日～12 月21 日風能和太陽能實際監測數據與理論數據進行對比分析。統計結果見表2～表3。

表2 楊凌水位站風能和太陽能實際監測值和理論發電量對比表 單位：kW·h

表3 旬邑水文站風能和太陽能實際監測值和理論發電量對比表 單位：kW·h

從表2、表3 對比結果來看,楊凌站、旬邑站6 月～12 月太陽能發電量理論值與實際值差值在-7.4 kW·h～1.0 kW·h與-6.8 kW·h～-0.1 kW·h 之間。楊凌站、旬邑站12 月太陽能發電量實際監測數據與理論數據相差較大,調取楊凌、旬邑站雨量年多日日降水表得知,楊凌、旬邑地區2020 年降水量與多年均值相比偏豐2～3 成,降水天數較往年偏多。故發電量監測期間日照不足,影響實際太陽能發電量。

楊凌站、旬邑站6 月～12 月風能發電量理論值與實際值差值在-1.9 kW·h～-0.1 kW·h 與-2.3 kW·h～-0.3 kW·h 之間。其中楊凌站7、9、10 月風能和旬邑站6、7、12 月風能發電量差值較小,其余月份誤差相對較大,由于風光聯合供電有一定相關性,通過監測數據可知,風能發電量誤差較大月份其太陽能發電量誤差就較小,符合現實的自然規律。

5.3 相關性分析

根據表2～表3,進行相關分析,理論與實際發電量的相關系數分別為0.9778、0.9398、0.9869、0.9408,相關性均較好。

5.4 數據可靠性

通過以上對比分析,楊凌站、旬邑站風能和太陽能聯合供電理論值與實際值基本接近,監測數據可靠。

5.5 發電量規律分析

5.5.1 太陽能發電量統計

根據風光互補聯合供電監測數據,渭河川道平原區（楊凌水位站）太陽能發電量6 月～9 月較大,月均發電量為7.3kW·h。10 月～12 月較小,月均發電量為4.9 kW·h。6 月～12 月半年發電量為43.7 kW·h。

黃土高原溝壑區（旬邑水文站）太陽能發電量6 月～9 月較大,月均發電量為8.2 kW·h。10 月～12 月較小,月均發電量為5.1 kW·h。6 月～12 月半年發電量為47.7 kW·h。

5.5.2 風能發電量統計

渭河川道平原區（楊凌水位站）風能發電量6 月～9 月較大,月均發電量為1.3 kW·h。10 月～12 月較小,月均發電量為0.8 kW·h。6 月～12 月半年發電量為7.3 kW·h。

黃土高原溝壑區（旬邑水文站）風能發電量6 月～9 月較大,月均發電量為1.8 kW·h。10 月～12 月較小,月均發電量為0.82 kW·h。6 月～12 月半年發電量為9.8kW·h。

5.5.3 風光聯合發電量統計

渭河川道平原區（楊凌水位站）風太陽能發電量6 月～9 月較大,月均發電量為8.5 kW·h。10 月～12 月較小,月均發電量為5.7 kW·h。6 月～12 月半年發電量為51 kW·h。

黃土高原溝壑區（旬邑水文站）風太陽能發電量6 月～9 月較大,月均發電量為10 kW·h。10 月～12 月較小,月均發電量為5.8 kW·h。6 月～12 月半年發電量為57.4 kW·h。

5.5.4 發電量規律

根據上述發電量統計,渭河北岸黃土高原溝壑區風能、太陽能發電量略大于渭河川道平原區。渭河川道平原區風能發電量占聯合發電量的14.3%,黃土高原溝壑區風能發電量占聯合發電量的17%。總體上風能發電量占比不超20%。

5.6 保證率和供電量

從實際發電量記錄表中可知,楊凌站、旬邑站的風能和太陽能聯合供電系統可每日在線供電,發電量保證率較高。從發電量統計表中可知,旬邑站6 月～12 月風能和太陽能聯合發電量為57.4 kW·h,楊凌站為51.0 kW·h,風能和太陽能聯合發電量能夠滿足視頻監控站的耗電量需求。

6 結論及建議

6.1 結論

（1）發電量供電保證率達100%,能解決偏遠山區建設自動監測站供電困難實際問題。

（2）楊凌站半年太陽能累計發電量為43.7 kW·h,風能和太陽能聯合發電量為51.0 kW·h；旬邑站半年太陽能累計發電量為47.7 kW·h,風能和太陽能聯合發電量為57.4 kW·h,設備總需求電量為33.9 kW·h,綜上風能和太陽能聯合發電量能夠滿足視頻監控站的耗電量需求。

6.2 建議

本次研究分析只涉及渭河川道平原區和渭北黃土高原溝壑區,其它地形需要繼續根據實地基礎建設,設計安裝相應設備進行風能和太陽能聯合發電系統的研究分析,對風能和太陽能聯合發電系統進行推廣。