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目 录
1. 引言... 3 2. 项目技术方案... 3 2.1 风光储互补发电系统的特点... 3 2.2 适合风光储互补地区分析... 4 2.3 风光储互补发电系统的结构... 6 3. 风光储互补发电系统设计及配制方案... 7 3.1 选定地区的气候分析... 7 3.2 斜面辐射量及峰值日照时数... 9 3.3 光伏阵列间距设计... 10 3.4 家用电器功耗分析... 11 3.5 光伏组件及控制器... 11 3.6 风力发电机及控制器... 14 3.7 蓄电池部分... 16 3.8 发电量情况 3.9 配置方案 ... 17 1.引言
能源是国民经济发展和人民生活必须的重要物质基础，在过去的200多年里，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大的推动了人类社会的发展。但是人类在使用化石燃料的同时，带来了严重的环境污染和生态系统破坏。近年来，世界各国逐渐认识到能源对人类的重要性，更认识到常规能源利用过程中对环境和生态系统的破坏，各国纷纷开始根据国情，治理和缓解已经恶化的环境，并把可再生、无污染的新能源的开发利用作为可持续发展的重要内容。太阳能、风能作为一种重要的可再生能源，其具有清洁、无污染、安全、储量丰富的特点，受到了世界各国的普遍重视。自《中华人民共合国可再生能源法》颁布实施以来，包括太阳能风能在内的可再生能源利用事业进入了新的历史发展时期。 风光储互补发电系统是利用风能和太阳能资源的互补性，具有较高性价比的一种新型能源发电系统，具有很好的应用前景。目前随着人们对风光储互补发电技术认识的日渐提高和风光储互补发电技术的不断成熟，其应用领域也越来越广泛，如独立运行于无电地区的集中风光储互补供电系统和户用风光储互补发电系统等。
2. 项目技术方案2.1 风光储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，风光储互补发电系统具有以下特点：（1）风光储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）在风光储互补发电系统中，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）风光储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）风光储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。
2.2 适合风光储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2 中国全年风速大于3m/s小时数分布情况。由下图不难看出在内蒙古东部和东北大部，光照资源和风力资源较为丰富，采用风光储互补供电系统可靠性高。
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储互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性，风光储互补发电系统是资源条件最好的独立电源系统。综合考虑宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西部和西藏西部等地最适合风光互补发电，河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地次之。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储互补发电设备摧毁，因而根据实际地点考虑是否安装风光储互补发电装置。
2.3 风光储互补发电系统的结构风光储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3。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。
（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，可改善风光储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.风光储互补发电系统设计及配制方案 风光储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，本例将以吉林省长春市作为设计地点。
3.1 选定地区的气候分析 长春市位于北纬43°05’～45°15’；东经124°18’～127°05’，居北半球中纬度北温带，其中主城区位于松辽平原腹地的伊通河台地之上 。西北与松原市毗邻，西南和四平市相连，东南与吉林市相依，东北同黑龙江省接壤。长春市地处中国东北平原腹地，市区海拔在250--350米之间，地势平坦开阔。属北温带大陆性季风气候区，在全国干湿气候分区中，地处湿润区向亚干旱区的过渡地带。气温自东向西递增，降水自东向西递减。春季干燥多风，夏季湿热多雨，秋季天高气爽，冬季寒冷漫长，具有四季分明，雨热同季，干湿适中的气候特征长春市年平均气温4.8°C，最高温度39.5°C，最低温度-39.8°C，日照时间2688小时。夏季，东南风盛行，也有渤海补充的湿气过境。年平均降水量522至615毫米，夏季降水量占全年降水量的60%以上；最热月（7月）平均气温23℃。秋季，可形成持续数日的晴朗而温暖的天气，温差较大，风速也较春季小。
3.2 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：
3.3 光伏阵列间距设计阵列倾角确定后，应在南北向前后阵列间留出合理的间距，以避免前后排间出现阴影遮挡。前后间距应满足冬至日上午9：00到下午3：00，组件之间南北方向无阴影遮挡。固定方阵安装好后倾角不再调整。计算光伏组件组件方阵前后安装时的最小间距D，其几何原理如下图所示：
该最小间距确定的一般原则为：冬至日9：00至15：00光伏组件组件方阵前排阴影不会遮挡后排。 一般确定原则：冬至当天早9：00至下午3：00光伏方阵不应被遮挡。 计算公式如下： 太阳高度角的公式：sina = sinf sind+cosf cosd cosw 太阳方位角的公式：sinβ= cosd sinw/cosa 式中： f为当地纬度为43.90°； d为太阳赤纬，冬至日的太阳赤纬为-23.45°； w为时角，上午9:00的时角为-45°。 当地冬至日上午9:00的太阳高度角a=11.04°； 当地冬至日上午9:00的太阳方位角β=-41.37°。 D = cosβ×L，L = H/tana，a = arcsin (sinf sind+cosf cosd cosw) 即： 通过以上公式计算得到： 本项目固定倾角支架的光伏组件排布方式为：光伏组件竖向两块放置，光伏组件之间留有20mm的间隙，故光伏组件固定支架单元倾斜面的宽为3292mm。 由此，45度倾角光伏组件间距计算如下： H＝3292×sin45°≈2327mm （式中45°为安装倾角） 则： D 南北= cosβ×L≈9185mm 光伏组件倾斜45°后，光伏组件上缘与下缘产生相对高度差，阳光下光伏组件产生阴影，为保证在本项目选址地处，冬至日上午九时到下午三时子方阵之间不形成阴影遮挡，经计算，光伏组件倾斜后组件上缘与下缘之间相对高度与前后排安装距离如图7所示。
如上图，当倾角设定为45°时，光伏组件阵列间行间距应大于等于9185mm，此时通道间距应大于等于9185mm，能够在冬至日9:00-15:00之间防止前后排组件的阴影遮挡，并能够满足人员通过的要求。 考虑土建、安装差异和安装误差等因素，45°倾角时将组件行间距定为9200mm。
3.4 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。表1 家庭用电器功耗表（W）
本项目设计最大负荷功率为3kW。
3.5 光伏组件及控制器光伏组件选择的基本原则：在产品技术成熟度高、运行可靠的前提下，结合电站周围的自然环境、施工条件、交通运输的状况，选用行业内的主流光伏组件类型。再根据电站所在地的太阳能资源状况和所选用的光伏组件类型，计算出光伏电站的年发电量，最终选择出综合指标最佳的光伏组件。根据业主需求，本项目光伏组件容量为8KW，风机容量为2kW，用户每日用电量约为6~8度，经计算，需要采用250W多晶硅光伏组件32块，每路由2块串联，共16路。表2为光伏组件的规格参数表。 表2 光伏组件规格
光伏控制器采用高效PWM充电模式，对蓄电池的充放电进行控制；同步可对直流负载进行管理，保证蓄电池工作在安全区域，主要用于蓄电池充电管理。可为牧区、边防、海岛提供照明，也可作为移动通信基站、微波站等的直流电源。控制器是有效控制太阳能发出的电向蓄电池充电,蓄电池向负载放电,使蓄电池在安全工作电压、电流范围内工作的装置。它的控制性能直接影响蓄电池使用寿命和系统效率。本项目选择的光伏控制器规格型号为48V/200A。
表3 光伏控制器规格
3.6 风力发电机及控制器风力发电机是将风能转换为机械能，机械能转换为电能的电力设备。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风力发电机技术，大约是3m/s的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。本项目采用的是1000W水平轴风力发电机，共计2台。其性能特点如下：
表3 1kW风机规格参数
表4 1kW风机控制器规格参数
3.7 蓄电池部分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。
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9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2天； V ：工作电压，取48V。
所以 Bc=720Ah； 我们取型号为GFM-800，单个标准电压为2V，容量800Ah (10h)； 蓄电池串联数=48V÷2＝24 (块)
3.8 发电量情况3.8.1 光伏发电部分： 影响发电量的关键因素是系统效率，系统效率主要考虑的因素有：灰尘、雨水遮挡引起的效率降低、温度引起的效率降低、组件串联不匹配产生的效率降低、逆变器的功率损耗、直流交流部分线缆功率损耗、变压器功率损耗等等。 (1) 灰尘、雨水遮挡引起的效率降低，效率取93%； (2) 温度引起的效率降低，效率取96%； (3) 组件串联不匹配产生的效率降低，效率取96%； (4) 直流部分线缆功率损耗，效率取93%； (5) 逆变器的功率损耗，效率取97%； (6) 交流线缆的功率损耗，效率取98%； (7) 测算系统各项效率：组件灰尘损失、组件温度效率损失、组件不匹配损失、线路压降损失、逆变器效率、交流线路损失等，考虑气候变化等不可遇见自然现象，取0.99的修正系数，则系统综合效率： η =93%×96%×96%×97%×97%×98%×0.99≈78% 因此，光伏电站整体效率为78%。
根据公式：Q = N×P×H×η 其中： N 是当月天数； P 是光伏系统容量，本项目为8kWp； H 是倾斜面上当月日平均太阳辐射量； η是整体效率；
3.8.2 风力发电部分： 对于小型风发电机，通常可用来确定各月的发电量：
3.9 配置方案注：表2与表3主要是蓄电池类型的差异 表2 材料配置表1
表3 材料配置表2
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