风光互补独立供电系统在实际工程中的应用

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摘要：考虑到风能太阳能发电的互补特性，将风力发电装置和光伏发电装置组合成风光复合发电系统，为路灯等用电装置提供能量。实践证明风光互补独立供电系统在资源配置、技术方案和性能价格等方面都是较为合理的独立电源系统。

关键词：风力发电 光伏发电路灯可行性分析

中图分类号：U223.6文献标识码：A文章编号：

Abstract: considering the oddness of wind solar power, wind power and photovoltaic power generation device device combined into scenery composite generating system, such as to provide electricity for street lamp energy device. Practice proves scenery complementary independent power supply system in the allocation of resources, technical scheme and performance in such aspects as the price is reasonable independent power supply system.

Keywords: wind power (pv) power street lamp feasibility analysis

风光混合供电系统结构如图1所示，它是由风力发电机、太阳电池阵列、蓄电池组、充电控制器、逆变器、系统监控系统等组成。风力发电机及太阳能电池发出的电通过控制器贮存在蓄电池中，当负载为直流时，通过控制器直接输送给负载；当负载为交流时则需经逆变器将直流转化为交流再输送给负载。整个系统由能量产生环节、能量存储环节、能量消耗环节三部分组成。能量的产生环节又分为风力发电和光伏发电部分，分别将风力、日照资源转化为高品位的电力能源；能量的存储环节由蓄电池来承担，引入蓄电池的主要作用就是为了尽量消除由于天气等原因引起能量供应和需求的不平衡，在整个系统中起到能量调节和平衡负载的作用；能量消耗环节在本文中主要是指路灯的能量消耗。

图1 风光互补独立供电系统的组成

由于目前系统各部件的价格比较高，所以本系统设计的总原则就是：在保证用户用电需求的前提下，设计出使设备初投资达到最小的一套风光互补独立供电统。

1. 计算负载用电量

对所有负载的用电需求进行分析统计，包括各种用电器具的工作电压、耗电功率、负载性质及平均每天工作时间等。根据以上统计可决定系统的供电类型：交流或直流，预计负载的日耗电量和月耗电量。算出所有负载耗电功率与其日平均工作小时数乘积的总和，即全部负载日耗电量：

式中：――各负载的额定功率，W；

――相应负载日平均工作小时数，h。

2. 计算太阳电池方阵的最佳安装倾角

根据最小二乘法来计算方阵的最佳安装倾角。

3. 选择风力发电机和太阳电池方阵的容量

根据系统优化匹配设计原则，由计算机自动寻优，筛选出既满足用户用电可靠性，又能使系统初投资达到最小的优化匹配设计组合。

4. 计算发电量

1）风力发电量计算

对于型号已知的风力发电机，根据其输出功率曲线（风力发电机的输出功率与当地风速之间的关系曲线），计算得出此型号下的风力发电机的发电量。

2）计算光伏方阵的发电量

将太阳电池组件进行串、并联后就形成了太阳电池方阵，其中系统的工作电压决定了太阳电池组件的串联数，而太阳电池方阵的容量决定了太阳电池组件串的并联数。计算得出光伏方阵的发电量。

3）蓄电池容量的确定

影响蓄电池用量的因素很多，如辐射不均匀带来的连续亏损太大、允许的放电深度、希望的最少自维持天数、蓄电池的种类及性能、新旧程度、蓄电池存放室的最低温度、太阳电池和风力发电机配置的充足程度等。因此严格计算风光互补独立发电系统的蓄电池用量是困难的。关于蓄电池容量设计的资料，实际上多属于估算或经验公式。这里采用两种简单实用的工程方法：第一种就是根据负载亏欠率LOLP来计算。第二种就是根据保证连续阴雨和无风的天数。对于可靠性要求不是非常高的一般风光互补独立供电系统系统，按照标准年气象统计资料可知，通常取n＝3～5天即可。

5. 系统最小初投资费用的确定

根据初步设定的风力发电和太阳能光伏发电分担的供电份额，经过计算就能得出与此供电份额对应的蓄电池容量值；然后不断变化风力发电和太阳能光伏发电分担的供电份额，进而得出与此供电份额对应的多组蓄电池容量值。究竟取哪组风光互补独立供电系统的组合，要根据系统设备的最小初投资来确定。通过考虑不同系统配置的设备初投资成本，最终可以唯一确定出以最小投资成本满足这种供电可靠性要求的优化的系统配置。

风光互补独立供电系统的设备投资成本C可以表达为：

式中：――单个太阳能电池组件的价格，元；

――单个蓄电池的价格，元；

和――分别为太阳能电池组件和蓄电池的串联数，个；

和――分别为太阳能电池组件和蓄电池的并联数，个；

――系统中风力发电机和其它平衡组件的成本的价格，元。

一旦系统的工作电压以及风力发电机、太阳电池组件和蓄电池的型号被选定，，，，和就可以被认为是常数，因此在上式中只有，和是变量。

综上，我们便可以得出既能满足用户用电可靠性，同时又能使系统设备初投资达到最小的风光互补独立供电系统优化匹配组合。

尽管风光互补路灯初投资较高，但是该系统不需要输电线路，也不需要开挖路面做埋管工程，不消耗电能，从长远来看该系统有着明显的经济效益。而且风光互补路灯利用天然能源发电来工作，不消耗化石燃料，无二氧化碳、二氧化硫等有害气体的排放，清洁干净，环境效益良好。目前，在欧洲、日本、美国等发达国家正在普及风光互补路灯，用在沿海公路、偏远山路，特别是对已建成的道路增设路灯非常方便。目前我国已经有部分城市试验性将风光路灯系统用作城市道路景观照明, 并取得了一定成效。随着风电和光伏发电的成本越来越低，风光复合发电方式必将在解决远离城市的高速公路，海洋上的孤岛，偏远的山区用电问题上发挥越来越重要的作用。

参考文献：

[1] 程雅丽. 独立光伏发电系统优化设计[D]. 天津：天津大学硕士学位论文,2003

[2] 王长贵, 王斯成. 太阳能光伏发电实用技术[M]. 北京：化学工业出版社, 2005: 31～35

[3] 方燕, 马金花, 高善峰等.风光互补路灯系统的优化设计方法[J].可再生能源, 2009,27(1):88～92

作者简介：李彬，1975年7月出生，毕业于山东建筑大学热能工程学院，从事暖通专业的设计和施工管理工作。

孟令达，蒙古族，1982.12.4.，山钢集团莱芜钢铁新疆公司轧钢项目部，助理工程师，热能专业，内蒙古科技大学2006年毕业

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