分布式风-光互补能源利用系统

2010-05-10黎灿兵

电网与清洁能源 2010年12期

王瑜，黎灿兵，曲芳

（郑州大学电气工程学院，河南郑州450001）

0 引言

我国的能源和电力需求在未来一段时期将保持强劲的增长，而一次性能源煤炭、石油价格在近几年不断创下新高。煤电给环境带来巨大压力。因此，寻求一种可以替代传统能源的供给方式，已经成为世界各国专家学者努力的方向。可再生能源的发展呼声日益高涨[1-3]，相关技术也取得了可喜的进步，应用领域不断拓宽，开发规模不断增大[4-5]。经过多年的探索和实践证明，风能和太阳能是最理想的可再生能源。

风能和太阳能利用受季节性、地域性影响差异较大。我国大部分地区，太阳能在冬季几乎不能利用，而风能却非常丰富；夏季风能几乎不能利用，而太阳能非常丰富，风能与太阳能在季节上形成强烈的互补。文献[6]从季节上分析了我国青藏高原地区风能和太阳能分布的季节性差别；文献[7-9]从一天中白天、夜晚时段和季节上分析了风-光的互补性。将风能和太阳能能结合起来，研发出一套分布式风-光联合供能系统，会比单-的风能或太阳能供电系统的供电连续性和可靠性都有提高，能经济利用的范围将大幅度扩大。近年来，国内在风光互补领域已经做出了较全面的研究[10-11]，一些地方已经开始使用风光互补装置[12]。例如我国部分地区的风-光互补路灯的使用，渔船上风-光互补系统应用等。

本文基于风光资源在季节、时间、地域上的互补性，设计出了分布式风-光联合供能系统。该系统由永磁交流异步电机和太阳能电池板产生能量。其中，由风力发电机发出的电能，经过合理的分配，一部分直接供给蓄热储能系统，另一部分储存在蓄电池中；由太阳能电池板产生的电能直接储存在蓄电池中，通过逆变器变为可供家庭使用的220 V生活用电。由于风力发电机发出电能的一部分没有经过AC/DC和DC/AC转换过程，直接供给电加热管烧水的蓄热储能系统，从而避免了电能转换，减少能量中间环节的损耗。

1 风光联合供能系统总体设计

分布式风光联合供能系统有2种组合形式：一种是风能供热供电，太阳能供电形式；另一种是风能供热供电，太阳能供热形式。

1.1 风能供热供电，太阳能供电

这种设计的分布式风-光联合供能系统主要由风力发电机（Wind Generator）、太阳能光伏电池（Solar Cell）、控制电路（Controller Circuit）、蓄电池（Storage Battery）、逆变器（Inverter）、蓄热储能装置（Regeneration Stored Energy Installment）6部分组成。如图1所示。

图1 风能供热供电、太阳能供电系统示意图

1.2 风能供热供电，太阳能供热

该种设计形式的分布式风-光联合供能系统主要由风力发电机（Wind Generator）、太阳能集热管（Solar-energy Collector Tubes）、控制电路（Controller Circuit）、蓄电池（Storage Battery）、逆变器（Inverter）、蓄热储能装置（Electric Water Heater）6部分组成。如图2所示。

图2 风能供热供电、太阳能供热系统示意图

1.3 两种设计方式的经济性比较

两种设计方式均是以风能供热供电。因此，整套装置价格、性能上的差异在于太阳能是采用供热形式，还是采用供电形式。

目前，直径50 mm，长度1.8 m的太阳能集热管价格为20元/根，其使用寿命在10 d左右；太阳能光伏电池板为25元/W，使用寿命在20 d左右。产生相同能量的太阳能集热管的价格要远远低于太阳能光伏电池板。当前的风光互补应用也只是零星的应用，随着多晶硅价格的直线下降，利用太阳能光伏电池的价格也会随之下降，而且随着国际油价和煤价的一步步提高，太阳能光伏发电价格就基本和传统的能源发电的价格相当了。

本文提出的2种方案各有优缺点，以下主要以风能供热供电，太阳能供电利用形式进行详细的设计说明。

2 系统配置及各部分设计

2.1 风力发电机

2.1.1 风力发电机构成

本系统中风力发电机采用小型永磁异步交流电机，发电机由叶片、机头、转体、尾翼组成。其中叶片采用与风向垂直的3叶片结构；机头采用永磁体，无励磁装置，尺寸小，重量轻；尾翼是作为调向机构使叶片始终对着来风的方向获得最大风能。为防止风速过大损坏叶片，需要对风轮转速进行控制，该系统采用偏转机构，即当风速超过工作风速的20%时，尾翼偏离或者发生弯曲，使叶片迎风面不能正常迎风，从而达到降低叶片转速保护叶片避免损坏。

2.1.2 风力发电机功率设计

设风以速度V吹向风轮时，风轮转动，风轮直径为D，空气密度为ρ，CP为风能利用系数，则风力发电机功率公式可用式（1）表示。

式中,CP值范围为0.2～0.593[13]。由（1）式可知：

1）风轮功率与风轮直径的平方成正比；

2）风轮功率与风速的立方成正比；

3）风轮功率与风轮功率系数成正比。

因此，风力发电机的功率与风轮大小、风速有直接的关系[14-15]。

以河南方城县二郎庙乡部分地区全年平均风速6.5 m/s为额定风速，设计一台额定功率为400 W的风力发电机，假设风能利用系数最高取0.45，在标准状况下，空气密度为1.29 kg/m3。由公式（1）可得该风力发电机的叶片直径为：

其他设计参数见表1。

表1 FD-400型风力发电机参数设计表

2.2 太阳能发电系统

目前，太阳能硅板光电转换技术基本稳定、可靠。本系统中太阳能发电系统采用单晶硅太阳能电池组组成，整个太阳能电池组阵的峰值功率设计为300 W，由3块100 W/12 V的太阳能电池组件串联而成。太阳能光电转换输出的36 V直流电经过太阳能控制器模块直接送入蓄电池组对电池充电。为防止电池组过充电，太阳能控制器检测到电池组的电压高于额定值20%时，控制电路自动切断控制器与电池组阵；当检测到的电压低于额定值的50%时，控制电路自动接通控制器与电池组阵。

2.3 蓄热储能装置

蓄热储能装置主要由内胆、加热管、温控器组成。

2.3.1 内胆

内胆是用来储存热水。采用封闭式的、不生锈、防漏水性能好的含钛优质搪瓷合金钢板，正常水压不超过0.8 MPa，为防止水压出现过高情况，加装减压阀。

2.3.2 加热管

加热管是把电能转化为热能的器件。采用浸没型、下潜式加热管，为增强热效率和导热性，选用特殊的镍镉合金不锈钢材质，避免造成热水分层；为使具有良好的防腐抗垢性能，加热管表面采用防结垢涂层；为防止自来水管停水而引起干烧，加装防干烧零件，当内胆无水时，防干烧起到保护作用而断开。

加热管功率设计为300 W，由于频率对电加热管的使用起到的作用不大。因此，为了增加能量的利用效率，减少中间环节损耗，电加热管直接连接到风力发电机的出线端风能控制器外端，而不经过“整流-储存-逆变”过程。

2.3.3 温控器

温控器主要是用来控制内胆水温的器件，是保证热水器温度的控制中枢，直接影响热水器的使用性能。其技术工艺如下。

1）采用温控器来控制加热管和水温的高低，可设定所需水温并保持内胆中的水温恒定，且在40℃～60℃范围内可调。

2）将精确的电子传感器安置在热水器内胆内部。目的是精确测量内胆最里层水的实际温度，这样可以避免因测温不准确造成的热水器频繁加热。

3）利用温控器设计的中温保温技术，热水器在保温的情况下，不会在高温下反复加热，就可在节能与省时之间寻求较好的平衡点。

2.4 控制系统

在分布式风-光联合供能系统中，太阳能电池组阵与风力发电机组输出系统的负载和蓄电池的充放电能量损失均为不确定量，这样容易导致系统供电与用户用电的不平衡，直接影响系统供电的可靠性。

电热水器加热水温的控制和保温材料的选取也影响着系统能量的合理供给。因此，将控制系统分为风力发电机控制和电热水器的水温控制2部分。

2.4.1 风能控制器

在该系统中，电加热器件没有通过AC/DC和DC/AC转换过程，而是直接加到风力发电机的出线端，由于自然界风的随机性和风速的不确定性，发电机发出的功率也难以稳定。如果在风力发电机出线端直接加入负载，发电机启动瞬间，回路中产生瞬间的冲击电流，由于发电机定子与转子的耦合作用，定子线圈中产生很大的冲击电流势必要阻碍转子的转动，若风速小于风力发电机的切入风速。风力发电机很难启动。基于这种情况，考虑在风力发电机出线端与电加热装置之间加装控制系统，该控制系统采集机端电压量，当电压达到设定值后，控制系统接通线路，带动加热装置开始储存热能。

2.4.2 蓄热储能系统控制电路

电热水器的控制电路分为4个部分，中心控制电路、水位检测、温度检测、电压检测，由于篇幅限制，本文主要介绍中心控制电路，见图3中心控制电路图，图中水位指示、温度开关、电压指示是由检测电路提供的信号，是控制电路的输入信号；7 400是74系列四2输入与非门，是控制电路的中心部分，实现三个信号的“与”关系，即当水位、水温、电压均满足条件后输出“0”，而当任意一个条件不满足后，输出为“1”。

继电器是控制电路和加热电路之间的连接器件，其功能是由控制电路的输出控制加热电路的开断，控制加热电阻的投入和退出。当控制芯片7400输出低电平“0”时，拉动继电器吸合动触点，闭合常开开关，接通电路，投入加热电阻，开始加热水；相反，在7400输出高电平“1”时，停止加热。图中二极管和三极管是检测电路中的一部分。图4为水位控制电路。

图3 中心控制电路图

图4 水位控制电路图

2.5 储能系统

2.5.1 蓄电池选择

蓄电池性价比的高低直接关系着系统的可靠性。本系统中选用循环寿命长的阀控铅酸蓄电池，全密封、无须加水维护，其寿命理论可达20 a，在实际应用中，其寿命常在5～8 a。

2.5.2 蓄电池容量设计

蓄电池容量配置是否合理，对风力发电的技术经济指标影响很大，若容量选择偏小，就会造成风能的浪费，而且在无风时用电得不到满足；容量选择过大，蓄电池可能会长期处于充电不足状态，影响使用效果和寿命[16]。根据人民生活水平的提高，在具体设计时应预留出足够裕量。

1）蓄电池总容量可按式（2）设计

其中，C为设计的蓄电池总容量；t为每天用电时间；Pw为用户家用电器总功率；E为风力发电机的额定输出电压，也即太阳能电池板的额定输出电压。

2）蓄电池总容量也可按照式（3）设计

式中，SF为安全系数，一般取1.1～1.4；QL为负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数；NL为最长连续阴雨天数；T0为温度修正系数，一般在0℃以上取1，-10℃以上取1.1，-10℃以下取1.2；CC为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75。

蓄电池组的串联电压需要和风力发电机的额定输出直流电压，太阳能电池板的串联电压一致。

3 案例分析

该系统初步以河南方城县二郎庙乡为安装示范试点。该地处在“五界一口”，是著名的“南襄夹道”、河南省三大风区之一，全国九大垭口之一，风力资源十分丰富。据测算，该地风力资源总面积达1024 km2，年平均风速6.5 m/s，平均风能密度550 W/m2，可开发面积620 km。

该地区示范用户常见用电设备的功率和最大用电量表2。

表2 常见用电设备的功率和最大用电量表

一般情况，用户电器负荷最大为1 800 W，根据对该地部分农户的走访、调查、统计，单个家庭的所有电器不会同时利用，最大同时利用电器负荷700 W，出现在晚饭前后。根据方城县气象站提供的历史气象数据，由公式（2），设计的蓄电池总容量为：

由公式（3），设计的蓄电池总容量为：

其中，700 W为最大同时利用电器负荷；220 V为用电器额定电压；最长连续阴雨天数为12 d。

实际配置中应比理论稍大一点，因为蓄电池不能完全放电。因此，蓄电池总容量设计为400 AH，选择6FM200型号的密封阀控铅酸蓄电池两块串联，单块电池额定电压24 V；或者6FM100型号的密封阀控铅酸蓄电池四块串联，单块电池额定电压12 V。为了避免蓄电池因长时间处于浮充或充不满情况而影响其寿命，不应配置更大容量的蓄电池。

本套系统于2007年4月安装在该处，通过一年多的运行，风力发电机和太阳能光伏发电系统在不同月份的日均发电量如表3。