分布式風(fēng)-光互補(bǔ)能源利用系統(tǒng)

王 瑜，黎燦兵，曲 芳

（鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南鄭州450001）

0 引言

我國(guó)的能源和電力需求在未來(lái)一段時(shí)期將保持強(qiáng)勁的增長(zhǎng)，而一次性能源煤炭、石油價(jià)格在近幾年不斷創(chuàng)下新高。煤電給環(huán)境帶來(lái)巨大壓力。因此，尋求一種可以替代傳統(tǒng)能源的供給方式，已經(jīng)成為世界各國(guó)專家學(xué)者努力的方向。可再生能源的發(fā)展呼聲日益高漲[1-3]，相關(guān)技術(shù)也取得了可喜的進(jìn)步，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，開發(fā)規(guī)模不斷增大[4-5]。經(jīng)過(guò)多年的探索和實(shí)踐證明，風(fēng)能和太陽(yáng)能是最理想的可再生能源。

風(fēng)能和太陽(yáng)能利用受季節(jié)性、地域性影響差異較大。我國(guó)大部分地區(qū)，太陽(yáng)能在冬季幾乎不能利用，而風(fēng)能卻非常豐富；夏季風(fēng)能幾乎不能利用，而太陽(yáng)能非常豐富，風(fēng)能與太陽(yáng)能在季節(jié)上形成強(qiáng)烈的互補(bǔ)。文獻(xiàn)[6]從季節(jié)上分析了我國(guó)青藏高原地區(qū)風(fēng)能和太陽(yáng)能分布的季節(jié)性差別；文獻(xiàn)[7-9]從一天中白天、夜晚時(shí)段和季節(jié)上分析了風(fēng)-光的互補(bǔ)性。將風(fēng)能和太陽(yáng)能能結(jié)合起來(lái)，研發(fā)出一套分布式風(fēng)-光聯(lián)合供能系統(tǒng)，會(huì)比單-的風(fēng)能或太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的供電連續(xù)性和可靠性都有提高，能經(jīng)濟(jì)利用的范圍將大幅度擴(kuò)大。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在風(fēng)光互補(bǔ)領(lǐng)域已經(jīng)做出了較全面的研究[10-11]，一些地方已經(jīng)開始使用風(fēng)光互補(bǔ)裝置[12]。例如我國(guó)部分地區(qū)的風(fēng)-光互補(bǔ)路燈的使用，漁船上風(fēng)-光互補(bǔ)系統(tǒng)應(yīng)用等。

本文基于風(fēng)光資源在季節(jié)、時(shí)間、地域上的互補(bǔ)性，設(shè)計(jì)出了分布式風(fēng)-光聯(lián)合供能系統(tǒng)。該系統(tǒng)由永磁交流異步電機(jī)和太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生能量。其中，由風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能，經(jīng)過(guò)合理的分配，一部分直接供給蓄熱儲(chǔ)能系統(tǒng)，另一部分儲(chǔ)存在蓄電池中；由太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電能直接儲(chǔ)存在蓄電池中，通過(guò)逆變器變?yōu)榭晒┘彝ナ褂玫?20 V生活用電。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出電能的一部分沒(méi)有經(jīng)過(guò)AC/DC和DC/AC轉(zhuǎn)換過(guò)程，直接供給電加熱管燒水的蓄熱儲(chǔ)能系統(tǒng)，從而避免了電能轉(zhuǎn)換，減少能量中間環(huán)節(jié)的損耗。

1 風(fēng)光聯(lián)合供能系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

分布式風(fēng)光聯(lián)合供能系統(tǒng)有2種組合形式：一種是風(fēng)能供熱供電，太陽(yáng)能供電形式；另一種是風(fēng)能供熱供電，太陽(yáng)能供熱形式。

1.1 風(fēng)能供熱供電，太陽(yáng)能供電

這種設(shè)計(jì)的分布式風(fēng)-光聯(lián)合供能系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)（Wind Generator）、太陽(yáng)能光伏電池（Solar Cell）、控制電路（Controller Circuit）、蓄電池（Storage Battery）、逆變器（Inverter）、蓄熱儲(chǔ)能裝置（Regeneration Stored Energy Installment）6部分組成。如圖1所示。

圖1 風(fēng)能供熱供電、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)示意圖

1.2 風(fēng)能供熱供電，太陽(yáng)能供熱

該種設(shè)計(jì)形式的分布式風(fēng)-光聯(lián)合供能系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)（Wind Generator）、太陽(yáng)能集熱管（Solar-energy Collector Tubes）、控制電路（Controller Circuit）、蓄電池（Storage Battery）、逆變器（Inverter）、蓄熱儲(chǔ)能裝置（Electric Water Heater）6部分組成。如圖2所示。

圖2 風(fēng)能供熱供電、太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)示意圖

1.3 兩種設(shè)計(jì)方式的經(jīng)濟(jì)性比較

兩種設(shè)計(jì)方式均是以風(fēng)能供熱供電。因此，整套裝置價(jià)格、性能上的差異在于太陽(yáng)能是采用供熱形式，還是采用供電形式。

目前，直徑50 mm，長(zhǎng)度1.8 m的太陽(yáng)能集熱管價(jià)格為20元/根，其使用壽命在10 d左右；太陽(yáng)能光伏電池板為25元/W，使用壽命在20 d左右。產(chǎn)生相同能量的太陽(yáng)能集熱管的價(jià)格要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于太陽(yáng)能光伏電池板。當(dāng)前的風(fēng)光互補(bǔ)應(yīng)用也只是零星的應(yīng)用，隨著多晶硅價(jià)格的直線下降，利用太陽(yáng)能光伏電池的價(jià)格也會(huì)隨之下降，而且隨著國(guó)際油價(jià)和煤價(jià)的一步步提高，太陽(yáng)能光伏發(fā)電價(jià)格就基本和傳統(tǒng)的能源發(fā)電的價(jià)格相當(dāng)了。

本文提出的2種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，以下主要以風(fēng)能供熱供電，太陽(yáng)能供電利用形式進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)說(shuō)明。

2 系統(tǒng)配置及各部分設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

2.1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)成

本系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用小型永磁異步交流電機(jī)，發(fā)電機(jī)由葉片、機(jī)頭、轉(zhuǎn)體、尾翼組成。其中葉片采用與風(fēng)向垂直的3葉片結(jié)構(gòu)；機(jī)頭采用永磁體，無(wú)勵(lì)磁裝置，尺寸小，重量輕；尾翼是作為調(diào)向機(jī)構(gòu)使葉片始終對(duì)著來(lái)風(fēng)的方向獲得最大風(fēng)能。為防止風(fēng)速過(guò)大損壞葉片，需要對(duì)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，該系統(tǒng)采用偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，即當(dāng)風(fēng)速超過(guò)工作風(fēng)速的20%時(shí)，尾翼偏離或者發(fā)生彎曲，使葉片迎風(fēng)面不能正常迎風(fēng)，從而達(dá)到降低葉片轉(zhuǎn)速保護(hù)葉片避免損壞。

2.1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率設(shè)計(jì)

設(shè)風(fēng)以速度V吹向風(fēng)輪時(shí)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)輪直徑為D，空氣密度為ρ，CP為風(fēng)能利用系數(shù)，則風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率公式可用式（1）表示。

式中,CP值范圍為0.2～0.593[13]。由（1）式可知：

1）風(fēng)輪功率與風(fēng)輪直徑的平方成正比；

2）風(fēng)輪功率與風(fēng)速的立方成正比；

3）風(fēng)輪功率與風(fēng)輪功率系數(shù)成正比。

因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率與風(fēng)輪大小、風(fēng)速有直接的關(guān)系[14-15]。

以河南方城縣二郎廟鄉(xiāng)部分地區(qū)全年平均風(fēng)速6.5 m/s為額定風(fēng)速，設(shè)計(jì)一臺(tái)額定功率為400 W的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，假設(shè)風(fēng)能利用系數(shù)最高取0.45，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，空氣密度為1.29 kg/m3。由公式（1）可得該風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片直徑為：

其他設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 FD-400型風(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)表

2.2 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)

目前，太陽(yáng)能硅板光電轉(zhuǎn)換技術(shù)基本穩(wěn)定、可靠。本系統(tǒng)中太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)采用單晶硅太陽(yáng)能電池組組成，整個(gè)太陽(yáng)能電池組陣的峰值功率設(shè)計(jì)為300 W，由3塊100 W/12 V的太陽(yáng)能電池組件串聯(lián)而成。太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換輸出的36 V直流電經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能控制器模塊直接送入蓄電池組對(duì)電池充電。為防止電池組過(guò)充電，太陽(yáng)能控制器檢測(cè)到電池組的電壓高于額定值20%時(shí)，控制電路自動(dòng)切斷控制器與電池組陣；當(dāng)檢測(cè)到的電壓低于額定值的50%時(shí)，控制電路自動(dòng)接通控制器與電池組陣。

2.3 蓄熱儲(chǔ)能裝置

蓄熱儲(chǔ)能裝置主要由內(nèi)膽、加熱管、溫控器組成。

2.3.1 內(nèi)膽

內(nèi)膽是用來(lái)儲(chǔ)存熱水。采用封閉式的、不生銹、防漏水性能好的含鈦優(yōu)質(zhì)搪瓷合金鋼板，正常水壓不超過(guò)0.8 MPa，為防止水壓出現(xiàn)過(guò)高情況，加裝減壓閥。

2.3.2 加熱管

加熱管是把電能轉(zhuǎn)化為熱能的器件。采用浸沒(méi)型、下潛式加熱管，為增強(qiáng)熱效率和導(dǎo)熱性，選用特殊的鎳鎘合金不銹鋼材質(zhì)，避免造成熱水分層；為使具有良好的防腐抗垢性能，加熱管表面采用防結(jié)垢涂層；為防止自來(lái)水管停水而引起干燒，加裝防干燒零件，當(dāng)內(nèi)膽無(wú)水時(shí)，防干燒起到保護(hù)作用而斷開。

加熱管功率設(shè)計(jì)為300 W，由于頻率對(duì)電加熱管的使用起到的作用不大。因此，為了增加能量的利用效率，減少中間環(huán)節(jié)損耗，電加熱管直接連接到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出線端風(fēng)能控制器外端，而不經(jīng)過(guò)“整流-儲(chǔ)存-逆變”過(guò)程。

2.3.3 溫控器

溫控器主要是用來(lái)控制內(nèi)膽水溫的器件，是保證熱水器溫度的控制中樞，直接影響熱水器的使用性能。其技術(shù)工藝如下。

1）采用溫控器來(lái)控制加熱管和水溫的高低，可設(shè)定所需水溫并保持內(nèi)膽中的水溫恒定，且在40℃～60℃范圍內(nèi)可調(diào)。

2）將精確的電子傳感器安置在熱水器內(nèi)膽內(nèi)部。目的是精確測(cè)量?jī)?nèi)膽最里層水的實(shí)際溫度，這樣可以避免因測(cè)溫不準(zhǔn)確造成的熱水器頻繁加熱。

3）利用溫控器設(shè)計(jì)的中溫保溫技術(shù)，熱水器在保溫的情況下，不會(huì)在高溫下反復(fù)加熱，就可在節(jié)能與省時(shí)之間尋求較好的平衡點(diǎn)。

2.4 控制系統(tǒng)

在分布式風(fēng)-光聯(lián)合供能系統(tǒng)中，太陽(yáng)能電池組陣與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出系統(tǒng)的負(fù)載和蓄電池的充放電能量損失均為不確定量，這樣容易導(dǎo)致系統(tǒng)供電與用戶用電的不平衡，直接影響系統(tǒng)供電的可靠性。

電熱水器加熱水溫的控制和保溫材料的選取也影響著系統(tǒng)能量的合理供給。因此，將控制系統(tǒng)分為風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制和電熱水器的水溫控制2部分。

2.4.1 風(fēng)能控制器

在該系統(tǒng)中，電加熱器件沒(méi)有通過(guò)AC/DC和DC/AC轉(zhuǎn)換過(guò)程，而是直接加到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出線端，由于自然界風(fēng)的隨機(jī)性和風(fēng)速的不確定性，發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率也難以穩(wěn)定。如果在風(fēng)力發(fā)電機(jī)出線端直接加入負(fù)載，發(fā)電機(jī)啟動(dòng)瞬間，回路中產(chǎn)生瞬間的沖擊電流，由于發(fā)電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子的耦合作用，定子線圈中產(chǎn)生很大的沖擊電流勢(shì)必要阻礙轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，若風(fēng)速小于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的切入風(fēng)速。風(fēng)力發(fā)電機(jī)很難啟動(dòng)。基于這種情況，考慮在風(fēng)力發(fā)電機(jī)出線端與電加熱裝置之間加裝控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)采集機(jī)端電壓量，當(dāng)電壓達(dá)到設(shè)定值后，控制系統(tǒng)接通線路，帶動(dòng)加熱裝置開始儲(chǔ)存熱能。

2.4.2 蓄熱儲(chǔ)能系統(tǒng)控制電路

電熱水器的控制電路分為4個(gè)部分，中心控制電路、水位檢測(cè)、溫度檢測(cè)、電壓檢測(cè)，由于篇幅限制，本文主要介紹中心控制電路，見(jiàn)圖3中心控制電路圖，圖中水位指示、溫度開關(guān)、電壓指示是由檢測(cè)電路提供的信號(hào)，是控制電路的輸入信號(hào)；7 400是74系列四2輸入與非門，是控制電路的中心部分，實(shí)現(xiàn)三個(gè)信號(hào)的“與”關(guān)系，即當(dāng)水位、水溫、電壓均滿足條件后輸出“0”，而當(dāng)任意一個(gè)條件不滿足后，輸出為“1”。

繼電器是控制電路和加熱電路之間的連接器件，其功能是由控制電路的輸出控制加熱電路的開斷，控制加熱電阻的投入和退出。當(dāng)控制芯片7400輸出低電平“0”時(shí)，拉動(dòng)繼電器吸合動(dòng)觸點(diǎn)，閉合常開開關(guān)，接通電路，投入加熱電阻，開始加熱水；相反，在7400輸出高電平“1”時(shí)，停止加熱。圖中二極管和三極管是檢測(cè)電路中的一部分。圖4為水位控制電路。

圖3 中心控制電路圖

圖4 水位控制電路圖

2.5 儲(chǔ)能系統(tǒng)

2.5.1 蓄電池選擇

蓄電池性價(jià)比的高低直接關(guān)系著系統(tǒng)的可靠性。本系統(tǒng)中選用循環(huán)壽命長(zhǎng)的閥控鉛酸蓄電池，全密封、無(wú)須加水維護(hù)，其壽命理論可達(dá)20 a，在實(shí)際應(yīng)用中，其壽命常在5～8 a。

2.5.2 蓄電池容量設(shè)計(jì)

蓄電池容量配置是否合理，對(duì)風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)影響很大，若容量選擇偏小，就會(huì)造成風(fēng)能的浪費(fèi)，而且在無(wú)風(fēng)時(shí)用電得不到滿足；容量選擇過(guò)大，蓄電池可能會(huì)長(zhǎng)期處于充電不足狀態(tài)，影響使用效果和壽命[16]。根據(jù)人民生活水平的提高，在具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)預(yù)留出足夠裕量。

1）蓄電池總?cè)萘靠砂词剑?）設(shè)計(jì)

其中，C為設(shè)計(jì)的蓄電池總?cè)萘浚籺為每天用電時(shí)間；Pw為用戶家用電器總功率；E為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定輸出電壓，也即太陽(yáng)能電池板的額定輸出電壓。

2）蓄電池總?cè)萘恳部砂凑帐剑?）設(shè)計(jì)

式中，SF為安全系數(shù)，一般取1.1～1.4；QL為負(fù)載日平均耗電量，為工作電流乘以日工作小時(shí)數(shù)；NL為最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)；T0為溫度修正系數(shù)，一般在0℃以上取1，-10℃以上取1.1，-10℃以下取1.2；CC為蓄電池放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.75。

蓄電池組的串聯(lián)電壓需要和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定輸出直流電壓，太陽(yáng)能電池板的串聯(lián)電壓一致。

3 案例分析

該系統(tǒng)初步以河南方城縣二郎廟鄉(xiāng)為安裝示范試點(diǎn)。該地處在“五界一口”，是著名的“南襄夾道”、河南省三大風(fēng)區(qū)之一，全國(guó)九大埡口之一，風(fēng)力資源十分豐富。據(jù)測(cè)算，該地風(fēng)力資源總面積達(dá)1024 km2，年平均風(fēng)速6.5 m/s，平均風(fēng)能密度550 W/m2，可開發(fā)面積620 km。

該地區(qū)示范用戶常見(jiàn)用電設(shè)備的功率和最大用電量表2。

表2 常見(jiàn)用電設(shè)備的功率和最大用電量表

一般情況，用戶電器負(fù)荷最大為1 800 W，根據(jù)對(duì)該地部分農(nóng)戶的走訪、調(diào)查、統(tǒng)計(jì)，單個(gè)家庭的所有電器不會(huì)同時(shí)利用，最大同時(shí)利用電器負(fù)荷700 W，出現(xiàn)在晚飯前后。根據(jù)方城縣氣象站提供的歷史氣象數(shù)據(jù)，由公式（2），設(shè)計(jì)的蓄電池總?cè)萘繛椋?/p>

由公式（3），設(shè)計(jì)的蓄電池總?cè)萘繛椋?/p>

其中，700 W為最大同時(shí)利用電器負(fù)荷；220 V為用電器額定電壓；最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)為12 d。

實(shí)際配置中應(yīng)比理論稍大一點(diǎn)，因?yàn)樾铍姵夭荒芡耆烹姟Ｒ虼?，蓄電池總?cè)萘吭O(shè)計(jì)為400 AH，選擇6FM200型號(hào)的密封閥控鉛酸蓄電池兩塊串聯(lián)，單塊電池額定電壓24 V；或者6FM100型號(hào)的密封閥控鉛酸蓄電池四塊串聯(lián)，單塊電池額定電壓12 V。為了避免蓄電池因長(zhǎng)時(shí)間處于浮充或充不滿情況而影響其壽命，不應(yīng)配置更大容量的蓄電池。

本套系統(tǒng)于2007年4月安裝在該處，通過(guò)一年多的運(yùn)行，風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在不同月份的日均發(fā)電量如表3。

表3 不同月份風(fēng)-光發(fā)電日均發(fā)電量

據(jù)調(diào)查，用戶所有用電器（除蓄熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的直接耗電量）日平均用電量為1.2 kW·h。蓄熱儲(chǔ)能系統(tǒng)日平均用電量為2.0～2.3 kW·h。根據(jù)表3，可繪出系統(tǒng)發(fā)電量和用電量曲線圖如圖5。

由圖5可以看出，冬春季風(fēng)力發(fā)電較豐富，夏季最少；光伏發(fā)電在夏季非常充足，兩者剛好形成季節(jié)性互補(bǔ)。從整個(gè)系統(tǒng)的供電情況看，在5月份和10月份，供電量最大；1月份供電量最小，但可滿足用戶負(fù)載的用電需求。

圖5 系統(tǒng)發(fā)電量與用電量曲線圖

4 結(jié)論

分布式風(fēng)-光聯(lián)合供能系統(tǒng)運(yùn)行1 a，除了更換一次加熱管外，沒(méi)有發(fā)生其他故障，系統(tǒng)運(yùn)行安全、穩(wěn)定，用戶使用方便。該裝置對(duì)改善人民群眾的物質(zhì)生活水平，促進(jìn)農(nóng)村地區(qū)和諧社會(huì)的建設(shè)具有重要的意義。該系統(tǒng)在風(fēng)光豐富的廣大農(nóng)村地區(qū)具有很好的應(yīng)用和發(fā)展前景。

致謝

感謝清華大學(xué)電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備安全控制與仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金的資助。

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