小型風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能改造應(yīng)用

楊 潔,曾繁明

（正德職業(yè)技術(shù)學(xué)院,南京 211106）

小型風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能改造應(yīng)用

楊 潔,曾繁明

（正德職業(yè)技術(shù)學(xué)院,南京 211106）

本文以某校園廣場路燈照明系統(tǒng)為對象，通過分析當(dāng)?shù)刈匀粭l件數(shù)據(jù)、改造前后設(shè)備使用情況及費用明細(xì)，提出小容量風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)改造方案。

風(fēng)光互補；發(fā)電；節(jié)能；改造

1 風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)光互補，是一套發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)是利用太陽能電池方陣、風(fēng)力發(fā)電機（將交流電轉(zhuǎn)化為直流電）將發(fā)出的電能存儲到蓄電池組中，當(dāng)用戶需要用電時，可以直接接直流負(fù)荷，或者可以通過逆變器將蓄電池組中儲存的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，通過輸電線路送到用戶負(fù)載處；對于富余的電能則送入外電網(wǎng)。

由于是風(fēng)力發(fā)電機和太陽電池方陣兩種發(fā)電設(shè)備共同發(fā)電，可以在資源上彌補風(fēng)電和光電獨立系統(tǒng)的缺陷：實現(xiàn)晝夜互補——白天太陽能發(fā)電，夜晚風(fēng)能發(fā)電；季節(jié)互補——夏季日照強烈，冬季風(fēng)能強盛；穩(wěn)定性高——利用風(fēng)光的天然互補性，大大提高系統(tǒng)供電穩(wěn)定性。

小型風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)一般由一個或幾個中小型風(fēng)力發(fā)電機與若干太陽電池組件組成電力來源，電力送入風(fēng)光互補控制器，在控制器內(nèi)先轉(zhuǎn)換成直流電，根據(jù)控制需要直流電可向蓄電池組充電與逆變成交流電。小型風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)可以是離網(wǎng)的獨立供電系統(tǒng)，發(fā)出的交流電供用戶自己使用，也可以組成并網(wǎng)系統(tǒng)，把多余的交流電可送向電網(wǎng)。

2 該市風(fēng)能、光能自然環(huán)境數(shù)據(jù)研究

江蘇歷史年平均日照時間相比其他地區(qū)較為中等，南京處于江蘇南部，全年日照時數(shù)達(dá)到1400-2200小時，相當(dāng)于140～170kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量，其太陽能發(fā)電項目可以實施，但要考慮南京季風(fēng)氣候有一段時間的陰雨天氣。

江蘇沿海及島嶼為風(fēng)能豐富區(qū)，廣大陸地為風(fēng)能可利用區(qū)，只有淮北為風(fēng)能的貧乏區(qū)。通過對南京市四季風(fēng)能有效分布數(shù)據(jù)統(tǒng)計，南京長年風(fēng)能密度達(dá)到70 W/M2，風(fēng)能累計時數(shù)各季均可達(dá)1000小時數(shù)以上，屬于風(fēng)能可利用區(qū)。

3 供電系統(tǒng)改造方案設(shè)計

廣場照明主要有：噴泉、廣場地面和標(biāo)志物、有人行道、地下廣場或地鐵的出入口及周圍綠地、花圃等環(huán)境照明組成。本文以廣場地面照明為研究對象，布局示意圖如圖1所示，現(xiàn)共有路燈18盞，每盞路燈上現(xiàn)裝有3×40W的燈泡。

（1）系統(tǒng)設(shè)計圖紙。

（2）改造方案可行性研究。改造方案，將現(xiàn)有光源換成LED電光源，可以大大降低負(fù)荷功率總數(shù)，路燈照明可以選用不同功率的LED球泡燈光源進(jìn)行比較：取3W（相當(dāng)于5W熒光燈）總負(fù)荷容量達(dá)162W；取6W（相當(dāng)于12W熒光燈）總負(fù)荷容量達(dá)324W；取8W（相當(dāng)于18W熒光燈）總負(fù)荷容量達(dá)432W。經(jīng)查資料，3W容量LED球泡燈適用面積4㎡，所以改造方案取最小容量方案1就可以滿足廣場夜間路面照明用。

改造前后用電量及電費情況比較：改造前后燈泡費用可以節(jié)省88%，用電量及電費每日節(jié)省92%，則每月可以節(jié)省電費690元，由此可見，僅該廣場路燈照明一項每年節(jié)省電費6900元（按10個月的實際使用時間算）。

（3）改造方案實施內(nèi)容。風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)所用控制器是采用PWM無級卸載方式控制風(fēng)機和太陽能電池對蓄電池進(jìn)行智能充電。在太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機所發(fā)出的電能超過蓄電池存儲容量時，控制系統(tǒng)必須將多余的能量消耗掉，從而保證了最佳的蓄電池充電特性，使得電能得到充分利用。

安裝控制器時，使用多股通芯絕緣導(dǎo)線，用長度不超過1米的4平方毫米以上通信電纜，將蓄電池與設(shè)備后面板的BATTERY端子相連接，接線時注意區(qū)分正負(fù)極。

當(dāng)控制器處于工作狀態(tài)時，液晶顯示蓄電池電壓，使用戶可以直觀了解蓄電池的電壓狀態(tài)，并可以根據(jù)蓄電池的電壓來調(diào)節(jié)使用負(fù)載的大小和時間。

控制器模式選擇：按UP鍵調(diào)節(jié)，lamp表示路燈模式，home表示戶用模式，設(shè)置成功后按ENTER鍵退出。紅色指示燈charge表示充電，綠色指示燈battery表示放電。

風(fēng)力發(fā)電機需要吊裝，考慮學(xué)校景觀的協(xié)調(diào)性，可以將塔架安裝在圖2中坐標(biāo)軸原點處，塔架高度應(yīng)以2米為宜，安裝前要做好防雷接地。在光電板的安裝過程中需要注意太陽能板不能平躺放置，應(yīng)傾斜30°～45°角，且正對太陽能光線，同時考慮光電板的安裝高度不能影響風(fēng)機葉片轉(zhuǎn)動，故光電板安裝支架最高高度與風(fēng)機水平軸距離應(yīng)大于葉片長度。

本文將自制組合支架分別放置在1#（海拔約10米）和2#（地平面）兩個地點進(jìn)行調(diào)試，分別采集晴天與多云兩種天氣的數(shù)據(jù)。

通過觀測，光電系統(tǒng)即使在多云天氣也能將光能轉(zhuǎn)化為電能存儲到蓄電池內(nèi)，相對比較穩(wěn)定；但是風(fēng)電系統(tǒng)受天氣因素影響較大，本文使用的風(fēng)機啟動風(fēng)速2m/s，額定風(fēng)速需要11.5m/s，在調(diào)試期間，風(fēng)力能達(dá)到6級（風(fēng)速達(dá)10.8-13.8m/s）及以上的天數(shù)有限，通過采集兩個不同海拔地點的數(shù)據(jù)，風(fēng)電系統(tǒng)極其不穩(wěn)定且利用率較低。

4 存在問題及應(yīng)用前景

風(fēng)光互補復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)電路簡單，成本較低，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。缺點是如果負(fù)荷容量增加，必然要相應(yīng)增加光電板數(shù)量及線路，若依然采用每套裝置獨立工作，那么就存在各裝置間的最佳工作狀態(tài)調(diào)配，會形成資源利用率低，維護(hù)工作量大，效率低。

針對廣場路燈照明及供電系統(tǒng)改造前后節(jié)能效果顯著，經(jīng)濟性能更佳。如果將供電系統(tǒng)適用范圍擴大，可以在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加光電板容量及逆變器、變壓器各一臺，此發(fā)電系統(tǒng)可以適用于不同電壓等級的交直流負(fù)荷。

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.01.144

楊潔（1981-）,女 安徽阜陽人,碩士,講師,研究方向:電氣工程及其自動化。