盧法波

(神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 錫林郭勒盟 026015)

1 概述

野外設(shè)備一般指氣象與地震監(jiān)測、森林防火、水文監(jiān)測等，大致都在比較偏遠(yuǎn)地區(qū)使用，一般用電負(fù)荷都不大，但其供電系統(tǒng)卻要保持長期的供應(yīng)，所以給供電系統(tǒng)帶來很大的難題。用電網(wǎng)送電就不合理，一來不便于架設(shè)電纜電線，二來成本過高，三來今后維護(hù)麻煩。而只能在當(dāng)?shù)刂苯影l(fā)電，最常用的就是采用柴油發(fā)電機(jī)。但柴油的儲運對我地區(qū)成本太高，而且難以保障。所以柴油發(fā)電機(jī)只能作為一種短時的應(yīng)急電源。要解決長期穩(wěn)定可靠的供電問題，只能依賴當(dāng)?shù)氐淖匀荒茉?，隨著新能源、新技術(shù)的發(fā)展，使得發(fā)電系統(tǒng)的多元化，可以利用大自然的能源為我們所取用，太陽能和風(fēng)能是最普遍的自然資源，也是取之不盡的可再生能源。近20余年來，太陽能的應(yīng)用已逐漸擴(kuò)大，已廣泛用于戶用太陽能光伏電源系統(tǒng)(SHS);部隊的邊防哨所、海島駐軍供電系統(tǒng);氣象與地震監(jiān)測、森林防火、水文監(jiān)測用太陽能電源系統(tǒng);郵電通訊的中繼站、鐵路的信號站、地質(zhì)勘探和野外考察的工作站、高速公路的監(jiān)控電源系統(tǒng);屋頂光伏電源系統(tǒng);大型光伏發(fā)電站等方面。太陽能和風(fēng)力發(fā)電是解決遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地區(qū)供電困難的首選系統(tǒng)，單獨的供電系統(tǒng)不能滿足多方面的需要，因此風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)因此就成為野外設(shè)備最佳的供電電源［1］。

太陽能是地球上一切能源的來源，風(fēng)能是太陽能在地球表面的另外一種表現(xiàn)形式，由于地球表面的不同形態(tài)(如沙土地面、植被地面和水面)對太陽光照的吸熱系數(shù)不同，在地球表面形成溫差，地表空氣的溫度不同形成空氣對流而產(chǎn)生風(fēng)能［2］。因此，太陽能與風(fēng)能在時間上和地域上都有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。白天太陽光最強(qiáng)時，風(fēng)很小，晚上太陽落山后，光照很弱，但由于地表溫差變化大而風(fēng)能加強(qiáng)。在夏季，太陽光強(qiáng)度大而風(fēng)小，冬季，太陽光強(qiáng)度弱而風(fēng)大。太陽能和風(fēng)能在時間上的互補(bǔ)性使風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是資源條件最好的獨立電源系統(tǒng)［3］。

由于森林防火監(jiān)控系統(tǒng)多數(shù)架設(shè)在林區(qū)的至高點，大多都沒有電源，所以它們的設(shè)備所需電源采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)來供電是最佳的、最經(jīng)濟(jì)的。

2 技術(shù)評價

光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光伏板將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，然后通過控制器對蓄電池充電，最后通過逆變器對用電負(fù)荷供電的一套系統(tǒng)。該系統(tǒng)供電可靠性高，運行維護(hù)成本低，但系統(tǒng)造價高(一次性投入高，但長期來看還是比較合算，而且環(huán)保)［4］。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是利用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能，然而通過控制器對蓄電池充電，最后通過逆變器對用電負(fù)荷供電的一套系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)發(fā)電量較高，系統(tǒng)造價較低，運行維護(hù)成本低。缺點是小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)可靠性低(受制于自然氣候影響大)［2］。

另外，風(fēng)力發(fā)電和光伏系統(tǒng)都存在一個共同的缺陷，就是資源的不確定性導(dǎo)致發(fā)電與用電負(fù)荷的不平衡，風(fēng)力發(fā)電和光伏系統(tǒng)都必須通過蓄電池儲能才能穩(wěn)定供電，但每天的發(fā)電量受天氣的影響很大，會導(dǎo)致系統(tǒng)的蓄電池組長期處于虧電狀態(tài)，這也是引起蓄電池組使用壽命降低的主要原因。

由于太陽能與風(fēng)能的互補(bǔ)性強(qiáng)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源上彌補(bǔ)了風(fēng)力發(fā)電和光伏獨立系統(tǒng)在資源上的缺陷。同時，風(fēng)力發(fā)電和光伏系統(tǒng)在蓄電池組和逆變環(huán)節(jié)是可以通用的，所以風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的造價可以降低，系統(tǒng)成本趨于合理。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的用電負(fù)荷情況和資源條件進(jìn)行系統(tǒng)容量的合理配置，既可保證系統(tǒng)供電的可靠性，又可降低發(fā)電系統(tǒng)的造價。無論是怎樣的環(huán)境和怎樣的用電要求，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)都可作出最優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計方案來滿足用戶的要求。應(yīng)該說，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是最合理的獨立電源系統(tǒng)［3，4］。

3 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的合理配置

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)由太陽能光伏板、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、系統(tǒng)控制器、蓄電池組和逆變器等幾部分組成［3］。

圖1 離網(wǎng)風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)組成示意圖

控制器對所發(fā)的電能進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，一方面把調(diào)整后的能量送往直流負(fù)載或交流負(fù)載，另一方面把多余的能量送往蓄電池組儲存，當(dāng)所發(fā)的電不能滿足負(fù)載需要時，控制器又把蓄電池的電能送往負(fù)載。蓄電池充滿電后，控制器要控制蓄電池不被過充。當(dāng)蓄電池所儲存的電能放完時，控制器要控制蓄電池不被過放電，保護(hù)蓄電池?？刂破鞯男阅懿缓脮r，對蓄電池的使用壽命影響很大，并最終影響系統(tǒng)的可靠性。

蓄電池的任務(wù)是貯能，以便在夜間或陰雨天保證負(fù)載用電。

逆變器負(fù)責(zé)把直流電轉(zhuǎn)換為交流電，供交流負(fù)荷使用。逆變器是光伏風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。由于使用地區(qū)相對落后、偏僻，維護(hù)困難，為了提高光伏風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的整體性能，保證電站的長期穩(wěn)定運行，對逆變器的可靠性提出了很高的要求。另外由于新能源發(fā)電成本較高，逆變器的高效運行也顯得非常重要。

發(fā)電系統(tǒng)各部分容量的合理配置對保證發(fā)電系統(tǒng)的可靠性非常重要。一般來說，系統(tǒng)配置應(yīng)考慮以下幾方面因素。

3.1 用電負(fù)荷的特征

發(fā)電系統(tǒng)是為滿足用戶的用電要求而設(shè)計的，要為用戶提供可靠的電力，就必須認(rèn)真分析用戶的用電負(fù)荷特征。主要是了解用戶的最大用電負(fù)荷和平均日用電量。

最大用電負(fù)荷是選擇系統(tǒng)逆變器容量的依據(jù)，而平均日發(fā)電量則是選擇風(fēng)機(jī)及光伏板容量和蓄電池組容量的依據(jù)。

3.2 太陽能和風(fēng)能的資源狀況

項目實施地的太陽能和風(fēng)能的資源狀況是系統(tǒng)光伏板和風(fēng)機(jī)容量選擇的另一個依據(jù)，一般根據(jù)資源狀況來確定光電板和風(fēng)機(jī)的容量系數(shù)，在按用戶的日用電量確定容量的前提下再考慮容量系數(shù)，最后光伏板和風(fēng)機(jī)的容量。

4 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)設(shè)備選擇方案

系統(tǒng)配置 規(guī)格參數(shù)描述風(fēng)力發(fā)電機(jī)(YF－600)最大功率720W/24V，啟動風(fēng)速2.3m/s，切入風(fēng)速3m/s，額定風(fēng)速10m/s，制動風(fēng)速14m/s，電磁及離心制動，額定轉(zhuǎn)速400r/min，鋁合金材料葉片3片，風(fēng)輪直徑2.4m。太陽能光伏板(WLS－120C)最大輸出功率240Wp，采用二塊17.5V/120Wp單晶硅晶片的光伏板并聯(lián)使用，輸出電流可達(dá)6.86A。風(fēng)光互補(bǔ)控制器(CZ2430)輸入24V/30A，輸出DC24V，風(fēng)光互補(bǔ)控制器，基于CIFC系統(tǒng)穩(wěn)定技術(shù)設(shè)計，蓄電池工作在均衡充電模式下，能有效延長蓄電池的使用壽命。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、輸出電壓、電流及輸出功率采用了柔性控制技術(shù)，系統(tǒng)實現(xiàn)了精確的功率分配，并采用了風(fēng)機(jī)輔助啟動功能和異常保護(hù)功能，具有高效節(jié)能、安全可靠、適應(yīng)惡劣工作環(huán)境等優(yōu)點。蓄電池(TP200－12)采用中美合資免維護(hù)膠體鉛酸蓄電池4塊12V200Ah，2塊串聯(lián)為24V再兩組并聯(lián)成400Ah，可在零下35度正常工作。風(fēng)機(jī)桿 斜拉式6m高電池箱備注:120W 電池板安裝參數(shù)及重量如下images/BZ_222_556_1489_859_1630.png組件尺寸W×L×H(mm)安裝孔縱向間距A安裝孔橫向間距B 安裝孔尺寸 重量1482×670×35 810 930 6－φ6.4 14kg

其性能特點:它具有特別適合內(nèi)陸地區(qū)低風(fēng)速時發(fā)電特性好、發(fā)電量大的特點，工作風(fēng)速范圍寬，過載及抗大風(fēng)能力強(qiáng)，運行平穩(wěn)，效率高，保護(hù)功能齊全完善，安裝使用便捷，安全可靠。安裝方便、獨立供電、無需人值守、維護(hù)量少、搬遷方便、一次性投資免交電費。具有機(jī)械、電子卸荷剎車裝置，可以確保在高風(fēng)速時，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制在安全可靠的范圍內(nèi)，使最高輸出電壓成為安全可控的電壓，達(dá)到國內(nèi)一流水平［5］。太陽能光伏板設(shè)計周密而做了防腐、防潮處理，抗風(fēng)能力強(qiáng)、無需維護(hù)。太陽能光伏板設(shè)計壽命為20～25年，風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計壽命為15～20年(機(jī)械磨損部件除外)，免維護(hù)蓄電池設(shè)計壽命為7～10年。這套方案在陰天并且無風(fēng)時，系統(tǒng)還能正常給設(shè)備供電7天。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選用YF－600W/24V，在風(fēng)速達(dá)到10m/s時，其輸出額定功率達(dá)600W，可同時給設(shè)備供電和蓄電池充電;平時風(fēng)速不到10m/s、只要能達(dá)3m/S以上時，輸出功率有25W以上，足夠陰天下單獨給設(shè)備供電。

太陽能光伏板選用WLS－120C單硅晶片，光電能轉(zhuǎn)換效率在16%以上，選二塊120Wp的太陽能光伏板串聯(lián)使用，能輸出最大額定功率240W，完全滿足無風(fēng)的狀態(tài)下，不只是單獨給設(shè)備供電，還能小電流的給蓄電池充電，這樣配置有利于今后增加設(shè)備。

風(fēng)光互補(bǔ)控制器使用了專用電腦芯片的智能化控制器，能縮小使用空間、提高穩(wěn)定性、安裝方便尤其是適合室外作業(yè)。具有短路、過載、獨特的防反接保護(hù)，充滿、過放自動關(guān)斷、恢復(fù)等全功能保護(hù)措施，詳細(xì)的充電指示、蓄電池狀態(tài)、負(fù)載及各種故障指示。本控制器通過電腦芯片對蓄電池的端電壓、放電電流、環(huán)境溫度等涉及蓄電池容量的參數(shù)進(jìn)行采樣，通過專用控制模型計算，實現(xiàn)符合蓄電池特性的放電率、溫度補(bǔ)償修正的高效、高準(zhǔn)確率控制，并采了用高效PWM蓄電池的充電模式，保證蓄電池工作在最佳的狀態(tài)，大大延長蓄電池的使用壽命。具有多種工作模式、輸出模式選擇，滿足用戶各種需要。當(dāng)外部電路異?；蚨搪窌r，本機(jī)自動關(guān)閉輸出;當(dāng)蓄電池電壓低于額定值的85%時，為防止蓄電池過放電將自動關(guān)閉輸出電路;當(dāng)電壓超過額定值+22%時，機(jī)器將自動開啟泄荷旁路，并且具有防反接保護(hù)?？刂撇糠质侵悄芑詣诱{(diào)節(jié)輸出功率的分配，在系統(tǒng)達(dá)到總額定輸出時，能控制輸出的70%給蓄電池充電，30%給設(shè)備供電;在不足總額定輸出時，會自動調(diào)整功率分配百分比，這樣就能到達(dá)設(shè)備正常工作所需的電能。

圖3 信號塔風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)實物圖

［1］李鐘實.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計施工與維護(hù)［M］.人民郵電出版社，2010.1

［2］張希良.風(fēng)能開發(fā)利用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.1

［3］Mehdi Dali，Jamel Belhadj，Xavier Roboam，Hybrid solar-wind system with battery storage operating in grid-connected and standalone mode，7th International Conference on Sustainable Energy Technologies，June 2010

［4］馮垛生.太陽能發(fā)電原理與應(yīng)用［M］.人民郵電出版社，2007.7

［5］Jiabing Hu，Yikang He，DFIG wind generation systems operating with limited converter rating considered under unbalanced network conditions-A-nalysis and control design，Renewable Energy，Volume 36，Issue 2，2011