（北流望江風(fēng)電有限公司，廣西 欽州 535000）

茶作為世界上三大無酒精飲料之一，在我國(guó)有著悠久的歷史。茶葉、茶飲品始終是國(guó)人的主要飲品之一，追溯到唐代，茶圣陸羽就已經(jīng)在《茶經(jīng)》中記載了關(guān)于茶的性質(zhì)、產(chǎn)區(qū)、種植方法，茶葉的采制、烹飲和煮茶、飲茶的器具等。而隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的新技術(shù)、新方案逐漸被應(yīng)用在茶葉生產(chǎn)和種植中，如常見的視頻監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)噴灌系統(tǒng)等。某茶園分布在我國(guó)西南地區(qū)，其主要安裝了覆蓋茶園的視頻監(jiān)控和無線傳輸設(shè)備，同時(shí)在一部分區(qū)域安裝了自動(dòng)噴淋設(shè)備。

由于茶園離村鎮(zhèn)、房屋相對(duì)較遠(yuǎn)，架設(shè)電線往往成本較高，且由于線路電壓較低線路較長(zhǎng)，往往導(dǎo)致電壓下降等導(dǎo)致用電設(shè)備不能正常工作，本文擬為該茶園設(shè)計(jì)一個(gè)小型的風(fēng)光互補(bǔ)與儲(chǔ)能系統(tǒng)，用以滿足茶園的日常不間斷用電需求，同時(shí)本文還通過給定的一部分環(huán)境參數(shù)，進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)際風(fēng)、光、儲(chǔ)配比和計(jì)算，確定了最優(yōu)方案。

1 設(shè)計(jì)參考依據(jù)

該茶園位于我國(guó)西南部地區(qū)，根據(jù)地方氣象部門的氣象信息，該地區(qū)地區(qū)年平均風(fēng)速4m/s，太陽能資源處于我國(guó)太陽能III類地區(qū)，也就是說該茶園所在地區(qū)太陽能年總輻射量為4500～5500MJ。

茶園配置了視頻監(jiān)控系統(tǒng)和自動(dòng)噴灌系統(tǒng)，需求供電量為1kW·h，茶園的現(xiàn)有負(fù)載信息如表1所示。

表1 茶園的現(xiàn)有負(fù)載信息

2 設(shè)計(jì)的技術(shù)要求

由于茶園所在區(qū)域天氣原因，其供電系統(tǒng)的自給天數(shù)應(yīng)滿足大于3天，同時(shí)，當(dāng)光照強(qiáng)度不夠光伏電池組件發(fā)電的情況，其系統(tǒng)也應(yīng)該能最長(zhǎng)維持12天的正常運(yùn)行，而當(dāng)茶園出現(xiàn)連續(xù)無風(fēng)或風(fēng)速不夠風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能最長(zhǎng)維持6天的正常運(yùn)行。

在上文曾分析了茶園所在區(qū)域和地理位置情況，在本次設(shè)計(jì)中，不考慮系統(tǒng)并入電網(wǎng)狀態(tài)，也就是本文設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能系統(tǒng)始終維持孤網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行。

系統(tǒng)內(nèi)部的額定直流電壓為12V或24V（根據(jù)系統(tǒng)各部分的實(shí)際需求確定），同時(shí)系統(tǒng)供電功率為500VA，系統(tǒng)對(duì)負(fù)載供電電壓?jiǎn)蜗?20V AC，供電頻率為50Hz，其余相關(guān)技術(shù)要求應(yīng)滿足或高于國(guó)標(biāo)《離網(wǎng)型戶用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)第1部分：技術(shù)條件（GB19115.1-2003）》相關(guān)要求。

由于系統(tǒng)實(shí)際安裝在茶園或茶園周圍，因此對(duì)于系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)需要選擇的逆變器組件、控制器組件、泄放組件等對(duì)周圍環(huán)境的影響應(yīng)符合國(guó)際電工委員會(huì)IEC CIS-R11的相關(guān)技術(shù)要求。同時(shí)系統(tǒng)選用的小型風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造，光伏組件的制造，蓄電池等應(yīng)符合《離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組用發(fā)電機(jī)第1部分（技術(shù)條件）（GB/T 10760.1-2003）等國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，且通過相關(guān)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)與認(rèn)證。

3 給定參數(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)蓄電池容量的計(jì)算選擇與數(shù)目的確定

根據(jù)1.1中假設(shè)的條件，可知用電設(shè)備相當(dāng)于200W的設(shè)備每天工作5h（t日）。

假設(shè)系統(tǒng)的逆變組件和內(nèi)部及外部線路效率為80%，系統(tǒng)需求的風(fēng)光互補(bǔ)部分總功率P：

根據(jù)假設(shè)條件可知，系統(tǒng)應(yīng)滿足自給天數(shù)N1大于3天，因此設(shè)安全系數(shù)A取1.1，蓄電池誤差余量ηx為90%，溫度系數(shù)T0取1，蓄電池放電深度CC取0.8，日耗電量Q1為工作電流乘以小時(shí)數(shù)，則將上述數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)代入公式，則蓄電池的容量BC：

由于系統(tǒng)選擇型號(hào)為12V，24Ah的固定式閥控鉛酸蓄電池，蓄電池容量B0為24Ah。該茶園所需要的蓄電池輸出電壓（逆變輸入電壓）為12V，因此只需要將選擇的固定式閥控鉛酸蓄電池并聯(lián)即可，需要并聯(lián)的蓄電池?cái)?shù)目為：根據(jù)上述計(jì)算，可知，該茶園的小型風(fēng)光互補(bǔ)與儲(chǔ)能系統(tǒng)需要選用18塊12V，24Ah的固定式閥控鉛酸蓄電池。用以滿足系統(tǒng)的技術(shù)要求，同時(shí)滿足系統(tǒng)的可靠性要求。實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用的蓄電池總?cè)萘繛?32Ah：

4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率計(jì)算與機(jī)型的選擇

上文進(jìn)行了茶園所需的分布式風(fēng)光互補(bǔ)與儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的計(jì)算、分析。而系統(tǒng)采用小型風(fēng)電機(jī)組和光伏發(fā)電組件兩部分分別作為獨(dú)立的發(fā)電單元。因此在計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率時(shí)，需要給定一種相對(duì)極端的天氣情況。

假定在天氣狀況為陰雨天的情況下，即只有風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以正常工作，光伏電池方陣不能對(duì)外提供電能。此時(shí)，根據(jù)給定的環(huán)境條件“光照強(qiáng)度不夠光伏電池方陣發(fā)電的情況最長(zhǎng)時(shí)間為12天（t1max）”，根據(jù)氣象資料分析，此時(shí)的風(fēng)速應(yīng)略大于給定的該地區(qū)平均風(fēng)速4m/s，時(shí)間也應(yīng)超過平均風(fēng)速的時(shí)間，取風(fēng)速為四級(jí)（5.5～7.9m/s），4h/d（t1d）。設(shè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率為P1，則有下式：

將數(shù)據(jù)代入：

根據(jù)可供選擇的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的型號(hào)、規(guī)格，在保證系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性基礎(chǔ)上，選用額定功率P1為300W的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

5 光伏陣列功率計(jì)算與光伏組件的選型與數(shù)目的確定

同樣道理，在進(jìn)行光伏部分功率確定和計(jì)算的過程中，也需要假設(shè)一種相對(duì)極端的天氣情況。就是當(dāng)茶園所在地區(qū)連續(xù)無風(fēng)，即只有光伏電池組件作為發(fā)電設(shè)備，小型風(fēng)電機(jī)組無法對(duì)外提供電能。根據(jù)給定的氣象條件連續(xù)晴天無風(fēng)天數(shù)為6天（t2max），取8 h/d（t2d）。設(shè)光伏組件功率為P2，根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載平衡，則有：

光伏陣列總功率為78.902625W，因此可選用20W的單晶硅光伏組件。

其主要技術(shù)參數(shù)主要為：額定功率20W（Ps），額定電壓17.2V，額定電流1.17A，開路電壓21.4V，短路電流1.27A，設(shè)計(jì)發(fā)電系統(tǒng)采用的直流電壓為12V，蓄電池浮充電壓Vf=13.5～13.8V，這里取13.8V，回路壓降Vi取3V，計(jì)算是否需要串聯(lián)光伏電池組件，假定需要串聯(lián)，串聯(lián)的數(shù)目為N2：

因此不需要將光伏電池組件進(jìn)行串聯(lián)。

光伏電池組件的并聯(lián)數(shù)目N2'，則

實(shí)際系統(tǒng)中選用的光伏組件數(shù)目Nsum，光伏組件總功率為P2sum：

即系統(tǒng)中實(shí)際采用的光伏組件數(shù)目為4塊，光伏組件總功率為80W。

6 光伏電池組件在組成光伏陣列過程中的其他計(jì)算

光伏電池是把太陽光轉(zhuǎn)換成電能的裝置，其電能輸出和光照度密切相關(guān)。同時(shí)由于太陽光隨緯度變化和地勢(shì)變化較為明顯，因此在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中往往還需要考慮光伏電池板能否追光跟蹤，如果是固定安裝的光伏電池板還需要考慮光伏電池陣列的安裝傾角，涉及到光伏電池板比較多時(shí)，還需要考慮光伏電池板之間的間距等因素。

一般固定式光伏陣列的陣列傾角θ1可以在當(dāng)?shù)鼐暥壬?5°進(jìn)行選擇。也可根據(jù)國(guó)標(biāo)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50797-2012）》的附錄B光伏陣列最佳傾角參考值進(jìn)行選取。光伏陣列間距D的確定，可以根據(jù)光伏陣列的高度H和陣列傾角θ1，由以下公式初步確定，還需根據(jù)實(shí)際安裝位置、地形、安裝場(chǎng)地的要求進(jìn)行調(diào)整。

7 其他主要設(shè)備的選型與確定

在系統(tǒng)中，控制器、逆變器、防雷隔離、接地保護(hù)等電力電子設(shè)備的選型應(yīng)滿足系統(tǒng)的整體需求,，符合安全性的基本原則，與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能、容量相匹配。逆變器的選擇應(yīng)該以負(fù)載功率為主要確定因素，還需要保證系統(tǒng)具有一定的可拓展性，所有選擇產(chǎn)品、部件、材料等必須是合格產(chǎn)品，需要經(jīng)過有關(guān)部門測(cè)試的必須進(jìn)行技術(shù)測(cè)試和預(yù)防性實(shí)驗(yàn)，銘牌標(biāo)志清晰美觀，儀表設(shè)備量程正確，設(shè)備絕緣符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，耐振動(dòng)性能符合技術(shù)要求。