第一届节能减排大赛.docx
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第一届节能减排大赛
离网型风光互补发电系统设计说明书
设计者：
龚航、程寅、孙楠、弓雯静、
严学勇、钟智、余泓实
指导教师：
周步祥
学校名称：
四川大学
所在学院：
电气信息学院
学校所在地：
四川省成都市
邮编：
610065
摘要：
随着能源危机和环境恶化日益加剧，人们越来越关注环境保护和新能源技术的发展。
风力发电和太阳能发电是所有可再生能源中最有前景的，它们具有零污染、低辐射、永不枯竭等诸多不可取代的优点。
近年来，世界各国都加大对风能和太阳能产业的投入。
随着成本的进一步降低，产业技术的升级以及政府财政与政策的支持，风光互补智能系统作为一种灵活、稳定的能源供给系统，将是新能源利用研究与应用的热点。
关键词:
风光互补发电、能源、promodel仿真
作品内容简介
离网风光互补发电系统主要由太阳能电池组件、风力发电机、控制器、蓄电池、逆变器、支架以及其它保护电气元件组成。
离网运行的风光互补发电系统，太阳能光伏组件和风力发电机将分别在有光照和有风的情况下输出电能，弥补了单独风力发电或光伏发电在某些情况下无法输出电能的不足。
系统所产生的电能可通过控制器直接供给直流负载或逆变后供给交流负载使用，多余电能将储存于蓄电池中供负载在无光无风的条件下使用。
在远离电网的地区，独立供电系统就成为人们最需要的电源。
部队的边防哨所、邮电通讯的中继站、公路和铁路的信号站、地质勘探和野外考察的工作站、偏远地区的农牧民都需要低成本、高可靠性的独立电源系统，而这些地方要解决长期稳定可靠的供电问题，就可以依赖当地的自然能源，太阳能和风能是普遍的自然资源，也是取之不尽的可再生能源。
而且太阳能和风能在时间上和地域上都有很强的互补性。
白天太阳光强时，风很小，晚上太阳落山后，光照很弱，但由于地表温差变化大而风能加强。
在夏季，太阳光强度大而风小，冬季，太阳光强度弱而风大。
太阳能和风能在时间上的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性在这些情况下，风光互补发电系统无疑是资源条件最好的独立电源系统。
1、作品背景
什么是能源？
能源就是向自然界提供能量转化的物质（矿物质能源，核物理能源，大气环流能源，地理性能源）。
能源是人类活动的物质基础。
在某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。
在当今世界，能源的发展，能源和环境，是全世界、全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展的重要问题。
国际能源机构（IEA）发布的《2009世界能源展望》报告认为2007年到2030年，全球一次能源需求量会以每年1.5%的速度增长，从120亿吨油当量增长到168亿吨油当量，总体增幅达40%，发展中的亚洲国家是这一需求增长的主要驱动因素，其次是中东国家。
该展望中还就2030年“各国不改变现行减排政策情况下”的参考情景与“将大气中温室气体长期浓度控制在450ppm二氧化碳当量”的450情景作了对比。
图1参考情景与450情景下的二氧化碳排放量预测
450情景提出了比各国减排目标更高的二氧化碳减排量，目标定为将“参考情景”中预测2020年34.5亿吨二氧化碳排放量骤减至3.8亿吨，即减排30.7亿吨。
为了实现这一目标，不仅仅发达国家，发展中国家也被要求采取相应的措施。
同时，普遍认为在各种减排对策中，节能贡献率最大，而可再生能源与CCS（二氧化碳封存与捕获应用）等，在2020年普及之后也会起到很大的作用。
由于世界能源的紧张现状，我国政府高度重视可再生能源的研究与开发。
国家经贸委制定了新能源和可再生能源产业发展的“十五”规划，并制定颁布了《中华人民共和国可再生能源法》，重点发展太阳能光热利用、风力发电、生物质能高效利用和地热能的利用。
近年来在国家的大力扶持下，我国在风力发电、海洋能潮汐发电以及太阳能利用等领域已经取得了很大的进展。
随着能源危机日益临近，新能源已经成为今后世界上的主要能源之一。
太阳能和风力发电已经逐渐走入我们寻常的生活。
我国幅员辽阔，陆疆总长达2万多公里，还有18000多公里的海岸线，边缘海中有岛屿5000多个，风能资源丰富。
我国现有风电场场址的年平均风速均达到6米/秒以上。
一般认为，可将风电场风况分为3类：
年平均风速6米/秒以上时为较好；7米/秒以上为好；8米/秒以上为很好。
可按风速频率曲线和机组功率曲线，估算国际标准大气状态下该机组的年发电量。
我国相当于6米/秒以上的地区，在全国范围内仅仅限于较少数几个地带。
就内陆而言，大约仅占全国总面积的1/100，主要分布在长江到南澳岛之间的东南沿海及其岛屿，这些地区是我国最大的风能资源区以及风能资源丰富区，包括山东、辽东半岛、黄海之滨，南澳岛以西的南海沿海、海南岛和南海诸岛，内蒙古从阴山山脉以北到大兴安岭以北，新疆达坂城，阿拉山口，河西走廊，松花江下游，张家口北部等地区以及分布各地的高山山口和山顶。
根据全国气象台部分风能资料的统计和计算，中国风能分区及占全国面积的百分比见表2。
表2中国风能分区及占全国面积的百分比
指标
丰富区
较丰富区
可利用区
贫乏区
年有效风能密度（W/m2）
>200
200-150
<150-50
<50
年≥3m/s累计小时数（h）
>5000
5000-4000
<4000-2000
<2000
年≥6m/s累计小时数（h）
>2200
2200-1500
<1500-350
<350
占全国面积的百分比（％）
8
18
50
24
图2全国年平均风功率密度分布图（瓦/平方米）
风能是目前新能源中利用较为成熟的一种，太阳能作为第二大新能源已经渐渐地得到了大家的重视，在我国，西藏西部太阳能资源最丰富，最高达2333KWh/㎡（日辐射量6.4KWh/㎡），居世界第二位，仅次于撒哈拉大沙漠。
我国的太阳能能资源分布图如下：
图3太阳能资源分布图（兆焦耳/平方米·年）
就目前来说，人类直接利用太阳能和风能还处于初级阶段，它们的利用还存在一定的问题，这是由于它们的优缺点造成的。
表3风能和太阳能的优缺点比较
风能
太阳能
优点
使用经验丰富，产业和基础设施发展较成熟
没有地域的限制，可直接开发和利用，
无限可再生资源
开发利用太阳能不会污染环境
项目规模灵活
每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。
陆地发电成本低于海上。
成本较低
根据目前估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命约为几十亿年，可以说太阳的能量是用之不竭的
缺点
风速不稳定,产生的能量大小不稳定
分散性
间歇性资源，并非所有地区都有效
由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，太阳能不稳定
转换效率低
储能困难
“尺有所短，寸有所长”结合两种能源的优点设计监理风光互补发电系统就成为了一个能源建设的技术手段。
在远离电网的地区，独立供电系统就成为人们最需要的电源。
部队的边防哨所、邮电通讯的中继站、公路和铁路的信号站、地质勘探和野外考察的工作站、偏远地区的农牧民都需要低成本、高可靠性的独立电源系统，而这些地方要解决长期稳定可靠的供电问题，就可以依赖当地的自然能源，太阳能和风能是普遍的自然资源，也是取之不尽的可再生能源。
而且太阳能和风能在时间上和地域上都有很强的互补性。
白天太阳光强时，风很小，晚上太阳落山后，光照很弱，但由于地表温差变化大而风能加强。
在夏季，太阳光强度大而风小，冬季，太阳光强度弱而风大。
太阳能和风能在时间上的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性在这些情况下，风光互补发电系统无疑是资源条件最好的独立电源系统。
2.原理介绍
离网风光互补发电系统主要由太阳能电池组件、风力发电机、控制器、蓄电池、逆变器、支架以及其它保护电气元件组成。
离网运行的风光互补发电系统，太阳能光伏组件和风力发电机将分别在有光照和有风的情况下输出电能，弥补了单独风力发电或光伏发电在某些情况下无法输出电能的不足。
系统所产生的电能可通过控制器直接供给直流负载或逆变后供给交流负载使用，多余电能将储存于蓄电池中供负载在无光无风的条件下使用。
图4风光互补发电系统结构图
表4离网风光互补发电系统配置单
序号
元件名称
型号
单位
数量
01
光伏组件
ETM572160
套
4
02
风力发电装置
200W/24V
套
1
03
风光互补控制器
SD4830
台
1
04
离网逆变器
SN481KS
台
1
05
蓄电池
GFM-500
组
24
06
支架系统
热镀锌型材
套
1
07
浪涌保护器
PUⅡ2/R75V/40kA
台
3
2.1太阳能发电系统
太阳能发电系统主要包括：
光伏组件、光伏控制器、蓄电池、逆变器等组成。
其中，太阳能光伏组件和蓄电池为电源系统，光伏控制器和逆变器为控制保护系统。
各部分的作用为：
2.1.1光伏组件
光伏组件是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。
其作用是将太阳的辐射能转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。
太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。
图5光伏组件工作原理
2.1.2光伏控制器
光伏控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。
在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。
2.1.3蓄电池
一般使用铅酸电池，其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的多余的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。
2.1.4逆变器
由于太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC，为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。
图6太阳能转化图
2.2风能发电系统
风能发电系统主要包括：
风力发电机、风机控制器、蓄电池、逆变器等组成。
其中，风力发电装置和蓄电池为电源系统，风机控制器和逆变器为控制保护系统。
各部分的作用为：
2.2.1风力发电机
将风的动能转换为电能，常用的风力发电机按风机轴向不同可分为水平轴风机和垂直轴风机。
水平轴风机很早就被应用，是迄今应用风能最广泛的形式，因技术成熟、单位发电量成本较低，我们使用水平轴风机。
2.2.2风机控制器
控制整个风能发电系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。
2.2.3蓄电池
其作用是将风机所发的多余电能储存起来，到需要的时候再释放出来。
2.2.4逆变器
将直流电转换成交流电供交流负荷使用。
图7风能发电系统结构
产品的工艺流程
表5光伏组件技术参数
（1）标准测试条件下的输出特性
峰值功率（Pmax）
160W
最大功率点电压（Vmpp）
35.62V
最大功率点电流（lmpp）
4.49A
开路电压（Voc）
43.9V
短路电流（lsc）
5.07A
标准测试条件：
照度1000W/m2温度250C
（2）温度特性
NOCT
44.4±20C
TKlsc
+0.09%/0C
TKVoc
-0.34%/0C
TKPm
-0.37%/0C
表6风力发电机组技术参数
型号
TZW-200
额定功率（W）
200
额定电压（V）
24
风轮直径（m）
1.2
启动风速（m/s）
1.5
额定风速（m/s）
5
安全风速（m/s）
25
额定转速（r/m）
200
叶片材质
玻璃钢
叶片数量
3
2.3.风光互补控制器
（1）、控制器与风力发电充电电路应符合JB/T6939.1的要求。
（2）、控制器与光伏发电充电电路应满足以下技术要求
●光伏充电电路可承受的最大电压为太阳电池组件额定电压的1.5倍;
●光伏充电电路可承受的最大电流为太阳电池组件短路电流的1.5倍;
●光伏充电电路电压降≤1.2V;
●应有防止组件反接的电路保护;
●应具有防止蓄电池通过太阳电池组件反向放电的保护功能
表7风光互补控制器技术参数
型号
SD4830
额定电压（V）
DC48
而定电流（A）
30
最大光伏组件功率（kWp）
1.44
光伏阵列输入控制路数
1
每路光伏阵列最大电流（A）
30
蓄电池过放保护点（可设置V）
43.2
蓄电池过放恢复点（可设置V）
49.2
蓄电池过充保护点（可设置V）
57.6
负载过压保护点（可设置V）
70
负载过压恢复点（可设置V）
60
空载电流（mA）
<100
电压降落
光伏阵列与蓄电池（V）
0.3
蓄电池与负载（V）
0.1
温度补偿系数（mv/0C）
0~5（可设置）
使用环境温度（0C）
-20~+50
使用海拔高度（m）
5000（海拔超过1000米需按照GB/T3859.2规定降额使用。
）
防护等级
IP20
尺寸（深
宽
高）（mm）
400
482
177（4U）
2.4.离网逆变器
系统选用的离网逆变器应符合JB/T7143.1的要求。
●逆变器的输出波型应当是正弦波或改善方波，其正弦波波型失真度应不超过士5%。
●输入为额定电压值、负载为纯阻性，负载率为75%时，逆变器的效率应≥80%。
●使用的逆变器应有相适应的防雷击措施。
表8离网逆变器技术参数
型号
SN481KS
直流
输入额定电压（V）
DC48V
输入
输入额定电流（A）
24
允许输入电压范围（V）
42~64
交流
额定容量（kVA）
1
输出
输出额定功率（kW）
0.8
输出额定电压及频率
AC220V，50Hz
输出额定电流（A）
9.0
输出电压精度（V）
AC220V±3%
输出频率精度（Hz）
50±0.05
波形失真率（线性负载）
5%
动态响应（负载0~100%）
5%
功率因数
0.8
过载能力
120%，10秒
峰值系数
3：
1
逆变效率（80%阻性负载）
86%
使用环境温度（0C）
-20~50
防护等级
IP20
海拔高度（m）
5000（海拔超过1000米需按照GB/T3859.2规定降额使用。
）
尺寸：
立式（深
宽
高）（mm）
205
365
425
2.5.蓄电池
系统选用的蓄电池必须是经过有认证资格的检测机构按照相关国家或行业标准进行测试检验合格的蓄电池。
●使用铜镀铅链条或铜带将蓄电池相互连接在一起。
蓄电池必须提供便于用螺栓连接的极柱。
蓄电池电极应有防腐措施以保护蓄电池的电极端不被腐蚀。
●蓄电池应当放置在具有一定的通风能力的箱体内，以避免用户触摸到电极或电解液，所有可能接触到酸液的部分均应是防酸的。
箱体必须牢固，以支撑蓄电池的重量。
箱体应能防止儿童打开或进人。
箱体必须用耐久材料制造，以保证至少5年之内不需要维护。
●加液使用的蓄电池应有避免液体外溢的防护措施废液和废旧蓄电池应由推广应用人员妥善回收。
表9蓄电池主要技术参数
型号
额定容量（Ah）
重量（Kg）
Vt=1.80V/单体
Vt=1.80V/单体
Vt=1.75V/单体
Vt=1.65V/单体
GFM-500
500
375
275
250
31
3.风力及日照分析
3.1成都风力及日照
3.1.1概述
自然资源的分布与地形、地貌、天气气候背景有着密切的关系。
我国风能资源丰富和较丰富的地区主要分布在两个大带里。
即三北（东北、华北、西北）地区丰富带和沿海极其岛屿地区丰富带。
而以四川盆地为中心，包括陕南、湘西、鄂西以及南岭山地和滇南都是风能资源贫乏的区域。
这些区域年平均风功率都在50W/m2以下，年平均风速都很小。
成都市属亚热带湿润季风气候区。
由于地理位置、地形和下垫面等地理条件的影响,又具有显著的垂直气候和复杂的局地小气候。
平原丘陵区属四川盆地中亚热带湿润和半湿润气候区,气候温和、、雨水充沛、风力较小、日照较少。
全市大部分地区的主导风向为NE和NNE，都江堰为NW（占全年7～11%），静风频率占全年32～55%。
成都年平均日照时数为825.7～1202.9小时。
日照全年以1月2月、12月为最少，其月日照时数为31.5～56.4小时，7月和8月日照时数最多达109.5～153.9小时。
3.1.2成都风力和日照情况
（以下数据均采自中国气象科学数据网）
（1）风力情况
以下给出四川成都气象台站（56294）近年来对风速大小的日、月、年统计数据（气象台站风观测资料统一规定距地面10m高出气流的方向和速度记录，即地面风向和风速）
表102003年四川成都气象台站（56294）12月各日平均风速
台站
日
2003年12月各日平均风速（0.1m/s）
56294
1
23
56294
2
5
56294
3
13
56294
4
8
56294
5
10
56294
6
18
56294
7
20
56294
8
18
56294
9
13
56294
10
18
56294
11
8
56294
12
8
56294
13
13
56294
14
8
56294
15
8
56294
16
13
56294
17
10
56294
18
18
56294
19
18
56294
20
5
56294
21
10
56294
22
5
56294
23
0
56294
24
0
56294
25
8
56294
26
10
56294
27
18
56294
28
0
56294
29
5
56294
30
5
表11四川成都气象台站（56294）累各年（1971-2000）各月平均风速
台站
月份
累年各月平均风速（0.1m/s）
56294
1
9
56294
2
10
56294
3
13
56294
4
13
56294
5
14
56294
6
13
56294
7
12
56294
8
12
56294
9
12
56294
10
10
56294
11
9
56294
12
8
表12四川成都气象台站（56294）近10年（1993-2003）各年平均风速值
台站
年
年平均风速（0.1m/s）
56294
1993
12
56294
1994
12
56294
1995
11
56294
1996
11
56294
1997
12
56294
1998
14
56294
1999
12
56294
2000
13
56294
2001
15
56294
2002
15
56294
2003
16
另外统计显示：
1971-2000年累年年平均风速为1.1m/s
因此根据成都气象台站以上日、月、年的气象统计可以分析得到以下结论：
∙成都每年11月至次年1月风力较弱，该时间段月平均风速大约维持在0.7-0.9m/s，每日的平均风速从0-2m/s不等，风速较其他月份不够稳定
∙成都每年3-5月份风力较其他月份偏大，该时间段月平均风速大约维持在1.3-1.5m/s，最低累计平均风速最低为0.8m/s
（2）光照情况
以下给出四川成都气象台站（56294）近年来对日照时数、净辐射（由天空，包括太阳和大气，向下投射的和由地表，包括土壤、植物、水面，向上投射的全波段辐射量之差称为净全辐射，简称净辐射）的日、月、年统计数据
表132003年四川成都气象台站（56294）4月各日日照时数
台站
日
2003年4月各日日照时数（0.1小时）
日净辐射（0.01兆焦耳/m2）
56294
1
16
402
56294
2
0
532
56294
3
5
208
56294
4
0
436
56294
5
0
50
56294
6
6
206
56294
7
78
1176
56294
8
0
344
56294
9
0
289
56294
10
6
520
56294
11
52
649
56294
12
13
396
56294
13
36
573
56294
14
108
1050
56294
15
36
571
56294
16
5
390
56294
17
49
741
56294
18
3
108
56294
19
70
1052
56294
20
0
252
56294
21
0
256
56294
22
5
562
56294
23
57
963
56294
24
82
953
56294
25
63
857
56294
26
35
586
56294
27
51
836
56294
28
0
306
56294
29
60
794
56294
30
103
1217
表14四川成都气象台站（56294）累各年（1971-2000）各月日照时数
和累年（1993-2000）各月净辐射
台站
月份
累年各月日照时数（0.1小时）
累年各月净辐射（0.01兆焦耳/m2）
56294
1
533
2240
56294
2
514
4888
56294
3
831
9531
56294
4
1139
17132
56294
5
1217
20558
56294
6
1172
21611
56294
7
1319
22776
56294
8
1550
22316
56294
9
776
13149
56294
10
594
7131
56294
11
572
3150
56294
12
516
899
表15四川成都气象台站（56294）近10年（1993-2003）各年净辐射
台站
年
年平均日照时数（0.1小时）
年净辐射（0.01兆焦耳/m2）
56294
1993
9913
156074
56294
1994
10713
168077
56294
1995
10214
132165
56294
1996
9282
189260
56294
1997
9389
119484
56294
1998
9612
134747
56294
1999
8248
138303
56294
2000
10102
124941
56294
2001
10652
137353
56294
2002
10266
174288
56294
2003
8185
154093
另外统计显示：
1971-2000年累年年平均日照时数10732小时,1993-2000累年年均净全
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