200W风光互补发电系统技术功能方案.docx
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200W风光互补发电系统技术功能方案
200W风光互补发电系统
技术功能方案
2009年11月
1系统简介
风光互补发电系统通过把风能和太阳能转化为电能，利用蓄电池储能，直接输出直流电，或者通过正弦波逆变器，输出交流电。
风光互补发电代表了绿色能源的发展方向，是21世纪最具吸引力的能源利用技术。
太阳能是地球上一切能源的来源，风能是太阳能在地球表面的另外一种表现形式，由于地球表面的不同形态（如沙土地面、植被地面和水面）对太阳光照的吸热系数不同，在地球表面形成温差，地表空气的温度不同形成空气对流而产生风能。
因此，太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性。
白天太阳光最强时，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使风能加强。
在夏季，太阳光强度大而风小，冬季，太阳光强度弱而风大。
风能和太阳能在时间和季节上如此吻合的互补性，决定了风光互补结合后发电系统可靠性更高、更具有实用价值。
因此，风光互补发电系统是综合利用风能、光能解决设备供电的最佳方式。
太阳能作为传统的绿色能源已经广泛应用在我们的日常生活和生产中，而且，我国太阳能板等产品的生产技术水平已经达到世界先进水平，产品的免维护期已经超过10年。
在灯塔、航标、基站上的应用非常广泛。
风能不受太阳光线的影响，可以24小时根据风速的大小不断的产生电能。
但是，风力资源虽然丰富，却经常遇到有台风或者飓风的破坏。
一旦台风或者飓风来临传统的扇叶式风能发电机就难逃厄运，带来巨大的经济损失。
建议风机采用垂直式、涡轮型造型，不受风速、风向的影响，其最大的抗风能力达到60米/秒，也就是17-18级台风。
这样，在夏季太阳光线充足时，太阳能发电就起着重要的作用，在夜间、冬季等时候风能发电不仅可以弥补太阳能发电的不足，而且可以为设备提供稳定可靠的能源。
与以往发电系统相比，风光互补发电系统具有以下优点：
（1）利用清洁干净、可再生的自然能源发电，不耗用不可再生的、资源有限的含碳化石能源，使用中无温室气体和污染物排放，与生态环境和谐，符合经济社会可持续发展战略。
（2）比独立太阳能光伏发电系统的发电量增加35%一45%，大大增加绿色能源的利用比例。
（3）风光互补发电设备与建筑物完美结合，既可发电又能作为装饰材料，使物质资源充分利用发挥多种功能，使建筑物科技含量提高、充分响应国家节能减排的政策。
（4）分布式建设，就近就地分散发供电，既有利于增强供电稳定性，又可降低线路损耗。
（5）风光互补发电系统是世界各发达国家在绿色能源应用领域竞相发展的热点和重点，是世界绿色能源发电的主流发展趋势，市场巨大，前景广阔。
2原理及组成
风光互补发电系统由风力发电机组和太阳电池组件共同构成的能够将风的动能和太阳的光能转换为电能的混合发电系统。
风力发电机以自然风作为动力，风轮吸收风的能量，驱动风轮及风力发电机旋转，将风能转换为电能。
太阳能发电利用光生伏打效应原理制成，将太阳辐射能量直接转换成电能。
风光互补发电系统由下述部件组成：
风力发电组件、太阳电池组件、风光互补控制器、蓄电池组、逆变器。
系统结构图
现场安装示意图
2.1风力发电组件
风力发电机组的选择涉及要素有：
当地的年平均风速，最低月平均风速，无有效风速期时间的长短和用电总功率需求，根据用电功率需求确定风力发电机组的功率。
根据年内最低的月平均风速，选择风力发电机组额定风速值。
在总功率需求较大时，可使用相同规格的2台或多台风力发电机组在直流输出端串联或并联使用。
在多雷区或有特殊要求的使用环境，应采用有适当防雷措施的风力发电机组。
风力发电机采用垂直轴方案设计，具有转速低、无噪声、安全性高、微风可发电、体积小、整机重量轻、无需调向对风装置、风电转换效率高、可承受60米/秒风速等特点和优势。
发电机组多采用永磁直驱发电机，其整机结构简单，低速发电性能良好，可靠性高，安装维护方便。
2.2太阳能组件
太阳能电池组件是将太阳光能直接转换为电能的发电装置，通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太阳能电池组件，具有一定的防腐、防风、防雹、防雨的能力。
当应用中需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。
太阳能电池组件功率的选择，峰值功率由系统日平均最低耗电电量、无有效风速时当地峰值日照小时数和系统损失因子来确定。
系统的太阳电池组件的最小功率应能保证提供出系统日平均最低耗电电量。
在多雷区或特殊环境中使用太阳电池方阵应有防雷措施。
2.3风光智能控制器
控制器必须具有风力发电充电电路和光伏充电电路。
两充电通道要各自独立和有效隔离。
控制器风电充电电路的最大功率要大于或等于风力发电机组额定输出功率的2倍。
控制器光伏充电电路的最大功率应大于系统光伏功率的1.5倍。
在多雷区或特殊环境中使用的控制器应有防雷措施。
2.4蓄电池部分
应当优先选用储能用铅酸蓄电池和其他适合风光互补发电使用的新型蓄电池。
蓄电池组的串联电压必须与风光互补控制器的输出电压相匹配。
蓄电池的容量是由日最低耗电量，设定的连续阴天的天数，最长无风期的天数和蓄电池的技术性能，如自放电率、充放电效率和放电深度等因素共同确定的。
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。
当密封铅酸蓄电池在海拔2500m以上条件下使用时，必须使用能够适合于这样的条件下使用的型号。
2.5正弦波逆变器
逆变器是将直流电变换成交流电的设备。
由于风光互补发电输出的是直流电，对于所带负载是交流性质的情况，逆变器是不可缺少的。
逆变器按输出波形可分为方波逆变器和正弦波逆变器，推荐使用正弦波逆变器。
逆变器的输出功率应当由交流供电设备的类型、功率和使用的时间来计算和确定。
逆变器的额定输出功率至少应当大于系统总功率的1.2倍。
2.6资源环境条件
风光互补发电系统安装的地区，当地年平均风速大于3.5m/s，同时年度太阳能辐射总量不小于500MJ/m2是风光互补发电系统推荐使用区。
风光互补发电系统连续、可靠工作的条件：
a）环境温度：
-25℃—+45℃；
b）空气相对湿度：
不大于90％（25℃±5℃）；
c）海拔高度不超过1000m。
3系统设计
3.1设计总则
系统设计的目标是确定发电系统各部件的容量及运行控制策略，合理的设计方案能降低系统成本，增加系统运行的可靠性。
太阳能与风能在时间和地域上有很强的互补性因此，风光互补能够降低系统的总成本。
在风光互补发电系统的优化设计中，应该在获得安装点的气候数据和负载容量后，通过选择不同的系统部件组合方式确定系统容量，然后再选择在给定系统容量下的最优运行策略。
3.1.1系统的电能品质设计
当系统的直流电压在额定电压值的90%-120%范围内变化时，系统的交流输出频率应保持在50Hz±2.5Hz范围内，即频率稳定度为±5%。
输出为额定功率，当系统的直流电压在额定值的90%-120%范围内变动时，系统交流输出电压变化范围应不超过额定值±10%。
逆变器的输出波型应当是正弦波，其正弦波波型失真度应不超过±5%。
3.1.2系统的保护功能
a）蓄电池欠压保护；
b）蓄电池过充保护；
c）负载短路保护；
d）过负荷保护；
e）系统具有有效防止风力发电机组空载电压冲击措施，保证在出现最大空载电压时，系统内所有电器设备包括系统外部的用电器均能得到有效保护。
3.1.3系统具有的显示功能
a）风力发电充电显示；
b）太阳能发电充电显示；
c）蓄电池电压状态显示；
d）控制器、逆变器工作状态显示；
e）各种保护状态显示。
3.2系统功率容量计算
3.2.1设备负载统计
序号
设备名称
额定电压
（V）
功率
（W）
日工作时间
（h）
备注
1
A
220AC
100
10
2
B
24DC
100
24
3
4
3.2.2蓄电池容量计算
系统配置容量满足在无风、阴雨天情况下至少维持2天对设备供电。
蓄电池按照24V设计，计算以蓄电池放电容量70%，逆变器效率按90%考虑。
计算蓄电池所需安时数如下：
交流负载：
计算内容
计算值
单位
备注
交流功率
100
W
逆变效率90%
电流值
4.63
A
24V设计
小时数
20
h
10h，2天
放电容量
133
Ah
放电容量70%
直流负载：
计算内容
计算值
单位
备注
直流功率
100
W
电流值
4.17
A
24V设计
小时数
48
h
24h，2天
放电容量
286
Ah
放电容量70%
累计24V蓄电池需要安时数为133+286=419Ah。
3.2.3发电功率计算
系统正常运行时，发电功率除要带额定负载外，还要完成对蓄电池的充电，风力发电、太阳能发电的发电功率需要满足额定负载容量。
系统配置充电控制器按照24V设计，效率按90%考虑。
计算风光互补发电功率如下：
计算内容
计算值
单位
备注
负载功率
212
W
交流逆变效率90%
发电功率
236
W
效率90%
3.3风力发电组件
选用一体化垂直风轮发电单元。
由立柱、风轮、发电机、轴承等组成。
整套风力发电单元只有风轮一个活动部件，采用永磁无刷发电机组，包括感应绕组、发电感应磁极。
没有转向、碳刷等易耗、易损部件，使用寿命显著延长。
使用垂直式，在2m/s—60m/s风速都可安全使用。
涡轮型风叶造型，能达到空间360度受风，在微风和台风天气下都可以正常发电。
系统需要236W发电功率。
根据现场风力情况，通常情况下风力无法达到风机的额定运行风速，配置2台额定功率180W/24V的风力发电组件，以满足系统需要。
单台风机指标：
额定功率
7.5A/24V/180W
固定桅杆
金属
切入风速
1.5m/s
额定风速
12m/s
切出风速
无
受风面积
0.4㎡
叶片重量
8kg
变速箱
无变速箱
转子速度控制
无需，电子控制
超速控制
无需
主制动系统
电子
测定噪音
0dB
发电机型号
YJD-1018
发电机结构
永磁型
发电机电压
1-400V
风机发电功率曲线：
3.4太阳能组件
太阳电池方阵的结构设计要保证组件与支架的连接牢固可靠，并能方便地更换太阳电池组件。
组件应安装在可以调节倾角、有防腐蚀措施的支架上，确保安装牢固。
支架应能够保证正确的方位和角度，以使其能够获得最大的发电量。
系统需要236W发电功率。
为最大利用太阳照射时间内的发电，能以较短的时间给蓄电池组充电。
配置2组额定功率180W/24V的太阳能发电组件，以满足系统需要。
单组太阳电池参数：
最大输出功率Pm
180W
功率误差
±3%
最佳工作电压Vm
24.4V
开路电压Voc
29.6V
短路电流Isc
7.95A
最大系统电压VDC
1000V
转换效率ηm
15.9%
电池片类型
单晶硅
电池片数量
48片（6*8）
工作温度
-40—85℃
玻璃种类
高透光，钢化
不同温度下的I-V曲线：
3.5风光智能控制器
控制器整机与风力、太阳能的发电充电电路需要符合相应的标准和要求。
采用最大功率跟踪技术，最大限度地把风力、太阳能的发电转换为蓄电池充电电流。
控制器具有风力发电充电输人端、光伏充电电路输人端、蓄电池接线端、逆变器接线端。
控制器光伏充电电路满足以下要求：
a）充电电路可承受的最大电压为发电输出额定电压的1.5倍；
b）充电电路可承受的最大电流为发电输出短路电流的1.5倍；
c）充电电路电压降≤1.2V；
d）有防止组件反接的电路保护；
e）具有防止蓄电池反向放电的保护功能。
控制器提供蓄电池的荷电状态指示:
a）充满指示:
当蓄电池被充满，充电电流被减小或风光发电回路被切离时的指示;
b）欠压指示:
当蓄电池电压已经偏低，需要减负荷用电时的指示;
c）负载切离指示:
当蓄电池电压已经达到过放点，负载被自动切离时的指示。
指示器可以是发光二极管（LED），也可以是模拟或数字表头或者是蜂鸣告警。
同时带有明显的指示或标志符号，使现场使用在没有用户手册的情况下也能够知道蓄电池的工作状态。
控制器性能特点：
a）微电脑芯片控制，可编程设定充放电参数点以适应不同场合的特殊要求。
b）可避免各路充电开关同时开启、关断时引起的振荡。
c）各路充电检测具有“回差”控制功能，可防止开关进入振荡状态。
d）保护齐全：
过充、过放、过载、开路、短路、反接、防反放电、过热等一系列报警和保护功能。
e）可配RS232/485接口，便于远程遥信、遥控。
f）LCD数码显示功能，可显示出当前蓄电池电压、风机输出电压电流、光伏电池组输出电流、负载电流及蓄电池充电电流。
g）具有电量累计功能，风机、光伏发电量独立统计。
h）蓄电池充电具有温度补偿功能。
控制器技术指标：
直流额定电压
24V
额定输出电流
30A
最大风机输入功率
400W
风机输入电压
1-400V，3线
最大光伏电池功率
400W
光伏输入电压
1-40V，2线
控制器自耗电流
0.1A
蓄电池与负载压降
0.1V
3.6蓄电池
蓄电池是用于为系统内设备提供电源的储能部件，在系统用电的同时，由风光互补控制器对蓄电池充电。
蓄电池选用允许深度循环放电应用、长寿命的铅酸密封免维护阀控蓄电池，正常使用放电深度可达80%，可以显著降低以后的维护成本。
系统需要419Ah/24V蓄电池容量。
用单节电压12V的蓄电池进行串联，并用2组蓄电池并联以保证系统稳定安全。
共配置4节225Ah/12V蓄电池，累计容量为450Ah/24V，满足系统的需要。
单节蓄电池参数：
标称电压
12V
额定容量
225Ah
电池内阻
≈2.8mΩ
使用温度
-40—50℃
最佳使用温度
15—25℃
浮充电压
13.5V
均充电压
14.1V
充电电流上限
55A
主要参数曲线：
3.7正弦波逆变器
正弦波逆变器用于将蓄电池直流电逆变转换成正弦波交流电输出，供应交流供电设备电源。
逆变器自带显示单元，可显示逆变器输出电压、电流、功率，运行状态、异常报警等各项电气参数。
同时具有标准电气通讯接口，可实现远程监控。
系统需要100W交流功率。
配置1套输入直流24V，功率100W正弦波逆变器即可满足系统需要。
逆变器特性如下：
a）无变压器，实现了小型轻量化。
b）有自动运行功能。
上电后自动运行，向负荷供电。
c）具备显示单元，可显示输出功率、运行状态及异常等内容。
d）带有通信功能，可向远程监控发送其电流、电压、状态等数据。
具备保护功能：
a）欠压保护。
当输入电压低于标称值90%时，能自动关机保护。
b）过电流保护。
当工作电流超过额定值150%时，逆变器能自动保护。
当电流恢复正常后，设备能正常工作。
c）短路保护。
当逆变器输出短路时，具有短路保护措施。
短路排除后，设备能正常工作。
d）极性反接保护。
输入直流极性接反时，设备能自动保护。
待极性正接后，设备能正常工作。
e）雷电保护。
逆变器具有雷电保护功能。
主要技术参数：
额定容量
100W
输入额定电压
24VDC
输入电压允许范围
21.6V—35V
输入额定电流
4.6A
输出频率精度
50±0.01Hz
输出电压精度
220V±3％
输出额定电流
0.45A
波形失真率
≤3％（线性负载）
功率因数
0.9
过载能力
150，10秒
峰值系数
3:
1
逆变效率
90%
3.8系统防雷
为了保证系统在雷雨等恶劣天气下能够安全运行，要对这套系统采取防雷措施。
主要有以下几个方面：
（1）地线是避雷、防雷的关键，在进行设备安装固定时，需要采用专用接地线引出，并用降阻剂与接地点可靠连接，接地电阻应小于4欧姆。
（2）风力发电组件、太阳能组件的支架应保证良好的接地。
接地螺栓应通过降阻剂与接地点可靠连接，接地电阻应小于4欧姆。
（3）直流输出端、正弦波逆变器交流输出端，应采用二级防雷保护。
4系统建设及施工
系统的施工包括：
风力发电组件的安装固定，太阳电池组件的安装，电气安装箱的安装调试，系统的运行调试。
4.1施工顺序
按以下顺序进行系统建设：
风力发电支架安装—发电机安装—风机叶片安装—太阳电池支架安装—太阳电池组件安装调试—电气安装箱安装—各设备线缆连接—系统运行调试—试运行测试—竣工验收。
风光互补发电系统各部件安装完毕，外电路施工完工后，应按下列顺序安全可靠地进行系统部件连接和系统与外电路的连接：
首先进行控制器与逆变器的连接。
将控制器与蓄电池组连接，虽有防反接保护，也应注意不可将电池正、负极性接反。
将太阳电池板遮蔽后，与控制器光伏输人端连接。
使风力发电机处于停止状态，将输出线与控制器风力发电输人端连接。
4.2施工准备
4.2.1技术准备
技术准备是决定施工质量的关键因素，主要需要进行以下几方面的工作：
（1）先对实地进行勘测和调查，获得安装现场有关数据并对资料进行分析汇总，以便进行切合实际的施工设计。
（2）准备好施工中所需规范，作业指导书，施工图册有关资料及施工所需各种记录表格。
（3）组织施工队熟悉图纸和规范，做好图纸初审记录。
（4）技术人员对图纸进行会审，并将会审中问题做好记录。
（5）会同施工单位对图纸进行技术交底，将发现的问题提交设计部门，并由设计部门做出解决方案（书面）并做好记录。
（6）确定和编制切实可行的施工方案和技术措施，编制施工进度表。
4.2.2现场准备
（1）物资的存放
准备临时仓库，贮存风光互补发电系统的风机组件、太阳电池、安装支架、电气安装箱、线缆及其它辅助性的材料。
（2）物资准备
施工前对风力发电组件、太阳能电池组件、安装支架、控制器、蓄电池、逆变器等设备进行检查验收，准备好安装设施及使用的各种施工所需主要原材料和其他辅助性的材料。
5设备安装检验
5.1风力发电组件
安装前应仔细阅读说明书，了解和熟悉被安装风机的结构特点，掌握风机安装步骤和方法。
根据产品装箱单，认真清点和检查各部件、零件是否完好齐全，发现缺件应配齐，有损坏的应修复或更换。
安装风机应选择无大雨、大雾和风速不大于6m/s的天气进行。
整体安装时如天气变坏，应采取应急保护措施或不得安装。
安装完成后，对所有紧固件与连结件进行检查。
检查支架垂直度情况、风机转动件是否灵活、有无异常声响。
检查输出电缆线与控制器的连接是否正确，连接是否牢固，接触是否良好。
5.2太阳电池组件
首先进行支架安装，并检查其水平度，使其符合标准。
检测单块电池板电流、电压，合格后进行太阳电池组件的安装。
太阳电池方阵的安装位置应保证在日照所有时间内，没有任何物体或阴影遮蔽太阳电池板，并根据设计要求进行仰角调整。
最后检查接地线、支架紧固件是否紧固，太阳电池组件的接插头是否接触可靠，对接线盒、接插头防水处理。
检测太阳电池组件阵列的空载电压是否正常，此项工作由组件提供方技术人员完成。
5.3总体控制部分
参照产品说明书的要求，对风光互补控制器、风力发电组件、太阳电池组件、蓄电池、正弦波逆变器等设备按相应顺序连接，观察控制器的各项运行参数，并做好相应记录，将实际运行参数和标称参数做比较，分析其差距，为以后的调试做准备。
6检查和调试
根据现场考察的情况，检查施工方案是否合理，能否全面满足要求。
根据设计要求、供货清单，检查配套元件、器材、仪表和设备是否按照要求配齐，供货质量是否符合要求。
对一些工程所需的关键设备和材料，可视具体情况按照相关技术规范和标准在设备和材料制造厂或交货地点进行抽样检查。
进行现场检查验收：
检查风力发电组件、太阳电池组件、电气安装箱的施工质量是否符合要求，并做记录。
此项工作应由组件提供商技术人员完成。
按设备规格对已完成安装的设备在各种工作模式下进行试验和参数调节。
系统调试按设备技术手册中的规定和相关安全规范进行，完成后须达到或超过设备规格所包含的性能指标。
如在调试中发现实际性能和手册中的参数不符，设备供应商须采取措施进行纠正，达标后才具备验收条件。
6.1连接检查
系统内各部件之间电路的连接应是固定式可靠连接，部件之间不允许使用插头、擂座方式互联。
系统输出端与外电路的连接应当是固定连接，不允许系统输出端使用插座。
不应使用双向插头连接系统输出端与用户的外电路。
对于系统以外的永久性电路的安装，所有可能由于暴露而受损的导线都应用导线管保护。
现场安装用导线的连接，应用接线端螺旋紧固，螺帽紧固方式只允许在专门设计的接线盒内使用。
连接处允许的额定电流不得低于电路允许的额定电流。
所有的连接部分都要在接线盒内。
6.2试运行前检查
现场应作以下检查：
a）系统布局合理，安装牢固可靠，符合安装规范；
b）各部件连接正确，牢固，并符合电器安全要求。
去除太阳电池遮蔽物，放开风力发电机组停止装置，系统各显示功能及逆变器、控制器上各种工作状态显示灯或电压表、电流表均指示正常。
接通直流负载，各设备应能工作正常。
开启逆变器，指示正常后，接通负载，各交流负载能够工作正常。
7系统性能试脸
7.1试验目的
检测验证风力发电机、太阳电池组件、控制器、逆变器和蓄电池等主要部件和组配成风光互补发电系统后的产品质量。
此项试验应在设备供应商工厂内完成。
7.2保护功能试验
对控制器进行蓄电池欠压过放电和过压过充电保护与自动恢复试验
a）断开蓄电池，接入模拟器直流电源，调节直流电压在额定值。
b）启动控制器，带额定负载开始工作，先向下调整直流电源电压，当电压到达额定欠压过放电保护电压时，自动切断输出回路，控制器进人过放电保护状态。
c）再向上调节直流电源电压，当电压升至保护恢复电压时，控制器自动恢复输出。
d）继续向上调整直流电源电压，当电压调至额定过压过充保护电压时，控制器进人过充保护状态，自动断开充电输入回路。
b）再向下调整直流电源电压，当直流电源电压回调到保护恢复电压时，控制器恢复接通充电回路。
短路保护试验
a）在控制器正常输出时，人为负载端短路，控制器应在小于0.5s进入保护状态；
b）自动保护型控制器在消除短路后，应能恢复输出；
c）使用熔断保护器的控制器，在更换保险后应恢复正常输出。
7.3显示功能试验
在进行电性能测试时，应同时观察和记录风力发电机组充电显示、太阳电池组件充电显示、蓄电池电压状态显示、控制器工作状态显示，显示器显示正确、清晰。
在进行保护功能测试时，应同时观察和记录各种保护功能显示器状态，显示正确、清晰。
显示器是可计量方式的，应有显示数据；作为状态示意的显示，应能正确示意。
7.4电能品质试验
对逆变器进行电能品质试验。
输出频率稳定度试验
去掉控制器连线，接入模拟器直流电源。
使逆变器输人电压在额定值的90%-120%之间变化，逆变器输出功率为额定值，负载为纯阻性负载。
用示波器或频率测试仪测量输出频率值。
输出电压调整率试验
重复上一试验程序。
用电压表测量输出电压值。
输出波形失真度试验
输出波形为正弦波，调整到逆变器输人电压为额定值，输出功率为额定值，负载为纯阻性。
用失真仪测量输出波形失真度。
7.5试验报告编写
在试验过程中，应及时观察、正确记录有关数据和资料。
试验结束后，应首先核实观察测定的数据资料
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