风光蓄互补系统的技术研究

王洪跃

(沈阳工程学院新能源学院，辽宁沈阳110136)

1 风光互补系统的前景

风光互补系统能很好地利用能源，实现能源的利用化.它既能自给自足，还能把多余的电能进行并网输送.该系统采用风光蓄互补技术，风电占地面积较大，而太阳能恰恰能弥补这个不足，因为它可以实现太阳能建筑一体化.太阳能不仅可以满足用户用电，还能大大降低发电的成本，并且可实现全天发电.在此特针对蓄电池进行深入研究，因为蓄电池是系统的蓄能部分，它可在电能充裕时将电能储存起来，还能在没有电或者少电时对负载进行供能，且可达到持续地对负载供电.但是蓄电池也存在着一些问题，如存在着寿命问题，而且蓄电池在系统中占成本的20%左右，所以对蓄电池的设计就显得尤为重要.特别是蓄电池存在放电深度的问题，还有充电效率修正系数、直流修正系数，如果负载是交流的还要考虑逆变器修正系数.所以在做系统容量时这些都要考虑进去.最重要的一点就是阴雨天太阳能不能发电，这就需要蓄电池对进行负载供电.在此介绍的2种方法，可实现风光蓄互补系统对负载全年不间断的供电，而且在在实践中已体现出其优越性.故针对并网技术、控制系统和蓄电池进行实验研究，以使系统的性能得到优化.

2 风光蓄互补系统的设计

在化石能源日益消耗的今天，新能源成了人们关注的焦点.新能源不仅能解决能源紧缺的问题，同时还具有清洁和环保的特性.近年来，太阳能和风能成为了人们争相研究的热点，因为太阳能和风能是最有发展的新型清洁新能源，是世界未来代替化石能源的新一类能源.

1)风光互补系统.风光互补系统就是把太阳能发电系统和风力发电系统结合起来，白天可以利用风力发电和太阳能发电对负载进行供电，还可把多余的电能补充给蓄电池.这样在风力不足和连续阴雨天气时，就可利用蓄电池对负载进行供电，白天主要依靠太阳能发电，夜间依靠风力发电，有时夜间风力不足也靠蓄电池对负载供电.风光互补系统如图1所示.

图1 风光互补系统

2)修正系数的选取.首先对家里的负载进行估算，进而选择太阳能电池板的大小，而风力发电要对太阳能夜间不能发电部分进行补充，以实现全天对负载供电和全天发电.

太阳能电池板，可以根据当地太阳能的采集情况和风力情况进行偏向性的选择，如果当地的太阳能情况较好，就选择太阳能为主要发电，而风电就可以占用少一些.这样不仅实现了发电的最优化，而且还大大地降低了成本.如果负载是直流负载，就不需要逆变器，只要计算时把直流修正系数乘进去即可，一般的选取是0.8左右.还有充电修正系数，因为太阳能电池板不是百分之百地对蓄电池进行充电，在充电过程中电池会发热，在快充满电时还会发生电解水，这样就会造成电能浪费.所以修正系数取值大约为0.85～0.9，为此太阳能电池组件的功率要增大10%～15%.如果是对交流负载进行供电，还要有逆变器的修正系数，一般取值为80%～93%.

3)太阳能组件数量的确定.太阳能电池方阵组件的并联数=负载日平均用电量/(组件日平均发电量×充电效率修正系数×直流修正系数×逆变器效率修正系数);太阳能电池方阵组件串联数=系统工作电压/每个组件的标准电压;太阳能电池方阵组件数=太阳能组件串联数×太阳能组件并联数.

并联太阳能组件是为了达到额定的工作电流，而串联组件是为了达到额定的工作电压，从而实现系统的正常工作.

3 蓄电池容量的设计

3.1 蓄电池的充放电特性

铅酸蓄电池存在着容量和效率问题，因为蓄电池不能百分百放电.同时铅酸蓄电池还存在着放电深度的问题，在其快充满时会发生电解水，不仅影响蓄电池的容量，还会减少蓄电池的寿命.另外，蓄电池还存在失效的问题，有着热失控、不可逆的硫酸盐化极板的腐蚀变形等一系列问题.而且温度对蓄电池的影响也非常大，温度过低会影响放电，影响电池的容量，温度过高则会使负极硫化容量损失而降低寿命.所以对铅酸蓄电池的充电就显得很重要，铅酸蓄电池一般有3种工作状态，即放电状态、充电状态和浮充状态.当蓄电池两端接入负载时，电池会发生电压陡降，随后会有一个明显的回升，紧接着端电压会稳定地持续下降，最后电压会发生急剧下降，此时放电结束，断开负载，电压也会有一个明显的回升.当对蓄电池充电时，电压会慢慢回升，当达到浮充电压时，充电电流按照指数规律递减，直到蓄电池充满.图2为充放电过程.

3.2 确定蓄电池容量

对于蓄电池的选择方法有很多，其中对于蓄电池容量的选择，常用的有根据最长阴雨天来确定蓄电池的容量和积分负值最大法.

图2 蓄电池充放电过程

1)最长阴雨天蓄电池法最长阴雨天蓄电池法的公式为

W=n·Q/DOD·η

其中，n为最长阴雨天数;Q为负载日平均耗电量;DOD为蓄电池放电深度;η为损失因子.

由上式根据当地的情况就可以计算出蓄电池的容量.根据最长阴雨天计算出来的容量虽然是可行的，但是计算出来的蓄电池容量偏大，因为阴雨天只是一段时间.这样一来蓄电池容量大了，成本也就大了，而且太阳能电池和风电机为了满足蓄电池容量也要随着增大，这样成本就大得多了，所以这种方法存在一些问题.但是，这种方法不论天气如何都会满足负载的正常的需电量.

2)积分负值最大法.积分负值最大法与最长阴雨天蓄电池法相似，是在考虑风力发电和太阳能发电互补情况下，把蓄电池需要提供的最大输出能量作为确定容量的主要依据.但在风光互补系统中，由于风能和太阳能有着不稳定性和随机性，所以为了得到稳定的输出，蓄电池的容量应该取一个合理的值，这个值需要由风电组和太阳能电池组决定.同时，还需要由系统的耗电量所决定.

当选用了一定型号的风机和太阳能电池板之后，即可当地的气象数据，确定风机和太阳能的发电量f1和f2，两者之和就是总发电量f3.还有的就是fr系统的额定耗电量.根据图3可知，当f3在fr下方时说明发电量不足以满足系统耗电量，这时需要蓄电池对系统供电，当f3在fr上方时说明发电量大于耗电量，这样剩余的电能就对蓄电池充电，蓄电池就可以在发电量不足时来满足系统工作.利用蓄电池进行储能，可在相应的区间内实现充放电的过程.如在x1至x2，x3至x4，x5至x6，x7至x8区间段内，太阳能和风力发电不足以满足系统的电能，这时需要蓄电池对系统进行供电;在x2至x3，x4至x5，x6至 x7区间段时，太阳能和风力发电大于系统耗电量，这时蓄电池就可以进行充电，以满足发电的不足.

图3 系统发电量曲线

把所有放电区间的绝对值进行积分，所得的值就是蓄电池的最低容量.考虑到蓄电池的放电深度，还要除以DOD，对于一般蓄电池取80%，对于浅循环电池取50%.

假如有n段区间进行充电，则蓄电池的容量为w.这样，得到的就是蓄电池的容量，这个方法相对最长阴雨天是最好的方法它能把风光互补发电充分利用起来.

W=max(f1，f2，…，fn)

4 结语

风光蓄互补系统的技术研究，实现了风光互补的并网系统，使风力发电与太阳能发电很好地结合起来，并实现了蓄电池容量的最优化.同时解决了风光蓄互补系统在储能上的问题，使蓄电池在容量的选择上达到最好，不仅满足了负载需求，还最大化地利用了资源.在使能源得到最好利用的同时，还大大降低了蓄电池的成本，实现了蓄电池的最优化.该系统可全年持续不间断地进行供电，达到最大的利用率;同时实现了风光互补系统，实现了风力发电和太阳能发电与蓄电池的很好结合，不仅降低了成本还能实现电能利用最优化.

［1］高任龙，谢 桦.光蓄互补发电系统技术的研究［D］.北京:北京交通大学，2011.

［2］肖玉华，熊和金.离网型风光互补发电系统的研究与设计［D］.武汉:武汉理工大学，2010.

［3］黄汉云.太阳能光伏发电应用原理［M］.北京:化学工业出版社，2010.

［4］施钰川.太阳能原理与技术［M］.西安:西安交通大学出版社，2009.