某茶园300W小型风光互补与储能系统的设计分析

（北流望江风电有限公司，广西 钦州 535000）

茶作为世界上三大无酒精饮料之一，在我国有着悠久的历史。茶叶、茶饮品始终是国人的主要饮品之一，追溯到唐代，茶圣陆羽就已经在《茶经》中记载了关于茶的性质、产区、种植方法，茶叶的采制、烹饮和煮茶、饮茶的器具等。而随着技术的不断发展，越来越多的新技术、新方案逐渐被应用在茶叶生产和种植中，如常见的视频监控系统、自动喷灌系统等。某茶园分布在我国西南地区，其主要安装了覆盖茶园的视频监控和无线传输设备，同时在一部分区域安装了自动喷淋设备。

由于茶园离村镇、房屋相对较远，架设电线往往成本较高，且由于线路电压较低线路较长，往往导致电压下降等导致用电设备不能正常工作，本文拟为该茶园设计一个小型的风光互补与储能系统，用以满足茶园的日常不间断用电需求，同时本文还通过给定的一部分环境参数，进行了系统的实际风、光、储配比和计算，确定了最优方案。

1 设计参考依据

该茶园位于我国西南部地区，根据地方气象部门的气象信息，该地区地区年平均风速4m/s，太阳能资源处于我国太阳能III类地区，也就是说该茶园所在地区太阳能年总辐射量为4500～5500MJ。

茶园配置了视频监控系统和自动喷灌系统，需求供电量为1kW·h，茶园的现有负载信息如表1所示。

表1 茶园的现有负载信息

2 设计的技术要求

由于茶园所在区域天气原因，其供电系统的自给天数应满足大于3天，同时，当光照强度不够光伏电池组件发电的情况，其系统也应该能最长维持12天的正常运行，而当茶园出现连续无风或风速不够风力机启动风速时，系统应能最长维持6天的正常运行。

在上文曾分析了茶园所在区域和地理位置情况，在本次设计中，不考虑系统并入电网状态，也就是本文设计的储能系统始终维持孤网独立运行。

系统内部的额定直流电压为12V或24V（根据系统各部分的实际需求确定），同时系统供电功率为500VA，系统对负载供电电压单相220V AC，供电频率为50Hz，其余相关技术要求应满足或高于国标《离网型户用风光互补发电系统第1部分：技术条件（GB19115.1-2003）》相关要求。

由于系统实际安装在茶园或茶园周围，因此对于系统实际设计需要选择的逆变器组件、控制器组件、泄放组件等对周围环境的影响应符合国际电工委员会IEC CIS-R11的相关技术要求。同时系统选用的小型风电机组的设计、制造，光伏组件的制造，蓄电池等应符合《离网型风力发电机组用发电机第1部分（技术条件）（GB/T 10760.1-2003）等国家和行业标准，且通过相关机构的检测与认证。

3 给定参数设计系统蓄电池容量的计算选择与数目的确定

根据1.1中假设的条件，可知用电设备相当于200W的设备每天工作5h（t日）。

假设系统的逆变组件和内部及外部线路效率为80%，系统需求的风光互补部分总功率P：

根据假设条件可知，系统应满足自给天数N1大于3天，因此设安全系数A取1.1，蓄电池误差余量ηx为90%，温度系数T0取1，蓄电池放电深度CC取0.8，日耗电量Q1为工作电流乘以小时数，则将上述数据将数据代入公式，则蓄电池的容量BC：

由于系统选择型号为12V，24Ah的固定式阀控铅酸蓄电池，蓄电池容量B0为24Ah。该茶园所需要的蓄电池输出电压（逆变输入电压）为12V，因此只需要将选择的固定式阀控铅酸蓄电池并联即可，需要并联的蓄电池数目为：根据上述计算，可知，该茶园的小型风光互补与储能系统需要选用18块12V，24Ah的固定式阀控铅酸蓄电池。用以满足系统的技术要求，同时满足系统的可靠性要求。实际系统中应用的蓄电池总容量为432Ah：

4 风力发电机组功率计算与机型的选择

上文进行了茶园所需的分布式风光互补与储能系统中储能系统的计算、分析。而系统采用小型风电机组和光伏发电组件两部分分别作为独立的发电单元。因此在计算风力发电机的功率时，需要给定一种相对极端的天气情况。

假定在天气状况为阴雨天的情况下，即只有风力发电机可以正常工作，光伏电池方阵不能对外提供电能。此时，根据给定的环境条件“光照强度不够光伏电池方阵发电的情况最长时间为12天（t1max）”，根据气象资料分析，此时的风速应略大于给定的该地区平均风速4m/s，时间也应超过平均风速的时间，取风速为四级（5.5～7.9m/s），4h/d（t1d）。设风力发电机功率为P1，则有下式：

将数据代入：

根据可供选择的风力发电机的型号、规格，在保证系统安全性、稳定性基础上，选用额定功率P1为300W的风力发电机。

5 光伏阵列功率计算与光伏组件的选型与数目的确定

同样道理，在进行光伏部分功率确定和计算的过程中，也需要假设一种相对极端的天气情况。就是当茶园所在地区连续无风，即只有光伏电池组件作为发电设备，小型风电机组无法对外提供电能。根据给定的气象条件连续晴天无风天数为6天（t2max），取8 h/d（t2d）。设光伏组件功率为P2，根据系统负载平衡，则有：

光伏阵列总功率为78.902625W，因此可选用20W的单晶硅光伏组件。

其主要技术参数主要为：额定功率20W（Ps），额定电压17.2V，额定电流1.17A，开路电压21.4V，短路电流1.27A，设计发电系统采用的直流电压为12V，蓄电池浮充电压Vf=13.5～13.8V，这里取13.8V，回路压降Vi取3V，计算是否需要串联光伏电池组件，假定需要串联，串联的数目为N2：

因此不需要将光伏电池组件进行串联。

光伏电池组件的并联数目N2'，则

实际系统中选用的光伏组件数目Nsum，光伏组件总功率为P2sum：

即系统中实际采用的光伏组件数目为4块，光伏组件总功率为80W。

6 光伏电池组件在组成光伏阵列过程中的其他计算

光伏电池是把太阳光转换成电能的装置，其电能输出和光照度密切相关。同时由于太阳光随纬度变化和地势变化较为明显，因此在实际工程设计中往往还需要考虑光伏电池板能否追光跟踪，如果是固定安装的光伏电池板还需要考虑光伏电池阵列的安装倾角，涉及到光伏电池板比较多时，还需要考虑光伏电池板之间的间距等因素。

一般固定式光伏阵列的阵列倾角θ1可以在当地纬度上+5°进行选择。也可根据国标《光伏发电站设计规范（GB50797-2012）》的附录B光伏阵列最佳倾角参考值进行选取。光伏阵列间距D的确定，可以根据光伏阵列的高度H和阵列倾角θ1，由以下公式初步确定，还需根据实际安装位置、地形、安装场地的要求进行调整。

7 其他主要设备的选型与确定

在系统中，控制器、逆变器、防雷隔离、接地保护等电力电子设备的选型应满足系统的整体需求,，符合安全性的基本原则，与系统设计的功能、容量相匹配。逆变器的选择应该以负载功率为主要确定因素，还需要保证系统具有一定的可拓展性，所有选择产品、部件、材料等必须是合格产品，需要经过有关部门测试的必须进行技术测试和预防性实验，铭牌标志清晰美观，仪表设备量程正确，设备绝缘符合国家标准，耐振动性能符合技术要求。