用于輸水閘(閥)門測(cè)控的風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

周 成，金黎明

(貴州省水利投資(集團(tuán))有限責(zé)任公司，貴陽 550081)

1 概 述

目前，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在國內(nèi)外用于輸水工程非常少。輸水工程多在山區(qū),受到地理環(huán)境的影響，需要花費(fèi)大量的人力、財(cái)力去建設(shè)電力基礎(chǔ)設(shè)施，供電線路及投入運(yùn)行后維修、檢修費(fèi)用較高，增加了運(yùn)營成本。

隨著風(fēng)光互補(bǔ)直流發(fā)電設(shè)備在國內(nèi)的飛速發(fā)展與技術(shù)成熟，采用風(fēng)能和太陽能相結(jié)合的發(fā)電方式可以充分利用各自能源的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了能量的互補(bǔ)，使探索瞬時(shí)大功率啟閉的閘門、閥門的風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)在國內(nèi)也變得更有實(shí)際意義，同時(shí)系統(tǒng)也解決了設(shè)備運(yùn)行中的智能化、信息化遠(yuǎn)程管控問題，為智慧水務(wù)提供了硬件基礎(chǔ)。

2 風(fēng)光互補(bǔ)直流自供電系統(tǒng)原理及組成

風(fēng)力發(fā)電與太陽能電池發(fā)電組成的聯(lián)合供電系統(tǒng)叫作風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)耗電主要由直流電動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)閥門(閘門)來消耗電量。系統(tǒng)組成主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能電池陣列、儲(chǔ)能電池組、控制器、直流電動(dòng)裝置、閥(閘)門等組成。

風(fēng)機(jī)選用小型永磁同步發(fā)電機(jī)，采用水平軸3葉片結(jié)構(gòu)，目前在視頻監(jiān)控、無線通訊等領(lǐng)域應(yīng)用及占有率較高，綜合性價(jià)比高。

太陽能電池板選用單晶硅太陽能電池板，目前市場(chǎng)應(yīng)用及占有率較高，生產(chǎn)廠家較多，綜合性價(jià)比高。

儲(chǔ)能電池主要是指用于太陽能發(fā)電設(shè)備和風(fēng)力發(fā)電設(shè)備以及可再生能源儲(chǔ)蓄能源用的電池，一般為鉛酸蓄電池和鋰離子電最常用。通過數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)合瞬時(shí)大功率設(shè)備的使用情況，從電池的循環(huán)壽命和性價(jià)比方面考慮，選擇膠體免維護(hù)電池組儲(chǔ)能。

本實(shí)驗(yàn)采用直流供電系統(tǒng)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電后直接儲(chǔ)能在蓄電池組里，由蓄電池組直接輸出直流電源供給直流負(fù)載設(shè)備使用。

3 理論設(shè)計(jì)

3.1 負(fù)載輸入量的確定

在設(shè)計(jì)太陽能供電系統(tǒng)時(shí)，一般來說，首先要明確最終負(fù)載的輸入要求，如電壓、電流或者電功率及每日的持續(xù)工作時(shí)間。如有多個(gè)負(fù)載，則累計(jì)核算總的耗電量。假如負(fù)載有n個(gè)，分別耗電功率為P1、P2…Pn每天分別工作時(shí)間單位為小時(shí)，則每天耗時(shí)計(jì)為t1、t2…tn，則總耗電量為：

Q=P1*t1+P2*t2+…+Pn*tn

(1)

對(duì)于直流電動(dòng)閥門/閘門，還需明確平均每天使用頻次N，則總耗電量:

Qv=P1*t1*N+P2*t2*N+…+Pn*tn*N

(2)

3.2 電池組容量的確定

蓄電池組的容量=平均每天總耗電量(Wh)*連續(xù)陰雨天數(shù)DY[1]:

C=Q*DY/[V*θ*(1-k)*η]

(3)

式中：V為蓄電池標(biāo)稱電壓；θ為最大放電深度，一般按0.7～0.8；K為自放電率取5%；η為充放電效率，取0.8。

3.3 太陽能電池板功率的確定

太陽能電池板功率=電池組容量C*最高電壓V*容量系數(shù)β/(有效日照時(shí)數(shù)HS*η1*η2*η3*η4*η5)[2]

Ws=C*V*β/(HS*η1*η2*η3*η4*η5)

(4)

式中：η1為組裝損失因子、η2為溫度損失因子、η3為灰塵遮蔽損失、η4為充放電損失、η5為輸配電損失，η合計(jì)按0.7核算；β為容量系數(shù)，取1.1～1.3。

3.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的確定

風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率=電池組容量C*最高電壓V*容量系數(shù)β/(有效風(fēng)力時(shí)數(shù)HW*風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率ηw)

Ww=C*V*β/(Hw*ηw)

(5)

式中:ηw為風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率，一般取0.4～0.5。

3.5 風(fēng)光資源比例配比Ws和Ww的確定

3.5.1 太陽能能量轉(zhuǎn)換

1) 太陽總輻射與輻照度。太陽輻照單位MJ/m2，標(biāo)準(zhǔn)日照小時(shí)數(shù)的單位為h，標(biāo)準(zhǔn)日照小時(shí)數(shù)是根據(jù)太陽能組件在標(biāo)準(zhǔn)條件下(大氣質(zhì)量AM1.5，溫度25°，輻照強(qiáng)度1 000 W/m2)的工作小時(shí)數(shù)，輻照強(qiáng)度是不斷變化的，所以要進(jìn)行折算[3]。折算公式如下：

1 000 W/m2=1 000×3 600 J/3 600 s·m2=3.6 MJ/h·m2

2) 發(fā)電量的轉(zhuǎn)換。發(fā)電量計(jì)算公式為：

Ep=HA×A×ηi×K

(6)

式中:HA為太陽能總輻照量，kW·h/m2；A為光伏電池組件面積，m2；ηi為光伏電池組件的轉(zhuǎn)換效率，%；K為發(fā)電損耗率系數(shù)，一般取0.7～0.8。

3.5.2 風(fēng)能能量轉(zhuǎn)換

1) 風(fēng)能密度。風(fēng)能密度按照下式進(jìn)行計(jì)算[4]：

(7)

式中：Vt為各等級(jí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速值；Nt為各等級(jí)風(fēng)速出現(xiàn)的累計(jì)小時(shí)數(shù)(N1，N2，N3，…，Nn)；N為總時(shí)數(shù)，日為24 h，月為672～744 h，全年為8 760 h；ρi為測(cè)站各月平均空氣密度值，取決于當(dāng)?shù)卦缕骄鶜鉁?、月平均氣壓、月平均水汽壓?/p>

(8)

式中：Pi為測(cè)站各月平均大氣壓；ei為測(cè)站各月平均水汽壓；ti為測(cè)站各月平均氣溫。

2) 風(fēng)力發(fā)電功率。風(fēng)力發(fā)電功率計(jì)算公式為：

P=E*A*Cp(單位為W)

式中：E為風(fēng)能密度；A為風(fēng)輪面積=π*R2，π=3.14；小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪R的取值0.675 m；Cp為風(fēng)輪效率，按最大理論值取0.593。

3) 風(fēng)力發(fā)電量。風(fēng)力發(fā)電量計(jì)算公式為：

EP=P*10-3*H

式中：H為小時(shí)數(shù)。

3.5.3 風(fēng)、光發(fā)電占比設(shè)計(jì)策劃

通過對(duì)貴州省紫云縣的風(fēng)、光自然資源的數(shù)據(jù)梳理統(tǒng)計(jì)及分析，平均每日有效光照時(shí)長(zhǎng)為3.51 h，平均每日大于2 m/s的有效風(fēng)速為10.75 h，結(jié)合相關(guān)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，可設(shè)計(jì)選擇風(fēng)能和光能發(fā)電占比為2∶8，以光能發(fā)電為主，風(fēng)力發(fā)電作為補(bǔ)充能源。根據(jù)所收集的氣象資源可知，紫云縣地區(qū)屬于季風(fēng)性氣候，冬春季光照差，風(fēng)力資源充沛；夏秋季光照好，風(fēng)力資源相對(duì)匱乏，具備風(fēng)、光資源的季節(jié)性互補(bǔ)特性，可滿足系統(tǒng)的使用要求。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

試驗(yàn)采用DC84V風(fēng)光互補(bǔ)直流系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)采用300 W/臺(tái)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，1 360 W太陽能電池板陣列、200 A·H儲(chǔ)能電池組(7臺(tái)/組)、控制器和模擬耗電設(shè)備以及其他測(cè)試儀器。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選取在貴州省紫云縣黃家灣水利工程樞紐區(qū)，進(jìn)行為期100天的試驗(yàn)測(cè)試，單次充、放電循環(huán)的數(shù)據(jù)匯總?cè)缦隆?/p>

4.1 DC84V供電系統(tǒng)充電試驗(yàn)

充電實(shí)驗(yàn)共計(jì)5 d時(shí)間，系統(tǒng)電池組電量從0%升至100%，存儲(chǔ)電量16.8 kW·h，試驗(yàn)測(cè)試總計(jì)58 h，有效光照度(10 000 lux)約24 h，平均每小時(shí)儲(chǔ)存電量0.7 kW。充電量曲線見圖1。

圖1 充電量曲線

4.2 系統(tǒng)放電試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)采用直大功率放電，負(fù)載設(shè)備為DC84V的阻性負(fù)載，放電電流12 A左右。試驗(yàn)期間在9 h內(nèi)電量從100%下降至42%，耗電量58%，約8.1 kW·h，平均每小時(shí)耗電量0.9 kW·h。放電試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)曲線見圖2。

圖2 放電試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)曲線

5 結(jié) 論

1) 在試驗(yàn)時(shí)段，系統(tǒng)經(jīng)過多次循環(huán)充放電，平均有效充電為每小時(shí)充電0.7 kW·h，與理論計(jì)算充電量基本吻合。

2) 通過充放電實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了風(fēng)光互補(bǔ)直流自供電系統(tǒng)在優(yōu)化風(fēng)光配置后，在風(fēng)光貧瘠地區(qū)仍滿足有瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)大功率金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的電量需求。通過模擬負(fù)荷試驗(yàn)，驗(yàn)證了風(fēng)光互補(bǔ)直流自供電系統(tǒng)具有驅(qū)動(dòng)大功率金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的能力。

3) 通過理論研究風(fēng)光配置與實(shí)驗(yàn)研究的風(fēng)光配置對(duì)比發(fā)現(xiàn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同地區(qū)實(shí)際記錄的風(fēng)光資源信息，可以得到在高保準(zhǔn)率下的最經(jīng)濟(jì)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電設(shè)備的配備方案。