用于输水闸(阀)门测控的风光互补供电系统设计研究

周 成，金黎明

(贵州省水利投资(集团)有限责任公司，贵阳 550081)

1 概 述

目前，风光互补发电系统在国内外用于输水工程非常少。输水工程多在山区,受到地理环境的影响，需要花费大量的人力、财力去建设电力基础设施，供电线路及投入运行后维修、检修费用较高，增加了运营成本。

随着风光互补直流发电设备在国内的飞速发展与技术成熟，采用风能和太阳能相结合的发电方式可以充分利用各自能源的优势，实现了能量的互补，使探索瞬时大功率启闭的闸门、阀门的风光互补供电系统在国内也变得更有实际意义，同时系统也解决了设备运行中的智能化、信息化远程管控问题，为智慧水务提供了硬件基础。

2 风光互补直流自供电系统原理及组成

风力发电与太阳能电池发电组成的联合供电系统叫作风光互补发电系统，系统耗电主要由直流电动装置驱动阀门(闸门)来消耗电量。系统组成主要由风力发电机、太阳能电池阵列、储能电池组、控制器、直流电动装置、阀(闸)门等组成。

风机选用小型永磁同步发电机，采用水平轴3叶片结构，目前在视频监控、无线通讯等领域应用及占有率较高，综合性价比高。

太阳能电池板选用单晶硅太阳能电池板，目前市场应用及占有率较高，生产厂家较多，综合性价比高。

储能电池主要是指用于太阳能发电设备和风力发电设备以及可再生能源储蓄能源用的电池，一般为铅酸蓄电池和锂离子电最常用。通过数据对比，结合瞬时大功率设备的使用情况，从电池的循环寿命和性价比方面考虑，选择胶体免维护电池组储能。

本实验采用直流供电系统，风光互补发电后直接储能在蓄电池组里，由蓄电池组直接输出直流电源供给直流负载设备使用。

3 理论设计

3.1 负载输入量的确定

在设计太阳能供电系统时，一般来说，首先要明确最终负载的输入要求，如电压、电流或者电功率及每日的持续工作时间。如有多个负载，则累计核算总的耗电量。假如负载有n个，分别耗电功率为P1、P2…Pn每天分别工作时间单位为小时，则每天耗时计为t1、t2…tn，则总耗电量为：

Q=P1*t1+P2*t2+…+Pn*tn

(1)

对于直流电动阀门/闸门，还需明确平均每天使用频次N，则总耗电量:

Qv=P1*t1*N+P2*t2*N+…+Pn*tn*N

(2)

3.2 电池组容量的确定

蓄电池组的容量=平均每天总耗电量(Wh)*连续阴雨天数DY[1]:

C=Q*DY/[V*θ*(1-k)*η]

(3)

式中：V为蓄电池标称电压；θ为最大放电深度，一般按0.7～0.8；K为自放电率取5%；η为充放电效率，取0.8。

3.3 太阳能电池板功率的确定

太阳能电池板功率=电池组容量C*最高电压V*容量系数β/(有效日照时数HS*η1*η2*η3*η4*η5)[2]

Ws=C*V*β/(HS*η1*η2*η3*η4*η5)

(4)

式中：η1为组装损失因子、η2为温度损失因子、η3为灰尘遮蔽损失、η4为充放电损失、η5为输配电损失，η合计按0.7核算；β为容量系数，取1.1～1.3。

3.4 风力发电机功率的确定

风力发电机功率=电池组容量C*最高电压V*容量系数β/(有效风力时数HW*风电转换效率ηw)

Ww=C*V*β/(Hw*ηw)

(5)

式中:ηw为风电转换效率，一般取0.4～0.5。

3.5 风光资源比例配比Ws和Ww的确定

3.5.1 太阳能能量转换

1) 太阳总辐射与辐照度。太阳辐照单位MJ/m2，标准日照小时数的单位为h，标准日照小时数是根据太阳能组件在标准条件下(大气质量AM1.5，温度25°，辐照强度1 000 W/m2)的工作小时数，辐照强度是不断变化的，所以要进行折算[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) 发电量的转换。发电量计算公式为：

Ep=HA×A×ηi×K

(6)

式中:HA为太阳能总辐照量，kW·h/m2；A为光伏电池组件面积，m2；ηi为光伏电池组件的转换效率，%；K为发电损耗率系数，一般取0.7～0.8。

3.5.2 风能能量转换

1) 风能密度。风能密度按照下式进行计算[4]：

(7)

式中：Vt为各等级对应的风速值；Nt为各等级风速出现的累计小时数(N1，N2，N3，…，Nn)；N为总时数，日为24 h，月为672～744 h，全年为8 760 h；ρi为测站各月平均空气密度值，取决于当地月平均气温、月平均气压、月平均水汽压：

(8)

式中：Pi为测站各月平均大气压；ei为测站各月平均水汽压；ti为测站各月平均气温。

2) 风力发电功率。风力发电功率计算公式为：

P=E*A*Cp(单位为W)

式中：E为风能密度；A为风轮面积=π*R2，π=3.14；小型风力发电机叶轮R的取值0.675 m；Cp为风轮效率，按最大理论值取0.593。

3) 风力发电量。风力发电量计算公式为：

EP=P*10-3*H

式中：H为小时数。

3.5.3 风、光发电占比设计策划

通过对贵州省紫云县的风、光自然资源的数据梳理统计及分析，平均每日有效光照时长为3.51 h，平均每日大于2 m/s的有效风速为10.75 h，结合相关风光互补系统设计的行业经验，可设计选择风能和光能发电占比为2∶8，以光能发电为主，风力发电作为补充能源。根据所收集的气象资源可知，紫云县地区属于季风性气候，冬春季光照差，风力资源充沛；夏秋季光照好，风力资源相对匮乏，具备风、光资源的季节性互补特性，可满足系统的使用要求。

4 实验设计与分析

试验采用DC84V风光互补直流系统，风机采用300 W/台水平轴风力发电机，1 360 W太阳能电池板阵列、200 A·H储能电池组(7台/组)、控制器和模拟耗电设备以及其他测试仪器。实验地点选取在贵州省紫云县黄家湾水利工程枢纽区，进行为期100天的试验测试，单次充、放电循环的数据汇总如下。

4.1 DC84V供电系统充电试验

充电实验共计5 d时间，系统电池组电量从0%升至100%，存储电量16.8 kW·h，试验测试总计58 h，有效光照度(10 000 lux)约24 h，平均每小时储存电量0.7 kW。充电量曲线见图1。

图1 充电量曲线

4.2 系统放电试验

现场采用直大功率放电，负载设备为DC84V的阻性负载，放电电流12 A左右。试验期间在9 h内电量从100%下降至42%，耗电量58%，约8.1 kW·h，平均每小时耗电量0.9 kW·h。放电试验测试数据曲线见图2。

图2 放电试验测试数据曲线

5 结 论

1) 在试验时段，系统经过多次循环充放电，平均有效充电为每小时充电0.7 kW·h，与理论计算充电量基本吻合。

2) 通过充放电实验，验证了风光互补直流自供电系统在优化风光配置后，在风光贫瘠地区仍满足有瞬时驱动大功率金属结构设备的电量需求。通过模拟负荷试验，验证了风光互补直流自供电系统具有驱动大功率金属结构设备的能力。

3) 通过理论研究风光配置与实验研究的风光配置对比发现，根据现场不同地区实际记录的风光资源信息，可以得到在高保准率下的最经济的风光互补发电设备的配备方案。