风能和太阳能联合供电在水文自动监测站中的应用及推广实验分析

惠 妍，蒋丹哲，董号强

（1.咸阳水文水资源勘测中心,陕西 咸阳 712000；2.汉中水文水资源勘测中心,陕西 汉中 723000；3.渭南水文水资源勘测中心,陕西 渭南 714000）

1 前言

咸阳市地处关中中部,遥测站点多为川道平原区和黄土高原沟壑区,日照不均匀,传统的蓄电池加太阳能供电方式经常由于电力不足导致数据传输中断。风能和太阳能是目前众多可再生新能源中,应用潜力最大、最具有开发价值的两种。近年来,风力和太阳能发电技术发展很快,其独立技术应用已经成熟。根据风光的互补特性,使用风光互补系统可以很好地解决发电系统的供电问题,实现连续、稳定的供电。本文以渭河川道平原区、黄土高原沟壑区风能和太阳能联合发电监测数据为基础,分析掌握该地貌特征风光互补联合发电规律。

2 实验方法

根据杨凌区和旬邑县当地自然地理条件,以及设备实际耗电量,设计性价比最高的风光联合供电系统。

2.1 组成与原理

风能和太阳能联合供电水文自动监测站组成,包括自动水文监测站设备、通讯终端、风能供电、太阳能供电、风光互补控制器和蓄电池。

2.2 设备负载设计

根据设备基本情况进行耗电量统计,河道视频监控主要设备有：云台、视频监控摄像头、风光互补器、电压逆变器等设备。其中风光互补器、电压逆变器为24 小时工作,视频监控摄像头间断性使用,在全功率工作状态下功率为16 W,静止状态功率5 W。主要耗电量见表1。

表1 视频监控系统主要设备功耗表

2.3 蓄电池设计

蓄电池的配置与充电控制是风光互补应用的关键。在无风无太阳的天气情况下,设备完全不能自主发电,电池必须要满足连续阴雨天7 天的供电需求。

本项目使用2 组12V200AH 的电池组,满足需求。

2.4 太阳能光伏板设计

考虑全年光照最差的季节,光伏板每天产生的电能可以满足负载的每日用电需求。

根据气象数据和站点的自然环境,太阳光可达到额定光照强度的时间4 h/d,全天额度发电时间按6 h,转换效率按18%计,全天发电量为432 W·h。本项目,太阳能板采用400W,满足需求。

2.5 风力发电机选用

风速随着高度的变化会变化,风力发电对风机叶片的安装高度很敏感。在小型风光互补供电系统中,风机的参数大多靠经验配置。为了保证实验的准确性,本项目选用的风机设备规格相同。

根据气象数据和站点的自然环境,平均风速3 m/s,1 h/d,转换效率按16%计,全天发电量为64 W·h。本项目,选用400 W 风力发电机1 台,风轮直径1.5 m,启动风速2.5 m/s,3.0 m/s 切入风速,满足需求。

2.6 蓄电池设计

设备总用电量：16.8 W×24 h×7 d=2822 W·h,电池使用7 天后剩余电量：400 A·h×12 V×90%-2822 W·h=1498 W·h。风能和太阳能每天联合发电量：432+64=496 W·h。

蓄电池连续使用7 天,有风日照正常无故障持续供电,该组电池充满电需：2822 W·h/496 W·h ≈5.7 d；无风日照正常无故障持续供电, 该组电池充满电需：2822 W·h/432 W·h ≈6.5 d；有风连阴雨状态下无故障持续供电,该组电池充满电需：2822 W·h/64 W·h ≈44 d。

3 气象条件分析

选取《咸阳市气象局峰值日照时数》2020 年6 月～2020年12 月的资料,利用光伏系统实用计算公式进行风光互补系统中太阳能发电可靠性的分析,把系统数据与当地的气象条件做比较,论证是否符合当地的气象条件。其主要参照的太阳能辐射参数是当地峰值日照时数。

3.1 旬邑县城气象资料分析

太阳能电池总功率和蓄电池容量,以12 月份最差峰值日照时数计算：

因为当地环境比较好,植被覆盖率高,损耗系数选1.6。

本项目,太阳能光伏板按照400 W 设计,蓄电池按照400 A·h 设计。可满足旬邑县城气象资料的合理性和可靠性。

3.2 杨凌区气象资料分析

太阳能电池总功率和蓄电池容量,以12 月份最差峰值日照时数计算：

因为当地环境比较好,植被覆盖率高,损耗系数1.6。

本项目,太阳能光伏板按照400 W 设计,蓄电池按照400 A·h 设计。可满足旬邑县城气象资料的合理性和可靠性。

4 用电需求

根据《水文自动测报系统技术规范》（SL 61-2003）规范的要求,遥测站在连续无日照情况下能正常工作30天以上；能在特大暴雨、狂风、雷电、停电等恶劣条件下正常工作；保证在30 天连续阴雨天气情况下,能维持蓄电池正常工作；在连续30 天阴雨天气后,能在7 天时间内,将蓄电池充足。

4.1 日需求量

视频监控系统工作模式下全额功率16.87 W,待机状态下功率5.87 W,按照实际运行情况,每天平均实际开机时间约4 h, 实际耗电量为0.18 kW·h, 估算半年实际耗电量为33.9 kW·h。

4.2 日发电量

根据气象数据和站点的自然环境,太阳光可达到额定光照强度的时间4 h/d,全天额度发电时间按6 h,转换效率按18%计,发电量约为2.592 kW·h；咸阳地区平均风速3 m/s,1 h/d,转换率按16%计,发电量约为0.00064 kW·h。

4.3 供需是否平衡

本项目中,太阳能发电量为2.592 kW·h,风能发电量为6.4×10-4kW·h,风能和太阳能总共的发电量为2.593 kW·h,实际项目每天耗电量为0.185 kW·h,电量供需平衡。

5 数据收集处理分析

按照不同地貌类型,在关中渭河川道平原区杨凌水位站和咸阳北部黄土高原沟壑地区旬邑水文站安装发电量远程监测设备,收集6 月～12 月发电量数据。

5.1 监测数据

本次选用不同地貌2 处监测点,收集6 月～12 月风能和太阳能发电量。对监测数据每天进行统计,每旬进行合理性检查。

5.2 数据可靠性分析

5.2.1 理论发电量计算

根据旬邑站时段降雨量表及相关气象数据,采用以下公式进行计算（单位：kW·h）：

太阳能：（月天数-降雨天数）×日照时长/天（6 小时）×400 W×18%（转换系数）=累计发电量。

风能：启动天数×风速历时/天（1 小时）×400 W×16%（转换系数）=累计发电量。

5.2.2 发电量与实际监测值误差分析

为了充分证明本次设备采集风能和太阳能联合供电系统发电量数据可靠性,采用2020 年6 月1 日～12 月21 日风能和太阳能实际监测数据与理论数据进行对比分析。统计结果见表2～表3。

表2 杨凌水位站风能和太阳能实际监测值和理论发电量对比表 单位：kW·h

表3 旬邑水文站风能和太阳能实际监测值和理论发电量对比表 单位：kW·h

从表2、表3 对比结果来看,杨凌站、旬邑站6 月～12 月太阳能发电量理论值与实际值差值在-7.4 kW·h～1.0 kW·h与-6.8 kW·h～-0.1 kW·h 之间。杨凌站、旬邑站12 月太阳能发电量实际监测数据与理论数据相差较大,调取杨凌、旬邑站雨量年多日日降水表得知,杨凌、旬邑地区2020 年降水量与多年均值相比偏丰2～3 成,降水天数较往年偏多。故发电量监测期间日照不足,影响实际太阳能发电量。

杨凌站、旬邑站6 月～12 月风能发电量理论值与实际值差值在-1.9 kW·h～-0.1 kW·h 与-2.3 kW·h～-0.3 kW·h 之间。其中杨凌站7、9、10 月风能和旬邑站6、7、12 月风能发电量差值较小,其余月份误差相对较大,由于风光联合供电有一定相关性,通过监测数据可知,风能发电量误差较大月份其太阳能发电量误差就较小,符合现实的自然规律。

5.3 相关性分析

根据表2～表3,进行相关分析,理论与实际发电量的相关系数分别为0.9778、0.9398、0.9869、0.9408,相关性均较好。

5.4 数据可靠性

通过以上对比分析,杨凌站、旬邑站风能和太阳能联合供电理论值与实际值基本接近,监测数据可靠。

5.5 发电量规律分析

5.5.1 太阳能发电量统计

根据风光互补联合供电监测数据,渭河川道平原区（杨凌水位站）太阳能发电量6 月～9 月较大,月均发电量为7.3kW·h。10 月～12 月较小,月均发电量为4.9 kW·h。6 月～12 月半年发电量为43.7 kW·h。

黄土高原沟壑区（旬邑水文站）太阳能发电量6 月～9 月较大,月均发电量为8.2 kW·h。10 月～12 月较小,月均发电量为5.1 kW·h。6 月～12 月半年发电量为47.7 kW·h。

5.5.2 风能发电量统计

渭河川道平原区（杨凌水位站）风能发电量6 月～9 月较大,月均发电量为1.3 kW·h。10 月～12 月较小,月均发电量为0.8 kW·h。6 月～12 月半年发电量为7.3 kW·h。

黄土高原沟壑区（旬邑水文站）风能发电量6 月～9 月较大,月均发电量为1.8 kW·h。10 月～12 月较小,月均发电量为0.82 kW·h。6 月～12 月半年发电量为9.8kW·h。

5.5.3 风光联合发电量统计

渭河川道平原区（杨凌水位站）风太阳能发电量6 月～9 月较大,月均发电量为8.5 kW·h。10 月～12 月较小,月均发电量为5.7 kW·h。6 月～12 月半年发电量为51 kW·h。

黄土高原沟壑区（旬邑水文站）风太阳能发电量6 月～9 月较大,月均发电量为10 kW·h。10 月～12 月较小,月均发电量为5.8 kW·h。6 月～12 月半年发电量为57.4 kW·h。

5.5.4 发电量规律

根据上述发电量统计,渭河北岸黄土高原沟壑区风能、太阳能发电量略大于渭河川道平原区。渭河川道平原区风能发电量占联合发电量的14.3%,黄土高原沟壑区风能发电量占联合发电量的17%。总体上风能发电量占比不超20%。

5.6 保证率和供电量

从实际发电量记录表中可知,杨凌站、旬邑站的风能和太阳能联合供电系统可每日在线供电,发电量保证率较高。从发电量统计表中可知,旬邑站6 月～12 月风能和太阳能联合发电量为57.4 kW·h,杨凌站为51.0 kW·h,风能和太阳能联合发电量能够满足视频监控站的耗电量需求。

6 结论及建议

6.1 结论

（1）发电量供电保证率达100%,能解决偏远山区建设自动监测站供电困难实际问题。

（2）杨凌站半年太阳能累计发电量为43.7 kW·h,风能和太阳能联合发电量为51.0 kW·h；旬邑站半年太阳能累计发电量为47.7 kW·h,风能和太阳能联合发电量为57.4 kW·h,设备总需求电量为33.9 kW·h,综上风能和太阳能联合发电量能够满足视频监控站的耗电量需求。

6.2 建议

本次研究分析只涉及渭河川道平原区和渭北黄土高原沟壑区,其它地形需要继续根据实地基础建设,设计安装相应设备进行风能和太阳能联合发电系统的研究分析,对风能和太阳能联合发电系统进行推广。