某茶園300W小型風光互補與儲能系統的設計分析

（北流望江風電有限公司，廣西 欽州 535000）

茶作為世界上三大無酒精飲料之一，在我國有著悠久的歷史。茶葉、茶飲品始終是國人的主要飲品之一，追溯到唐代，茶圣陸羽就已經在《茶經》中記載了關于茶的性質、產區、種植方法，茶葉的采制、烹飲和煮茶、飲茶的器具等。而隨著技術的不斷發展，越來越多的新技術、新方案逐漸被應用在茶葉生產和種植中，如常見的視頻監控系統、自動噴灌系統等。某茶園分布在我國西南地區，其主要安裝了覆蓋茶園的視頻監控和無線傳輸設備，同時在一部分區域安裝了自動噴淋設備。

由于茶園離村鎮、房屋相對較遠，架設電線往往成本較高，且由于線路電壓較低線路較長，往往導致電壓下降等導致用電設備不能正常工作，本文擬為該茶園設計一個小型的風光互補與儲能系統，用以滿足茶園的日常不間斷用電需求，同時本文還通過給定的一部分環境參數，進行了系統的實際風、光、儲配比和計算，確定了最優方案。

1 設計參考依據

該茶園位于我國西南部地區，根據地方氣象部門的氣象信息，該地區地區年平均風速4m/s，太陽能資源處于我國太陽能III類地區，也就是說該茶園所在地區太陽能年總輻射量為4500～5500MJ。

茶園配置了視頻監控系統和自動噴灌系統，需求供電量為1kW·h，茶園的現有負載信息如表1所示。

表1 茶園的現有負載信息

2 設計的技術要求

由于茶園所在區域天氣原因，其供電系統的自給天數應滿足大于3天，同時，當光照強度不夠光伏電池組件發電的情況，其系統也應該能最長維持12天的正常運行，而當茶園出現連續無風或風速不夠風力機啟動風速時，系統應能最長維持6天的正常運行。

在上文曾分析了茶園所在區域和地理位置情況，在本次設計中，不考慮系統并入電網狀態，也就是本文設計的儲能系統始終維持孤網獨立運行。

系統內部的額定直流電壓為12V或24V（根據系統各部分的實際需求確定），同時系統供電功率為500VA，系統對負載供電電壓單相220V AC，供電頻率為50Hz，其余相關技術要求應滿足或高于國標《離網型戶用風光互補發電系統第1部分：技術條件（GB19115.1-2003）》相關要求。

由于系統實際安裝在茶園或茶園周圍，因此對于系統實際設計需要選擇的逆變器組件、控制器組件、泄放組件等對周圍環境的影響應符合國際電工委員會IEC CIS-R11的相關技術要求。同時系統選用的小型風電機組的設計、制造，光伏組件的制造，蓄電池等應符合《離網型風力發電機組用發電機第1部分（技術條件）（GB/T 10760.1-2003）等國家和行業標準，且通過相關機構的檢測與認證。

3 給定參數設計系統蓄電池容量的計算選擇與數目的確定

根據1.1中假設的條件，可知用電設備相當于200W的設備每天工作5h（t日）。

假設系統的逆變組件和內部及外部線路效率為80%，系統需求的風光互補部分總功率P：

根據假設條件可知，系統應滿足自給天數N1大于3天，因此設安全系數A取1.1，蓄電池誤差余量ηx為90%，溫度系數T0取1，蓄電池放電深度CC取0.8，日耗電量Q1為工作電流乘以小時數，則將上述數據將數據代入公式，則蓄電池的容量BC：

由于系統選擇型號為12V，24Ah的固定式閥控鉛酸蓄電池，蓄電池容量B0為24Ah。該茶園所需要的蓄電池輸出電壓（逆變輸入電壓）為12V，因此只需要將選擇的固定式閥控鉛酸蓄電池并聯即可，需要并聯的蓄電池數目為：根據上述計算，可知，該茶園的小型風光互補與儲能系統需要選用18塊12V，24Ah的固定式閥控鉛酸蓄電池。用以滿足系統的技術要求，同時滿足系統的可靠性要求。實際系統中應用的蓄電池總容量為432Ah：

4 風力發電機組功率計算與機型的選擇

上文進行了茶園所需的分布式風光互補與儲能系統中儲能系統的計算、分析。而系統采用小型風電機組和光伏發電組件兩部分分別作為獨立的發電單元。因此在計算風力發電機的功率時，需要給定一種相對極端的天氣情況。

假定在天氣狀況為陰雨天的情況下，即只有風力發電機可以正常工作，光伏電池方陣不能對外提供電能。此時，根據給定的環境條件“光照強度不夠光伏電池方陣發電的情況最長時間為12天（t1max）”，根據氣象資料分析，此時的風速應略大于給定的該地區平均風速4m/s，時間也應超過平均風速的時間，取風速為四級（5.5～7.9m/s），4h/d（t1d）。設風力發電機功率為P1，則有下式：

將數據代入：

根據可供選擇的風力發電機的型號、規格，在保證系統安全性、穩定性基礎上，選用額定功率P1為300W的風力發電機。

5 光伏陣列功率計算與光伏組件的選型與數目的確定

同樣道理，在進行光伏部分功率確定和計算的過程中，也需要假設一種相對極端的天氣情況。就是當茶園所在地區連續無風，即只有光伏電池組件作為發電設備，小型風電機組無法對外提供電能。根據給定的氣象條件連續晴天無風天數為6天（t2max），取8 h/d（t2d）。設光伏組件功率為P2，根據系統負載平衡，則有：

光伏陣列總功率為78.902625W，因此可選用20W的單晶硅光伏組件。

其主要技術參數主要為：額定功率20W（Ps），額定電壓17.2V，額定電流1.17A，開路電壓21.4V，短路電流1.27A，設計發電系統采用的直流電壓為12V，蓄電池浮充電壓Vf=13.5～13.8V，這里取13.8V，回路壓降Vi取3V，計算是否需要串聯光伏電池組件，假定需要串聯，串聯的數目為N2：

因此不需要將光伏電池組件進行串聯。

光伏電池組件的并聯數目N2'，則

實際系統中選用的光伏組件數目Nsum，光伏組件總功率為P2sum：

即系統中實際采用的光伏組件數目為4塊，光伏組件總功率為80W。

6 光伏電池組件在組成光伏陣列過程中的其他計算

光伏電池是把太陽光轉換成電能的裝置，其電能輸出和光照度密切相關。同時由于太陽光隨緯度變化和地勢變化較為明顯，因此在實際工程設計中往往還需要考慮光伏電池板能否追光跟蹤，如果是固定安裝的光伏電池板還需要考慮光伏電池陣列的安裝傾角，涉及到光伏電池板比較多時，還需要考慮光伏電池板之間的間距等因素。

一般固定式光伏陣列的陣列傾角θ1可以在當地緯度上+5°進行選擇。也可根據國標《光伏發電站設計規范（GB50797-2012）》的附錄B光伏陣列最佳傾角參考值進行選取。光伏陣列間距D的確定，可以根據光伏陣列的高度H和陣列傾角θ1，由以下公式初步確定，還需根據實際安裝位置、地形、安裝場地的要求進行調整。

7 其他主要設備的選型與確定

在系統中，控制器、逆變器、防雷隔離、接地保護等電力電子設備的選型應滿足系統的整體需求,，符合安全性的基本原則，與系統設計的功能、容量相匹配。逆變器的選擇應該以負載功率為主要確定因素，還需要保證系統具有一定的可拓展性，所有選擇產品、部件、材料等必須是合格產品，需要經過有關部門測試的必須進行技術測試和預防性實驗，銘牌標志清晰美觀，儀表設備量程正確，設備絕緣符合國家標準，耐振動性能符合技術要求。