風(fēng)能和太陽能聯(lián)合供電在水文自動監(jiān)測站中的應(yīng)用及推廣實(shí)驗(yàn)分析

惠 妍，蔣丹哲，董號強(qiáng)

（1.咸陽水文水資源勘測中心,陜西 咸陽 712000；2.漢中水文水資源勘測中心,陜西 漢中 723000；3.渭南水文水資源勘測中心,陜西 渭南 714000）

1 前言

咸陽市地處關(guān)中中部,遙測站點(diǎn)多為川道平原區(qū)和黃土高原溝壑區(qū),日照不均勻,傳統(tǒng)的蓄電池加太陽能供電方式經(jīng)常由于電力不足導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸中斷。風(fēng)能和太陽能是目前眾多可再生新能源中,應(yīng)用潛力最大、最具有開發(fā)價(jià)值的兩種。近年來,風(fēng)力和太陽能發(fā)電技術(shù)發(fā)展很快,其獨(dú)立技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)成熟。根據(jù)風(fēng)光的互補(bǔ)特性,使用風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)可以很好地解決發(fā)電系統(tǒng)的供電問題,實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定的供電。本文以渭河川道平原區(qū)、黃土高原溝壑區(qū)風(fēng)能和太陽能聯(lián)合發(fā)電監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析掌握該地貌特征風(fēng)光互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)楊凌區(qū)和旬邑縣當(dāng)?shù)刈匀坏乩項(xiàng)l件,以及設(shè)備實(shí)際耗電量,設(shè)計(jì)性價(jià)比最高的風(fēng)光聯(lián)合供電系統(tǒng)。

2.1 組成與原理

風(fēng)能和太陽能聯(lián)合供電水文自動監(jiān)測站組成,包括自動水文監(jiān)測站設(shè)備、通訊終端、風(fēng)能供電、太陽能供電、風(fēng)光互補(bǔ)控制器和蓄電池。

2.2 設(shè)備負(fù)載設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)備基本情況進(jìn)行耗電量統(tǒng)計(jì),河道視頻監(jiān)控主要設(shè)備有：云臺、視頻監(jiān)控?cái)z像頭、風(fēng)光互補(bǔ)器、電壓逆變器等設(shè)備。其中風(fēng)光互補(bǔ)器、電壓逆變器為24 小時工作,視頻監(jiān)控?cái)z像頭間斷性使用,在全功率工作狀態(tài)下功率為16 W,靜止?fàn)顟B(tài)功率5 W。主要耗電量見表1。

表1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要設(shè)備功耗表

2.3 蓄電池設(shè)計(jì)

蓄電池的配置與充電控制是風(fēng)光互補(bǔ)應(yīng)用的關(guān)鍵。在無風(fēng)無太陽的天氣情況下,設(shè)備完全不能自主發(fā)電,電池必須要滿足連續(xù)陰雨天7 天的供電需求。

本項(xiàng)目使用2 組12V200AH 的電池組,滿足需求。

2.4 太陽能光伏板設(shè)計(jì)

考慮全年光照最差的季節(jié),光伏板每天產(chǎn)生的電能可以滿足負(fù)載的每日用電需求。

根據(jù)氣象數(shù)據(jù)和站點(diǎn)的自然環(huán)境,太陽光可達(dá)到額定光照強(qiáng)度的時間4 h/d,全天額度發(fā)電時間按6 h,轉(zhuǎn)換效率按18%計(jì),全天發(fā)電量為432 W·h。本項(xiàng)目,太陽能板采用400W,滿足需求。

2.5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)選用

風(fēng)速隨著高度的變化會變化,風(fēng)力發(fā)電對風(fēng)機(jī)葉片的安裝高度很敏感。在小型風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)中,風(fēng)機(jī)的參數(shù)大多靠經(jīng)驗(yàn)配置。為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性,本項(xiàng)目選用的風(fēng)機(jī)設(shè)備規(guī)格相同。

根據(jù)氣象數(shù)據(jù)和站點(diǎn)的自然環(huán)境,平均風(fēng)速3 m/s,1 h/d,轉(zhuǎn)換效率按16%計(jì),全天發(fā)電量為64 W·h。本項(xiàng)目,選用400 W 風(fēng)力發(fā)電機(jī)1 臺,風(fēng)輪直徑1.5 m,啟動風(fēng)速2.5 m/s,3.0 m/s 切入風(fēng)速,滿足需求。

2.6 蓄電池設(shè)計(jì)

設(shè)備總用電量：16.8 W×24 h×7 d=2822 W·h,電池使用7 天后剩余電量：400 A·h×12 V×90%-2822 W·h=1498 W·h。風(fēng)能和太陽能每天聯(lián)合發(fā)電量：432+64=496 W·h。

蓄電池連續(xù)使用7 天,有風(fēng)日照正常無故障持續(xù)供電,該組電池充滿電需：2822 W·h/496 W·h ≈5.7 d；無風(fēng)日照正常無故障持續(xù)供電, 該組電池充滿電需：2822 W·h/432 W·h ≈6.5 d；有風(fēng)連陰雨?duì)顟B(tài)下無故障持續(xù)供電,該組電池充滿電需：2822 W·h/64 W·h ≈44 d。

3 氣象條件分析

選取《咸陽市氣象局峰值日照時數(shù)》2020 年6 月～2020年12 月的資料,利用光伏系統(tǒng)實(shí)用計(jì)算公式進(jìn)行風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)中太陽能發(fā)電可靠性的分析,把系統(tǒng)數(shù)據(jù)與當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件做比較,論證是否符合當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件。其主要參照的太陽能輻射參數(shù)是當(dāng)?shù)胤逯等照諘r數(shù)。

3.1 旬邑縣城氣象資料分析

太陽能電池總功率和蓄電池容量,以12 月份最差峰值日照時數(shù)計(jì)算：

因?yàn)楫?dāng)?shù)丨h(huán)境比較好,植被覆蓋率高,損耗系數(shù)選1.6。

本項(xiàng)目,太陽能光伏板按照400 W 設(shè)計(jì),蓄電池按照400 A·h 設(shè)計(jì)。可滿足旬邑縣城氣象資料的合理性和可靠性。

3.2 楊凌區(qū)氣象資料分析

太陽能電池總功率和蓄電池容量,以12 月份最差峰值日照時數(shù)計(jì)算：

因?yàn)楫?dāng)?shù)丨h(huán)境比較好,植被覆蓋率高,損耗系數(shù)1.6。

本項(xiàng)目,太陽能光伏板按照400 W 設(shè)計(jì),蓄電池按照400 A·h 設(shè)計(jì)。可滿足旬邑縣城氣象資料的合理性和可靠性。

4 用電需求

根據(jù)《水文自動測報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（SL 61-2003）規(guī)范的要求,遙測站在連續(xù)無日照情況下能正常工作30天以上；能在特大暴雨、狂風(fēng)、雷電、停電等惡劣條件下正常工作；保證在30 天連續(xù)陰雨天氣情況下,能維持蓄電池正常工作；在連續(xù)30 天陰雨天氣后,能在7 天時間內(nèi),將蓄電池充足。

4.1 日需求量

視頻監(jiān)控系統(tǒng)工作模式下全額功率16.87 W,待機(jī)狀態(tài)下功率5.87 W,按照實(shí)際運(yùn)行情況,每天平均實(shí)際開機(jī)時間約4 h, 實(shí)際耗電量為0.18 kW·h, 估算半年實(shí)際耗電量為33.9 kW·h。

4.2 日發(fā)電量

根據(jù)氣象數(shù)據(jù)和站點(diǎn)的自然環(huán)境,太陽光可達(dá)到額定光照強(qiáng)度的時間4 h/d,全天額度發(fā)電時間按6 h,轉(zhuǎn)換效率按18%計(jì),發(fā)電量約為2.592 kW·h；咸陽地區(qū)平均風(fēng)速3 m/s,1 h/d,轉(zhuǎn)換率按16%計(jì),發(fā)電量約為0.00064 kW·h。

4.3 供需是否平衡

本項(xiàng)目中,太陽能發(fā)電量為2.592 kW·h,風(fēng)能發(fā)電量為6.4×10-4kW·h,風(fēng)能和太陽能總共的發(fā)電量為2.593 kW·h,實(shí)際項(xiàng)目每天耗電量為0.185 kW·h,電量供需平衡。

5 數(shù)據(jù)收集處理分析

按照不同地貌類型,在關(guān)中渭河川道平原區(qū)楊凌水位站和咸陽北部黃土高原溝壑地區(qū)旬邑水文站安裝發(fā)電量遠(yuǎn)程監(jiān)測設(shè)備,收集6 月～12 月發(fā)電量數(shù)據(jù)。

5.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)

本次選用不同地貌2 處監(jiān)測點(diǎn),收集6 月～12 月風(fēng)能和太陽能發(fā)電量。對監(jiān)測數(shù)據(jù)每天進(jìn)行統(tǒng)計(jì),每旬進(jìn)行合理性檢查。

5.2 數(shù)據(jù)可靠性分析

5.2.1 理論發(fā)電量計(jì)算

根據(jù)旬邑站時段降雨量表及相關(guān)氣象數(shù)據(jù),采用以下公式進(jìn)行計(jì)算（單位：kW·h）：

太陽能：（月天數(shù)-降雨天數(shù)）×日照時長/天（6 小時）×400 W×18%（轉(zhuǎn)換系數(shù)）=累計(jì)發(fā)電量。

風(fēng)能：啟動天數(shù)×風(fēng)速歷時/天（1 小時）×400 W×16%（轉(zhuǎn)換系數(shù)）=累計(jì)發(fā)電量。

5.2.2 發(fā)電量與實(shí)際監(jiān)測值誤差分析

為了充分證明本次設(shè)備采集風(fēng)能和太陽能聯(lián)合供電系統(tǒng)發(fā)電量數(shù)據(jù)可靠性,采用2020 年6 月1 日～12 月21 日風(fēng)能和太陽能實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2～表3。

表2 楊凌水位站風(fēng)能和太陽能實(shí)際監(jiān)測值和理論發(fā)電量對比表 單位：kW·h

表3 旬邑水文站風(fēng)能和太陽能實(shí)際監(jiān)測值和理論發(fā)電量對比表 單位：kW·h

從表2、表3 對比結(jié)果來看,楊凌站、旬邑站6 月～12 月太陽能發(fā)電量理論值與實(shí)際值差值在-7.4 kW·h～1.0 kW·h與-6.8 kW·h～-0.1 kW·h 之間。楊凌站、旬邑站12 月太陽能發(fā)電量實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)相差較大,調(diào)取楊凌、旬邑站雨量年多日日降水表得知,楊凌、旬邑地區(qū)2020 年降水量與多年均值相比偏豐2～3 成,降水天數(shù)較往年偏多。故發(fā)電量監(jiān)測期間日照不足,影響實(shí)際太陽能發(fā)電量。

楊凌站、旬邑站6 月～12 月風(fēng)能發(fā)電量理論值與實(shí)際值差值在-1.9 kW·h～-0.1 kW·h 與-2.3 kW·h～-0.3 kW·h 之間。其中楊凌站7、9、10 月風(fēng)能和旬邑站6、7、12 月風(fēng)能發(fā)電量差值較小,其余月份誤差相對較大,由于風(fēng)光聯(lián)合供電有一定相關(guān)性,通過監(jiān)測數(shù)據(jù)可知,風(fēng)能發(fā)電量誤差較大月份其太陽能發(fā)電量誤差就較小,符合現(xiàn)實(shí)的自然規(guī)律。

5.3 相關(guān)性分析

根據(jù)表2～表3,進(jìn)行相關(guān)分析,理論與實(shí)際發(fā)電量的相關(guān)系數(shù)分別為0.9778、0.9398、0.9869、0.9408,相關(guān)性均較好。

5.4 數(shù)據(jù)可靠性

通過以上對比分析,楊凌站、旬邑站風(fēng)能和太陽能聯(lián)合供電理論值與實(shí)際值基本接近,監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠。

5.5 發(fā)電量規(guī)律分析

5.5.1 太陽能發(fā)電量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)風(fēng)光互補(bǔ)聯(lián)合供電監(jiān)測數(shù)據(jù),渭河川道平原區(qū)（楊凌水位站）太陽能發(fā)電量6 月～9 月較大,月均發(fā)電量為7.3kW·h。10 月～12 月較小,月均發(fā)電量為4.9 kW·h。6 月～12 月半年發(fā)電量為43.7 kW·h。

黃土高原溝壑區(qū)（旬邑水文站）太陽能發(fā)電量6 月～9 月較大,月均發(fā)電量為8.2 kW·h。10 月～12 月較小,月均發(fā)電量為5.1 kW·h。6 月～12 月半年發(fā)電量為47.7 kW·h。

5.5.2 風(fēng)能發(fā)電量統(tǒng)計(jì)

渭河川道平原區(qū)（楊凌水位站）風(fēng)能發(fā)電量6 月～9 月較大,月均發(fā)電量為1.3 kW·h。10 月～12 月較小,月均發(fā)電量為0.8 kW·h。6 月～12 月半年發(fā)電量為7.3 kW·h。

黃土高原溝壑區(qū)（旬邑水文站）風(fēng)能發(fā)電量6 月～9 月較大,月均發(fā)電量為1.8 kW·h。10 月～12 月較小,月均發(fā)電量為0.82 kW·h。6 月～12 月半年發(fā)電量為9.8kW·h。

5.5.3 風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電量統(tǒng)計(jì)

渭河川道平原區(qū)（楊凌水位站）風(fēng)太陽能發(fā)電量6 月～9 月較大,月均發(fā)電量為8.5 kW·h。10 月～12 月較小,月均發(fā)電量為5.7 kW·h。6 月～12 月半年發(fā)電量為51 kW·h。

黃土高原溝壑區(qū)（旬邑水文站）風(fēng)太陽能發(fā)電量6 月～9 月較大,月均發(fā)電量為10 kW·h。10 月～12 月較小,月均發(fā)電量為5.8 kW·h。6 月～12 月半年發(fā)電量為57.4 kW·h。

5.5.4 發(fā)電量規(guī)律

根據(jù)上述發(fā)電量統(tǒng)計(jì),渭河北岸黃土高原溝壑區(qū)風(fēng)能、太陽能發(fā)電量略大于渭河川道平原區(qū)。渭河川道平原區(qū)風(fēng)能發(fā)電量占聯(lián)合發(fā)電量的14.3%,黃土高原溝壑區(qū)風(fēng)能發(fā)電量占聯(lián)合發(fā)電量的17%。總體上風(fēng)能發(fā)電量占比不超20%。

5.6 保證率和供電量

從實(shí)際發(fā)電量記錄表中可知,楊凌站、旬邑站的風(fēng)能和太陽能聯(lián)合供電系統(tǒng)可每日在線供電,發(fā)電量保證率較高。從發(fā)電量統(tǒng)計(jì)表中可知,旬邑站6 月～12 月風(fēng)能和太陽能聯(lián)合發(fā)電量為57.4 kW·h,楊凌站為51.0 kW·h,風(fēng)能和太陽能聯(lián)合發(fā)電量能夠滿足視頻監(jiān)控站的耗電量需求。

6 結(jié)論及建議

6.1 結(jié)論

（1）發(fā)電量供電保證率達(dá)100%,能解決偏遠(yuǎn)山區(qū)建設(shè)自動監(jiān)測站供電困難實(shí)際問題。

（2）楊凌站半年太陽能累計(jì)發(fā)電量為43.7 kW·h,風(fēng)能和太陽能聯(lián)合發(fā)電量為51.0 kW·h；旬邑站半年太陽能累計(jì)發(fā)電量為47.7 kW·h,風(fēng)能和太陽能聯(lián)合發(fā)電量為57.4 kW·h,設(shè)備總需求電量為33.9 kW·h,綜上風(fēng)能和太陽能聯(lián)合發(fā)電量能夠滿足視頻監(jiān)控站的耗電量需求。

6.2 建議

本次研究分析只涉及渭河川道平原區(qū)和渭北黃土高原溝壑區(qū),其它地形需要繼續(xù)根據(jù)實(shí)地基礎(chǔ)建設(shè),設(shè)計(jì)安裝相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行風(fēng)能和太陽能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的研究分析,對風(fēng)能和太陽能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行推廣。