风光互补发电实训报告

2024-08-18

风光互补发电实训报告（通用6篇）

篇1：风光互补发电实训报告

户用风力与太阳能光伏互补发电系统

设计可行性研究报告

一、风力与太阳能光伏发电行业发展前景分析

风力发电是一种将风能转换为机械能，由机械能冉转换为电能的机电装置。利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来带动发电机发电。依据目前的风能技术，大约1米/秒的微风速度，便可以开始发电。

光伏发电是利用单晶硅、多晶硅或非晶硅半导体电子器件光伏效应原理有效地吸收太阳辐射能, 并直接转变成电能的发电方式。

风力发电、太阳能光伏发电是近年来国内外应用比较广泛、最有发展前景的可再生能源利用技术。在当今化石能源日益减少、生态环境遭受破坏的情况下，利用以风能、太阳能为代表的清洁、可再生能源，对于改善现有能源结构，缓解能源危机，实现人与自然的可持续发展具有重要的意义。

世界各国尤其是发达国家高度重视以太阳能和风能为代表的新能源发展，通过增加财政投资、减免税收、电力回购补偿等一系列措施，鼓励刺激风力发电、太阳能光伏发电行业的发展。以太阳能光伏行业为例，2009年，全球光伏市场累计安装量提高了45%，达到了22.9GW。新增光伏装机容量接近5.8GW，增速为46.6%。其中，德国新增光伏装机容量从1.8GW提高到3.8GW，几乎翻了一番，从2008年41.1%的占比上升为51.7%，居全球第一位。其它国家也发展迅速，意大利安装了711MW，成为第二大市场，捷克和比利时09年分别安装了411MW和292MW。欧洲以外的国家也同样发展迅速，日本安装了484MW，美国则安装了470MW，其中包括40MW的离网系统。而风电行业，2009年全球风电装机总量达到157900MW．较上年增加了37500MW。欧洲的风能发电发展最快，其中德国十分重视风电发展，目前是世界上风电技术最先进的国家。截至2006年底，德国风电总装机容量达到了20 622 MW，占世界风电总装机容量的1／3以上．德国风力发电量约占全年总发电量的6％，居世界第1位．到2010年，德国风电装机容量达到23 000 MW，可提供德国8％～10％的电力需求，l5个欧盟成员国可再生能源生产的电力满足全部电力需求的22％．

在当前阶段，风力发电、太阳能光伏发电市场的发展很大程度依赖于相关国家制定的支持机制和法案，支持机制和法案的颁布、更改、增强或削弱都会对风力发电、光伏市场和产业造成深远的影响。德国、日本、美国等发达国家风力发电、太阳能光伏发电行业能有如此迅速的发展，均得益于相关国家有一套成熟的激励措施和支持法案，值得指出的是：日本、德国、西班牙、意大利、韩国等许多国家制定的风能、太阳能发电回购补偿政策，对促进、鼓励民间发展太阳能光伏、风能发电起到至关重要的作用。

我国光伏发电和风能产业起步于20世纪70年代，90年代中期进入稳步发展时期，经过30多年的努力，已迎来了快速发展的新阶段。2006年至2008年，中国的新能源市场投资年均增长率为67％，23.5亿美元的投资中大约有60％投向了太阳能领域，其余主要投资到风能领域。特别是在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，太阳能电池及组件产量逐年稳步增加，我国光伏产业经历爆发式增长，已基本形成了涵盖多晶硅材料、铸锭、拉单晶、电池片、封装、平衡部件、系统集成、光伏应用产品和专用设备制造的较完整产业链。产业链各个环节的专用设备和专用材料的国产化加快，许多设备完全实现了国产化并有部分出口。到2007年底，全国光伏系统的累计装机容量达到10万千瓦（100MW），从事太阳能电池生产的企业达到50余家，从业人员达到8万人以上。而我国风电行业近年来发展也非常迅速，到2009年底，我国风电总装机容量累计为2580万千瓦，其中并网风电1613万千瓦，占全国总装机容量的占1．85％，另还有967万千瓦未并网风电。其中仅2009年新增装机容量就达到1300万千瓦。总的风电装机容量位于美国、德国之后，名列全球第三。2009年，我国风电发电量为275亿千瓦时，占总的发电量比例为0．75％。

近年来，国家财政对太阳能和风能产业的补贴力度逐年增强。2008年，我国开始启动屋顶和大型地面并网光伏发电示范项目的建设；2009年初完成了甘肃敦煌10MW级大型荒漠并网光伏电站的招标工作；同时太阳能屋顶计划与金太阳示范工程、风能发电的财政补贴项目也相继推出，这一系列的政策措施给我国未来的太阳能光伏和风能产业提供了一个广阔的发展空间。

我国现行的补贴政策主要针对光伏设备生产企业、大型项目承建商和一些示范性项目，缺乏对于小型发电系统或是消费者、投资者的激励政策。这也是我国光伏产业商业化推广迟缓的重要原因。经验表明，我国政府的政策

导向将在未来一段时间内决定着国家风能与光伏产业的发展水准和市场需求。直到现在，我国还没有太阳能上网电价和新能源电力回购补偿政策,每年几百兆瓦的太阳能电站建设与每年几个吉瓦太阳能光伏电池生产能力相形见绌,远不成比例。因此,太阳能上网电价和新能源电力回购补偿政策尽快出台是中国太阳能与风能发电产业的当务之急。相信在节能减排、低碳经济的大背景下，针对目前风能与光伏发电成本高、国内产业对进出口依存度过高的特点，我国将加大政策指导和扶持力度，一旦国家新能源电力回购补偿政策出台, 风能、太阳能发电行业必将迎来迅猛发展的时机。

二、项目市场定位分析

我国2006年颁布的《可再生能源法》规定：电网企业应当全额收购其电网覆盖范围内的可再生能源并网发电项目的上网电量。但实际上由于光伏上网电价成本是常规能源上网电价的1O倍而无法实施。最近我国完成的8MW 并网光伏系统的前期研究表明，目前完全商业化运作的并网光伏发电上网电价成本大约为3．4元／千瓦时，这样高的成本无论是国家补贴还是全民分摊，大面积发展都会遇到很大的困难和阻力。如果是一般家庭用的光伏发电系统，则发电成本更高，通过在淘宝网检索进行价格对比，国内多晶硅太阳电池价格大约为10~15元／瓦，一套户用3000瓦太阳能光伏发电系统单是太阳能板就需30000~45000元左右，若配套蓄电池、逆变器、整流器、控制器及附属部件及安装费，至少需40000~50000元左右。网上检索到华威能源生产的整套3000瓦太阳能光伏发电系统市场销售价格最低为36916元。按照一般家庭每月电费200元计算，理论上需要至少15年~20年才能收回成本，而且还不包括使用过程的维护费用。通常,家庭预期投资回收期超过5年就很难被消费者所接受。在光伏发电成本还不具有市场竞争力，且缺乏实质性政策支持的情况下，户用太阳能光伏发电系统很难直接走向市场。另外，风力发电的上网价格在0．42~0．72元／千瓦时，成本正逐渐接近火电成本，但分散式风力发电机系统的可靠性较差，随机性和间歇性强，电能质量较差，需进行比较复杂的处理才能使用。因此，风能发电和太阳能光伏发电系统只有在远离电网且必须用电的地方才能找到其商业的价值。根据初步分析，目前，风能与太阳能光伏发电系统具有市场价值的地方和行业如下：

1、偏远农村、山区、草原、边防哨所，海岛等地方。

这些地方远离电网，迫切需要用电改善工作和生活条件，使用柴汽油发

电成本过高，而风能或太阳能发电系统恰好能够填补这一空缺。

2、远离城市和供电线路的移动通信基站。

移动通信基站用电负荷都不会太大，若采用市电供电，架杆铺线代价很大，若采用柴油发电机供电，存在柴油储运成本高，系统维护困难、可靠性不高的问题。要解决长期稳定可靠的供电问题，只能依赖当地的自然能源，而太阳能和风能可作为取之不尽的可再生能源。将大大降低电源配置成本。

3、高速公路沿线的交通标志和录像监控装置。

高速公路的外场监控设备一般采用直接敷设电缆的供电方式，诸如互通立交、弯道、坡道、特大桥等需重点监控的路段往往离电源点的距离很远，采用传统电缆供电方式，就必须使用比较粗大的铜芯线缆来降低电压衰减，从而导致建设费用过高，同时运营期间也因电缆经常被盗而给业主造成重大的经济损失和运营管理的不便。而采用风光互补的方式对外场监控设备供电，与传统电缆供电相比省去了中间电缆及其敷设的过程，大大降低了供电成本，具有很好的性价比。而且高速公路上由于车辆行驶速度很快，不断卷起的气流会使公路两旁常年处于有风状态，保证风光互补系统常年处于运行供电状态。

4、渔船作业和生活用电。

渔船出海作业需要保证卫星导航、通信设施、安全指示灯、标志灯、灯光作业灯等的供电，泊港后需要有人留守，留守人员需要照明、电视、冰箱等生活用电。因此，渔船常年需要用电，过去一直靠柴油发电机发电解决。购置柴油发电机和发电用油的成本并不低。如果设计1000瓦以下价格在10000元以下的船用小型风力与太阳能光伏互补发电系统,则可以很好地解决渔船用电问题，完全可以做到成本低于使用柴油发电机。目前，在浙江、江苏省沿海一带，在政府的倡导下，渔船开始普及安装300瓦~1000瓦的微小型风力与太阳能光伏互补发电系统,节省了大量燃油，应用效果比较好。北海作为沿海城市，海上风力和太阳能资源充沛，北部湾和南海大批的作业渔船，可以作为市场的潜在用户，完全有可能在渔船找到市场的切入点。

三、项目技术定位分析

风能和太阳能由于受地理分布、季节变化、昼夜交替等影响，其能量密度变化较大。然而，太阳能与风能在时间和地域上都有一定的互补性，白天太阳光最强时，风较小，晚上太阳落山后，光照很弱。但由于地表温差变化

大而风能加强。在夏季，太阳光强度大而风小，冬季，太阳光强度弱而风大。太阳能发电稳定可靠，但成本较高，而风力发电成本较低，但随机性大，供电可靠性差。因此相对于单一的风能、太阳能发电，风光互补发电系统是更经济合理、稳定、持续的发电模式。将两者结合起来，可实现昼夜发电，提高系统供电的连续性、稳定性和可靠性。另外，以家庭用户为单位的风能与太阳光伏发电系统是今后最普遍的一种新能源应用方式。因此，应该将项目考虑定位为：独立的离网型小型风力与太阳能光伏互补发电系统。利用成熟先进的以单片机为核心的嵌入式技术、电力电子技术、小型微风发电技术和多晶硅太阳能电池，研发出一种功率在300瓦以上，3~5千瓦以下，具有微风发电和太阳能光伏发电互补功能，智能化控制程度较高的家庭用小型发电系统。为将来太阳能光伏发电大规模商业化应用做好技术储备。

四、系统的基本构成

风光互补发电系统主要由风力发电机、风电整流器、太阳能光伏电池阵、控制器、蓄电池、逆变器等部分组成。如图所示：

其工作原理是：风力发电机将风能转换成交流电能，先经整流器整流成为直流电，由控制器对蓄电池充电，然后再通过逆变器转换成交流电才能供给交流负载。太阳能光伏电池阵将太阳能直接转换成直流电，并通过逆变器可将直流电转换为交流电对负载进行供电，同时在光伏电能充裕时由控制器对蓄电池充电。在日照不足时，储存在蓄电池中的直流电能经过逆变器，变换成交流电供给交流负载使用。正常工作情况下，风力发电部分和光伏发电部分可以独立工作，也可以同时工作。

1、风力发电机

按主轴旋转方向分为两类：水平轴式风力发电机，转动轴与地面平行，需随风向变换调整叶轮的朝向。多采用水平轴、上风向、三叶片式，该类型风力发电机具备较高的风能利用率,价格低廉，但叶片旋转直径较大。垂直轴式风力发电机转动轴与地面垂直，叶轮不需改变方向。依形状可分为桶形转子和打蛋形转子等。新型垂直轴风力发电机(H型)采用了新型结构和材料，具有启动风速低、噪音低、抗风能力强等优点，1米/秒微风就可起步发电。叶轮旋转直径较小，安装使用方便，但价格相对较高，目前处于推广应用阶段。小型风力发电装置可使用的发电机类型较多，有直流发电机、电磁式交流发电机、磁阻式发电机及感应子式发电机等。永磁同步发电机由于其结构简单，效率高，体积小的特点得到广泛应用。本装置的风力发电机采用交流永磁同步发电机。按价格要求选取水平式或垂直式风机。

根据淘宝网检索价格，300瓦垂直式风力发电机价格为2000元左右，超过500W的垂直式风力发电机价格6000~10000元以上。300瓦水平式风力发电机价格为1500元左右，1000W的水平式风力发电机价格3500元左右。水平式风力发电机价格比较便宜，但因旋转直径过大，对风向要求较严，不适宜安装在渔船上。因此陆上系统可选取水平式风力发电机，但船用系统宜选垂直式风力发电机。

2、太阳能光伏电池阵列

单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24％，是所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的。使用寿命一般可达15年，最高可达25年，制作成本很高。多晶硅太阳能电池的光电转换效率约12％，使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短，制作成本相对较低。因此得到大量发展。非晶硅太阳能电池是近年开始应用的一种新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，它的主要优点是在弱光条件也能发电。但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，最高只能达到10％左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减较快。薄膜式太阳电池是太阳能电池今后的发展方向。

按照性能价格比，系统宜选取多晶硅太阳能电池。据淘宝网检索，多晶硅价格为10元~15元/瓦，面积为0.008平方米/瓦，则300瓦价格为3000元~4000元左右。面积为2.4平方米。

3、风光互补控制器

主要用于控制太阳能电池和风力发电机同时对蓄电池进行智能充电。装置采用单片机控制系统，具备防雷、PWM卸载、太阳能防反充、过电压自动刹车、蓄电池反接和开路保护等完善的保护功能，并有液晶显示。控制系统的风电、光电均采用PWM 脉宽调制充电方式，智能三阶段充电模式，即采用主充、均充、浮充的方式进行充电，其中光电采用最大功率跟踪（MPPT）充电技术；卸荷采用无级卸载的方法；保护功能包括防雷、过充、过放(蓄电池低电压告警、关断、恢复)、反接、蓄电池过压、太阳能光电池过流、输出过载以及短路等。具有如下设计指标：

(1)PWM整流电路：采用具有PWM端口的单片机软件控制与外围整流电路相结合的方法，调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。将风力发电机输出的交流电变换成为可控制的直流电提供给蓄电池充电。(2)PWM无级卸载：在太阳电池板和风力发电机所发出的电能超过蓄电池和逆变输出需要时，控制系统必须将多余的能量通过卸荷释放掉。普通的控制方式是将整个卸荷全部接上，此时蓄电池一般还没有充满，但能量却全部被耗在卸荷上，从而造成了能量的浪费。有的则采用分阶段接上卸荷，则阶段越多，控制效果越好，但一般只能做到五六级左右，所以效果仍不够理想。装置采用PWM（脉宽调制）方式进行无级卸载，在正常卸载情况下，可确保蓄电池电压始终稳定在浮充电压点，只将多余的电能释放到卸荷上。从而保证了最佳的蓄电池充电特性，使得电能得到充分利用，并确保了蓄电池的使用寿命。

(3)智能限压限流充电：由于蓄电池只能承受一定的充电电流和浮充电压，过充电电流和过电压充电都会对蓄电池造成严重的损害。本控制器通过单片机实时检测蓄电池的充电电压和充电电流，并通过控制光伏充电电流和风机充电电流来限制蓄电池的充电电压和充电电流，从而确保了蓄电池的使用寿命。

(4)液晶显示蓄电池电压和充电电流和运行数据：能够直观了解蓄电池的电压状态，并可以根据蓄电池的电压来调节使用负载的大小和时间。(5)完善的保护功能：

a、太阳能防反充：在夜间等光线不好的情况下，蓄电池的电压可能会高于太阳能电池阵列的端电压。装置配置防反充电路，以防止蓄电池对太

阳能电池产生反充。b、防雷保护：内带有避雷装置，能将雷电产生的瞬时强电压和电流释放掉，以保护本控制器及后级设备不受雷击损伤。c、蓄电池反接保护：如果蓄电池不小心反接，则相当于发生短路，即会产生巨大的瞬时电流。如果不加保护，则必然会损坏蓄电池和设备本身。装置具有完善的蓄电池反接保护功能，在不小心反接时，电路中的保险丝会自动熔断，使得整个蓄电池回路断开，从而有效保护蓄电池和本设备。d、蓄电池开路保护：长期使用后，蓄电池可能会发生开路或接触不良。装置在蓄电池开路后会发出声光报警，并保护设备自身不被损坏。e、过风速和过电压刹车：在大风或过电压状态下，本控制器将自动启动电磁刹车，以保护风机和蓄电池。

(7)数字化智能控制：核心器件采用功能强大的单片机进行控制，外围电路结构简单，且控制方式和控制策略灵活强大，确保系统运行的稳定。

意法半导体的STM32F103单片机芯片功能强大，有较强的PWM控制功能，且研发人员均已熟练掌握该芯片的使用，因此控制器设计拟选STM32F103单片机。

4、逆变器

逆变器是一种电源转换装置，主要功能是将蓄电池的直流电逆变成标准工频交流电。逆变器通过全桥电路，采用正弦波脉宽调制SPWM技术经过调制、滤波、升压等，得到与电网负载频率、额定电压等相匹配的正弦交流电供用户使用。

正弦波逆变器的优点是输出波形基本为正弦波，在负载中只有很少的谐波损耗，对通信设备干扰小，整机效率高。随着电力电子技术的进步，脉宽调制技术的普及，SPWM型正弦波逆变器逐渐成为逆变器的主流产品。以单相全桥式逆变器为例，四个对角的开关功率管以每个对角线的两个开关管为一组，依次导通和关断，在负载两端就产生交替的正负电压，形成交流输出。当此交替导通的频率与负载所需的交流频率相同时，其输出的电压为方波电压。当开关管以比逆变交流输出电压高许多的频率开关，且每次开关的脉宽按照正弦波的幅值调制时，就变成了正弦波脉宽调制输出的逆变器，加滤波器后其输出的电压波形就是正弦波输出逆变器。

逆变器将直流电转化为交流电，若直流电压较低，则通过交流变压器升压，即得到标准交流电压和频率。在中、小容量的逆变器中，由于直流电压

较低，如蓄电池的公标电压为直流12V、24V、48V，就必须设计升压电路。

中、小容量逆变器一般有推挽逆变电路、全桥逆变电路和高频升压逆变电路三种，推挽电路，将升压变压器的中性插头接于正电源，两只功率管交替工作，输出得到交流电力，由于功率晶体管共地边接，驱动及控制电路简单，另外由于变压器具有一定的漏感，可限制短路电流，因而提高了电路的可靠性。其缺点是变压器利用率低，带动感性负载的能力较差。

全桥逆变电路克服了推挽电路的缺点，功率晶体管调节输出脉冲宽度，输出交流电压的有效值即随之改变。由于该电路具有续流回路，即使对感性负载，输出电压波形也不会畸变。该电路的缺点是上、下桥臂的功率晶体管不共地，因此必须采用专门驱动电路或采用隔离电源。另外，为防止上、下桥臂发生共同导通，必须设计先关断后导通电路，即必须设置死区时间，其电路结构较复杂。

推挽电路和全桥电路的输出都必须加升压变压器，由于升压变压器体积大，效率低，价格也较贵，随着电力电子技术和微电子技术的发展，采用高频升压变换技术实现逆变，可实现高功率密度逆变，这种逆变电路的前级升压电路采用推挽结构，但工作频率均在20KHz以上，升压变压器采用高频磁芯材料，因而体积小、重量轻，高频逆变后经过高频变压器变成高频交流电，又经高频整流滤波电路得到高压直流电(一般均在300V以上)再通过工频逆变电路实现逆变。

采用该电路结构，使逆变器功率大大提高，逆变器的空载损耗也相应降低，效率得到提高，该电路的缺点是电路复杂，可靠性比上述两种电路低。

正弦波输出的逆变器控制电路，可采用微处理器控制，这些单片机均具有多路PWM发生器，并可设定上、上桥臂之间的死区时间，完成正弦波信号的发生，并检测交流输出电压，实现稳压。

逆变器的主功率元件的选择至关重要，目前使用较多的功率元件有达林顿功率晶体管(BJT)，功率场效应管(MOSFET)，绝缘栅晶体管(IGBT)和可关断晶闸管(GTO)等，在小容量低压系统中使用较多的器件为MOSFET，因为MOSFET具有较低的通态压降和较高的开关频率，在高压大容量系统中一般均采用IGBT模块，这是因为MOSFET随着电压的升高其通态电阻也随之增大，而IGBT在中容量系统中占有较大的优势，而在特大容量(100kVA以上)系统中，一般均采用GTO作为功率元件。

此外，逆变器还应具备如下保护功能或措施，以应对在实际使用过程中出现的各种异常情况，使逆变器本身及系统其他部件免受损伤：

(1)输入欠压保捷当输入端电压低于额定电压的85％时，逆变器应有保护和显示。

(2)输入过压保捷当输入端电压高于额定电压的130％时，逆变器应有保护和显示。

(3)过电流保护：逆变器的过电流保护，应能保证在负载发生短路或电流超过允许值时及时动作，使其免受浪涌电流的损伤。当工作电流超过额定值的150％时，逆变器应能自动保护。

(4)输出短路保捷逆变器短路保护动作时间应不超过0．5s。

(5)输入反接保护：当输入端正、负极接反时，逆变器应有防护功能和显示。

(6)防雷保护：逆变器应有防雷保护。(7)过温保护等。

（8）逆变器还应有输出过电压防护措施，以使负载免受过电压的损害。系统逆变器是最关键的核心部件，涉及单片机嵌入式技术、正弦波脉宽调制SPWM控制技术、全桥逆变电路、高频变压器升压变成高频交流电，又经高频整流滤波电路得到高压直流电(一般均在300V以上)再通过工频逆变电路实现逆变一系列复杂的电力电子技术。是项目重点攻关的技术难点。逆变器设计拟选意法半导体的STM32F103单片机芯片，该芯片有较强的PWM控制功能，且研发人员均已熟练掌握该芯片的使用。

项目开发应将重点放在系统控制器与逆变器的核心技术上，只有拥有系统控制器与逆变器核心技术作为自主知识产权，该产品才有市场和技术生命力。

5、蓄电池组

在常用的蓄电池中，主要有锂离子蓄电池、镍氢蓄电池、镍金属氧化物蓄电池和铅酸蓄电池。其中铅酸蓄电池价格低廉、性能可靠、安全性高，且技术上又不断进步和完善，得到了广泛的应用。随着各种蓄电池技术的发展，国内外电池充电技术也不断更新，目前多模式充电技术被认为是最佳充电技术。其综合了恒压和恒流充电法优点，使蓄电池保持较高的容量和较长的使用寿命。多模式充电方法的四种充电状态分别是涓流充电，大电流充电，过

充电和浮充电。该充电模式需要设计单片机嵌入式软件进行才能进行精确控制。

(1)涓流充电

如果蓄电池电压低于阈值电压，充电器将用预先设定的涓流充电电流给电池充电。随着涓流充电继续，电池电压逐渐升高，当电压升高到阈值电压时立即转入大电流快速充电。如果电池电压在充电周期开始就高于其阈值电压时，则跳过涓流充电直接进入大电流快速充电模式。

(2)大电流快速充电

在这种模式下充电器以恒定的最大允许电流给电池充电。最大电流与电池容量有关，往往以电池容量的数值来表示。在大电流快速充电这段时间里，电池电量迅速地恢复。当电池电压上升到过充电压时，大电流快速充电模式结束，转入过充电状态。

(3)过充电

如果从大电流充电状态直接转入浮充状态，电池容量只能恢复到额定容量的80％～90％。在过充电状态下，充电电压保持恒定不变，充电电流连续下降。当充电电流下降到足够小时，电池容量己达到额定容量的100％，充电过程实质上己经完成，转入浮充状态。

(4)浮充电

该状态主要用于补充电池自身放电所消耗的能量。在浮充电模式下，充电器输出电压下降到较低的浮充电压值，充电电流通常只有10～30mA，用以补偿电池因自身放电而损失的电量。浮充电压仍将随环境温度变化而变化。当电池电压下降到浮充电压的90％时，充电器将转入大电流充电状态，使上述充电过程重新开始。

多模式充电法综合了恒流充电快速而安全、及时补偿铅酸蓄电池电量的优点和恒压充电能够控制过充电以及在浮充状态保持电池100％电量的优点。它综合了常规充电法和快速充电技术的优点，使蓄电池保持较高的容量和较长的使用寿命,是目前光伏系统应用最多的一种控制方式。

随着近年来微电子技术的飞速发展，以单片机嵌入式技术为核心的充电控制技术进入了一个全新的自适应、智能阶段，即自适应智能充电技术。自适应充电系统遵循各类电池的充电规律进行充电。充电系统由具有特殊功能的单片机控制，不断检测系统参数，按一定的算法不断调整充电参数，同一

充电器可适应不同种类电池的充电，充电系统自适应调整自己的输出电流，无需人工选择，避免操作失误。以光伏充电系统为例，光伏电池将太阳能转变为电能，蓄电池将转变出来的电能储存起来，充电控制环节在系统中起着枢纽作用。一方面充电控制环节调节光伏电池的输出功率，使尽可能多的太阳能转变为电能，提高系统效率；另一方面它需要根据不同条件来选择蓄电池的充电模式，从而加快蓄电池的充电速度，延长蓄电池的使用寿命。光伏系统输入能量稳不稳定，控制环节具有举足轻重的作用。

系统选用循环寿命长，使用寿命长，性能价格比高的风光发电系统储能用固定型(开口式)铅酸蓄电池。按1000瓦负载计算，电流约为5安培，要保证在连续2天无风、无晴天时．蓄电池组可独立保证系统给重要负载正常供电。需容量240ah，若按负载500瓦，需容量120ah。单体蓄电池额定电压为12 V，蓄电池组可选1块或多块蓄电池串联组合而成总容量满足要求。根据淘宝网检索价格，光伏系统用蓄电池单位价格约为11元/ah,240ah约需2600元左右，120ah约需1300元左右。

初步估算，研制一套系统的组件、材料费约需2万元左右。定型产品成本按1000瓦容量约需1万元。300瓦约需7000元左右。

五、系统研发的初步计划

（1）项目课题组人员组成（略）

（2）项目研发经费概算

略(3)项目进展时间

略

篇2：风光互补发电实训报告

一、概述

能源是国民经济发展和人民生活必须的重要物质基础，在过去的200多年里，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大的推动了人类社会的发展。但是人类在使用化石燃料的同时，带来了严重的环境污染和生态系统破坏。近年来，世界各国逐渐认识到能源对人类的重要性，更认识到常规能源利用过程中对环境和生态系统的破坏，各国纷纷开始根据国情，治理和缓解已经恶化的环境，并把可再生、无污染的新能源的开发利用作为可持续发展的重要内容。风光互补发电系统是利用风能和太阳能资源的互补性，具有较高性价比的一种新型能源发电系统，具有很好的应用前景。

二、风光互补发电系统的发展过程及现状

最初的风光互补发电系统，就是将风力机和光伏组件进行简单的组合，因为缺乏详细的数学计算模型，同时系统只用于保证率低的用户，导致使用寿命不长。

近几年随着风光互补发电系统应用范围的不断扩大，保证率和经济性要求的提高，国外相继开发出一些模拟风力、光伏及其互补发电系统性能的大型工具软件包。通过模拟不同系统配置的性能和供电成本可以得出最佳的系统配置。其中colorado state university和national renewable energy laboratory合作开发了hybrid2应用软件。hybrid2本身是一个很出色的软件，它对一个风光互补系统进行非常精确的模拟运行，根据输入的互补发电系统结构、负载特性以及安装地点的风速、太阳辐射数据获得一年8760小时的模拟运行结果。但是hybrid2只是一个功能强大的仿真软件，本身不具备优化设计的功能，并且价格昂贵，需要的专业性较强。

在国外对于风光互补发电系统的设计主要有两种方法进行功率的确定：一是功率匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的功率和风机的功率和大于负载功率，只要用于系统的优化控制；另一是能量匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的发电量和风机的发电量的和大于等于负载的耗电量，主要用于系统功率设计。

目前国内进行风光互补发电系统研究的大学，主要有中科院电工研究所、内蒙古大学、内蒙古农业大学、合肥工业大学等。各科研单位主要在以下几个方面进行研究：风光互补发电系统的优化匹配计算、系统控制等。目前中科院电工研究所的生物遗传算法的优化匹配和内蒙古大学新能源研究中推出来的小型户用风光互补发电系统匹配的计算即辅助设计，在匹配计算方面有着领先的地位，而合肥工业大学智能控制在互补发电系统的应用也处在前沿水平。

据国内有关资料报道，目前运行的风光互补发电系统有：西藏纳曲乡离格村风光互补发电站、用于气象站的风能太阳能混合发电站、太阳能风能无线电话离转台电源系统、内蒙微型风光互补发电系统等。

三、风光互补发电系统的结构

风光互补发电系统主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、蓄电池、逆变器、交流直流负载等部分组成，系统结构图见附图。该系统是集风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统。

(1)风力发电部分是利用风力机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电；

(2)光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电；

(3)逆变系统由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的220v交流电，保证交流电负载设备的正常使用。同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量；

(4)控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节：一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载。另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性；

(5)蓄电池部分由多块蓄电池组成，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。

风光互补发电系统根据风力和太阳辐射变化情况，可以在以下三种模式下运行：风力发电机组单独向负载供电；光伏发电系统单独向负载供电；风力发电机组和光伏发电系统联合向负载供电。

风光互补发电比单独风力发电或光伏发电有以下优点：

●利用风能、太阳能的互补性，可以获得比较稳定的输出，系统有较高的稳定性和可靠性；

●在保证同样供电的情况下，可大大减少储能蓄电池的容量[5]；

●通过合理地设计与匹配，可以基本上由风光互补发电系统供电，很少或基本不用启动备用电源如柴油机发电机组等，可获得较好的社会效益和经济效益。

四、风光互补发电系统的应用前景

(1)无电农村的生活、生产用电

中国现有9亿人口生活在农村，其中5%左右目前还未能用上电。在中国无电乡村往往位于风能和太阳能蕴藏量丰富的地区。因此利用风光互补发电系统解决用电问题的潜力很大。采用已达到标准化的风光互补发电系统有利于加速这些地区的经济发展，提高其经济水平。另外，利用风光互补系统开发储量丰富的可再生能源，可以为广大边远地区的农村人口提供最适宜也最便宜的电力服务，促进贫困地区的可持续发展。

我国已经建成了千余个可再生能源的独立运行村落集中供电系统，但是这些系统都只提供照明和生活用电，不能或不运行使用生产性负载，这就使系统的经济性变得非常差。可再生能源独立运行村落集中供电系统的出路是经济上的可持续运行，涉及到系统的所有权、管理机制、电费标准、生产性负载的管理、电站政府补贴资金来源、数量和分配渠道等等。但是这种可持续发展模式，对中国在内的所有发展中国家都有深远意义。

(2)半导体室外照明中的应用

世界上室外照明工程的耗电量占全球发电量的12%左右，在全球日趋紧张的能源和环保背景下，它的节能工作日益引起全世界的关注。基本原理是：太阳能和风能以互补形式通过控制器向蓄电池智能化充电，到晚间根据光线强弱程度自动开启和关闭各类led室外灯具。智能化控制器具有无线传感网络通讯功能，可以和后台计算机实现三遥管理(遥测、遥讯、遥控)。智能化控制器还具有强大的人工智能功能，对整个照明工程实施先进的计算机三遥管理，重点是照明灯具的运行状况巡检及故障和防盗报警。

室外道路照明工程主要包括：

●车行道路照明工程(快速道/主干道/次干道/支路)；

●小区(广义)道路照明工程(小区路灯/庭院灯/草坪灯/地埋灯/壁灯等)。

目前已被开发的新能源新光源室外照明工程有：风光互补led智能化路灯、风光互补led小区道路照明工程、风光互补led景观照明工程、风光互补led智能化隧道照明工程、智能化led路灯等。

(3)航标上的应用

我国部分地区的航标已经应用了太阳能发电，特别是灯塔桩，但是也存在着一些问题，最突出的就是在连续天气不良状况下太阳能发电不足，易造成电池过放，灯光熄灭，影响了电池的使用性能或损毁。冬季和春季太阳能发电不足的问题尤为严重。

天气不良情况下往往是伴随大风，也就是说，太阳能发电不理想的天气状况往往是风能最丰富的时候，针对这种情况，可以用以风力发电为主，光伏发电为辅的风光互补发电系统代替传统的太阳能发电系统。风光互补发电系统具有环保、无污染、免维护、安装使用方便等特点，符合航标能源应用要求。在太阳能配置满足春夏季能源供应的情况下，不启动风光互补发电系统；在冬春季或连续天气不良状况、太阳能发电不良情况下，启动风光互补发电系统。由此可见，风光互补发电系统在航标上的应用具备了季节性和气候性的特点。事实证明，其应用可行、效果明显。

(4)监控摄像机电源中的应用

目前，高速公路道路摄像机通常是24小时不间断运行，采用传统的市电电源系统，虽然功率不大，但是因为数量多，也会消耗不少电能，采用传统电源系统不利于节能；并且由于摄像机电源的线缆经常被盗，损失大，造成使用维护费用大大增加，加大了高速公路经营单位的运营成本。应用风光互补发电系统为道路监控摄像机提供电源，不仅节能，并且不需要铺设线缆，减少了被盗了可能，有效防盗。但是我国有的地区会出现恶劣的天气情况，如连续灰霾天气，日照少，风力达不到起风风力，会出现不能连续供电现象，可以利用原有的市电线路，在太阳能和风能不足时，自动对蓄电池充电，确保系统可以正常工作。

(5)通信基站中的应用

目前国内许多海岛、山区等地远离电网，但由于当地旅游、渔业、航海等行业有通信需要，需要建立通信基站。这些基站用电负荷都不会很大，若采用市电供电，架杆铺线代价很大，若采用柴油机供电，存在柴油储运成本高，系统维护困难、可靠性不高的问题。

要解决长期稳定可靠地供电问题，只能依赖当地的自然资源。而太阳能和风能作为取之不尽的可再生资源，在海岛相当丰富，此外，太阳能和风能在时间上和地域上都有很强的互补性，海岛风光互补发电系统是可靠性、经济性较好的独立电源系统，适合用于通信基站供电。由于基站有基站维护人员，系统可配置柴油发电机，以备太阳能与风能发电不足时使用。这样可以减少系统中太阳电池方阵与风机的容量，从而降低系统成本，同时增加系统的可靠性。

(6)抽水蓄能电站中的应用

风光互补抽水蓄能电站是利用风能和太阳能发电，不经蓄电池而直接带动抽水机实行补丁时抽水蓄能，然后利用储存的水能实现稳定的发电供电。这种能源开发方式将传统的水能、风能、太阳能等新能源开发相结合，利用三种能源在时空分布上的差异实现期间的互补开发，适用于电网难以覆盖的边远死去，并有利于能源开发中的生态环境保护。

风光互补抽水蓄能电站的开发至少满足以下两个条件：

●三种能源在能量转换过程中应保持能量守恒；

●抽水系统所构成的自循环系统的水量保持平衡。

虽然与水电站相比成本电价略高，但是可以解决有些地区小水电站冬季不能发电的问题，所以采用风光互补抽水蓄能电站的多能互补开发方式具有独特的技术经济优势，可作为某些满足条件地区的能源利用方案。

风光互补发电系统的应用向全社会生动展示了风能、太阳能新能源的应用意义，推动我国节能环保事业的发展，促进资源节约型和环境友好型社会的建设，具有巨大的经济、社会和环保效益。

总结

风能和太阳能都是清洁能源，随着光伏发电技术、风力发电技术的日趋成熟及实用化进程中产品的不断完善，为风光互补发电系统的推广应用奠定了基础。风光互补发电系统推动了我国节能环保事业的发展，促进资源节约型和环境友好型社会的建设。

总之，相信随着设备材料成本的降低、科技的发展、政府扶持政策的推出，该清洁、绿色、环保的新能源发电系统将会得到更加广泛的应用。

篇3：风光互补发电系统设计

因为太阳能与风能的互补性, 即在有风的时节, 风能多太阳能少, 反之亦然。另外, 太阳能与风能的蓄电池与逆变器可以相同。光伏发电的主要吸引力是光伏系统产生的电力对环境无破坏, 通过将无尽的太阳能转换为电能。光伏阵列成本的持续下降和效率的增加意味着在不久的将来光伏发电系统将会有很大的前景。而我们需要利用这种性质, 完善一个系统使之可以全年提供充足电能, 同时可靠性与经济性也得到很好的满足。在电力能源比重与日俱增的今天, 通过各种手段获得电力能源成为现阶段电气研究的重中之重, 因为在一些地区, 因为环境种种因素, 无法实现电力能源的获取, 但又对于电力能源有所需求。如山区, 公路, 林区, 边防, 港口等。为此, 在研究的过程中, 对于上述地区拥有的丰富的其他一级能源进行调研, 从而确定了以光伏发电与风力发电相结合的太阳能风光互补发电, 这种办法对于上述地区的电力能源的采集和输送是一个非常实际又行之有效的办法。因为此系统相对于其他单独的发电系统, 弥补了太阳能无法昼夜发电与风力发电稳定性不足的缺陷。无论在稳定性, 连续性与安全性上, 都有很好的保障。同时在利用自然资源的时候对于环境没有污染, 符合可持续性发展。

1 风光互补供电系统

风光互补系统主要构成有风力发电机, 太阳能电池板, 直流控制中心, 发电端控制器, 蓄电池组, 逆变器与负载。风力发电机能够将风能转换为电能, 太阳能电池板能够将太阳能转换为电能, 得到的电能分别通过风力机控制器和光电板控制器输送给直流控制器, 通过控制器进而控制电能的流向, 得到的电能可以直接用于用电负载, 而多余的电量将通过控制器直接输送给蓄电池, 用于负载的供电需求, 若需给交流负载供电, 则需要通过逆变器将直流电转换为交流电再传送给负载。

1.1 风力发电部分

该部分主要有风力发电机组成。利用风力机将风能转换为机械能, 再通过风力发电机将机械能转换为电能, 再经过控制器对蓄电池充电, 同时通过逆变器对负载供电。在风光互补的系统中, 风力发电机组的参数也十分重要, 主要有:切入风速与切出风速、额定风速与额定输出功率、最大输出功率、风能利用系数、对环境的适应能力、安装和维护的简易性等等。在进行设计时要综合考虑上述因素。

1.2 光伏发电部分

光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能。然后对蓄电池充电。通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电。

1.3 逆变部分

逆变器是将太阳能输出直流电转变为交流电的一种设备。它是影响系统可靠性的关键因素。为了提高系统的适应工作, 这就要求逆变器具有合理的电路结构, 具备各种保护功能, 整机效率高, 输出电压波形的失真度低。直流输入电压有交换的适应范围[2]。

逆变器由一台或几台逆变器组成。逆变器把蓄电池中的直流电能变换成为标准的220 V交流电, 保证交流电负载设备的正常使用。同时还具有自动稳压功能, 可改善风光互补发电系统的供电质量。风力发电和太阳能电池发电都可输出直流电, 同时可用蓄电池充电, 然后靠蓄电池向负荷提供稳定的电能。若用户使用交流电器, 通过加载逆变器, 将直流电变为交流电。由于系统采用了风能、太阳能发电互补的结构形式, 具有较广的应用范围。

1.4 控制部分

控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化, 不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节:一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载;另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。保证了整个系统工作的连续性和稳定性。

1.5 蓄电池组部分

蓄电池部分由多块蓄电池组成, 在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来, 以备供电不足时使用。蓄电池电压采集, 用于蓄电池工作电压的识别。利用微控制器的PWM功能, 对蓄电池进行充电管理。蓄电池开路保护:万一蓄电池开路, 若在太阳能电池正常充电时, 控制器将关断负载, 以保证负载不被损伤, 若在夜间或太阳能电池不充电时, 控制器由于自身得不到电力, 不会有任何动作。

2 系统工作原理

2.1 太阳能电池原理

太阳能电池是应用P-N结的光伏效应 (Photovoltaic Effect) 进行能量转换。理想的P-N结二极管, 其对应的方程式如下:

式中, Ipn, Vpn为P-N结二极管的电流及电压;k为波尔兹曼常数 (Boltzmann Constant:1.38×10-23J/K) ;q为电子电荷量 (1.602×10-19库仑) ;T为绝对温度 (凯氏温度K=摄氏温度+273度) ;Is为等效二极管的逆向饱和电流;VT为热电压 (Thermal Voltage:25.68 m V) 。

太阳能电池将太阳光能转换为电能主要由自然光中的的量子-光子 (Photons) 完成的, 而每个光子所携带的能量为:

式中, h为普郎克常数 (Planck Constant:4.14×10-15e V·S) ;c为光速 (3×108m/s) ;λ为光子波长。

2.2 风力发电机原理

风力发电的原理, 是利用风力带动风车叶片旋转, 再通过增速机提升旋转速度, 从而促使发电机发电。依据目前的风车技术, 可以实现每秒三公尺的微风速度便可开始发电[3]。风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械, 又称风车。广义地说, 它是一以大气为工作介质的能量利用机械。

2.3 蓄电池原理

目前, 绝大多数的太阳能控制器用于自动切换充电方法的依据采用的是在线检测蓄电池的端电压来判断。但是, 蓄电池的端电压受到很多因素的制约, 特别是在充电过程中, 蓄电池的端电压受到太阳能电池端电压的不同程度的影响, 不能准确表示其荷电状态。为此提出了一种新的检测方法———离线式检测。在铅酸蓄电池的理论中, 蓄电池的电动势可表示为:

式中, E为电池电动势;

E0所有反应物的活度或压力等于1时的电动势, 称为标准电动势;

R为摩尔气体常数;

T为温度;

F为法拉第常数;

n为电化学反应中的电子得失数目。

从上式可以看出, 电动势与硫酸浓度有关, 换言之就是与荷电状态有关。而且, 根据有关文献, 蓄电池的荷电状态与其稳态开路电压有良好的线性关系。因此, 由蓄电池的开路电压可以估算出其荷电状态。

3 控制器设计

3.1 控制器原理

控制器是对光伏电池板和风力发电机所发的电能进行调节和控制, 一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载, 另一方面把多余的能量按蓄电池饿的特性曲线对蓄电池进行充电, 当所发的电不能满足负载需要时, 控制器又要把蓄电池的电能送往负载[4]。蓄电池充满电后, 控制器要控制蓄电池不被过充。当蓄电池所储存的电能放完时, 控制器要控制蓄电池不能被过放电, 保护蓄电池。

3.2 控制器设计

在太阳电池板和风力发电机所发出的电能超过蓄电池存储量时, 控制系统必须将多余的能量消耗掉。充放电控制器是能自动防止蓄电池组过充电和过放电的设备, 一般还具有简单的测量功能。蓄电池组经过充电或放电后会严重影响其性能和寿命, 所以充放电控制器是不可或缺的。控制器要对蓄电池两端的电压进行实时检测, 当两端电压过高时, 要切断风力发电机和光伏电池板与蓄电池的联系, 防止发生过充现象;当两端电压低于设定值时, 要切断蓄电池与负载的联系, 防止过放的情况。从而保证了最佳的蓄电池充电特性, 使得电能得到充分利用。

由于蓄电池只能承受一定的充电电流和充电电压, 过电流和过电压充电都会对蓄电池造成很严重的损害。风光互补控制器通过单片机实时检测蓄电池的充电电压和充电电流, 并通过控制风机充电电流和光伏充电电流来限制蓄电池的充电电压和充电电流, 确保蓄电池既可以充满, 又不会损坏。从而确保了蓄电池的使用寿命[5]。风光互补控制器采用液晶显示蓄电池电压和充电电流, 使得用户能够直观了解蓄电池的电压状态, 从而使产品设计更加人性化。

4 结论

太阳能发电系统是利用太阳能电池板将太阳能转化为电能, 然后通过控制系统给蓄电池充电, 进而给负载供电的系统。该系统的优点是供电可靠性高, 运行维护成本低, 缺点是系统造价高。风力发电系统是利用风力发电机将风能转化为电能, 然后通过控制系统给蓄电池充电。进而通过逆变器给负载供电的系统。该系统的优点是系统发电量较高, 造价较低, 运行维护成本低。缺点是风力发电机可靠性低。

太阳能和风能在时间上的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性, 而且太阳能和风能都是洁净能源, 对环境无污染。所以风光互补发电系统是资源条件最好的独立系统。

摘要：因为经济发展的快速性, 标志着能源消耗的速度也在提升, 直接导致能源的枯竭。而目前发电的能源大多为不可再生能源, 从而迫切的需要我们寻找可再生清洁能源。由于太阳能与风能的互补性强, 风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。同时, 风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的, 所以风光互补发电系统的造价可以降低, 系统成本趋于合理。本文通过研究风光互补发电系统的原理, 对其进行分析研究, 实现风光互补发电的可能性。

关键词：太阳能,风能,风光互补,发电系统

参考文献

[1]杜荣华, 张婧, 王丽宏, 等.风光互补发电系统简介[J].节能, 2007 (3) :60-61.

[2]魏云峰.新型逆变器及其数据采集系统的研究[D].东北农业大学, 2007:30-35.

[3]郭继高.风能发电小型风能发电及其发电机[J].1999 (5) :43-45.

[4]艾斌, 杨洪兴, 沈辉, 等.风光互补发电系统的优化设计Ⅱ匹配设计实例[J].太阳能学报, 2003 (5) :70-73.

篇4：风光互补发电实训报告

摘要：根据本地区新能源区域经济特点及人才需求，新开设了风光互补发电综合实训实验。主要围绕光伏发电、风力发电、逆变控制开展综合实训。学生自主搭建基于PLC或单片机的光伏发电自跟踪控制、风力偏航控制系统，通过MATLAB软件对控制系统进行仿真实验后，在上位机控制界面进行控制组态，进行实物平台调试和数据测试，通过优化控制算法，获得最佳功率转换输出。实验有助于锻炼学生实践开发能力，为京津冀地区培养新能源方面的高级工程技师应用人才。

关键词：光伏发电；风力发电；风光互补；综合实训

1 概述

根据国家大力发展新能源的产业政策，结合本地新能源区域经济特点，新开设了风光互补发电控制综合实训实验课。让学生通过学习光伏发电、风力发电、逆变控制的基本原理，完成风光互补综合实训实验。学生通过自主搭建PLC或嵌入式单片机控制系统平台、系统仿真、控制算法优化，实物调试和数据测试综合实验等实验环节，完成风光互补综合实训，提高学生分析问题、解决问题的能力。

2 系统构成

实验系统平台由单片机、PLC控制系统构成，采用MCGS软件完成上位机监控，通过SQLite数据库实时存储数据并对模拟光源、光伏跟蹤、模拟风场与侧风偏航进行遥控。实验软件具有曲线显示、历史查询报表、EXCEL文档输出、打印等功能。

3 实验内容

3.1 光伏发电测试

光伏电池动态特性进行测试，通过Set PG/PC Interface查找和设置通讯模式，选择PC/PPI电缆，包含串口和USB，通常选择与主机相同的串口进行数据传输；编写和调试程序，最终在工控机上达到控制光电池追踪光源的效果。

通过太阳能发电重点跟踪控制系统，为光伏发电自跟踪控制系统搭建测试平台。检查设备通讯正常，打开光伏发电灯泡负载实时监测系统，实验选择自动跟踪状态。

本地光伏发电数据采集系统，可以通过工控平台上曲线选择栏，选择在工控机界面显示光伏输入电压、光伏功率等曲线。本地光伏发电自跟踪控制经纬度数据采集监控，记录包括年平均最大辐射量、月平均辐射量。

3.2 风力发电测试

通过STEP设置与光伏发电类参数，编程调试；通过风力发电系统监控界观察风机转速、功率转速等实时曲线，通过手动操作变频器按键，实现可变风量输出。通过对风力动态特性进行测试，搭建风力自动跟踪控制系统，观察实时风速曲线图，记录各时刻风量值，输出电压值。通过工控机上观察风力发电机装置的各项实时参数。

3.3 逆变系统测试

通过Matlab/Simulink电路仿真软件，完成逆变控制系统仿真。模拟逆变器仿真输出结果，此时经过逆变器后产生的占空比按正弦规律变化的方波。最后点击经过RLC滤波电路之后的仿真图形，通过优化控制算法得到逆变和滤波之后的输出波形为380V 50Hz的正弦波。当实物系统平台连接电源和蓄电池开关，接通逆变器输入开关，逆变器主控板上电工作时，观察蓄电池电压，在蓄电池电压正常状况下，启动升压板开关；正常升压后，逆变器开始工作。

MCGS上位机控制系统组态软件，为实测交流电压表显示的数据，通过MATLAB优化控制算法，得到逆变器最佳实际输出测试曲线。

通过本实验系统平台，让学生学习光伏发电及风力系统的构成及工作原理，掌握由IGBT等大功率开关器件构成整流及逆变电路拓扑结构及电路设计方法，掌握PWM控制算法及多种逆变器控制策略，以及正弦脉宽调制、锁相环控制的设计方法。

通过本实验学生综合运用自动控制原理、单片机原理及应用、传感器原理及应用、过程控制、计算机控制、电力电子技术等所学知识，完成太阳电池的输出特性、太阳电池自跟踪控制设计、模拟风场控制设计、风力发电偏航控制设计、风力发电机输出特性、风光互补综合实验等实验项目。

4 结论

本实验通过对光伏和风力动态特性设计集建模、控制和优化的实验系统，融合实物和虚拟仿真技术，支持自定义的高级控制和优化算法，搭建的风光互补控制系统，不仅可在模拟仿真器上进行高级算法的研究，也可针对实物平台进行风光互补控制算法的研究。系统具有虚实结合、模块化的开放性实验特点。开设的实训系统，有助于提高学生在新能源应用方面的综合设计、探索创新的能力。本实验系统不仅用于加深学生对风光互补控制原理相关知识的综合运用，提高对学生实践创新能力的培养，还可用于京津冀地区风力发电和光伏发电等新能源公司的员工培训。

参考文献：

[1]夏益民，梅顺良，江亿.基于ZigBee的无线传感器网络[J].微计算机信息，2012，5：136-137.

[2]彭瑜.无线通信网络在工控领域的应用现状及前景[J].现代制造，2012，3：38-41.

[3]孙宇.工业控制中可靠的专用无线数据传输的研究团[J].信息技术，2013，2：51-52.

[4]李文仲，段曹玉.无线网络技术入门与实践[J].计算机科学，2011：2-15.

篇5：风光互补发电实训报告

0 摘要

随着经济的快速发展，能源消耗的逐年增加，不可再生的常规能源面临日益枯竭的境况，迫切需要可再生的新型清洁能源。而风能与太阳能在众多新型能源中潜力最大，也最具开发价值。由于太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性，综合利用风能、太阳能的风光互补发电系统成为一种合理的能源系统。本文主要介绍了风光互补发电系统的结构和工作原理，分析了内蒙古自治区的太阳能风能资源和他们之间的互补性,总结出风光互补发电系统在牧区应用的优势性、合理性和可行性。1 引言

能源是人类社会生存与发展的物质基础，也是国民经济发展的重要基础。在过去的200多年里，以非可再生能源为基础的能源体系极大地推动了人类社会的发展。但是，随着石化燃料消耗的飞速增长，环境日益恶化，资源日益匮乏，利用可再生的清洁能源成为解决中国资源和环境问题的必由之路。其中太阳能和风能是最具代表性的可再生能源，也是目前研究开发的重点。太阳能和风能在时间上的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性。风光互补发电系统成为边远地区资源条件最好的独立电源系统，具有很好的应用前景。

内蒙古地域广阔，至今还有很多地方不通电，尤其是边境、草原和沙漠地区。牧区用电负荷较小而且分散，通过大电网的延伸来供电很不现实。单独的风能或太阳能发电系统，很大程度上受到时间和地域的约束，很难实现全天候利用自然资源。风光互补发电系统利用了风能和太阳能优势，顺应了国家节能减排的政策，也解决了电网难以覆盖的边远牧区的供电问题。风光互补发电系统简介

所谓风光互补发电系统就是指将太阳能和风能联合起来、使二者优劣互补进行发电的发电系统。

2.1 系统结构及原理

典型风光互补发电系统主要由风力发电机组、光伏阵列、控制器、蓄电池组、泄荷器、逆变器、直流交流负载等部分组成。系统结构图如图1所示。

（1）风力发电机组利用风力机将风能转化为机械能，然后利用风力发电机将机械能转换为电能。此时的电能为交流形式且电压不稳定，所以必须通过整流器整流。然后通过控制器给蓄电池充电，直接给直流负载供电，经过逆变器对交流负载供电。

（2）光伏阵列是由若干太阳电池板串联和并联构成，利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能。此时的电能为直流形式，可以通过控制器向蓄电池充电，并给交流、直流负载供电。

（3）蓄电池在风光互补发电系统中起着储存和调节电能的作用，由多块蓄电池组成。当日照充足或风力很大而导致产生的电能过剩时，蓄电池将剩余的电能转变成化学能储存起来；当风力、日照不佳或负荷用电量增加时，则由蓄电池向负荷补充电能，并保持供电电压的稳定。

（4）逆变器是一种把直流电转变为交流电的装置。风力发电机、太阳能电池和蓄电池输出的电能经控制器后都输出直流电。系统要想给交流负载供电，必须通过逆变器将输出的直流电转换成负载所需的交流电。此外，逆变器还具有自动稳压功能，确保风光互补发电系统的供电质量，提供稳定的电能，使负载正常运行。（5）控制器在整个系统中起着非常重要的作用。它将系统中各个部分连接起来，并对各部分的工作进行控制。根据日照强弱、风力大小和负荷的变化，控制器不断切换和调节蓄电池的工作状态。当电能充足时，控制器将调节后的电能送往负载，并控制太阳能电池阵列和风力发电机将剩余电能以最佳的充电电流和电压快速、平稳、高效地送入蓄电池组储存；当发电量不能满足负载需要时，控制器控制蓄电池向负载供电，同时避免蓄电池过充电和过放电现象的发生。

（6）泄荷器是一种快速消耗电能的装置。当蓄电池已被充满，系统发电量大于负载用电量时，为防止蓄电池过充和确保逆变器正常工作，控制器会自动接通泄荷器，将多余的电能消耗掉。

风光互补发电系统克服光伏、风力单独发电的不足，有效利用太阳能、风能在时间和地域上的互补性，为不易用电网供电的边远地区提供低成本、高稳定性的电能。同时，它也为当前有效解决能源危机和环境污染问题翻开了崭新的一页。2.2 风光互补发电系统的特点

风力发电系统利用风力发电机，将风能转换成电能，然而通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对负载供电。该系统具有日发电量较高，系统造价较低，运行维护成本低等优点。缺点是小型风力发电机可靠性低，常规水平轴风力发电机对风速的要求较高。

光伏发电系统利用光电板将太阳能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对负载供电。该系统的优点是系统供电可靠性高、资源条件好、运行维护成本低，缺点是系统造价高。

发电与用电负荷的不平衡性是风电和光电系统共同存在的一个缺陷，它是由资源的不确定性造成的。风电和光电系统发出电能后都必须通过蓄电池储能才能稳定供电，但是每天的发电量受阳光、风力的影响很大，阳光、风力较弱会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态，这是引起蓄电池组使用寿命降低的主要原因。

较风电和光电独立系统，风光互补发电系统具有以下特点：（1）风光互补发电系统弥补了风电和光电独立发电系统在资源上的缺陷，利用太阳能和风能的互补性，提供较稳定的电能；（2）在风光互补发电系统中，风电和光电系统可以共用一套蓄电池组和逆变环节，减少系统造价；（3）整个系统是两种发电系统进行互补运行，因此，在保证同等供电的情况下，可大大减少储能装置的容量；（4）风光互补发电系统可以根据用户需要合理配置系统容量，在不影响供电可靠性的情况下减少系统造价；（5）风光互补发电系统可以根据用户所在地的季节及天气变化情况优化系统设计方案，在满足用户要求的情况下节约资源。3 风能、太阳能资源 3.1 风能资源

内蒙古具有得天独厚的地理优势和气候优势。全区风能丰富区和较丰富区面积大、分布范围广，占全区总面积的80%，风能稳定度高、连续性好。这为内蒙古利用风能资源提供了有利的条件。

内蒙古位于祖国的北部边疆，地域辽阔，横跨东北、华北、西北三大区域。东西长2400公里，南北宽1700公里，面积118.3万平方公里，约占全国总面积的1/8。它基本上是一个高平原地区，海拔高度多在1000～1500米之间。境内，大兴安岭呈东北-西南贯穿本区东部，阴山山脉东西横亘于西部，形成坦荡而辽阔的高原风貌，为内蒙古利用风能提供了地理优势。

内蒙古大部分地区属温带大陆性季风气候，它处于北半球盛行西风带。大风和多风天气主要分布在春、秋、冬三季，特别是秋末至来年春初。冷空气活动和寒潮天气过程较为频繁，是造成内蒙古风大多风的根本原因。在大风寒潮的影响下，形成冬半季内蒙古中西部地区丰富的风能资源。

全区理论可开发风能储量为78690万千瓦，可开发风能储量为6180万千瓦，占全国总风能储量的24.4%，居全国各省区第一位。中部和西部地区的理论可开发风能储量为64376万千瓦，技术可开发风能储量为5056万千瓦；北部地区的理论可开发风能储量为14313万千瓦，技术可开发风能储量为1124万千瓦。10米高度可开发利用的风能储量为1.01亿kW，占全国相应风能总储量的40%；50米高度可开发利用的风能储量为2.02亿kW，也占全国相应风能总储量的40%。一年中有5 000h～6 000h风速大于3m/s，年最长连续无效风速小时数低于100小时。

3.2 太阳能资源

内蒙古不仅有储量巨大风力资源，太阳能资源也很丰富。内蒙古海拔较高，日照充足，干旱少云，光辐射强，日照时数也较多。辐射量为每平方米4800-6400兆焦耳，年日照时数为2600-3200小时，是全国的高值地区之一。全区年总辐射量在每平方米5500兆焦耳以上的太阳能丰富地区和年总辐射量在每平方米5000-5500兆焦耳之间的太阳能较丰富地区所占面积为72万平方公里，约占全区总面积的61%。

全区太阳能资源的分布自东部向西南增多，以巴彦淖尔市西部及阿拉善盟最多，太阳能总辐射量高达6490～6992兆焦耳/平方米，仅次于青藏高原，处我国的第二位。3.3 风光资源互补特性

根据内蒙古地区光能和风能资源及当地的用电负荷情况，我区将风能作为风光互补发电的主要指标。这主要是因为：①风能能量密度远大于太阳能密度；②风力发电的成本远低于太阳能发电成本；③风能的时空变化大而复杂，变率大，太阳能的时空变化规律性强，变率小。

根据内蒙古气象科学研究所对内蒙古风能、太阳能资源互补性的分析，全区各地的风能资源可以分为春夏强冬秋弱型、春季强夏秋冬弱型、春季强夏季弱型、春季强冬季弱型、和冬季强夏季弱型。从互补性强弱来看，冬强夏弱型为互补性最强；春强夏弱型较强；春季强夏秋冬弱型互补性一般；春季强夏季弱型较差；春强冬弱型无互补性。4 风光互补发电系统在牧区应用的优势性、合理性及可行性 4.1 优势性

1）风光互补发电系统将太阳能电池阵列与风力发电机有机地配合组成一个系统，整合了太阳能和风能优势，充分发挥各自的特性，最大限度地利用好大自然赐予的风能和太阳能以应用科学来满足农牧民需求，为内蒙古的发展翻开了崭新的一页。

（2）风光互补发电系统不需输电线路，也不需挖开路面埋管或架空线路。其独特的优势在边远广袤的内蒙古大草原十分突出，解决了偏远牧区无法供电的难题和传统供电线损耗大成本高的难题。

（3）较风能太阳能单独发电系统，风光互补发电系统利用内蒙古风能和太阳能互补的资源优势，采用风光互补技术，有风无光时通过风力发电机发电，无风有光时通过太阳能电池阵列发电，二者皆有时同时发电，通过蓄能装置，为用户提供稳定的电源。

（4）风光互补发电系统投资小、见效快；占地面积小，应用灵活便捷，一个家庭、一个村庄、一个区域，无论个人、集体均可采用；供电区域规模小、供电区域明确，便于维护。

（5）风光互补发电系统是把风能和光能转化为电能，直接减少了对矿物燃料的消耗，减少大气污染，保护环境，为节能减排开辟了新的天地。4.2 合理性

1）内蒙古风能、光能资源都非常丰富，但是这些资源时空分布的不均匀性使得单独使用一种能源会出现一定时段内供能不足，甚至出现停止供能的现象。风光互补发电系统利用风能和太阳能的互补性，在资源上弥补了风能和太阳能独立发电系统的缺陷。

（2）风光互补发系统将风能和太阳能转变来的电能通过蓄电池储存起来，通过逆变器将直流电转变为交流电，比传统的家用直流微型发电机功率更大，使用时间更长。

（3）风力发电系统利用高空的风能，光伏发电设备则利用地面的太阳能，实现地面和高空的有效结合，充分利用土地资源。风光互补技术可加大利用太阳能和风能连续工作的能力，降低设备制造成本。同时，加强太阳能和风能利用时间可减少使用蓄电池的时间，提高蓄电池使用寿命。

（4）风光互补发电系统中的蓄电池组和逆变环节在风电和光电系统中在是可以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以大大降低，使系统趋于合理。4.3 可行性

风光互补技术的发展，内蒙古丰富的风能太阳能资源及国家对于新能源开发利用的有利政策，使得风光互补发电系统在内蒙古牧区的应用具有可行性。

伴随着风光互补技术的日益成熟，风光互补发电系统可以提供越来越稳定的电力供应，可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置，既可保证系统供电的可靠性，又可降低发电系统的造价。无论是怎样的环境和怎样的用电要求，风光互补发电系统都可采用最优化的系统设计方案来满足用户的要求。

风光互补发电系统一种新型的绿色环保发电方式，其能量来源是自然界的太阳能和风能。在太阳能以及风能充足的地区使用风光互补发系统，节约使用成本，同时节省国家能耗，符合国家节能环保政策的要求。

风光互补发电系统在牧区的应用受到国家相关政策的扶助。国家推行了一系列关于利用风能太阳能等新能源的项目，落实在边远地区使用风能太阳能发电等惠民政策。这为风光互补发电系统在牧区应用提供了有利的政策支持。5 结语

风光互补发电系统可以弥补风能和太阳能发电存在的缺陷，利用风能和太阳能在时间和地域上的互补性，最大限度地将风能和太阳能转变成电能，通过蓄电池和逆变器给用户供电。内蒙古牧区太阳能风能非常丰富，而且具有很强的互补性。在地处边远的内蒙古牧区采用风光互补发电系统为牧民供电具有很强的优势性、合理性和可行性。参考文献：

篇6：关于风光互补路灯特性的研究报告

风光互补路灯特性

节能减排，节约环保，无后期大量电费支出。资源节约型和环境友好型社会正成为大势所趋。对比传统路灯，风光互补路灯以自然中可再生的太阳能和风能为能源，不消耗任何非再生性能源，不向大气中排放污染性气体，致使污染排放量降低为零。长久下来，对环境的保护不言而喻，同时也免除了后期大量电费支出的成本。

免除电缆铺线工程，无需大量供电设施建设。市电照明工程作业程序复杂，缆沟开挖、敷设暗管、管内穿线、回填等基础工程，需要大量人工；同时，变压器、配电柜、配电板等大批量电气设备，也要耗费大量财力。风光互补路灯则不会，每个路灯都是单独个体，无需铺缆，无需大批量电气设备，省人力又省财力。个别损坏不影响全局，不受大面积停电影响。由于常规路灯是电缆连接，很可能会因为个体的问题，而影响整个供电系统；风光互补发电路灯则不会出现这种情况。分布式独立发电系统，个别损坏不会影响其他路灯的正常运行，即使遇到大面积停电，亦不会影响照明，不可控制的损失因此大幅降低。

节约大量电缆开销，更免受电缆被盗的损失。电网普及不到的偏远地区安装路灯，架线安装成本高，并会有严重的偷盗现象。一旦偷盗，影响整个电力输出，损失巨大。使用风光互补路灯则不会有此顾虑，每个路灯独立，免去电缆连接，即使发生偷盗现象也不会影响其他路灯的正常运作，将损失降到最低。

智能控制，免除人工操作，施工简单，维护方便。风光互补路灯由智能控制器控制，可分为时控、光控两种自动控制方式，兼具安全性和经济性；自身独立一体的供电系统，不受大面积电路施工干扰，工序简单，工期短，维护更加方便。

城市亮化。作为新兴的能源系统，在节约成本和提高系统稳定的同时起到了一定了亮化作用，在传统能源占据大部分市场的今天，新能源无疑成为城市和社区的一大亮点。

提高人们的节能意识。传统能源的匮乏以及对环境的污染已经到了必须解决的地步。全球的大气污染相当严重，新能源的利用可有效提高人们的节能意识，使我们的生活更加优质和节能。

风光互补路灯是利用风能和太阳能进行供电的智能路灯，同时还兼具了风力发电和太阳能发电两者的优势，为城市街道路灯提供稳定的电源。

风光互补灯特性高邮市多佰特照明电器风光互补灯特性

风光互补路灯特点

风光互补路灯可根据不同的气候环境配置不同型号的风力发电机，在有限的条件内以达到风能利用最大化为目的。

太阳能电池板采用目前转换率最高的单晶硅太阳能电池板，大大提升了太阳能的发电效能，有效改善了当风资源不足的情况下,太阳能电池板因转换率不足,导致充电不足,无法保证灯正常亮灯的问题。

风光互补路灯控制器，风光互补路灯系统内最主要的部件，起着对其它部件发号指令与协同工作的主要作用，风光互补控制器，集光控亮灯，时控关灯，自动功率跟踪,自动泄荷，过充过放保护功能于一身，性能稳定可靠，得到客户的一致好评。

风光互补跟灯路灯采用高性能大容量免维护铅酸电池,为风光互补路灯提供充足的电能,保证了阴雨天时LED风光互补路灯光源的亮灯时间,大大提升了系统的稳定性。缺点

在政府大力提倡节能减排的今天，给新能源的发展注入了巨大的动力，各级政府以及企业为了完成减排指标，花费大量资金和人力投入到新能源中。最近，在工作中接触到一些采用过新能源路灯的客户，他们的抱怨让我感到吃惊，故障率高、噪音大、灯光亮度低、人为损坏严重、维修不及时等都是较为严重的问题。这里边涉及到技术、设计、安装等多个环节，有些客户甚至提出以后再也不敢用新能源路灯了。

也许有些同行已经对此习以为常了，但我们必须重视这些问题，因为一旦政府部门对这项产品失去信心，我们将会迎来市场的寒冬。风光互补路灯技术参数

一、发电主体

它有这么几点好处：

1、故障率低（转速慢、无转向机构）；

2、无噪音；

3、发电曲线饱满（启动风速低、在中低风速运行时发电量较大）；

4、不受风向及近地面团风的影响；

5、抗台风能力较强（抗风能力达到45m/s）。

二、路灯设计：

1、风光互补路灯配置：垂直轴风力发电和太阳能电池板以10：3的配比高邮市多佰特照明电器风光互补灯特性高邮市多佰特照明电器风光互补灯特性

进行设计，适用于大多数城市道路。

例如10米高路灯配置：灯笼型垂直轴风力发电机--300W；