独立风光互补供电系统能量配比性能分析
李海英”，刘良旭'，牛”，赵灵”
（1.河北联合大学热能工程系，河北唐山063009；2.唐山市墙体材料革新办公室，河北唐山063000）
摘要：对全年不同方位角和顿角的太阳能幅射量进行数值模拟，得知方位角南偏西30°领角35°的倾斜面接收的太阳能幅射量最大.对光伏组件和风力发电机的功率输出影响因素进行了仿真，利用仿真结果计算全年的风光出力，由计算最佳倾辞面的太阳能辐射量和当地实际气象参数数据对风光互补匹配特性进行统计分析，得知风能与太阳能最佳配比为1：0.85，为 以后风光互补供电系统的设计提供参考依据.
关键词：风光互补；最佳倾斜面：出力面线；匹配特性
中图分类号：TK51;TK89文献标志码：A文章编号：1009-3230（2011）10-0036-05
EnergyMatch CharacteristicsStudyofStandAloneHybridWind andPVPowerSystem
(1. Department of Thermodynamic Engineering Hebei United University Tangshan 063009 LI Hai-ying' LIU Liang-xu' NIU Shan-shan' ZhAO Ling²China ;2. Tangshan Wall Materials Innovation Office Tangshan 063000 China)
Abstract: Having taken a numerical simulation on the amount of incident solar energy at diferentazimuth angles and tilt anglesduring the whole year we got that the inclined surface whose azimuthangle was 30°south by west and tilt angle was 35°could most receive solar radiation. Then calculatethe plementarities and match characteristic of wind and light. As to this case the best ratio of the amount of incident solar energy of the best inclined surface and actual meteorological data. analyzewind and light is 1 to 0.85. This can provides reference information for the design of clectric vehiclecharging system in the future.
Key words: Hybrid wind and PV; Best inclined plane; Output eurve; Matching characteristics
设计的一个至关重要的问题就是风光合理的配以电动汽车为代表的新能源利用技术飞进发比.太阳能及风能资源分布状决定了系统的配
0引言
展，电动汽车蓄电池充电电能来源成为影响其发置，以项目实施地的太阳能和风能的资源分布状阳和风在时间和能量上互补的自然优势.很佳容量配比，从面实现资源利用上的最佳匹配. 展的瓶颈.风光互补供电系统能充分利用太况对风光实际出力特性做评估，最终确定风光最好地克服风能及太阳能能量分布间歌性及随机性等缺点，实现不间断供电.由于风能光量在时间和能量的分布上存在差异，因此，风能和太阳能的配比既决定着初投资的大小又决定着系统运行时的安全性和可靠性.因此风光互补系统优化
1能量分析模型
1.1光伏功率输出模型
1.1.1最佳倾斜面辐射量分析
唐山市位于N39.22°，E118.45°，根据当地地理情况作合理简化后建立相应的物理模型，然后通过模拟计算找出太阳能功率输出.倾斜面上太阳辐射模型如图1所示.
照强度成线性关系.也就是说，光照强度增大，组件的输出功率也随之增大，反之亦然；输出功率与组件的背面结温成负线性，即温度增高，输出功率降低，呈现负的温度特性.光伏组件实际输出的功率为：
(1)
(2)
式中，N-光伏发电系统交流输出功率，W；
图1不同倾斜面辐射模型
E--太阳辐射强度，W/m²；P-光伏系统的装机容量，kWp；E--标准状态下的日照强度，7-光伏发电总效率；--组件转换效率； n组件转换效率温度修正系数；7.--逆变器效率系数；"线路损失修正系数.
模型136块，倾角从10°变化到80°，方位角从南偏东80变化到南偏西80°，范围面积为1m”的方形平板.模拟了不同位置上太阳能电池板所 接收的太阳辐射量.模拟计算过程不考虑遮光的影响.模拟过程中计算各个倾斜面的年总辐射量，计算结果如图3所示.
图2不同倾斜面辆射量分布
斜面年太阳辐射量相差较大.相同方位角下，辐 从图2中可以看出，不同倾角和方位角的倾射量随倾角的增大先增大后减小，存在一个最佳倾角；相同倾角下，辐射量随方位角的增加先增加后减小，存在一个最佳方位角.由不同倾角和方位角下的年辐射总量可以看到，年辐射量最大时方位角为南偏西30°，倾角为35°，年总辐射量为1.63 ×106 Wh/m².
图3光伏组件背面结温和输出电压与输出功率特性
图3中是光照强度为1000W/m²时背面结温与输出功率和输出电压见的关系.由图可知，温度对电池能的输出电压有很大影响，温度越 高输出电压就越低，而以最大功率输出时，电压值接近某一恒值.光伏组件运行时根据组件输出的电流一电压特性调整电池组件的工作状态使之工作在最佳状态点，进而得到组件的最大输出功率.所以即便是天气晴好，组件受到阳光直接辐射，表面温度会显著比周围环境温度高，夏季虽光照强度要高于其它季节，但组件实际最大输出功率未必会高于春秋季节.
1.1.2光伏系统输出功率模型
光伏系统中，影响光伏组件输出功率的因素一般有阵列结温、光照强度、安装倾角、方位角、逆变器效率[].
一般常用的晶体硅光伏组件的输出功率与光
1.2风力机输出功率统计模型
图4是唐山市全年逐时风速分布图，从图中可知风能分布冬春季节比较丰富，风速较大.一般来说风速越大，风功率密度就越大，风能可利用小时数就越多（.
图4全年风速分布图
唐山市平均风速为4.4m/s，按照我国风能区域等级划分标准，此地属于风资源可利用区，为提高发电系统输出功率的保证度，必须详细的分析当地实际情况，进行有效的风能和太阳能能量 的配比分析.
在实际工程中，根据风速与风机功率相关曲线，利用测风塔与轮毂在相同高度的实测平均风速计算出该风速下对应的输出功率，进而得出一年中风力机逐时出力曲线.
图5距角为0°时叶尖速比风速与输出功率特性关系
角风力机的输出功率随转速的变化面变化.其中 从图5中可以看出，在某一风速下，定桨距有一转速输出功率最大，此转速为最佳转速，该转速下，风力机输出功率与风速是最佳叶尖速比的
关系.不同的风速都有一个最佳转速，因此在不同风速下应控制风力机转速使之向最佳叶尖速比方向靠拢来实现最大功率输出.图中风力机额定风速是8m/s.当风速大于额定风速时，风力机进人停机状态以保护风力机的安全运行.
考虑到各种损失后，将风力机的输出功率P用式3表示.
式中，P--发电机输出功率，W；
C-风能利用系数；p-空气密度，kg/m²；-风速，m/s；R风力机半径，m.
2 配比计算模型
本文利用数风速准方差法对全年逐时气象参地10m高处实测风速通过式1.2、3对独立风光 数进行分析，由计算最佳倾斜面上的辐射量和当互补机车动力电池充电站进行能量配比，假定风光的配比方式为xy，于是风光总出力为：
出力曲线Q应和负载线尽量重合以节约初投资并能保证运行的安全稳定性，而实际的出力曲线不可能与负载完全重合，当残差平方和最小的时候曲线最显著，式中x值选取众数风速，即保证多数风速在负载线上出力，正规方程为：
残差平方和
式中Q.为负载值，x为以众数风速为基础的确定值，y值为待优化值.以上式为目标函数求得的y即是残差平方和取最小值时的取值.
(3)
(4)
(5)
(6)
3互补匹配特性分析
利用上述模型进行配比的结果见表1，表1中描述的是供电系统功率输出为10kW时风光出力的取值.
表1 全年风光出力配比表
月份 风力出力 光状出力 风光配比值系数/ 系数/1 15 17 1:1.132 15 18 1:1.23 15 12 1:0.87 1:0.85 4 15 15 13 15 116 15 13 1:0.877 15 9 1:0.68 15 11 1:0.739 15 13 1:0.8710 15 14 1:0.9311 15 18 1:1.212 15 15 1:1
从表1中可以看出1、2、11月风光以1：1.26.8、9、10月以1：0.85左右配比可满足负载的功 左右的投人可以满足负载的功率稳定输出；3、4、率稳定输出，7、8月互补性不强，需要1：0.7左右配比才能满足负荷需求，保证系统运行稳定.同时表中也表明2、7、11月风光出力悬殊较大，原因是2、7月晚上风速较强劲，但是白天的辐射量偏低，相对于风力出力较小；而11月刚好相反.本能最小，因此，此三个月是一年中的最不利月，如 地1月和11月的太阳能辐射量最小，而7月的风果能满足这三个月的能量供应和保证此三个月的系统安全稳定，就可以满足全年的系统需求，系统就是满足可靠性的稳定系统.
当然全年的最佳风光装机容量配比不可能每个月都有一个配比值，这就需要找出一个最佳配比来保证全年每个月的能量最佳利用和系统的安全稳定运行.同样用众数风速准方差配比法对全年各月的平均风能出力和光伏出力进行配比，配
比结果为1：0.85.为了分析此配比结果对全年的运行影响，下面以全年各月风光平均出力对系统安全稳定运行的影响分析1：0.85的合理性.
图6是按7月1：0.6的配比对全年各月的风光平均出力做出的出力曲线，此时光伏装机容量较小，由图可知，小光伏装机容量使得全年的功率输出均过小，不利于系统的安全运行.
图7是按计算最佳配比1：0.85做出的出力能安全稳定运行，配比状态较为理想. 曲线，出力曲线在负载线上部波动，此结果使系统
图6全年1:0.6配比出力曲线
图7全年1:0.85配比出力曲线
图8是按11月1:1.2的配比做出的出力曲线，图中可以明显的看出由于光伏组件装机容量的比例过高，使得系统全年的输出功率很大，既不利于系统的稳定又使得配置较负荷情况过高，出现大马拉小车的现象.
（3）模拟得知唐山最佳倾斜面的倾角为35°，最佳方位角为南偏西30°，此时斜面接收到的年太阳辐射量最大，为1.63x10°Wh/m².
（4）以最佳倾斜面上的年总得辐射量计算太阳能出力，以当地实测轮载高度风速计算风能出结果表明在唐山地区选取风光配比1：0.85方式 力，用众数风速准方差法进行风光装机配比，配比互补特性最为理想.
参考文献
[1] Claine Welle Plug - in bybid electric vehbile im-pacta oe bourly eletricity demand in the United Stats[J]. Energy Poliey. 2011 39 3766 3778.[2]徐大明，康龙云，曹乘则，风光互补独立供电系统的 优化设计[J].太阳能学报.2006 27（9） 919-922.[3 ] Christina E. Hoicks lan H. Rowlands. Solar and windresource plementarity: Advancing options for re-newable electricity integration in Ontario Canada[4]E. D. Mehleri P. L Zervas H. Sarimveis J. A. Paly- [J].2011 36 97 107.vos N. C. Markatos. Determination of tbe optimal ttangle and orientatioe for solar photovolsic armae[ J].Renewable energy.2010 ;35 ;2468 75.[5]IEC61215，地面用晶体硅光快组件设计鉴定和定型 [s].[6]吴其重，王自发，崔血杰，我国近20年太阳辐射时空分布快况模式评估[J].应用气象学报，2010 21(3)343 -348.
图8全年1:1.2配比出力曲线
综合考虑各种因素和全年的荷载情况及风光能量分布特性，本地以1:0.85的风光装机配比为最佳，此配比既能充分利用风能和太阳能，又能最优的满足负荷条件.
4结束语
风光配比的选择对光互补供电系统是非常重要的，直接影响着系统的安全稳定性，倾斜面安装角度及当地气象条件对配比的选择有着重要的影响.通过对实际气象参数数据的统计分析和数值模拟，分析了不同配比下的风光组合方式的互补特性，得到如下结论：
（1）只有在最佳的配比下利用风能和太阳能才能体现风光互补发电系统在时间上和能量分布上的互补特性.
（2）当地的辐射条件和天气状况决定了固定光伏组件发电系统光伏组件的最佳倾斜面，与其他因素无关.
