风光互补物联网农业大棚供电系统

风光互补物联网农业大棚供电系统

李彤

天津渤海职业技术学院 300402

1.风光互补系统原理

光电系统的原理是将太阳能通过光电板转化成电能，在通过控制器充电至蓄电池，然后通过逆变器对荷载供电。其优点是系统的可靠性高、运行和维护成本低，缺点是造价成本高、部分地区的太阳辐射量较小，供能不足。

风电系统的原理是将风能通过小型风机转化为电能，再利用控制器对蓄电池充电，然后通过逆变器对荷载供电。其优点是系统单位时间发电量大，系统造价、运行和维护成本低，但是大部分地区风能供应量随季节和天气变化较大，可靠性不足。

风光互补发电系统利用风能和太阳能的强互补性，解决了单独的风电系统和光电系统在能量来源不足方面的问题。并且风电系统和光电系统整体原理相似，在电能存储和逆变环节是通用的，因此风光互补发电系统的整体造价要比单独的风电和光电系统的造价要低，系统的建造和维护成本趋于合理。

2.风光互补发电系统结构

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、交直流负载等部分组成。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，可以划分成４大环节，即发电部分、储能部分、控制部分及逆变部分。

2.1发电部分

风力发电机组和光伏电池组是该系统的发电部分。风力发电部分是先利用风力机将风能转换成机械能，再通过风力发电机将机械能转换成电能；光伏发电部分是利用太阳能电池板的光生伏打效应，将光能转换成电能。在风光互补发电系统中，风能和太阳能可以独立发电也可以混合共同发电，具体要采用哪种发电形式，主要取决于当地的自然资源条件和发电的综合成本。通常情况下，在风能资源较丰富的地区宜采用风能发电，而在光照较好的地区宜采用光伏发电。就成本而言，风能发电的综合成本要远低于太阳能光伏发电的综合成本。所以，根据风能和太阳能在时间和地域上的互补性，合理地将二者进行最佳匹配，既可实现供电的可靠性，又能降低发电系统的综合成本^[7]。

（1）风力发电原理

风力发电机组进行发电时，要求输出电频率保持恒定。这不论对风力并网发电还是风光互补运行都是必要的。要保证风电的频率恒定，就要采取相应的措施。一种方式就是保证发电机的恒定转速，即恒速恒频的运行方式，因为发电机由风力机经过传动装置进行驱动运转，所以这种方式无疑要恒定风力机的转速，这肯定会影响到风能的转换效率；另一种方式就是发电机转速随风速变化，通过其它的手段保证输出电能的频率恒定，即变速恒频运行。

如果接近风力机的空气全部动能都被转动的风轮叶片所吸收，那么风轮后的空气就不动了，然而空气不可能完全停止，所以风力机的效率总是小于1。

各种类型的风力机都只能从风能中获取一部分能量。风力机从自然风能中吸收的能量大小程度通过风能利用系数C_P进行衡量。风能利用系数定义为风轮吸收的能量和风能的总能量之比，即

式中：W是风轮吸收到的能量；

W₁为远前方风的总能量；

V₀是风力机远前方风速。

（2）光伏阵列发电原理

风光互补发电系统中，由光伏阵列负责将太阳光辐射转换成电能。光伏发电阵列是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳能直接转化为电能的。

太阳能电池单体是光电转换的最小单元，它的尺寸一般为4cm²到100cm²。太阳能电池单体的工作电压为0.45-0.50V，工作电流为20-25mA/cm²，一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串联、并联并封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串联、并联并封装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，它可以满足负载所要求的输出功率。

2.2控制部分

控制部分主要是根据风力大小、光照强度及负载变化情况，不断地对蓄电池组的工作状态进行切换和调节。风光互补控制器，是整个系统中最重要的核心部件，一般采用无极卸载方式对蓄电池进行管理与控制，一方面把调节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储存起来，当发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池储存的电能送给负载。在这一过程中，控制器要控制蓄电池不被过充或过放，从而保证蓄电池的使用寿命，同时也保证了整个系统工作的连续性和稳定性。

2.3储能部分

蓄电池在整个发电系统的作用：一是储能，由于自然风和日照是不稳定的，在风、日照充足的条件下，可以存储供给负载后多余的电能，在风力、日照不佳的情况下，可以输出电能给负载；二是稳压，风力发电机的转速和输出电压的大小取决与风速的大小，由于自然风的变化极大，随机性强，使得电压浮动范围很大，通过蓄电池调节，供电电压可以保持稳定；三是风光互补，风力发电与光伏发电是两个独立发电系统，它们在某个时刻的发电强度有很大差别，利用蓄电池可以将二者产生的电能结合起来，实现二者的互补。

蓄电池容量配置是否合理，对小型风光互补发电的技术经济指标影响很大。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。本文采用铅酸蓄电池作为风光互补发电系统的储能装置。在系统中蓄电池除了将电能转化成化学能储存起来，使用时再将化学能转化为电能释放出来外，还起到能量调节和平衡负载的作用。

铅蓄电池的充电过程是电能转换成化学能的过程。若使铅蓄电池在放电终了后，使正负极板上的生成物质恢复为原来的活性物质，就必须具备一定的条件，这个条件是利用直流电源进行充电。

充电的过程与放电过程正好相反，铅蓄电池内部电流方向是从正极流向负极，充电的电流即从负极流出，经过充电设备流向正极。在充电电流的作用下，正负极板上硫酸铅分形成二氧化铅和铅，硫酸反回电解液中，当电池充电后，两极板活性物质被恢复为原来的状态，而且电解液中的硫酸成份增加，水份减少。铅蓄电池充电终期可由电解液相对密度的大小来判断。充电终期时，电流不宜过大，否则，产生气泡过于剧烈，易使极板活性物质脱落，所以充电电流应适当的减小。

2.4逆变部分

逆变器的作用是把蓄电池中的直流电能变换成交流电，供交流负载设备的正常使用，可由一台或几台逆变器组成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。

由于蓄电池输出的是直流电，因此只能给直流负载供电。而在实际生活和生产中，用电负载有直流负载和交流负载2种，当给交流负载供电时，必须将直流电转换成交流电提供给用电负载。逆变器就是将直流电转换为交流电的装置，也是风光互补发电系统的核心部件之一，系统对其要求很高。此外，逆变器还具有自动稳压的功能，可有效地改善风光互补发电系统的供电质量。

2.5风光互补发电系统智能充电控制的设计

在风光互补发电系统中逆变器输入端的能量来源于蓄电池，而蓄电池中储存的能量来源于太阳能和风能这两种绿色能源。系统具体构成参数由使用时最大用电负荷与日平均用电量所决定。最大用电负荷是选择系统逆变器容量的最根本依据，而平均日发电量则是选择太阳能光伏板及风机和蓄电池组容量的依据。同时系统安装地点的风光资源状况也是确定光电板和风机容量的另一个依据。

风光互补发电系统中铅酸蓄电池的充电控制方法直接影响到系统的性能。充电控制方法的优劣影响到铅酸蓄电池的荷电量的大小，也关系到蓄电池的使用寿命。选择合理的充电控制方法尤为重要。

3.用电负载

并网用风光互补发电系统的用电负载根据不同的系统布置会有一定的区别。在可调度式系统中，由于系统有蓄电池存在，因此可以同时满足直流负载和交流负载的两种负载形式，通过逆变控制器可以协调直流负载与交流负载同时工作且满足并网需求；在不可调度式系统中，蓄电池不存在，光伏阵列和风力机组生产的电，主要通过逆变器转化为交流电进入了电网，因此它的主要负载就是交流负载，为了满足直流负载的需要，必须再次通过变压、整流等环节对馈入电网的交流电进行处理，然后才能作为直流来使用。此时风光互补生产的电能的使用方式

等同于对当地电网电能的使用方式。

4.结论

根据河北省2018年最新的可再生能源发电上网电价为0.75元/kWh，河北省农业用电电价为0.571元/kWh，而低峰时段用电价格只有0.32元/kWh，如果采用将风光互补发电系统所发的电供给物联网农业大棚，不仅满足了温室大棚的用电需求，每发出一度电最多还可以赚取净利润0.43元，实现了可观的收益。

参考文献

[1]张萍,胡应坤. 基于OneNET物联网云平台构建视频应用[J].物联网技术,2022

[2]崔丽珍，徐锦涛.基于物联网的农业大棚气象数据监测系统设计[J].电子技术应用，2018
[3]段萍,高雪,朱志辉.基于云服务的大棚温湿度远程监控系统研究[J].现代电子技术,2018
作者信息：李彤，男，硕士研究生、讲师、研究方向：电气、物联网