CN104953927A - 一种新型太阳能柴油机混合发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种太阳能发电技术与柴油机发电技术相互补充，以蓄电池（铅酸或铁锂）储能技术组成的新能源混合供电技术。它为偏远地区、岛屿等提供了一种新型能源解决方案，特别是对于某些地区现有的柴油机供电方案，将会是一种重要的替代方案。它在太阳能充足的情况下使用太阳能供电，并对蓄电池充电；在太阳能不能完全满足的情况下，蓄电池提供放电支持负载；检测蓄电池的容量，当其容量不足时，自动启动柴油发电机供电；当检测到蓄电池容量恢复到一定程度，自动关闭柴油发电机。该系统即克服了纯柴油发电机使用成本高，噪音污染大等问题；同时也避免了纯太阳能发电初期投入太大，且在极端天气下系统可靠性弱的问题。该供电系统主要依靠太阳能发电，柴油机作为备用，智能控制、逆变、管理系统提高能源转换、使用效率，该发明所陈述的整体系统提供了一种廉价、可靠的能源解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能光伏系统产品，特别是涉及一种太阳能和柴油机混合供电的光伏离网系统。
背景技术
太阳能光伏系统是利用太阳电池组件和其他辅助设备将太阳能转换成电能的系统。一般分为独立供电系统、并网供电系统和混合供电系统。
混合供电系统
这种太阳能光伏系统中除了使用太阳能光伏组件发电机之外，还使用了柴油机作为混合备用电源。使用混合供电系统的目的就是为了综合利用各种发电技术的优点，避免各自的缺点。太阳能独立光伏系统的优点是维护少，缺点是能量的输出依赖于天气，不稳定；柴油机系统的缺点是维护频繁且柴油费用较高。综合使用柴油发电机和太阳能光伏发电的混合供电系统和单一能源的独立系统相比初期投资降低，且系统不依赖于天气，稳定可靠性高，与柴油机系统相比维护使用成本更低。
它的优点是
1. 使用混合供电系统的还可以达到可再生能源的更好的利用。因为使用可再生能源的独立系统通常是按照最坏的情况进行设计，因为可再生能源是变化的，不稳定的，所以系统必须按照能量产生最少的时期进行设计。由于系统是按照最差的情况进行设计，所以在其他的时间，系统的容量是过大的。在太阳辐照最高峰时期产生的多余的能量没法使用而浪费了。整个独立系统的性能就因此而降低。如果最差月份的情况和其他月份差别很大，有可能导致浪费的能量等于甚至超过设计负载的需求。
2. 具有较高的系统实用性。在独立系统中因为可再生能源的变化和不稳定会导致系统出现供电不能满足负载需求的情况，也就是存在负载缺电情况，使用混合系统则会大大的降低负载缺电率。
3. 和单用柴油发电机的系统相比，具有较少的维护和使用较少的燃料。
4. 较高的燃油效率。在低负荷的情况下，柴油机的燃油利用率很低，会造成燃油的浪费。在混合系统中可以进行综合控制使得柴油机在额定功率附近工作，从而提高燃油效率。
5. 负载匹配更佳的灵活性。使用混合系统之后，因为柴油发电机可以即时提供较大的功率 所以混合系统可以适用于范围更加广泛的负载系统，例如可以使用较大的交流负载，冲击载荷等。还可以更好的匹配负载和系统的发电。只要在负载的高峰时期打开备用能源即可简单的办到。有时候，负载的大小决定了需要使用混合系统，大的负载需要很大的电流和很高的电压。如果只是使用太阳能成本就会很高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳能柴油机混合供电系统，该系统可以实现给无电地区或缺电地区利用太阳能发电供人们日常生活、工农业生产等使用；或者实现替代柴油机供电，减少柴油的使用、运输、维护的高昂成本。
本发明提供的一种太阳能柴油混合发电系统，由太阳能组件、柴油机、蓄电池和逆变控制能源管理一体柜（下简称：一体柜）共四部分构成，通过智能的能源管理方案，成为一种更可靠的独立的供电系统。
作为本发明的一种实施方式，所述的太阳能组件发电装置为太阳电池组件的串并联阵列所组成，不同组件之间串并联通过导线完成，不同组串之间的导线通过汇流箱集中在一起，并通过汇流导线进入一体柜。太阳能组件可以采用晶体硅组件或者薄膜组件。
作为本发明的一种实施方式，所述的柴油机通过电源导线及控制电缆连接进入一体柜。柴油机具有电启动功能。
作为本发明的一种实施方式，所述的蓄电池组通过串并联导线形成蓄电池组串和阵列，并集中进入一体柜，蓄电池阵列表面安置温度传感器，通过控制线缆进入一体柜，蓄电池可以采用铅酸蓄电池或者锂离子电池。
作为本发明的一种实施方式，所述的逆变控制能源管理一体柜包括充电控制、双向逆变、能源管理三大模块，一体柜包括各电源和信号的即插即用接口。
本发明的工作原理，包含以下的工作状态，以及在不同工作状态间的转换：
a) 太阳能供电，蓄电池充电状态 (见附图1)
当负载较小，太阳能充足时，太阳能发电给负载供电，并同时给蓄电池充电，直到蓄电池充满为止，此状态中蓄电池的容量状态 > 设定值D1。
b) 太阳能供电，蓄电池放电状态 (见附图2)
当负载较大，太阳能无法完全满足时，太阳能发电和蓄电池同时给负载供电，此状态中蓄电池的容量状态 > 设定值D1。
c) 太阳能无电，蓄电池放电状态 (见附图3)
当进入黑夜，没有太阳能供应，蓄电池给负载供电，此状态中蓄电池的容量状态 > 设定值D1。
d) 蓄电池发电达到 <= 设定容量D1，柴油机开启，系统进入e) 状态
e) 柴油机供电，蓄电池充电状态 (见附图4)
当柴油机启动，所发的电优先供负载使用，富余电力逆变后给蓄电池充电，此状态中 :
设定值D2 > 蓄电池的容量状态 > 设定值D1。
f) 蓄电池达到设定容量D2，柴油机停止，系统恢复到a,b,c 三种状态之一
附图说明
附图1，一种新型太阳能柴油混合发电系统 系统原理图；
附图2，逆变控制能源管理一体柜 系统原理图；
附图3，太阳能供电，蓄电池充电状态 图；
附图4，太阳能供电，蓄电池放电状态 图；
附图5，太阳能无电，蓄电池放电状态 图；
附图6，柴油机供电，蓄电池充电状态 图；
附图7，某系统在某一天的运行状态；
附图8，5KW系统样机配置清单。
附图9，5KW系统样机构成图。
具体实施方式
本发明提出利用太阳能和柴油机混合系统来提供一套完整的独立供电系统的方法和设计方案。针对偏远地区无电网连接的学校、农场、通讯基站等，本文提出一个5KW 太阳能和柴油机混合供电的实施方式。（系统方案图如附图8）
该系统的基本配置如下表：
1，太阳能组件
本系统所使用的太阳能组件为高效多晶硅组件，组件效率为14.4%，共由18片组件连接成5KW 的组件阵列，并固定在安装支架上。组件的额定电压为35.2V，额定电流为7.95A，额定功率280W。
2，柴油发电机
本系统所使用的柴油发电机为8KVA单相静音柴油机，带电启动功能。
3，一体柜
本系统所使用的一体柜为5KW定制化的电气柜体，包括100A充电控制，5KW双向逆变器及相关的能源管理监控系统，该机柜包括所有的电源设备和监控即插即用接口。
4，蓄电池组
本系统采用24只800Ah2V铅酸储能蓄电池组成800Ah48Vdc 蓄电池阵列，蓄电池最大放电深度 70%。
5，其它设备等
其它设备包括安装支架、线缆等安装设备。
实际使用效果
本系统主要依靠太阳能为主要供电电源，柴油机作为备用电源，经过实际运行，太阳能日均供电25度，完全可以满足偏远地区学校、农场、通讯基站等用电负荷；在天气极端情况或用户负载增大的情况下，启动柴油机，满足临时的大负载供电，并通过蓄电池存储备用电源。系统运行可靠，为生活、生产提供了廉价、可靠、高质量的电力供应。
附图7为某边远地区通讯基站实际运行效果。某通讯基站24小时运行，以前柴油机24小时供电，柴油机易损坏且柴油供应成问题，运营费用很高。采用混合供电系统后，柴油机平均每天只要在凌晨蓄电池容量降到60%的情况下启动一个小时，系统90％以上的电能由太阳能供应。
附图7中，深灰色表示通讯负载24小时内用电稳定，浅灰色表示太阳能供电集中在白天阳光时段，中灰色表示柴油机供电的1小时，在凌晨5点蓄电池容量消耗到60％的时候，带叉线条曲线表示蓄电池的容量随着各时段的供电不同发生变化。
Claims (6)
1.新型太阳能柴油机混合系统，由太阳能组件发电机，逆变控制能源管理一体机，蓄电池组和柴油机组成，其特征在于：逆变、控制、能源管理一体化的设计，太阳能系统、柴油系统、蓄电系统在一体机上即插即用，实现统一管理，并通过人机操作界面进行监控，并实现网络远程访问记录，方便偏远地区系统的管理和维护，详见项目样本。
2.逆变、控制、能源管理一体机是该系统核心的能源管理单元，是系统的大脑，其特征在于：采用直流母线、交流母线双母线构架，通过双向逆变器实现直流到交流、交流到直流的双向变换；太阳能充电控制模块采用优化的MPPT(最大功率跟踪)算法，提高太阳能组件的发电效率；通过能源管理模块监测太阳能输入电能参数、蓄电池状态参数、柴油机工作状态和参数，并根据各状态和参数控制系统支路的开启与关闭；通过温度补偿对蓄电池状态进行精确的测量和修正；通过蓄电池的欠电状态来开启柴油机，通过蓄电池的满电状态来关闭柴油机。
3.能源管理的控制模式决定了太阳能供电、柴油机供电、蓄电池供电的模式和状态，决定了系统的对各种能源的使用优先级，决定了系统使用的稳定性、柴油机的启动频率、蓄电池的使用寿命等，本系统其特征在于：优先使用太阳能供电，太阳能有富余的情况下给蓄电池充电，通过直流逆变为交流输出给负载；当太阳能能量不足时，太阳能联合蓄电池共同输出，通过直流逆变为交流输出给负载；当蓄电池的放电深度达到核定设定值（D1），自动开启柴油发电机，同时逆变器反向通过交流逆变为直流给蓄电池充电；当蓄电池重新充满到一定的程度（D2），自动关闭柴油机，系统恢复到太阳能和蓄电池供电的状态，（D1, D2 根据不同的蓄电池计算设定）。
4.根据权利要求2所述的逆变、控制、能源管理一体机，其特征在于采用温度检测模块来修正提高蓄电池容量测试的准确性。
5.根据权利要求2所述的逆变、控制、能源管理一体机，其特征在于通过PMB (电源管理板) 输出无源干节点信号控制柴油机的启动。
6.根据权利要求3所述的能源管理的控制模式，其特征在于通过建立混合发电系统模型，对蓄电池容量（D1,D2）的计算和设定，优化系统运行效率，保护蓄电池使用寿命，该模型使用的参数有：光伏电池板额定电压电流功率参数，蓄电池额定参数，柴油机额定参数，太阳能辐照参数，系统效率参数等。
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