風光互補發(fā)電技術

邵洪濤

【摘 要】風能和太陽能都是清潔能源，隨著光伏發(fā)電技術、風力發(fā)電技術的日趨成熟及實用化進程中產品的不斷完善，為風光互補發(fā)電系統(tǒng)的推廣應用奠定了基礎。風光互補發(fā)電站系統(tǒng)主要由風力發(fā)電機、太陽能電池方陣、智能控制器、蓄電池組、多功能逆變器、電纜及支撐和輔助件等組成一個發(fā)電系統(tǒng)，將電力并網送入常規(guī)電網中風光。互補發(fā)電系統(tǒng)推動了我國節(jié)能環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，促進資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的建設。

【關鍵詞】風光互補；逆變器；蓄電池組

1 風光互補發(fā)電技術概述

在國外對于風光互補發(fā)電系統(tǒng)的設計主要有兩種方法進行功率的確定：一是功率匹配的方法，即在不同輻射和風速下對應的 光伏陣列的功率和風機的功率和大于負載功率，主要用于系統(tǒng)的優(yōu)化控制；另一是能量匹配的方法，即在不同輻射和風速下對應的光伏陣列的發(fā)電量和風機的發(fā)電量 的和大于等于負載的耗電量，主要用于系統(tǒng)功率設計。

風光互補，是一套發(fā)電應用系統(tǒng)，該系統(tǒng)是利用太陽能電池方陣、風力發(fā)電機（將交流電轉化為直流電）將發(fā)出的電能存儲到蓄電池組中，當用戶需要用電時，逆變器將蓄電池組中儲存的直流電轉變?yōu)榻涣麟?，通過輸電線路送到用戶負載處。是風力發(fā)電機和太陽電池方陣兩種發(fā)電設備共同發(fā)電。 最初的風光互補發(fā)電系統(tǒng)，就是將風力機和光伏組件進行簡單的組合，因為缺乏詳細的數(shù)學計算模型，同時系統(tǒng)只用于保證率低的用戶，導致使用壽命不長。

近幾年隨著風光互補發(fā)電系統(tǒng)應用范圍的不斷擴大，保證率和經濟性要求的提高，國外相繼開發(fā)出一些模擬風力、光伏及其互補發(fā)電系統(tǒng)性能的大型工具軟件包。通過模擬不同系統(tǒng)配置的性能和供電成本可以得出最佳的系統(tǒng)配置。其中colorado state university和national renewable energy laboratory合作開發(fā)了hybrid2應用軟件。hybrid2本身是一個很出色的軟件，它對一個風光互補系統(tǒng)進行非常精確的模擬運行，根據(jù)輸入的互補發(fā)電系統(tǒng)結構、負載特性以及安裝地點的風速、太陽輻射數(shù)據(jù)獲得一年8760小時的模擬運行結果。但是hybrid2只是一個功能強大的仿真軟件，本身不具備優(yōu)化設計的功能，并且價格昂貴，需要的專業(yè)性較強。在國外對于風光互補發(fā)電系統(tǒng)的設計主要有兩種方法進行功率的確定：一是功率匹配的方法，即在不同輻射和風速下對應的光伏陣列的功率和風機的功率和大于負載功率，只要用于系統(tǒng)的優(yōu)化控制；另一是能量匹配的方法，即在不同輻射和風速下對應的光伏陣列的發(fā)電量和風機的發(fā)電量的和大于等于負載的耗電量，主要用于系統(tǒng)功率設計。

目前國內進行風光互補發(fā)電系統(tǒng)研究的大學，主要有中科院電工研究所、內蒙古大學、內蒙古農業(yè)大學、合肥工業(yè)大學等。各科研單位主要在以下幾個方面進行研究：風光互補發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化匹配計算、系統(tǒng)控制等。目前中科院電工研究所的生物遺傳算法的優(yōu)化匹配和內蒙古大學新能源研究中推出來的小型戶用風光互補發(fā)電系統(tǒng)匹配的計算即輔助設計，在匹配計算方面有著領先的地位，而合肥工業(yè)大學智能控制在互補發(fā)電系統(tǒng)的應用也處在前沿水平。據(jù)國內有關資料報道，目前運行的風光互補發(fā)電系統(tǒng)有：西藏納曲鄉(xiāng)離格村風光互補發(fā)電站、用于氣象站的風能太陽能混合發(fā)電站、太陽能風能無線電話離轉臺電源系統(tǒng)、內蒙微型風光互補發(fā)電系統(tǒng)等。

2 風光發(fā)電的基本原理

風光互補是一套發(fā)電應用系統(tǒng)，該系統(tǒng)是利用太陽能電池方陣、風力發(fā)電機（將交流電轉化為直流電）將發(fā)出的電能存儲到蓄電池組中，當用戶需要用電時，逆變器將蓄電池組中儲存的直流電轉變?yōu)榻涣麟?，通過輸電線路送到用戶負載處。是風力發(fā)電機和太陽電池方陣兩種發(fā)電設備共同發(fā)電。風光互補發(fā)電站風光互補發(fā)電站采用風光互補發(fā)電系統(tǒng)，風光互補發(fā)電站系統(tǒng)主要由風力發(fā)電機、太陽能電池方陣、智能控制器、蓄電池組、多功能逆變器、電纜及支撐和輔助件等組成一個發(fā)電系統(tǒng)，將電力并網送入常規(guī)電網中。夜間和陰雨天無陽光時由風能發(fā)電，晴天由太陽能發(fā)電，在既有風又有太陽的情況下兩者同時發(fā)揮作用，實現(xiàn)了全天候的發(fā)電功能，比單用風機和太陽能更經濟、科學、實用。適用于道路照明、農業(yè)、牧業(yè)、種植、養(yǎng)殖業(yè)、旅游業(yè)、廣告業(yè)、服務業(yè)、港口、山區(qū)、林區(qū)、鐵路、石油、部隊邊防哨所、通訊中繼站、公路和鐵路信號站、地質勘探和野外考察工作站及其它用電不便地區(qū)。

風光互補發(fā)電系統(tǒng)主要由風力發(fā)電機組、太陽能光伏電池組、控制器、蓄電池、逆變器、交流直流負載等部分組成。該系統(tǒng)是集風能、太陽能及蓄電池等多種能源發(fā)電技術及系統(tǒng)智能控制技術為一體的復合可再生能源發(fā)電系統(tǒng)。

（1）風力發(fā)電部分是利用風力機將風能轉換為機械能，通過風力發(fā)電機將機械能轉換為電能，再通過控制器對蓄電池充電，經過逆變器對負載供電；

（2）光伏發(fā)電部分利用太陽能電池板的光伏效應將光能轉換為電能，然后對蓄電池充電，通過逆變器將直流電轉換為交流電對負載進行供電；

（3）逆變系統(tǒng)由幾臺逆變器組成，把蓄電池中的直流電變成標準的220v交流電，保證交流電負載設備的正常使用。同時還具有自動穩(wěn)壓功能，可改善風光互補發(fā)電系統(tǒng)的供電質量；

（4）控制部分根據(jù)日照強度、風力大小及負載的變化，不斷對蓄電池組的工作狀態(tài)進行切換和調節(jié)：一方面把調整后的電能直接送往直流或交流負載。另一方面把多余的電能送往蓄電池組存儲。發(fā)電量不能滿足負載需要時，控制器把蓄電池的電能送往負載，保證了整個系統(tǒng)工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性；

（5）蓄電池部分由多塊蓄電池組成，在系統(tǒng)中同時起到能量調節(jié)和平衡負載兩大作用。它將風力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能轉化為化學能儲存起來，以備供電不足時使用。

3 風光互補發(fā)電系統(tǒng)的適用性

3.1 資源的評價

偏遠地區(qū)一般用電負荷都不大，所以用電網送電就不經濟，在當?shù)刂苯影l(fā)電，最常用的就是采用柴油發(fā)電機。但柴油的儲運對偏遠地區(qū)成本太高，所以柴油發(fā)電機只能作為一種短時的應急電源。要解決長期穩(wěn)定可靠的供電問題，只能依賴當?shù)氐淖匀荒茉?。太陽能和風能是最普遍的自然資源，也是取之不盡的可再生能源。

太陽能是地球上一切能源之源，太陽照射著地球的每一片土地。

風能是太陽能在地球表面的另外一種表現(xiàn)形式，由于地球表面的不同形態(tài)（如沙土地面、植被地面和水面）對太陽光照的吸熱系數(shù)不同，在地球表面形成溫差，地表空氣的溫度不同形成空氣對流而產生風能。

我國西部地區(qū)是世界上最大，也是世界上最豐富的太陽能資源地區(qū)之一，尤其是西藏地區(qū)，空氣稀薄，透明度高，年日照時間長達3400h，每天日照6h以上年平均天數(shù)在275～330天之間，輻射強度大，年均輻射總量7000MJ/m2，地域呈東向西遞增分布，年變化呈峰型，資源優(yōu)勢得天獨厚，應用前景十分廣闊。我國風能資源豐富，儲量3200GW，可開發(fā)的裝機容量約253GW，居世界首位，與可開發(fā)的水電裝機容量380GW為同一量級。2005年我國風電裝機容量超過1GW，2020年風電規(guī)模預計達30GW。未來風電很可能成為和太陽能比肩的新能源行業(yè)。我國風能開發(fā)利用的潛力很大，屬于風能資源可利用區(qū)。特別是太陽能與風能在時間上和地域上都有很強的互補性。白天太陽光最強時，風很小，晚上太陽落山后，光照很弱，但由于地表溫差變化大而風能加強。在夏季，太陽光強度大而風?。欢?，太陽光強度弱而風大。太陽能和風能在時間上的互補性使風光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性，風光互補發(fā)電系統(tǒng)是一個最好的獨立電源系統(tǒng)。

3.2 技術評價

光電系統(tǒng)是利用光電板將太陽能轉換成電能，通過控制器對蓄電池充電，再通過逆變器對用電設備供電的一套系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點是供電可靠性高，運行維護成本低，但是系統(tǒng)造價高。

風電系統(tǒng)是利用小型風力發(fā)電機，將風能轉換成電能，通過控制器對蓄電池充電，再通過逆變器對用電設備供電的一套系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點是發(fā)電量較大，系統(tǒng)造價較低，運行維護成本低。缺點是小型風力發(fā)電機可靠性低。

風電和光電系統(tǒng)都存在由于資源的不確定性導致發(fā)電與用電負荷的不平衡問題，風電和光電系統(tǒng)都必須通過蓄電池儲能才能穩(wěn)定供電，但每天的發(fā)電量受天氣的影響很大，會導致系統(tǒng)的蓄電池組長期處于虧電狀態(tài)，這也是引起蓄電池組使用壽命降低的主要原因。

由于太陽能與風能的互補性強，風光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源上彌補了風電和光電獨立系統(tǒng)在資源上的缺陷。同時，風電和光電系統(tǒng)在蓄電池組和逆變環(huán)節(jié)是可以通用的，所以風光互補發(fā)電系統(tǒng)的造價可以降低，系統(tǒng)成本趨于合理。太陽能電池可以將光能轉換成電能。它將太陽能電池組件與風力發(fā)電機有機地配合組成一個系統(tǒng)，可充分發(fā)揮各自的特性和優(yōu)勢，最大限度的利用好大自然賜予的風能和太陽能。對于用電量大、

用電要求高，而風能資源和太陽能資源又較豐富的地區(qū)，風光互補供電無疑是一種最佳選擇。

由于太陽能與風能的互補性強，風光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源上彌補了風電和光電獨立系統(tǒng)在資源上的缺陷。

同時，風電和光電系統(tǒng)在蓄電池組和逆變環(huán)節(jié)是可以通用的，所以風光互補發(fā)電系統(tǒng)的造價可以降低，系統(tǒng)成本趨于合理。太陽能電池可以將光能轉換成電能。它將太陽能電池組件與風力發(fā)電機有機地配合組成一個系統(tǒng)，可充分發(fā)揮各自的特性和優(yōu)勢，最大限度的利用好大自然賜予的風能和太陽能。對于用電量大、用電要求高，而風能資源和太陽能資源又較豐富的地區(qū)，風光互補供電無疑是一種最佳選擇。

3.3 風光互補發(fā)電系統(tǒng)的合理配置

風光互補發(fā)電系統(tǒng)由太陽能光電板、小型風力發(fā)電機組、系統(tǒng)控制器、蓄電池組和逆變器等幾部分組成，發(fā)電系統(tǒng)各部分容量的合理配置對保證發(fā)電系統(tǒng)的可靠性非常重要。一般來說，系統(tǒng)配置應考慮以下幾方面因素。

（1）用電負荷的特征。發(fā)電系統(tǒng)是為滿足用戶的用電要求而設計的，要為用戶提供可靠的電力，就必須認真分析用戶的用電負荷特征。主要是了解用戶的最大用電負荷和平均日用電量。

最大用電負荷是選擇系統(tǒng)逆變器容量的依據(jù)，而平均日發(fā)電量則是選擇風機及光電板容量和蓄電池組容量的依據(jù)。

（2）太陽能和風能的資源狀況。項目實施地的太陽能和風能的資源狀況是系統(tǒng)光電板和風機容量選擇的另一個依據(jù)，一般根據(jù)資源狀況來確定光電板和風機的容量系數(shù)，在按用戶的日用電量確定容量的前提下再考慮容量系數(shù)，最后光電板和風機的容量。

4 結論

風光互補發(fā)電系統(tǒng)作為合理的獨立電源系統(tǒng)，開創(chuàng)了一條綜合開發(fā)風能和太陽能資源的新途徑，標志著開發(fā)利用太陽能光伏發(fā)電進入了新的階段。它不僅適用于缺電的邊遠地區(qū)，因為它是可再生能源，無污染，且成本低、效率高，所以在條件具備的地方都有很好的開發(fā)應用前景。

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[責任編輯：楊玉潔]