李 丹，付 靜，姜廣軍

（吉林建筑工程學(xué)院 城建學(xué)院， 吉林 長春 130111）

風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)及應(yīng)用綜述

李 丹，付 靜，姜廣軍

（吉林建筑工程學(xué)院 城建學(xué)院， 吉林 長春 130111）

風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)充分利用了風(fēng)能和太陽能資源的互補性，實現(xiàn)了能源的有效利用.本文論述了風(fēng)光互補系統(tǒng)的構(gòu)成、應(yīng)用前景以及設(shè)計中存在的問題.

風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)；可再生能源；風(fēng)光互補發(fā)電應(yīng)用

風(fēng)能、太陽能是目前世界各國在新能源利用方面最具規(guī)模和潛力的能源，據(jù)統(tǒng)計，我國風(fēng)能在 10m高度儲量為3.2TW，可利用量超過 1.0TW[1]；太陽能較發(fā)達的地區(qū)達到了國土面積的 67%，可利用年平均日照強度達到 6×109MJ/m2[2].風(fēng)能、太陽能作為單一性的可再生能源，其在利用上存在弊端，二者的利用均受地理條件、氣象環(huán)境影響很大，但是風(fēng)能和太陽能的利用在時間和地域生存在著天然的互補性.風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)可以很好的彌補獨立的風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的缺陷，將成為未來可再生能源開發(fā)和利用的新趨勢.

1 風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成

圖1為風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖.風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力渦輪發(fā)電機，太陽能光伏發(fā)電陣列，風(fēng)光互補系統(tǒng)控制器，蓄電池組，逆變器，交流負載、直流負載以及其他部件組成.發(fā)電系統(tǒng)工作時輸出直流電，直接供給直流負載使用；也可以經(jīng)蓄電池存儲，然后由蓄電池向用戶提供穩(wěn)定的電能；若用戶使用的是交流電，則可通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姽┙涣髫撦d使用.

圖1 風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 發(fā)電部分.發(fā)電部分主要由風(fēng)力發(fā)電機組和太陽能光伏發(fā)電組件組成.風(fēng)力發(fā)電部分的主要作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，然后通過風(fēng)力發(fā)電機組將機械能轉(zhuǎn)換為電能.風(fēng)力機組的輸出功率一般按式（1）計算：

式中 Vin、Ve、Vout分別為風(fēng)力發(fā)電機的切入風(fēng)速、風(fēng)機額定風(fēng)速以及風(fēng)機的切出風(fēng)速；ρ 為空氣密度；R為風(fēng)輪半徑；V為風(fēng)速；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，其最大值為 0.593.

對于小型風(fēng)力發(fā)電機，當月風(fēng)機發(fā)電量為[3]：

式中，Q為當月發(fā)電量；Q1、Q2為不同風(fēng)速的發(fā)電量；Vin、Ve、Vout分別為風(fēng)機的切入風(fēng)速、額定風(fēng)速和切出風(fēng)速；Pe為風(fēng)機額定功率；hi為該月中與 V相對應(yīng)的小時數(shù).

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是利用光電效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為可以利用的電能.太陽能電池方陣在安裝時應(yīng)該保證足夠的間距，并且實現(xiàn)無陰影遮擋.太陽能電池方陣的間距公式如下[4]：

式中，D為太陽能方陣間距，mm；H為方陣的高度；φ 為方陣傾角，為了更好的接受和利用太陽的輻射，提高光伏電池的發(fā)電效率，太陽能電池的方陣傾角一般為當?shù)鼐暥?5°.

太陽能組件在傾斜面上的太陽輻射量的 klein模型[5]：

式中，Hb為太陽能在水平面上直接輻射量；Hd為太陽能的散射輻射量；Rb為太陽能在傾斜面與水平面的直接輻射量的比值；H0為大氣層外水平面上的太陽輻射量；β 為傾角；H為水平面上總輻射量；ρ 為地物表面反射率.

太陽能光伏電池的電力的輸出主要受光照強度影響，其次是溫度，一般對于電力輸出的計算采用基于實測數(shù)據(jù)的簡單模型[6]：

式中，E為光伏電池的電力輸出，W/m2；Ht為入射太陽輻射度，W/m2；T為光伏電池表面溫度，W；c1為實驗標定的常數(shù)，W/m2；Hf為標定的太陽能輻射強度，W/m2；c2為太陽能組件的溫度系數(shù)，W/K.

太陽能電池陣列的各月發(fā)電量由下式計算：

式中 N為當月太陽能發(fā)電天數(shù)；P為太陽能發(fā)電組件的功率；η1為輸入回路效率；η2為輸出回路的效率.1.2 控制部分.控制部分是整個風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的核心部分.控制部分根據(jù)外部環(huán)境條件，如光照強度、風(fēng)速、負載的用電需求等來調(diào)節(jié)發(fā)電部分的工作狀態(tài)以及蓄電池的工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電模式的轉(zhuǎn)換，并將富余的電能存儲在蓄電池當中，當電量不足時，由蓄電池向負載提供正常工作所需要的電能.目前風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的控制方案主要包括最大功率跟蹤控制、負載跟蹤控制、電池充放電保護控制和發(fā)電機超速保護等.

1.3 儲能部分.蓄電池的作用是儲存富余電能，以減少和消除氣候等客觀因素引起的能量供需不平衡的問題，蓄電池在整個系統(tǒng)中起到調(diào)節(jié)電能以及平衡負載用電需求的作用.目前，儲能技術(shù)主要有鉛酸電池技術(shù)、全釩氧化還原液流電池技術(shù)、鋰離子電池技術(shù)、鈉硫(NaS)電池技術(shù).近年來，飛輪儲能技術(shù)、超級電容儲能技術(shù)也成為今年來研究的熱點[7]. 1.4 逆變部分.逆變器的主要作用是在需要運行交流負載時，發(fā)電部分輸出的直流電通過逆變器來轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，從而滿足交流負載的需求.逆變器在性能上主要具有斷路、過流、過壓、過熱保護功能.逆變器容量見下式：

式中，PN為逆變器容量；P額為額定輸出功率；N為用電同時率；M為各相負載不平衡系數(shù)；S為負載功率因數(shù)；ηN為逆變器效率.

2 風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用

（1）可應(yīng)用于農(nóng)村地區(qū)用電和照明需求.我國農(nóng)村地區(qū)地域遼闊，太陽能風(fēng)能資源豐富，大多數(shù)地區(qū)的平均風(fēng)速在以上，風(fēng)光互補發(fā)電在農(nóng)村地區(qū)發(fā)展必將是滿足農(nóng)村生產(chǎn)和生活用電的經(jīng)濟、有效的方式.

（2）可以應(yīng)用于城市路燈照明系統(tǒng)以及交通指示燈、公園和廣場的照明、廣告牌等.風(fēng)光互補技術(shù)在政府部門、市政設(shè)施以及高校等方面的應(yīng)用推廣，不僅具有節(jié)能減排的環(huán)保意義，而且具有美化社會及教育意義.

（3）可以應(yīng)用于建筑行業(yè).風(fēng)能發(fā)電機和太陽能集熱管已經(jīng)應(yīng)用于北京奧運村的設(shè)計和建設(shè)，而且風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)還可應(yīng)用于光伏建筑一體化（BIPV）和風(fēng)能建筑一體化（BIWE）、屋頂風(fēng)力發(fā)電等.

（4）可應(yīng)用于并網(wǎng)發(fā)電.2004年 12月，華能南澳建成了100KW風(fēng)光互補發(fā)電站并且成功的實現(xiàn)了發(fā)電并網(wǎng)，標志著中國第一個正式商業(yè)化運行的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)建成.隨著國家對可再生能源開發(fā)和利用的重視，并網(wǎng)發(fā)電規(guī)模持續(xù)不斷擴大.2012年，中節(jié)能玉門昌馬 9MW風(fēng)光互補發(fā)電示范項目實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電成功，是我國第一座大規(guī)模風(fēng)光互補發(fā)電項目.未來國家在可再生能源的開發(fā)和利用上支持和扶持力度必然不斷加大，因此風(fēng)光互補并網(wǎng)發(fā)電在電量產(chǎn)量中的比例也必然顯著提高.

3 風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計中存在的主要問題

風(fēng)光互補系統(tǒng)的研究目前處于對靜態(tài)體系結(jié)構(gòu)、蓄電池儲能設(shè)計、發(fā)電控制等方面的研究.目前，在風(fēng)光互補系統(tǒng)設(shè)計時還存在以下主要問題：

（1）風(fēng)能和太陽能在時間上和地域上存在間歇性和不穩(wěn)定性，這就對風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電控制和電力輸出的控制要求較高.因此需要調(diào)研安裝地區(qū)的資源分布情況和負載用電需求、優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性.目前控制上主要集中于選擇適當?shù)倪\行控制方案，通過最優(yōu)算法搜索確定系統(tǒng)的最優(yōu)控制策略和最佳配置方案的研究上.另外，控制器集成化程度較低，也影響了整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.

（2）由于風(fēng)光互補發(fā)電和用電負荷間的存在著不不平衡的特點，為了保證對負載的供電能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)性以及穩(wěn)定性，這就對蓄電池的充放電能力以及儲能能力提出了較高的要求.目前，對于蓄電池性能的研究上，主要存在的問題是蓄電池供放控制策略選擇不合理，使蓄電池充電曲線與電池固有充電特性相差甚遠，導(dǎo)致電池壽命降低.

（3）風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的逆變器要有較高的效率、較高的可靠性、較大的直流輸入電壓范圍、交流輸出電壓穩(wěn)定、并網(wǎng)發(fā)時電逆變器還要有并網(wǎng)發(fā)電功能.我國對逆變器的研究處于起步階段，加強逆變器的研究是實現(xiàn)和優(yōu)化風(fēng)光互補發(fā)電的重要支撐.

（4）風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率還有待進一步提高.對于小型風(fēng)電發(fā)電效率的研究主要是通過擾動觀察法來研究如何實現(xiàn)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制[8]以及通過模糊控制法實現(xiàn)小型風(fēng)力機的最大功率的跟蹤[9].目前，還沒有很好的 MPPT方法，能夠有效的提高風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率.

4 結(jié)語

經(jīng)濟的不斷發(fā)展必將促使可再生能源的開發(fā)和利用成為未來能源領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)以其特有的優(yōu)勢在新能源領(lǐng)域扮演著極其重要的角色.隨著我國風(fēng)光互補發(fā)電技術(shù)的不斷完善和提高，風(fēng)光互補發(fā)電在市場上的競爭力必定不斷增強，在能源消費結(jié)構(gòu)中的份額必將不斷上升，風(fēng)光互補發(fā)電具有廣闊的發(fā)展前景.

〔1〕黃毅城.大力發(fā)展風(fēng)電[J].電網(wǎng)與清潔能源,2008，24（1）：01-02.

〔2〕王志新，劉立群，張華強.風(fēng)光互補技術(shù)及應(yīng)用新進展[J].電網(wǎng)與清潔能源,2008，24（5）：40-45.

〔3〕李濤，孫韻琳，杜曉榮.風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用分析[J].青海師范大學(xué)學(xué)報,2011（03）：24-27.

〔4〕韓旭.小型風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].能源與節(jié)能,2012（08）：40-42.

〔5〕楊金煥,毛家俊，陳中華.不同方位傾斜面上太陽輻射量及最佳傾角計算[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，2002（07）：1031-1036.

〔6〕季杰，何偉.光伏墻體年發(fā)電性能年得熱動態(tài)預(yù)測[J].太陽能學(xué)報，2001，22（3）：311-315.

〔7〕吳佳梁,曾贛生,余鐵輝.風(fēng)光互補與儲能系統(tǒng)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

〔8〕包道日娜,劉志璋，張萬祥.小型風(fēng)力發(fā)電機的功率控制方法[J].可再生能源,2009,27(4)：69-71.

〔9〕劉立群.分布式風(fēng)光互補系統(tǒng)控制與最大功率跟蹤策略研宄[D].上海：上海交通大學(xué),2011.

TK89

A

1673-260X（2014）08-0046-02