邵洪濤

【摘 要】風(fēng)能和太陽能都是清潔能源，隨著光伏發(fā)電技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日趨成熟及實(shí)用化進(jìn)程中產(chǎn)品的不斷完善，為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電站系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、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(gè)發(fā)電系統(tǒng)，將電力并網(wǎng)送入常規(guī)電網(wǎng)中風(fēng)光?；パa(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)推動(dòng)了我國節(jié)能環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的建設(shè)。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)光互補(bǔ)；逆變器；蓄電池組

1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)概述

在國外對于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要有兩種方法進(jìn)行功率的確定：一是功率匹配的方法，即在不同輻射和風(fēng)速下對應(yīng)的 光伏陣列的功率和風(fēng)機(jī)的功率和大于負(fù)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(fēng)速下對應(yīng)的光伏陣列的發(fā)電量和風(fēng)機(jī)的發(fā)電量 的和大于等于負(fù)載的耗電量，主要用于系統(tǒng)功率設(shè)計(jì)。

風(fēng)光互補(bǔ)，是一套發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)是利用太陽能電池方陣、風(fēng)力發(fā)電機(jī)（將交流電轉(zhuǎn)化為直流電）將發(fā)出的電能存儲(chǔ)到蓄電池組中，當(dāng)用戶需要用電時(shí)，逆變器將蓄電池組中儲(chǔ)存的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，通過輸電線路送到用戶負(fù)載處。是風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽電池方陣兩種發(fā)電設(shè)備共同發(fā)電。 最初的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，就是將風(fēng)力機(jī)和光伏組件進(jìn)行簡單的組合，因?yàn)槿狈υ敿?xì)的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，同時(shí)系統(tǒng)只用于保證率低的用戶，導(dǎo)致使用壽命不長。

近幾年隨著風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，保證率和經(jīng)濟(jì)性要求的提高，國外相繼開發(fā)出一些模擬風(fēng)力、光伏及其互補(bǔ)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(yīng)用軟件。hybrid2本身是一個(gè)很出色的軟件，它對一個(gè)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行非常精確的模擬運(yùn)行，根據(jù)輸入的互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、負(fù)載特性以及安裝地點(diǎn)的風(fēng)速、太陽輻射數(shù)據(jù)獲得一年8760小時(shí)的模擬運(yùn)行結(jié)果。但是hybrid2只是一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真軟件，本身不具備優(yōu)化設(shè)計(jì)的功能，并且價(jià)格昂貴，需要的專業(yè)性較強(qiáng)。在國外對于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要有兩種方法進(jìn)行功率的確定：一是功率匹配的方法，即在不同輻射和風(fēng)速下對應(yīng)的光伏陣列的功率和風(fēng)機(jī)的功率和大于負(fù)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(fēng)速下對應(yīng)的光伏陣列的發(fā)電量和風(fēng)機(jī)的發(fā)電量的和大于等于負(fù)載的耗電量，主要用于系統(tǒng)功率設(shè)計(jì)。

目前國內(nèi)進(jìn)行風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)研究的大學(xué)，主要有中科院電工研究所、內(nèi)蒙古大學(xué)、內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等。各科研單位主要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化匹配計(jì)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(nèi)蒙古大學(xué)新能源研究中推出來的小型戶用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)匹配的計(jì)算即輔助設(shè)計(jì)，在匹配計(jì)算方面有著領(lǐng)先的地位，而合肥工業(yè)大學(xué)智能控制在互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用也處在前沿水平。據(jù)國內(nèi)有關(guān)資料報(bào)道，目前運(yùn)行的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)有：西藏納曲鄉(xiāng)離格村風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電站、用于氣象站的風(fēng)能太陽能混合發(fā)電站、太陽能風(fēng)能無線電話離轉(zhuǎn)臺(tái)電源系統(tǒng)、內(nèi)蒙微型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)等。

2 風(fēng)光發(fā)電的基本原理

風(fēng)光互補(bǔ)是一套發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)是利用太陽能電池方陣、風(fēng)力發(fā)電機(jī)（將交流電轉(zhuǎn)化為直流電）將發(fā)出的電能存儲(chǔ)到蓄電池組中，當(dāng)用戶需要用電時(shí)，逆變器將蓄電池組中儲(chǔ)存的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，通過輸電線路送到用戶負(fù)載處。是風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽電池方陣兩種發(fā)電設(shè)備共同發(fā)電。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電站風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電站采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電站系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、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(gè)發(fā)電系統(tǒng)，將電力并網(wǎng)送入常規(guī)電網(wǎng)中。夜間和陰雨天無陽光時(shí)由風(fēng)能發(fā)電，晴天由太陽能發(fā)電，在既有風(fēng)又有太陽的情況下兩者同時(shí)發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)了全天候的發(fā)電功能，比單用風(fēng)機(jī)和太陽能更經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、實(shí)用。適用于道路照明、農(nóng)業(yè)、牧業(yè)、種植、養(yǎng)殖業(yè)、旅游業(yè)、廣告業(yè)、服務(wù)業(yè)、港口、山區(qū)、林區(qū)、鐵路、石油、部隊(duì)邊防哨所、通訊中繼站、公路和鐵路信號站、地質(zhì)勘探和野外考察工作站及其它用電不便地區(qū)。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽能光伏電池組、控制器、蓄電池、逆變器、交流直流負(fù)載等部分組成。該系統(tǒng)是集風(fēng)能、太陽能及蓄電池等多種能源發(fā)電技術(shù)及系統(tǒng)智能控制技術(shù)為一體的復(fù)合可再生能源發(fā)電系統(tǒng)。

（1）風(fēng)力發(fā)電部分是利用風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，再通過控制器對蓄電池充電，經(jīng)過逆變器對負(fù)載供電；

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

（3）逆變系統(tǒng)由幾臺(tái)逆變器組成，把蓄電池中的直流電變成標(biāo)準(zhǔn)的220v交流電，保證交流電負(fù)載設(shè)備的正常使用。同時(shí)還具有自動(dòng)穩(wěn)壓功能，可改善風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量；

（4）控制部分根據(jù)日照強(qiáng)度、風(fēng)力大小及負(fù)載的變化，不斷對蓄電池組的工作狀態(tài)進(jìn)行切換和調(diào)節(jié)：一方面把調(diào)整后的電能直接送往直流或交流負(fù)載。另一方面把多余的電能送往蓄電池組存儲(chǔ)。發(fā)電量不能滿足負(fù)載需要時(shí)，控制器把蓄電池的電能送往負(fù)載，保證了整個(gè)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(shí)起到能量調(diào)節(jié)和平衡負(fù)載兩大作用。它將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來，以備供電不足時(shí)使用。

3 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的適用性

3.1 資源的評價(jià)

偏遠(yuǎn)地區(qū)一般用電負(fù)荷都不大，所以用電網(wǎng)送電就不經(jīng)濟(jì)，在當(dāng)?shù)刂苯影l(fā)電，最常用的就是采用柴油發(fā)電機(jī)。但柴油的儲(chǔ)運(yùn)對偏遠(yuǎn)地區(qū)成本太高，所以柴油發(fā)電機(jī)只能作為一種短時(shí)的應(yīng)急電源。要解決長期穩(wěn)定可靠的供電問題，只能依賴當(dāng)?shù)氐淖匀荒茉?。太陽能和風(fēng)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(fēng)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(chǎn)生風(fēng)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(shí)間長達(dá)3400h，每天日照6h以上年平均天數(shù)在275～330天之間，輻射強(qiáng)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(dú)厚，應(yīng)用前景十分廣闊。我國風(fēng)能資源豐富，儲(chǔ)量3200GW，可開發(fā)的裝機(jī)容量約253GW，居世界首位，與可開發(fā)的水電裝機(jī)容量380GW為同一量級。2005年我國風(fēng)電裝機(jī)容量超過1GW，2020年風(fēng)電規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)30GW。未來風(fēng)電很可能成為和太陽能比肩的新能源行業(yè)。我國風(fēng)能開發(fā)利用的潛力很大，屬于風(fēng)能資源可利用區(qū)。特別是太陽能與風(fēng)能在時(shí)間上和地域上都有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。白天太陽光最強(qiáng)時(shí)，風(fēng)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(fēng)能加強(qiáng)。在夏季，太陽光強(qiáng)度大而風(fēng)小；冬季，太陽光強(qiáng)度弱而風(fēng)大。太陽能和風(fēng)能在時(shí)間上的互補(bǔ)性使風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)最好的獨(dú)立電源系統(tǒng)。

3.2 技術(shù)評價(jià)

光電系統(tǒng)是利用光電板將太陽能轉(zhuǎn)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(shè)備供電的一套系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是供電可靠性高，運(yùn)行維護(hù)成本低，但是系統(tǒng)造價(jià)高。

風(fēng)電系統(tǒng)是利用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)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(shè)備供電的一套系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)電量較大，系統(tǒng)造價(jià)較低，運(yùn)行維護(hù)成本低。缺點(diǎn)是小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)可靠性低。

風(fēng)電和光電系統(tǒng)都存在由于資源的不確定性導(dǎo)致發(fā)電與用電負(fù)荷的不平衡問題，風(fēng)電和光電系統(tǒng)都必須通過蓄電池儲(chǔ)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(huì)導(dǎo)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(fēng)能的互補(bǔ)性強(qiáng)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源上彌補(bǔ)了風(fēng)電和光電獨(dú)立系統(tǒng)在資源上的缺陷。同時(shí)，風(fēng)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(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的造價(jià)可以降低，系統(tǒng)成本趨于合理。太陽能電池可以將光能轉(zhuǎn)換成電能。它將太陽能電池組件與風(fēng)力發(fā)電機(jī)有機(jī)地配合組成一個(gè)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(fēng)能和太陽能。對于用電量大、

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

由于太陽能與風(fēng)能的互補(bǔ)性強(qiáng)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源上彌補(bǔ)了風(fēng)電和光電獨(dú)立系統(tǒng)在資源上的缺陷。

同時(shí)，風(fēng)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(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的造價(jià)可以降低，系統(tǒng)成本趨于合理。太陽能電池可以將光能轉(zhuǎn)換成電能。它將太陽能電池組件與風(fēng)力發(fā)電機(jī)有機(jī)地配合組成一個(gè)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(fēng)能和太陽能。對于用電量大、用電要求高，而風(fēng)能資源和太陽能資源又較豐富的地區(qū)，風(fēng)光互補(bǔ)供電無疑是一種最佳選擇。

3.3 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的合理配置

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)由太陽能光電板、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(yīng)考慮以下幾方面因素。

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

最大用電負(fù)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(fēng)機(jī)及光電板容量和蓄電池組容量的依據(jù)。

（2）太陽能和風(fēng)能的資源狀況。項(xiàng)目實(shí)施地的太陽能和風(fēng)能的資源狀況是系統(tǒng)光電板和風(fēng)機(jī)容量選擇的另一個(gè)依據(jù)，一般根據(jù)資源狀況來確定光電板和風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)的容量。

4 結(jié)論

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)作為合理的獨(dú)立電源系統(tǒng)，開創(chuàng)了一條綜合開發(fā)風(fēng)能和太陽能資源的新途徑，標(biāo)志著開發(fā)利用太陽能光伏發(fā)電進(jìn)入了新的階段。它不僅適用于缺電的邊遠(yuǎn)地區(qū)，因?yàn)樗强稍偕茉矗瑹o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(yīng)用前景。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]