淺析風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)..doc

1 引言能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活必須的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在過(guò)去的200多年里，建立在煤炭、石油、天然氣等化石燃料基礎(chǔ)上的能源體系極大的推動(dòng)了人類社會(huì)的發(fā)展。但是人類在使用化石燃料的同時(shí)，帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)系統(tǒng)破壞。近年來(lái)，世界各國(guó)逐漸認(rèn)識(shí)到能源對(duì)人類的重要性，更認(rèn)識(shí)到常規(guī)能源利用過(guò)程中對(duì)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的破壞，各國(guó)紛紛開始根據(jù)國(guó)情，治理和緩解已經(jīng)惡化的環(huán)境，并把可再生、無(wú)污染的新能源的開發(fā)利用作為可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是利用風(fēng)能和太陽(yáng)能資源的互補(bǔ)性，具有較高性價(jià)比的一種新型能源發(fā)電系統(tǒng)1，具有較好的應(yīng)用前景。2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程及現(xiàn)狀最初的風(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(jiǎn)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(zhǎng)。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(guó)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(guò)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2。 hybrid2本身是一個(gè)很出色的軟件，它對(duì)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(yáng)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(guó)外對(duì)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(duì)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(duì)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(guó)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(lái)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(guó)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(yáng)能混合發(fā)電站、太陽(yáng)能風(fēng)能無(wú)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。3 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(yáng)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，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)附圖。該系統(tǒng)是集風(fēng)能、太陽(yáng)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)。附圖 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(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(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，再通過(guò)控制器對(duì)蓄電池充電，經(jīng)過(guò)逆變器對(duì)負(fù)載供電；(2)光伏發(fā)電部分利用太陽(yáng)能電池板的光伏效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能，然后對(duì)蓄電池充電，通過(guò)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電對(duì)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(duì)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(lái)，以備供電不足時(shí)使用。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)力和太陽(yáng)輻射變化情況，可以在以下三種模式下運(yùn)行：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單獨(dú)向負(fù)載供電；光伏發(fā)電系統(tǒng)單獨(dú)向負(fù)載供電；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和光伏發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合向負(fù)載供電3,4。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電比單獨(dú)風(fēng)力發(fā)電或光伏發(fā)電有以下優(yōu)點(diǎn)：利用風(fēng)能、太陽(yáng)能的互補(bǔ)性，可以獲得比較穩(wěn)定的輸出，系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性和可靠性；在保證同樣供電的情況下，可大大減少儲(chǔ)能蓄電池的容量5；通過(guò)合理地設(shè)計(jì)與匹配，可以基本上由風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)供電，很少或基本不用啟動(dòng)備用電源如柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組等，可獲得較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。4 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用前景(1) 無(wú)電農(nóng)村的生活、生產(chǎn)用電中國(guó)現(xiàn)有9億人口生活在農(nóng)村，其中5%左右目前還未能用上電。在中國(guó)無(wú)電鄉(xiāng)村往往位于風(fēng)能和太陽(yáng)能蘊(yùn)藏量豐富的地區(qū)。因此利用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)解決用電問(wèn)題的潛力很大。采用已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)有利于加速這些地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高其經(jīng)濟(jì)水平。另外，利用風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)開發(fā)儲(chǔ)量豐富的可再生能源，可以為廣大邊遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)村人口提供最適宜也最便宜的電力服務(wù)，促進(jìn)貧困地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。我國(guó)已經(jīng)建成了千余個(gè)可再生能源的獨(dú)立運(yùn)行村落集中供電系統(tǒng)，但是這些系統(tǒng)都只提供照明和生活用電，不能或不運(yùn)行使用生產(chǎn)性負(fù)載，這就使系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性變得非常差?？稍偕茉椽?dú)立運(yùn)行村落集中供電系統(tǒng)的出路是經(jīng)濟(jì)上的可持續(xù)運(yùn)行，涉及到系統(tǒng)的所有權(quán)、管理機(jī)制、電費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)性負(fù)載的管理、電站政府補(bǔ)貼資金來(lái)源、數(shù)量和分配渠道等等。但是這種可持續(xù)發(fā)展模式，對(duì)中國(guó)在內(nèi)的所有發(fā)展中國(guó)家都有深遠(yuǎn)意義。(2)半導(dǎo)體室外照明中的應(yīng)用世界上室外照明工程的耗電量占全球發(fā)電量的12%左右，在全球日趨緊張的能源和環(huán)保背景下，它的節(jié)能工作日益引起全世界的關(guān)注?；驹硎牵禾?yáng)能和風(fēng)能以互補(bǔ)形式通過(guò)控制器向蓄電池智能化充電，到晚間根據(jù)光線強(qiáng)弱程度自動(dòng)開啟和關(guān)閉各類led室外燈具。智能化控制器具有無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通訊功能，可以和后臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)三遙管理(遙測(cè)、遙訊、遙控)。智能化控制器還具有強(qiáng)大的人工智能功能，對(duì)整個(gè)照明工程實(shí)施先進(jìn)的計(jì)算機(jī)三遙管理，重點(diǎn)是照明燈具的運(yùn)行狀況巡檢及故障和防盜報(bào)警。室外道路照明工程主要包括：車行道路照明工程(快速道/主干道/次干道/支路)；小區(qū)(廣義)道路照明工程(小區(qū)路燈/庭院燈/草坪燈/地埋燈/壁燈等)。目前已被開發(fā)的新能源新光源室外照明工程有：風(fēng)光互補(bǔ)led智能化路燈、風(fēng)光互補(bǔ)led小區(qū)道路照明工程、風(fēng)光互補(bǔ)led景觀照明工程、風(fēng)光互補(bǔ)led智能化隧道照明工程、智能化led路燈等。(3)航標(biāo)上的應(yīng)用我國(guó)部分地區(qū)的航標(biāo)已經(jīng)應(yīng)用了太陽(yáng)能發(fā)電，特別是燈塔樁，但是也存在著一些問(wèn)題，最突出的就是在連續(xù)天氣不良狀況下太陽(yáng)能發(fā)電不足，易造成電池過(guò)放，燈光熄滅，影響了電池的使用性能或損毀。冬季和春季太陽(yáng)能發(fā)電不足的問(wèn)題尤為嚴(yán)重。天氣不良情況下往往是伴隨大風(fēng)，也就是說(shuō)，太陽(yáng)能發(fā)電不理想的天氣狀況往往是風(fēng)能最豐富的時(shí)候，針對(duì)這種情況，可以用以風(fēng)力發(fā)電為主，光伏發(fā)電為輔的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)具有環(huán)保、無(wú)污染、免維護(hù)、安裝使用方便等特點(diǎn)，符合航標(biāo)能源應(yīng)用要求。在太陽(yáng)能配置滿足春夏季能源供應(yīng)的情況下，不啟動(dòng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)；在冬春季或連續(xù)天氣不良狀況、太陽(yáng)能發(fā)電不良情況下，啟動(dòng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。由此可見(jiàn)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在航標(biāo)上的應(yīng)用具備了季節(jié)性和氣候性的特點(diǎn)。事實(shí)證明，其應(yīng)用可行、效果明顯。(4)監(jiān)控?cái)z像機(jī)電源中的應(yīng)用目前，高速公路道路攝像機(jī)通常是24小時(shí)不間斷運(yùn)行，采用傳統(tǒng)的市電電源系統(tǒng)，雖然功率不大，但是因?yàn)閿?shù)量多，也會(huì)消耗不少電能，采用傳統(tǒng)電源系統(tǒng)不利于節(jié)能；并且由于攝像機(jī)電源的線纜經(jīng)常被盜，損失大，造成使用維護(hù)費(fèi)用大大增加，加大了高速公路經(jīng)營(yíng)單位的運(yùn)營(yíng)成本。應(yīng)用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)為道路監(jiān)控?cái)z像機(jī)提供電源，不僅節(jié)能，并且不需要鋪設(shè)線纜，減少了被盜了可能，有效防盜。但是我國(guó)有的地區(qū)會(huì)出現(xiàn)惡劣的天氣情況，如連續(xù)灰霾天氣，日照少，風(fēng)力達(dá)不到起風(fēng)風(fēng)力，會(huì)出現(xiàn)不能連續(xù)供電現(xiàn)象，可以利用原有的市電線路，在太陽(yáng)能和風(fēng)能不足時(shí)，自動(dòng)對(duì)蓄電池充電，確保系統(tǒng)可以正常工作。(5)通信基站中的應(yīng)用目前國(guó)內(nèi)許多海島、山區(qū)等地遠(yuǎn)離電網(wǎng)，但由于當(dāng)?shù)芈糜?、漁業(yè)、航海等行業(yè)有通信需要，需要建立通信基站。這些基站用電負(fù)荷都不會(huì)很大，若采用市電供電，架桿鋪線代價(jià)很大，若采用柴油機(jī)供電，存在柴油儲(chǔ)運(yùn)成本高，系統(tǒng)維護(hù)困難、可靠性不高的問(wèn)題6。要解決長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地供電問(wèn)題，只能依賴當(dāng)?shù)氐淖匀毁Y源。而太陽(yáng)能和風(fēng)能作為取之不盡的可再生資源，在海島相當(dāng)豐富，此外，太陽(yáng)能和風(fēng)能在時(shí)間上和地域上都有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，海島風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是可靠性、經(jīng)濟(jì)性較好的獨(dú)立電源系統(tǒng)，適合用于通信基站供電。由于基站有基站維護(hù)人員，系統(tǒng)可配置柴油發(fā)電機(jī)，以備太陽(yáng)能與風(fēng)能發(fā)電不足時(shí)使用。這樣可以減少系統(tǒng)中太陽(yáng)電池方陣與風(fēng)機(jī)的容量，從而降低系統(tǒng)成本，同時(shí)增加系統(tǒng)的可靠性。(6)抽水蓄能電站中的應(yīng)用風(fēng)光互補(bǔ)抽水蓄能電站是利用風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電，不經(jīng)蓄電池而直接帶動(dòng)抽水機(jī)實(shí)行補(bǔ)丁時(shí)抽水蓄能，然后利用儲(chǔ)存的水能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的發(fā)電供電。這種能源開發(fā)方式將傳統(tǒng)的水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源開發(fā)相結(jié)合，利用三種能源在時(shí)空分布上的差異實(shí)現(xiàn)期間的互補(bǔ)開發(fā)，適用于電網(wǎng)難以覆蓋的邊遠(yuǎn)死去，并有利于能源開發(fā)中的生態(tài)環(huán)境保護(hù)7,8。風(fēng)光互補(bǔ)抽水蓄能電站的開發(fā)至少滿足以下兩個(gè)條件：三種能源在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中應(yīng)保持能量守恒；抽水系統(tǒng)所構(gòu)成的自循環(huán)系統(tǒng)的水量保持平衡。雖然與水電站相比成本電價(jià)略高，但是可以解決有些地區(qū)小水電站冬季不能發(fā)電的問(wèn)題，所以采用風(fēng)光互補(bǔ)抽水蓄能電站的多能互補(bǔ)開發(fā)方式具有獨(dú)特的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，可作為某些滿足條件地區(qū)的能源利用方案。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用向全社會(huì)生動(dòng)展示了風(fēng)能、太陽(yáng)能新能源的應(yīng)用意義，推動(dòng)我國(guó)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)，具有巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)保效益。5 結(jié)束語(yǔ)風(fēng)能和太陽(yáng)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)電系統(tǒng)推動(dòng)了我國(guó)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)。為了使風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)得到更快的普及推廣，可以從以下幾方面著手：(1)大力宣傳風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)越性，提高人們的認(rèn)識(shí)；(2)政府出臺(tái)一定的補(bǔ)貼政策，鼓勵(lì)建設(shè)新能源發(fā)電系統(tǒng)；(3)建立科技攻關(guān)項(xiàng)目，提高設(shè)備轉(zhuǎn)換率等?？傊?，相信隨著設(shè)備材料成本的降低、科技的發(fā)展、政府扶持政策的推出，該清潔、綠色、環(huán)保的新能源發(fā)電系統(tǒng)將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。作者簡(jiǎn)介尹 靜(1982-) 女 碩士 電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè) 主要研究方向：電力電子技術(shù)及應(yīng)用。張慶范(1949-) 男 博士生導(dǎo)師/教授 山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)研究所所長(zhǎng)，電力電子專業(yè)學(xué)術(shù)帶頭人 主要研究方向：電力電子技術(shù)及應(yīng)用、安全科學(xué)技術(shù)等。參考文獻(xiàn)1 陸虎瑜,馬勝紅. 光伏風(fēng)能及互補(bǔ)發(fā)電村落系統(tǒng). 北京:中國(guó)電力出版社,20042 mc gowan j.g.,averlar c.t.and manwell j.f.(1996) the hybrid system simulation model, university 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