风光互补发电系统简述.docx

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风光互补发电系统简述

风光互补发电系统

摘要：

风光互补发电系统是利用风能和太阳能资源的互补性，具有较高性价比的一种新型能源发电系统。

本文通过对风光互补发电系统的动力来源-风能和太阳能资源的初步调研，分析了风光互补发电系统的优势，并总结了国外风光互补发电系统的研究现状，对其根本的工作原理进展了阐述。

最后对举例说明了风光互补发电系统的应用前景。

关键词：

风光互补，现状，工作原理，应用前景

1.引言

能源是人类社会开展和进步的物质根底，人类社会的开展和进步离不开优质能源的开发利用和先进的能源技术的不断革新。

煤和石油等矿物能源的开发和利用推动了近代工业革命的开展，极改变了人类的生活方式。

由于煤、石油、天热气等常规能源的储量是有限的，据估计，地球上煤炭最多可用300年，石油最多可维持40多年，天然气还可以维持50多年，不断爆发的能源危机严重阻碍了人类社会的开展进步。

为了缓解不断加重的能源危机，世界各国相继加大了对可再生能源的研究。

可再生能源是指除常规能源外的包括风能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能等能源资源。

为了降低能耗和解决日益突出的环境问题，全球都投入到了可再生开展能源的热潮之中，全球可再生能源开展取得了明显成效。

主要表现在：

本钱持续下降，市场份额不断扩大，其定位也开场由补充能源向替代常规能源的方向转化。

近10年来，全球风力发电市场保持了28％的年均增长速度，太阳能光伏发电的年均增长速度超过30％[1]。

进入新世纪以来，中国的可再生能源利用步入了快速开展的轨道，特别是自2006年可再生能源法实施以来，中国可再生能源已经进入快速开展时期。

2009年中国可再生能源在一次性能源消费构造中所占的比例已从2008年的8％提升至9％。

根据中国国家能源局制定的?

新能源产业振兴开展规划?

，预计到2011年，新能源在能源构造中的占到的比重到达2％（含水电为l％），新能源发电容量占总电力装机容量的比重将会到达5％（含水电为25％）。

其中风电装机容量将会到达3500万千瓦（陆地风电3000万千瓦，海上风电500万千瓦），太阳能发电装机容量到达200万千瓦[2]。

除此之外，根据（2008年中国风电开展报告?

的预测，估计到2020年末，全国风电开发建立总规模有望到达1亿kW。

到2020年全国可再生能源利用总量将相当于6亿吨标准煤，可再生能源的消费占一次能源消费的15％，这将对中国能源构造调整，减少温室气体排放，保护生态环境将发挥更大作用。

2.风光互补发电系统的特点及优越性

风光互补发电系统是由风力发电、太阳能电池发电、储能设备组成的；其系统能量输出是由风力发电机组发电和光伏发电共同提供的，即系统是以风能和太阳能作为动力源泉，系统的特点由风能与太阳能的特点决定[3]。

2.1太阳能、风能优缺点

近些年来，国外大力开展风能和太阳能，优化能源构造是新世纪的趋势，与常规能源相比风能和太阳能有以下优点[4]：

（1）取之不尽、用之不竭

照射在地球上的太阳能非常巨大，大约40分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年能量的消费。

可以说，太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。

风能是地球外表大量空气流动所产生的动能。

据估计，全球的风能约为2.74*109MW，其中可利用的风能为2*107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍，这相当于目前全世界每年所消耗能量的3000倍。

如果能够充分利用风能，对于解决全球的能源需求将具有十分重要的意义。

（2）使用方便

在地球上，太阳能和风能处处皆有，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不兴旺的农村、海岛和遥远地区更具有利用价值。

（3）环境污染小

太阳能和风能是一种清洁能源，在开发利用时，不会产生废渣、废水、废气和噪音，更不会影响生态平衡，不会造成污染和公害。

太阳能和风能虽然存在上述一些优点，但是也有缺乏之处：

（1）能量密度低

太阳能和风能相对于火电、水电、核电等传统能源，其能量密度偏低，对于太阳能发电需要足够的受热面积，而风力发电机如果要提高输出功率，那么必须要增加风轮的尺寸和整个风场的规模，才能到达我们所需要的电量，这都需要占用大面积土地资源。

（2）间歇性、不稳定性和不可控性

传统能源我们可以根据需求来调节供给，而太阳能只有在晴天和白天时才能，风机只有在风力到达要求时才能发电，且根据风速的大小风机输出的电量也随时都在变化，太阳能和风能的这种间性和不稳定性直接导致了不可控性，所以要有效利用太阳能和风能，储能是必不可少的。

由于这些不利的因素，太阳能或风能单独的经济可靠地使用就遇到许多技术问题。

随着科学技术的开展，将太阳能和风能综合利用，组成一个互补系统成为一种实用的方式，使得我们可以更加稳定可靠经济合理地使用这无穷无尽的风光资源。

2.2我国太阳能、风能资源简介

根据国家气象科学院的估算，中国陆地10m高度层可利用的风能为2.53亿kW，50m高度层可利用的风能是10m高度层的2倍，陆上主要分布在、XX、、等省份，占据了我国80%的风能资源。

海上可利用的风能是陆地上的3倍，、、、是我国海上风能最丰富的省份，全国近海10km资源量到达19亿kW，我国风能资源非常丰富。

图1年平均风功率密度分布图

在中国，传统意义上的风电开发一直以来根本是以建立大型风电场为主，近些年来获批的工程也以大型风电场居多。

多位于远离用电负荷的西北、华北、东北地区。

截至到2010年底，我国全年风力发电新增装机达1600万千瓦，累计装机容量到达4182.7万千瓦，首次超过美国，跃居世界第一。

但是同期也仅占全国发电装机容量96219亿千瓦的4.35%。

我国陆地外表每年承受的太阳辐射能约为50*1018kJ，全国辐射总量中值为586kJ/cm2•a。

如果全部利用起来，可产生一万个三峡发电量。

年日照时数大于2000小时的地区面积约占全国总面积的2/3以上，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区，主要分布在，、、XX、南部、、、、西部、中部和西南部、东南部、东南部、岛等广区。

图2太阳能资源分布图

由于我国特殊的地理条件，地域辽阔，地形复杂，因此独立运行的风光互补离网发电设备得以广泛应用，成为电网无法到达或电网延伸不经济地区的重要发电手段。

此举，可以节约能源，改善环境，缓解电力供给紧状况，对转变经济增长方式，促进国民经济诸多领域的低碳模式的开展具有很重要的应用价值。

2.3风光互补发电系统的优势

风光互补发电系统主要由以下几局部子系统构成：

风力发电机组和光伏电板组成的发电系统；蓄电池按照串并排行组成的蓄能系统；电缆、整流器、逆变器、开关等组成电量传输系统；控制器、电压电流检测器等组成的控制系统；交流电器、直流电器组成的负载系统。

风光互补发电系统的实物示意图见图3。

图3风光互补发电系统实物图

风光互补发电系统根据风力和太阳辐射变化情况，可以在以下三种模式下运行：

风力发电机组单独向负载供电；光伏发电系统单独向负载供电；风力发电机组和光伏发电系统联合向负载供电。

其具有以下几方面优、缺点[5]：

优点：

（1）利用风能和太阳能的互补特性，对气象资源可以更加充分的利用，实现昼夜发电。

在一定的气象条件下，风光系统可以提高系统供电的连续性、可靠性和稳定性。

（2）风光互补发电系统的初期投资和发电本钱都低于独立的光伏发电系统。

如果风能和太阳能资源互补性比拟好，在保证同样供电的情况下，可以大大减少用于储能的蓄电池的容量。

（3）在风能和太阳能比拟丰富并且互补性好的情况下，根本上完全可以由风光发电系统进展供电，很少或根本不用启动备用电源，可以获得更好的社会效益和经济效益。

缺点：

（1）风光互补发电系统与单一的光伏发电系统或风力发电系统相比，对系统的控制管理要求更高，系统设计比拟复杂；

（2）风光互补发电系统有两种类型的发电单元，与单一风力或光伏发电系统相比，增加了维护工作难度和工作量。

2.3国外研究现状

1981年，丹麦的N．E．Busch等提出了利用太阳能和风力互补的技术问题。

随后美国的C．I．Aspliden研究了太阳能一风力互补转换系统的气象问题；前联的N．Aksarni等人根据概率原理，统计出近似的太阳能、风力潜力的估计值，为风光互补发电系统研究提供了科学的数据支持[6]。

国外在风光互补发电系统的研究主要集中于大型并网发电场及单独风力发电和单独太阳能光伏发电的方式，风光互补发电方面的研究比拟少，特别是对风光互补发电系统的动态稳定性分析较少，但也有一些初步的研究成果。

这些研究成果主要讨论的是微电网系统的稳定性问题[7-9]。

目前我国进展风光互补发电系统研究的单位很多，主要有中科院能源所、大学、农业大学、工业大学等。

其学以及农业大学对户用型风光互补系统的研究较为深入，提出了户用系统的容量配置方法；中科院能源所等单位提出了一套CAD的系统设计方法；工业大学在风光互补系统的控制领域较为突出和领先。

综合国外研究成果和研究方向，其中对离网型的中小型风光储互补发电系统主要容可归纳为以下几个主要方面：

1.系统的优化设计及稳定性能分析

1）以风光储互补发电系统的设备投入本钱作为经济优性目标，以供电系统的保证率为约束条件，对风力发电机、太阳能光伏电池以及蓄电池配置容量进展优化；

2）以安装地的气象数据为根底，通过建立系统的仿真模型对配置系统进展仿真计算，研究配置下的系统运行状念；

3）风光互补发电系统的经济性进展分析，以气象数据为依据，对不同系统配置下的度电本钱进展分析；

4）研究系统优化配置的计算方法，采用先进的智能算法参加到优化设计中，寻求更优化配置。

2.最大功率跟踪技术

最大功率跟踪是为了保证了太阳能光伏电池和风力发电机的输出功率为最大输出功率，使系统最大程度的利用风能和太阳能，提高互补系统的发电率，同时还具有增强系统的稳定性功能。

MPPT（MaximumPowerPointTracking）

对太阳能电池板与风力发电机的MPPT的跟踪方法研究有以下几种：

1）定电压法：

把不同同照强度和温度下的太阳能电池功率最大输出点的对应的电压认为是一条直线，电压法方法是一种近似的最大功率跟踪方法。

2）扰动法和爬坡法以及电导增量方法：

三种方法都需要对设定变化增量的大小，通过对本次状态输出和前一次或前两次状态的输出进展比照，从而MPPT跟踪。

两种方法都存在一个一样的缺点：

选用步长过小，会导致太阳能电池板长时间的滞留在低功率输出区；选用步长过大，会导致系统振动剧烈。

爬坡法与扰动法在环境变化迅速时，会发生误判。

3）智能控制算法：

智能控制算法是随着半导体功率器件、微处理器以及数字控制器的开展，近几年出现一些新的算法，例如：

滞环比拟法、最优梯度法、间歇扫描法跟踪、模糊逻辑法、神经网络预测法等。

智能控制通常控制算法复杂，要求微机配置高，本钱费用高，应用于工程实践的案例尚未见报道。

3.蓄电池充放电及能量管理

蓄电池的充放电管理直接关系到蓄电池寿命，直接影响系统的维护本钱，也是整个风光互补发电系统中的一个重要环节。

因而针对大多系统中采用的免维护铅酸蓄电池的管理成为研究的重点。

其中充放电控制和容量预测是其核心。

4.风光储互补发电系统的计算机仿真

国外相继开发出一些模拟光伏发电、风力发电及其互补发电系统性能的软件包，可以通过模拟不同系统的配置得到不同系统配置下的性能指标和供电本钱，得到系统最正确的配置。

其中科罗拉多州立大学（ColoradoStateUniversity）和美国国家可再生能源实验室（NationalRenewableEnergyLaboratory）合作开发的hybrid2应用软件[10]。

并网型风光储互补发电系统的研究现状，要研究容如下[11]：

（1）大规模电池储能系统工程应用及风电、光伏发电容量配比技术研究

（2）风光储互补发电系统电站智能协调监控系统和调度运行技术方案研究

（3）风光储互补发电系统防雷方案与接地优化设计

（4）风力发电电站、光伏电站功率预测预报技术研究

（5）风光储输电站功率联合预测系统研究与开发

（6）风光储输联合系统的仿真及并网后对系统平安稳定运行的影晌研究

3.风光互补发电系统的工作原理

独立运行风光互补发电系统主要设备有风力发电机组，太阳能电池，蓄电池，逆变器，负载构成，系统的特性将取决于风光互补发电系统的组成设备的特性，本节将初步对系统主要设备的根本原理与特性进展介绍。

3.1风力发电机组

风力发电机组是风光储互补发电系统的核心设备之一，其作用是对风能进展吸收和转化，最终输出电能。

从风力发电机组的构造上来看，其主要由风力机（风轮）、发电机、塔架或塔筒组成；从能量转换的角度考虑，风力发电机由风力机和发电机组成，风力机是利用其风轮对风能的捕捉吸收，完成风能到机械能的转化，发电机将风轮捕捉转化来的机械能转化电能。

因此风力发电机的功率输出特性是由风力机特性和发电机特性共同决定；其中风力机对风能的捕捉或吸收利用的能力通常用风轮风能利用系数Cp表示。

风轮风能利用系数是反映风力机对风能捕捉的能力指标，其表示为风轮捕捉的风能转化为的机械能与通过风轮截面积风能总量的比值，风轮风能利用系数求解模型通常采用不旋转的动量理论模，其型假设条件[12]：

1）气流是不可压缩的均匀定常流；2）风轮简化成一个桨盘；3）桨盘上没有摩擦力；4）风轮流动模型简化成一个单元留管；5）风轮前后远方的气流静压相等；6）轴向力沿桨盘均匀分布。

风力发电机组的输出特性是主要由两局部决定：

一局部是风力发电机的风轮：

另一局部是风力发电机的发电机。

风力机主要完成将风的动能转化为机械能，通过其风轮对风的动能捕捉吸收，完成机械能的转化，机械能通过齿轮箱等增速传动系统传递给风力发电机或直接传递给发电机，由发电机将转化后的机械能转换为电能。

3.2太阳能电池

太阳能电池的分类：

单晶硅太阳能电池、多晶硅电池、非晶硅太阳能电池、多元化合物太阳能电池。

其中多元化合物太阳能电池具有世界的最高水平的光电转化效率。

太阳能电池是将辐射到其外表光能转换为电能的设备，是太阳能发电的核心器件，其工作原理是光生伏效应。

太阳辐射的能量照射到太阳能电池板上外表时，电池板的PN结产生电子-空穴对，在太阳能电池的部电场力作用下，是光电子和空穴别离，造成太阳能电池的两端出现携带不同电量积聚的中心，即电池板的两端引出电线并接如电阻，组成一个闭合电路，那么会有电流从电阻中流过，从而获得电功率的输出。

太阳能电池发电功率输出是基于光生伏的效应，研究说明发现：

即使在太阳能辐射强度和太阳能电板组件温度一致的情况下，电池板功率输出是一种非线性的输出，电池板既不能等同于恒流源，也非恒压源。

在某一日照强度和温度下，太阳能电池输出电流-电压-功率的特性曲线如图4[13]。

温度和太阳能辐射强度都对太阳能电池组件输出特性有影响。

图4太阳能电池的电流-电压-功率特性曲线

3.3蓄电池组件

在独立运行的独立运行的风电系统多采用蓄电池蓄能的方式[14]，蓄电池蓄能有适应负荷动态变化特性好、充放电效率高等优点。

蓄电池在系统中的作用是在电量充裕时，将电量储存起来，短缺时将电量释放出来，改善系统的供电可靠性的同时也起着改善供电电能质量两个方面起着重要的作用。

目前市场上供给的蓄电池主要有碱性镍、蓄电池铅酸蓄电池。

其中铅酸蓄电池被誉为风力发电专用电池，也是使用最为广泛的一种蓄电池，具有容量较大、质量稳定、性能可靠的优点。

本文将采用铅酸蓄电池作为储能设备。

从目前蓄电池使用情况来看，普遍存在蓄电池容量下降过快，使用寿命短，甚至短短1-2年时间蓄电池的容量只有标称容量的30％-40％，甚至只有10％-20％。

而大局部蓄电池经过1-4年的运行，容量只有标称的50％左右，远远不能满足风光互补系统设计要求使用寿命。

影响蓄电池使用寿命的因素很复杂，造成蓄电池失效的模式有以下几个方面：

正极板腐蚀、严重失水、热失控、硫酸化。

3.4逆变器

逆变器是风光储互补发电系统的电能变换设备，是将直流电变换为交流电的设备。

其工作原理是利用半导体功率开关器件的开通与关断，实现直流电变换为交流电的一种电力电子设备。

其优点是变换效率高；缺点是变换输出波形较差，含有谐波，需要进展交流低通滤波器的滤波。

逆变器技术的开展可以分为三个阶段：

1956-1980年为传统开展阶段，该阶段的逆变器，以低速器为主，逆变器的开关频率较低，输出电压波形改善以多重叠加法为主，体积重量大，逆变效率较低。

1981-200年为高频化新技术阶段，该阶段逆变器开关器件以高速器件为主，逆变器的开关频率高，波形改善以PWM为主，体积重量小，逆变效率高，以正弦波逆变技术日益完善。

2000-至今高效低污染阶段，该阶段特点以逆变器的综合性能为主，低速开关与高速开关器件并用，多重叠加方法与PWM法并用，不偏向追求高速开关器件，高开关频率，高效环保的逆变器技术开场出现。

4.风光互补发电的应用前景

（1）缺电生活。

中国现有9亿人口生活在农村，其中5%左右目前还未能用上电。

在中国无电乡村往往位于风能和太阳能蕴藏量丰富的地区。

因此利用风光互补发电系统解决用电问题的潜力很大。

采用已到达标准化的风光互补发电系统有利于加速这些地区的经济开展，提高其经济水平。

另外，利用风光互补系统开发储量丰富的可再生能源，可以为广阔遥远地区的农村人口提供最适宜也最廉价的电力效劳，促进贫困地区的可持续开展。

我国已经建成了千余个可再生能源的独立运行村落集中供电系统，但是这些系统都只提供照明和生活用电，不能或不运行使用生产性负载，这就使系统的经济性变得非常差。

可再生能源独立运行村落集中供电系统的出路是经济上的可持续运行，涉及到系统的所有权、管理机制、电费标准、生产性负载的管理、电站政府补贴资金来源、数量和分配渠道等等。

但是这种可持续开展模式，对中国在的所有开展中国家都有深远意义。

（2）室外应用。

世界上室外照明工程的耗电量占全球发电量的12%左右，在全球日趋紧的能源和环保背景下，它的节能工作日益引起全世界的关注。

根本原理是：

太阳能和风能以互补形式通过控制器向蓄电池智能化充电，到晚间根据光线强弱程度自动开启和关闭各类led室外灯具。

智能化控制器具有无线传感网络通讯功能，可以和后台计算机实现三遥管理（遥测、遥讯、遥控）。

智能化控制器还具有强大的人工智能功能，对整个照明工程实施先进的计算机三遥管理，重点是照明灯具的运行状况巡检及故障和防盗报警。

（3）道路照明。

车行道路照明工程（快速道/主干道/次干道/支路）；小区（广义）道路照明工程（小区路灯/庭院灯/草坪灯/地埋灯/壁灯等）。

目前已被开发的新能源源室外照明工程有：

风光互补LED智能化路灯、风光互补LED小区道路照明工程、风光互补LED景观照明工程、风光互补LED智能化隧道照明工程、智能化LED路灯等。

（4）航标应用。

我国局部地区的航标已经应用了太阳能发电，特别是灯塔桩，但是也存在着一些问题，最突出的就是在连续天气不良状况下太阳能发电缺乏，易造成电池过放，灯光熄灭，影响了电池的使用性能或损毁。

冬季和春季太阳能发电缺乏的问题尤为严重。

天气不良情况下往往是伴随大风，也就是说，太阳能发电不理想的天气状况往往是风能最丰富的时候，针对这种情况，可以用以风力发电为主，光伏发电为辅的风光互补发电系统代替传统的太阳能发电系统。

风光互补发电系统具有环保、无污染、免维护、安装使用方便等特点，符合航标能源应用要求。

在太阳能配置满足春夏季能源供给的情况下，不启动风光互补发电系统；在冬春季或连续天气不良状况、太阳能发电不良情况下，启动风光互补发电系统。

由此可见，风光互补发电系统在航标上的应用具备了季节性和气候性的特点。

事实证明，其应用可行、效果明显。

（5）监控电源。

目前，高速公路道路摄像机通常是24小时不连续运行，采用传统的市电电源系统，虽然功率不大，但是因为数量多，也会消耗不少电能，采用传统电源系统不利于节能；并且由于摄像机电源的线缆经常被盗，损失大，造成使用维护费用大大增加，加大了高速公路经营单位的运营本钱。

应用风光互补发电系统为道路监控摄像机提供电源，不仅节能，并且不需要铺设线缆，减少了被盗了可能，有效防盗。

但是我国有的地区会出现恶劣的天气情况，如连续灰霾天气，日照少，风力达不到起风风力，会出现不能连续供电现象，可以利用原有的市电线路，在太阳能和风能缺乏时，自动对蓄电池充电，确保系统可以正常工作。

（6）通信应用。

目前国许多海岛、山区等地远离电网，但由于当地旅游、渔业、航海等行业有通信需要，需要建立通信基站。

这些基站用电负荷都不会很大，假设采用市电供电，架杆铺线代价很大，假设采用柴油机供电，存在柴油储运本钱高，系统维护困难、可靠性不高的问题。

要解决长期稳定可靠地供电问题，只能依赖当地的自然资源。

而太阳能和风能作为取之不尽的可再生资源，在海岛相当丰富，此外，太阳能和风能在时间上和地域上都有很强的互补性，海岛风光互补发电系统是可靠性、经济性较好的独立电源系统，适合用于通信基站供电。

由于基站有基站维护人员，系统可配置柴油发电机，以备太阳能与风能发电缺乏时使用。

这样可以减少系统中太阳电池方阵与风机的容量，从而降低系统本钱，同时增加系统的可靠性。

（7）电站应用。

风光互补抽水蓄能电站是利用风能和太阳能发电，不经蓄电池而直接带动抽水机实行补丁时抽水蓄能，然后利用储存的水能实现稳定的发电供电。

这种能源开发方式将传统的水能、风能、太阳能等新能源开发相结合，利用三种能源在时空分布上的差异实现期间的互补开发，适用于电网难以覆盖的遥远死区，并有利于能源开发中的生态环境保护。

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