風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)研究綜述

冮明穎 魯寶春 姜丕杰

（遼寧工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 錦州121001）

0 引言

能源與環(huán)境問(wèn)題是當(dāng)今世界所面臨的兩大主要問(wèn)題，并日益引起社會(huì)的廣泛關(guān)注。用潔凈的可再生能源取代常規(guī)能源，是世界能源發(fā)展的必然趨勢(shì)。風(fēng)能和太陽(yáng)能作為一種天然能源，以其蘊(yùn)藏量豐富、清潔無(wú)污染、可開(kāi)發(fā)利用而受到世界各國(guó)的高度重視。我國(guó)地域遼闊，風(fēng)能資源十分豐富，僅次于俄羅斯和美國(guó)，居世界第三位。我國(guó)太陽(yáng)能資源也非常豐富，理論儲(chǔ)量每年達(dá)1．7×104億t標(biāo)準(zhǔn)煤，大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在4 k W·h／m2以上。

風(fēng)能和太陽(yáng)能是目前全球在新能源利用方面最具規(guī)模和最成熟的發(fā)展行業(yè)，它們都是無(wú)污染、取之不盡用之不竭的可再生能源，且成本低、效率高。但單獨(dú)的風(fēng)能和單獨(dú)的太陽(yáng)能利用都存在各自的弊端，眾所周知，風(fēng)能和太陽(yáng)能在時(shí)間和地域上存在著天然的互補(bǔ)性，若將這2種新能源有效地結(jié)合利用，可彌補(bǔ)風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能光伏獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)各自在資源利用上的缺陷，既可實(shí)現(xiàn)供電的穩(wěn)定性和可靠性，又能降低發(fā)電成本。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)就是將風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電組合起來(lái)所構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)。但最初的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，只是簡(jiǎn)單地將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)組合在一起，由于技術(shù)等方面的原因，其沒(méi)有得到很好的發(fā)展。近幾年，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)日臻完善，為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展及推廣奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。所以風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電具有十分廣闊的發(fā)展前景，并且已受到許多國(guó)家的關(guān)注與重視。

1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成

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、交直流負(fù)載等部分組成，如圖1所示。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)，可以劃分成4大環(huán)節(jié)，即發(fā)電部分、儲(chǔ)能部分、控制部分及逆變部分。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1．1 發(fā)電部分

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和光伏電池組是該系統(tǒng)的發(fā)電部分。風(fēng)力發(fā)電部分是先利用風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能；光伏發(fā)電部分是利用太陽(yáng)能電池板的光生伏打效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)換成電能。在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)能和太陽(yáng)能可以獨(dú)立發(fā)電也可以混合共同發(fā)電，具體要采用哪種發(fā)電形式，主要取決于當(dāng)?shù)氐淖匀毁Y源條件和發(fā)電的綜合成本。通常情況下，在風(fēng)能資源較豐富的地區(qū)宜采用風(fēng)能發(fā)電，而在光照較好的地區(qū)宜采用光伏發(fā)電。就成本而言，風(fēng)能發(fā)電的綜合成本要遠(yuǎn)低于太陽(yáng)能光伏發(fā)電的綜合成本。所以，根據(jù)風(fēng)能和太陽(yáng)能在時(shí)間和地域上的互補(bǔ)性，合理地將二者進(jìn)行最佳匹配，既可實(shí)現(xiàn)供電的可靠性，又能降低發(fā)電系統(tǒng)的綜合成本。

1．2 儲(chǔ)能部分

由于風(fēng)能和太陽(yáng)能的不穩(wěn)定性和間歇性，供電時(shí)會(huì)出現(xiàn)忽高忽低、時(shí)有時(shí)無(wú)的現(xiàn)象。為了保證系統(tǒng)供電的可靠性，應(yīng)該在系統(tǒng)中設(shè)置儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，把風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)或太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能儲(chǔ)存起來(lái)，以備供電不足時(shí)使用。目前，最經(jīng)濟(jì)方便的儲(chǔ)能方式是采用鉛酸蓄電池儲(chǔ)能，在系統(tǒng)中蓄電池除了將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，使用時(shí)再將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能釋放出來(lái)外，還起到能量調(diào)節(jié)和平衡負(fù)載的作用。

1．3 控制部分

控制部分主要是根據(jù)風(fēng)力大小、光照強(qiáng)度及負(fù)載變化情況，不斷地對(duì)蓄電池組的工作狀態(tài)進(jìn)行切換和調(diào)節(jié)。風(fēng)光互補(bǔ)控制器，是整個(gè)系統(tǒng)中最重要的核心部件，一般采用PWM無(wú)極卸載方式對(duì)蓄電池進(jìn)行管理與控制，一方面把調(diào)節(jié)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儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)發(fā)電量不能滿(mǎn)足負(fù)載需要時(shí)，控制器把蓄電池儲(chǔ)存的電能送給負(fù)載。在這一過(guò)程中，控制器要控制蓄電池不被過(guò)充或過(guò)放，從而保證蓄電池的使用壽命，同時(shí)也保證了整個(gè)系統(tǒng)工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

1．4 逆變部分

由于蓄電池輸出的是直流電，因此只能給直流負(fù)載供電。而在實(shí)際生活和生產(chǎn)中，用電負(fù)載有直流負(fù)載和交流負(fù)載2種，當(dāng)給交流負(fù)載供電時(shí)，必須將直流電轉(zhuǎn)換成交流電提供給用電負(fù)載。逆變器就是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的裝置，也是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的核心部件之一，系統(tǒng)對(duì)其要求很高。此外，逆變器還具有自動(dòng)穩(wěn)壓的功能，可有效地改善風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。

2 設(shè)計(jì)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)應(yīng)注意的問(wèn)題

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電兩者的完美結(jié)合，但由于這2種能源都受氣象條件的影響，所以在進(jìn)行風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下問(wèn)題：

（1）由于風(fēng)能和太陽(yáng)能具有不確定性和間歇性，因此會(huì)導(dǎo)致發(fā)電與用電負(fù)荷間的不平衡問(wèn)題。為了保證系統(tǒng)供電的不間斷性和穩(wěn)定性，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中必須設(shè)置蓄電池進(jìn)行儲(chǔ)能。由于蓄電池只能承受一定的充電電壓和浮充電壓，過(guò)充和過(guò)放都會(huì)對(duì)蓄電池造成嚴(yán)重危害，影響蓄電池的使用壽命，這樣不但降低了系統(tǒng)的可靠性，也提高了整個(gè)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行成本，所以如何延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命是風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)中比較關(guān)鍵的問(wèn)題。

（2）風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)受氣象條件影響較大，所以要充分調(diào)研安裝地區(qū)的光能和風(fēng)能資源以及當(dāng)?shù)氐呢?fù)荷情況，選擇合適的發(fā)電形式——或以風(fēng)能為主光伏發(fā)電為輔，或以光伏發(fā)電為主風(fēng)力發(fā)電為輔。應(yīng)選擇最佳的容量配比，以降低系統(tǒng)的投資成本和綜合造價(jià)。

（3）風(fēng)能和太陽(yáng)能在時(shí)間和地域上存在互補(bǔ)，這就要求我們能夠控制這2種發(fā)電系統(tǒng)的能量輸出，使其能夠向負(fù)載輸出最大功率。

（4）目前，我國(guó)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要采用直流母線(xiàn)，但在日常生活和生產(chǎn)中，大多數(shù)負(fù)載為交流負(fù)載，所以在給交流負(fù)載供電時(shí)，就要利用逆變器將太陽(yáng)能電池組件產(chǎn)生的直流電或蓄電池釋放的直流電轉(zhuǎn)化為負(fù)載所需要的交流電。逆變器是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，系統(tǒng)對(duì)逆變器的要求很高，功能強(qiáng)大的逆變器應(yīng)具有數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)保護(hù)、效率追蹤、通訊等功能。如果在并網(wǎng)系統(tǒng)中，還要求逆變器具有同電網(wǎng)連接的功能。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)逆變器的研究尚處于探索階段。

3 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用前景

為了推動(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)，政府不斷推出扶持政策來(lái)促進(jìn)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展。在我國(guó)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要應(yīng)用在偏遠(yuǎn)農(nóng)村、LED路燈照明系統(tǒng)、高速公路監(jiān)控系統(tǒng)、航標(biāo)、抽水儲(chǔ)能電站及通信基站等方面。

4 結(jié)語(yǔ)

相對(duì)于單一的風(fēng)力發(fā)電或太陽(yáng)能光伏發(fā)電，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能和太陽(yáng)能的有效結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供電的不間斷性。目前，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)的研究仍在不斷深入，隨著其技術(shù)的日益成熟與完善，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電必將成為未來(lái)最具潛力、最有開(kāi)發(fā)利用價(jià)值的發(fā)電模式。

［1］中國(guó)投資咨詢(xún)網(wǎng)．2008年中國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)分析及投資咨詢(xún)報(bào)告［R］，2008

［2］普子恒，倪浩，黃楊玨．淺析風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)及其應(yīng)用前景［J］．科協(xié)論壇，2009（6）

［3］周志敏，紀(jì)愛(ài)華．風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電實(shí)用技術(shù)——工程設(shè)計(jì) 安裝調(diào)試 運(yùn)行維護(hù)［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2011