風光互補發電系統在65 m 鋼質躉船上的應用

張元橋

(江西省港航管理局上饒分局，江西上饒333100)

0 引言

與傳統的化石燃料(煤、石油、天然氣)相比，太陽能和風能不會對環境及生態系統造成污染和破壞，使用方便且安全，屬于可再生能源，可以無限使用，因此，20世紀80年代開始，世界上很多科研工作者開始對風光互補發電工程進行了重點研究。我國自2004年在廣東省南澳島建成了國內第一個并網運行風光互補示范電站以來，國內多家電力公司開始把市場放在了風光互補發電項目上來，所以目前我國風光互補發電系統技術已經處于較成熟的階段，該技術已經被廣泛應用于偏遠地區缺乏電力的村落、通信基站、路燈、躉船等地區。風光互補發電系統是結合了風能發電和太陽能發電的一項綜合技術，其基本原理是太陽能和風能以其在時間、空間上的互補特性，通過控制器向蓄電池智能化充電，再通過逆變器轉化設備，將蓄電池存儲的電能提供給負載，滿足日常生產生活用電需要。

風光互補發電躉船是風光互補發電系統一個成功應用的典型案例，這種技術非常適合在偏遠地區湖泊的躉船上使用。本文確定了風光互補發電系統的各個組成部分，對太陽能發電系統及風力發電系統的的工作原理和特性做了詳細的分析和探討，最后總結了風光互補發電系統在躉船上的實際應用。

1 風光互補發電系統

圖1是風光互補發電系統的簡易構造圖，它主要由太陽能光伏組件陣列模塊、風力發電機模塊、智能控制器、蓄電池、逆變器等部分組成。光伏組件和風力發電機組共同工作來滿足負載的需求。當組件和風機產生的電量在滿足負載需求后，多余的電量將存儲在蓄電池中，直到充滿;相反，當光伏組件和風機組的發電量不足時，蓄電池將輔助它們來滿足負載的需求直到電量用盡，從而保證了發電系統的整體穩定性和連續性。

圖1 風光互補發電系統簡易構造圖

1.1 光伏組件陣列模塊

太陽能電池是由能將太陽轉變成電能的硅半導體材料組成的。典型的太陽電池本質是一個大面積的發光二極管，它利用光生伏打效應原理將太陽能轉變成電能。當太陽光照射到電池板上并被吸收時，能量寬度大于禁帶寬度Eg的光子把價帶中的電子激發到導帶上形成自由電子，價帶中留下帶正電的自由空穴，即電子-空穴對;自由電子和空穴不斷的運動，擴散到P-N結的空間電荷區域，被該區的內建電場分開，電子擴散到N型一側，空穴擴散到P型一側，從而在電池上下表面形成正負電荷積累，產生光生電壓。若在電池兩側引出電極并接上負載，負載中就有光生電流通過，得到電能，這就是硅基太陽電池發電的基本原理，如圖2所示。它的等效電路由電流源、二極管和一系列的串聯電阻和并聯電阻組成，如圖3(a)所示，圖3(b)是它的簡化等效電路圖。圖 3 中，Rs、Rsh、RL為電阻，Isc、ID、IL為電流，Vpv是太陽電池的工作電壓。

圖2 太陽電池的工作原理

圖3 光伏電池電路圖

電流源根據太陽輻射能和熱能產生電能［1，2］，產生的電流Ipv可以用式(1)表示:

太陽電池的輸出功率為:

式中:ipv、vpv分別為電池輸出端的電流和電壓;Iph為光生電流;Ip為一系列電阻的輸出電流;q代表電子電荷，q=1.38×10-23J/K;T為外界溫度;Ipv為電池的輸出電流。

I-V曲線表現了通過太陽能電池板輸出的最大工作電流和最大工作電壓在一定太陽電池輻射條件下的關系，如圖4所示。圖中給出了電池組件在200、400、600、800、1 000 W/m2光照條件下的 I-V 和P-V特性曲線。圖4中，太陽光照條件越好，組件的輸出功率越高;當光照強度為1 000 W/m2時，組件的輸出功率最高可達250 W。

1.2 風力發電模塊

風力發電機發電的基本原理是利用風能帶動風機葉片旋轉，再通過增速器將旋轉的速度提高來促使發電機發電，通過控制器對蓄電池充電。風力發電機的輸出功率與風速有很大的關系，輸出功率的計算公式為:

風機力矩等于

式中:Pt為輸出功率;Tt為風機力矩;Cp為風能利用系數;ρ為空氣密度;A為掃風面積;ωm為風輪角速度;V為風速;λ為尖速比，其中，λ=wR/V，w為風機渦輪轉速，R為風葉半徑。

圖4 電流和電壓以及功率和電壓關系曲線圖

輸出功率與風速之間的變化關系如圖5所示，當風速高于3 m/s時，風輪即轉動;4～9 m/s風速下，風輪旋轉槳葉受離心錘作用，其角度隨轉速變化，跟蹤在利于加速的高升阻比狀態，風輪保持高效平穩運行;當風速繼續增大，風輪轉速提高，槳葉在離心錘的作用下，向負角轉變，迫使風輪恢復并維持在額定轉速附近運行，最高轉速不超過370 r/min。

2 風光互補發電系統在躉船上的實際應用

65 m鋼質躉船位于鄱陽湖蛤蟆石水域。經調研，此地區位于長江中下游地區，具有較好的風力條件和太陽輻射條件，采用風光互補發電系統完全可以滿足躉船負荷供電要求，因此，在65 m鋼質躉船可成功安裝風光互補發電系統。

2.1 安裝實例

根據躉船圖紙，結合躉船實際情況，在不影響躉船結構和美觀的條件下，系統的安裝方式如下:

(1)組件陣列安裝在躉船頂部，共88塊組件分2列安裝，每列44塊電池組件。考慮到當地的日照情況，為了使組件更好地被太陽光吸收利用，光伏矩陣的安裝角度與地面呈35°。

圖5 風機輸出功率曲線圖

(2)風機安裝在躉船兩端位于首層甲板下的船艙底層上，風機桿通過焊接與船艙底層上的風機底座相連。船底鋼結構按照要求進行了加固處理，中部與3層甲板結構經過轂相連，風機安裝總高度距離首層甲板大約15 m，風機底座裝有調平裝置，可使風機桿與船底保持平衡。

(3)智能控制器安裝在配電室內，共有4個風機控制器和1個太陽電池控制器。為了安全起見，在控制器與蓄電池之間各配有1個斷路器，控制器與斷路器都是通過支架焊接在室內墻壁上。

(4)蓄電池安放在1層的充電間內，靠中間兩側放置，電池總面積約為5 m2。蓄電池用支架固定分2層安裝，底部加固處理，防止波浪或者靠岸時對船體的撞擊造成蓄電池滑落。

2.2 效益分析

以燃燒煤炭的火力發電為例，計算采用風光互補發電系統帶來的節電減排效益。根據專家統計:每節約1度(kWh)電，就相應節約了0.4 kg標準煤，同時減少污染排放0.272 kg碳粉塵、0.997 kg二氧化碳、0.03 kg二氧化硫、0.015 kg氮氧化物。測量數據表明，65 m鋼質躉船安裝風光互補離網發電系統之后，每天的發電量可達60 kWh。利用以上數據可以算出躉船每年可以節省電費約1.3萬元，節省用標準煤8.8 t，同時可減少污染排放約6 t碳粉塵，22 t二氧化碳、0.7 t二氧化硫、0.3 t氮氧化物。

3 結論及展望

風光互補發電躉船是風光互補發電系統的一個典型應用，效益分析結果表明，該技術具有明顯的社會效益和經濟效益。傳統的風力和太陽能單獨發電受到風、光資源的影響較大，不能滿足躉船的供電需求。但風光互補發電系統可以優勢互補，彌補了風力和太陽能單獨發電自身存在的缺陷，是新能源綜合開發與利用的完美結合。

我國幅員遼闊，具有豐富的太陽能［3］和風能［4］。目前，雖然太陽能電池和風力發電的成本隨著技術的提高和改進不斷降低，但是對于偏遠的貧困地區來說成本還是相對較高。為了使風光互補發電技術更快更早更廣泛的應用，還需要進一步降低太陽能電池和風力發電的成本。

［1］ 王崢，任毅.我國太陽能資源的利用現狀與產業發展［J］.資源與產業，2010，12(2):89-92.

［2］ 陳忠斌，胡文華.電力電子技術在風力發電中的應用［J］.上海電力，2005，9(12):22-26.