風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)的發(fā)展與研究

李冰 朱佳偉 郭豐杰 應(yīng)赫鋒 吳晗 尹航仁 張倫

【摘 ? ?要】本文通過(guò)介紹風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r和小型風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理，闡明了風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)的科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)光互補(bǔ)照明 風(fēng)力發(fā)電 ?光伏 ?DC/DC ?蓄電池

中圖分類(lèi)號(hào)：G4 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2015.12.210

一、風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r研究

隨著科技的進(jìn)步、社會(huì)的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)能源的需求不斷增大。伴隨著煤炭、石油等傳統(tǒng)能源的持續(xù)開(kāi)發(fā)與使用，能源危機(jī)、氣候變遷已經(jīng)嚴(yán)重的影響了人們的生產(chǎn)生活，各國(guó)政府不斷出臺(tái)節(jié)能減排的方案措施。清潔可再生新能源受到了人們的普遍重視。風(fēng)能和太陽(yáng)能都屬于清潔可再生新能源，而且潛力巨大。單單是太陽(yáng)光就可以滿(mǎn)足全世界2850倍的能源需求;風(fēng)能可滿(mǎn)足全世界200倍的能源需求，可現(xiàn)實(shí)情況是清潔可再生能源實(shí)際利用率很低，還需要人們繼續(xù)研究開(kāi)發(fā)。

近年來(lái)，世界各國(guó)關(guān)于風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)的研究方興未艾。加拿大的Rajesh Karki（University of Saskatchewan）等人指出根據(jù)負(fù)載和風(fēng)/光資源條件合理配置發(fā)電系統(tǒng)是降低發(fā)電成本、提高系統(tǒng)可靠性的重要途徑。希臘的E.Koutroulis（TechnicaUniversity of Crete）等人提出風(fēng)/光互補(bǔ)發(fā)電比單獨(dú)風(fēng)力發(fā)電或單獨(dú)光伏發(fā)電更經(jīng)濟(jì)有效。澳大利亞B.D.Shakya（Universityof Melbourne）等人設(shè)計(jì)了一種采用壓縮氫氣儲(chǔ)能的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性作了分析。

目前，我國(guó)風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)主要應(yīng)用于城市亮化工程中，特別是風(fēng)光互補(bǔ)路燈的大量安裝使用。和傳統(tǒng)的路燈相比，風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì)：節(jié)能減排，節(jié)約環(huán)保，無(wú)后期大量電費(fèi)支出;免除電纜鋪線工程，無(wú)需大量供電設(shè)施建設(shè);個(gè)別損壞不影響全局，不受大面積停電影響;節(jié)約大量電纜開(kāi)銷(xiāo)，更免受電纜被盜的損失;智能控制，免除人工操作，施工簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。在新能源照明市場(chǎng)欣欣向榮的局面下，還是有一些亟待解決的問(wèn)題：故障率高、燈光亮度低、人為損壞嚴(yán)重、維修不及時(shí)等，有些客戶(hù)甚至提出以后再也不敢用新能源路燈了。如果這些問(wèn)題得不到及時(shí)解決，勢(shì)必影響到整個(gè)市場(chǎng)的健康發(fā)展。

二、風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)的優(yōu)越性

風(fēng)的大小和方向瞬息萬(wàn)變，因此風(fēng)的脈動(dòng)、日變化、季節(jié)性變化都十分明顯，波動(dòng)很大，風(fēng)能具有不穩(wěn)定的特點(diǎn)。太陽(yáng)能受晝夜、季節(jié)、天氣狀況影響較大，屬于不連續(xù)非穩(wěn)定性能源。我國(guó)北方地區(qū)風(fēng)能源“冬季大夏季小，夜間大白天小”，太陽(yáng)能正與之相反，所以有效利用風(fēng)能和太陽(yáng)能的互補(bǔ)性，能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。也正是由于太陽(yáng)能和風(fēng)能具有這樣的特點(diǎn)，風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)比單一利用其中一種能源的照明系統(tǒng)更科學(xué)、更經(jīng)濟(jì)、更實(shí)用。

三、小型風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)原理與研究

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、整流器、光伏陣列、DC/DC功率變換器、蓄電池、超級(jí)電容、逆變器、控制器及交直流多用戶(hù)負(fù)載等組成，如圖3.1所示。

圖3.1 ?風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

運(yùn)行機(jī)理如下：風(fēng)輪將風(fēng)能通過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)原理轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)永磁式交流發(fā)電機(jī)發(fā)出與風(fēng)速成一定關(guān)系的交流電，經(jīng)整流變成直流電，并經(jīng)DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤;光伏陣列將太陽(yáng)能通過(guò)光生伏特效應(yīng)轉(zhuǎn)換成直流電，通過(guò)DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。二者皆通過(guò)控制器控制而接入直流母線上，給蓄電池供電;蓄電池連接在直流母線上，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏陣列輸出的電能除供給負(fù)載還有剩余時(shí)，蓄電池將這些電能儲(chǔ)存;當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏電池輸出電能不足以滿(mǎn)足負(fù)載要求時(shí)，則由蓄電池向其供電。控制器實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤、蓄電池的充放電及保護(hù)顯示等功能。從能量角度看，整個(gè)系統(tǒng)包括能量產(chǎn)生、存儲(chǔ)、消耗三個(gè)環(huán)節(jié)。

四、風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)發(fā)展展望

研究高效風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)從短期來(lái)看雖然增加了照明系統(tǒng)的成本，但其性能大大提高了;從長(zhǎng)期來(lái)看對(duì)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的改善有著積極的作用。目前我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤炭消費(fèi)仍然占到70%，風(fēng)能和太陽(yáng)能綠色環(huán)保可再生，是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)該大力提倡。而且隨著該領(lǐng)域研究的深入，高效風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比會(huì)越來(lái)越高，用戶(hù)的認(rèn)可度也會(huì)逐步提高。綜上，鑒于目前國(guó)家政策的大力扶持和廣闊的市場(chǎng)前景，適時(shí)開(kāi)展研究，搶占先機(jī)，其未來(lái)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益是無(wú)法估量的。

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