風光互補發電系統在北京郊區應用的可行性研究

郝建華

摘要：隨著經濟的快速發展，能源消耗的逐年增加，不可再生的常規能源面臨日益枯竭的境況，迫切需要可再生的新型清潔能源。而風能與太陽能在眾多新型能源中潛力最大，也最具開發價值。由于太陽能與風能在時間上和地域上都有很強的互補性。綜合利用風能、太陽能的風光互補發電系統成為一種合理的能源系統。本文主要介紹了風光互補發電系統的結構和工作原理，分析了北京郊區太陽能風能資源和他們之間的互補性，總結出風光互補發電系統在郊區應用的優勢性、合理性和可行性。

關鍵詞：風光互補發電系統；互補；太陽能：蓄電池

一、風光互補發電系統在北京郊區應用的可行性研究背景

1.電已成為人們生活中最常用的動力來源，隨著人們生活水平的不斷提高和技術進步，人們對電的依賴越來越強，在遠離電網的地區，獨立供電系統就成為人們最需要的電源，近些年太陽能的應用已逐漸擴大，已廣泛用于城市太陽能光伏電源系統（SHS），水情監測用太陽能電源系統，鐵路的信號站，高速公路或森林的監控電源系統，屋頂光伏電源系統，公路照明等方面，偏遠的郊區農民更需要低成本高可靠性的獨立電源系統。

2.隨著石化燃料消耗的增長，環境日益惡化，資源日益匱乏，利用可再生的清潔能源成為解決中國資源和環境問題的必由之路。其中太陽能和風能是最具代表性的可再生能源，也是目前研究開發的重點。太陽能和風能在時間上的互補性使風光互補發電系統在資源上具有最佳的匹配性。風光互補發電系統成為邊遠地區資源條件最好的獨立電源系統，具有很好的應用前景。

3.北京農村地域廣闊，除居家環境用電，更多應用于蔬菜大棚、果園、養殖業、農家院等生產生活，這些用電負荷較小而且分散，通過大電網的延伸來供電很不現實。單獨太陽能發電系統，很大程度上受到時間天氣和地域的約束，很難實現全天候利用自然資源。風光互補發電系統利用了風能和太陽能優勢，順應了國家節能減排的政策，也解決了電網難以覆蓋的邊遠郊區的供電問題。

二、北京郊區風光發電的資源技術研究

1.資源的研究

一般生產用電負荷都不大，所以用電網送電“大材小用”，而只能在當地直接發電，最常用的就是采用柴油發電機，但柴油的儲運對偏遠郊區成本偏高，對環境的污染更難以消除，而且供給難以保障，所以柴油發電機只能作為一種短時的應急電源，要解決長期穩定可靠的供電問題，只能依賴當地的自然能源，太陽能和風能是最普遍的自然資源，也是取之不盡的可再生能源。

2.風光資源具有互補特性

根據北京郊區光能和風能資源及當地的用電負荷情況，將風能作為風光互補發電的主要指標。這主要是因為：①風能能量密度遠大于太陽能密度②風力發電的成本遠低于太陽能發電成本③風能的時空變化大而復雜，變率大，太陽能的時空變化規律性強，變率小。

太陽能與風能在時間上和地域上都有很強的互補性，白天太陽光最強時，風很小，晚上太陽落山后，光照很弱，但由于地表溫差變化大而風能加強，在夏季，太陽光強度大而風小，冬季，太陽光強度弱而風大，太陽能和風能在時間上的互補性使風光互補發電系統在資源上具有最佳的匹配性，風光互補發電系統是資源條件最好的獨立電源系統。

3.北京地區太陽能資源豐富。北京的緯度39.80度，斜面日均輻射量18035KJ/m2，晴天少雨。

4.技術的成熟性

光電系統是利用光電板將太陽能轉換成電能，然后通過控制器對蓄電池充電，最后通過逆變器對用電負荷供電的一套系統，該系統的優點是系統供電可靠性高，運行維護成本低，缺點是系統造價高。

風電系統是利用小型風力發電機，將風能轉換成電能，然后通過控制器對蓄電池充電，最后通過逆變器對用電負荷供電的一套系統，該系統的優點是系統發電量較高，系統造價較低，運行維護成本低，缺點是小型風力發電機可靠性低。

另外，風電和光電系統都存在一個共同的缺陷，就是資源的不確定性導致發電與用電負荷的不平衡，風電和光電系統都必須通過蓄電池儲能才能穩定供電，但每天的發電量受天氣的影響很大，會導致系統的蓄電池組長期處于虧電狀態，這也是引起蓄電池組使用壽命降低的主要原因。

由于太陽能與風能的互補性強，風光互補發電系統在資源上彌補了風電和光電獨立系統在資源上的缺陷，同時風電和光電系統在蓄電池組和逆變環節是可以通用的，所以風光互補發電系統的造價可以降低，系統成本趨于合理。

風光互補發電系統可以根據用戶的用電負荷情況和資源條件進行系統容量的合理配置，即可保證系統供電的可靠性，又可降低發電系統的造價，無論是怎樣的環境和怎樣的用電要求，風光互補發電系統都可作出最優化的系統設計方案來滿足用戶的要求，應該說，推廣風光互補發電系統的最大障礙是小型風力發電機的可靠性問題。

幾十年來，可靠性問題一直沒有得到解決，長期以來出于成本上的考慮，先進的液壓控制技術沒有在小型風力發電機的限速保護上采用，只是根據空氣動力學原理，采用簡單的機械控制方式對小型風力發電機在大風狀態下進行限速保護，機械限速結構的特點是小型風機的機頭或某個部件處于動態支撐的狀態，這種結構在風洞試驗的條件下，可以反映出良好的限速特性，但在自然條件下，由于風速和風向的變化太復雜，而且自然環境惡劣，小型風力發電機的動態支撐部件不可避免的會引進振動和活動部件的損壞，從而使機組損壞。

目前最好的小型風力發電機只保留了三個運動部件，一是風輪驅動發電機主軸旋轉，二是尾翼驅動風機的機頭偏航，三是為大風限速保護而設的運動部件，前兩個運動部件的不可缺少的，這也是風力發電機的基礎，實踐中這兩個運動部件故障率并不高，主要是限速保護機構損壞的情況多，要徹底解決小型風力發電機的可靠性問題必須在限速方式上有最好的解決方法。

三、風光互補發電系統簡介

所謂風光互補發電系統就是指將太陽能和風能聯合起來、使二者優劣互補進行發電的發電系統。

1.系統結構及原理

典型風光互補發電系統主要由風力發電機組、光伏陣列、控制器、蓄電池組、泄荷器、逆變器、直流交流負載等部分組成。

（1）風力發電機組利用風力機將風能轉化為機械能，然后利用風力發電機將機械能轉換為電能。此時的電能為交流形式且電壓不穩定，所以必須通過整流器整流。然后通過控制器給蓄電池充電，直接給直流負載供電，經過逆變器對交流負載供電。

（2）光伏陣列是由若干太陽電池板串聯、并聯構成，利用光電轉換原理使太陽的輻射光通過半導體物質轉變為電能。此時的電能為直流形式，可以通過控制器向蓄電池充電，并給交流、直流負載供電。

（3）蓄電池在風光互補發電系統中起著儲存和調節電能的作用，由多塊蓄電池組成。當日照充足或風力很大而導致產生的電能過剩時，蓄電池將剩余的電能轉變成化學能儲存起來；當風力、日照不佳或負荷用電量增加時，則由蓄電池向負荷補充電能，并保持供電電壓的穩定。

（4）逆變器是一種把直流電轉變為交流電的裝置。風力發電機、太陽能電池和蓄電池輸出的電能經控制器后都輸出直流電。系統要想給交流負載供電，必須通過逆變器將輸出的直流電轉換成負載所需的交流電。此外，逆變器還具有自動穩壓功能，確保風光互補發電系統的供電質量，提供穩定的電能，使負載正常運行。

（5）控制器在整個系統中起著非常重要的作用。它將系統中各個部分連接起來，并對各部分的工作進行控制。根據日照強弱、風力大小和負荷的變化，控制器不斷切換和調節蓄電池的工作狀態。當電能充足時，控制器將調節后的電能送往負載，并控制太陽能電池陣列和風力發電機將剩余電能以最佳的充電電流和電壓快速、平穩、高效地送入蓄電池組儲存，當發電量不能滿足負載需要時，控制器控制蓄電池向負載供電，同時避免蓄電池過充電和過放電現象的發生。

（6）泄荷器是一種快速消耗電能的裝置。當蓄電池已被充滿，系統發電量大于負載用電量時，為防止蓄電池過充和確保逆變器正常工作，控制器會自動接通泄荷器，將多余的電能消耗掉。

風光互補發電系統克服光伏、風力單獨發電的不足，有效利用太陽能、風能在時間和地域上的互補性，為不易用電網供電的邊遠地區提供低成本、高穩定性的電能。同時，它也為當前有效解決能源危機和環境污染問題翻開了嶄新的一頁

2.風光互補發電系統的特點

風力發電系統利用風力發電機，將風能轉換成電能，然而通過控制器對蓄電池充電，最后通過逆變器對負載供電。該系統具有日發電量較高，系統造價較低，運行維護成本低等優點。缺點是小型風力發電機可靠性低，常規水平軸風力發電機對風速的要求較高。

光伏發電系統利用光電板將太陽能轉換成電能，然后通過控制器對蓄電池充電，最后通過逆變器對負載供電。該系統的優點是系統供電可靠性高、資源條件好、運行維護成本低，缺點是系統造價高。

發電與用電負荷的不平衡性是風電和光電系統共同存在的一個缺陷，它是由資源的不確定性造成的。風電和光電系統發出電能后都必須通過蓄電池儲能才能穩定供電，但是每天的發電量受陽光、風力的影響很大，陽光、風力較弱會導致系統的蓄電池組長期處于虧電狀態，這是引起蓄電池組使用壽命降低的主要原因。

風光互補發電系統具有以下特點：（1）風光互補發電系統彌補了風電和光電獨立發電系統在資源上的缺陷，利用太陽能和風能的互補性，提供較穩定的電能；（2）在風光互補發電系統中，風電和光電系統可以共用一套蓄電池組和逆變環節，減少系統造價（3）整個系統是兩種發電系統進行互補運行，因此，在保證同等供電的情況下，可大大減少儲能裝置的容量（4）風光互補發電系統可以根據用戶需要合理配置系統容量，在不影響供電可靠性的情況下減少系統造價（5）風光互補發電系統可以根據用戶所在地的季節及天氣變化情況優化系統設計方案，在滿足用戶要求的情況下節約資源。

四、風光互補發電系統在郊區應用的優勢性、合理性及可行性

1.優勢性

（1）風光互補發電系統將太陽能電池陣列與風力發電機有機地配合組成一個系統，整合了太陽能和風能優勢，充分發揮各自的特性，最大限度地利用好大自然賜予的風能和太陽能以應用科學來滿足農業生產的需求。

（2）風光互補發電系統不需輸電線路，也不需挖開路面埋管或架空線路。解決了農業生產無法供電的難題和傳統供電線損耗大成本高的難題。

（3）較風能太陽能單獨發電系統，風光互補發電系統利用北京風能和太陽能互補的資源優勢，采用風光互補技術，有風無光時通過風力發電機發電，無風有光時通過太陽能電池陣列發電，通過蓄能裝置，為用戶提供穩定的電源。

（4）風光互補發電系統投資小、見效快；占地面積小，應用靈活便捷，一個家庭、一個村莊、一個區域，無論個人、集體均可采用；供電區域規模小、供電區域明確，便于維護。

（5）風光互補發電系統是把風能和光能轉化為電能，直接減少了對礦物燃料的消耗，減少大氣污染，保護環境，為北京的綠色藍天節能減排開辟了新的天地。

2.合理性

（1）北京農村風能、光能資源都非常豐富，但是這些資源時空分布的不均勻性使得單獨使用一種能源會出現一定時段內供能不足，甚至出現停止供能的現象。風光互補發電系統利用風能和太陽能的互補性，在資源上彌補了風能和太陽能獨立發電系統的缺陷。

（2）風光互補發系統將風能和太陽能轉變來的電能通過蓄電池儲存起來，通過逆變器將直流電轉變為交流電，比傳統的家用直流微型發電機功率更大，使用時間更長。

（3）風力發電系統利用高空的風能，光伏發電設備則利用地面的太陽能，實現地面和高空的有效結合，充分利用土地資源。風光互補技術可加大利用太陽能和風能連續工作的能力，降低設備制造成本。同時，加強太陽能和風能利用時間可減少使用蓄電池的時間，提高蓄電池使用壽命。

（4）風光互補發電系統中的蓄電池組和逆變環節在風電和光電系統中在是可以通用的，所以風光互補發電系統的造價可以大大降低，使系統趨于合理。

3.可行性

風光互補技術的發展，北京郊區豐富的風能太陽能資源及國家對于新能源開發利用的有利政策，使得風光互補發電系統在北京郊區的應用具有可行性。

伴隨著風光互補技術的日益成熟，風光互補發電系統可以提供越來越穩定的電力供應，可以根據用戶的用電負荷情況和資源條件進行系統容量的合理配置，既可保證系統供電的可靠性，又可降低發電系統的造價。無論是怎樣的環境和怎樣的用電要求，風光互補發電系統都可采用最優化的系統設計方案來滿足用戶的要求。

風光互補發電系統一種新型的綠色環保發電方式，其能量來源是自然界的太陽能和風能。在太陽能以及風能充足的地區使用風光互補發系統，節約使用成本，同時節省國家能耗，符合國家節能環保政策的要求。

綜上所述，風光互補發電系統可以彌補風能和太陽能發電存在的缺陷，利用風能和太陽能在時間和地域上的互補性，北京郊區最大限度地將風能和太陽能轉變成電能，通過蓄電池和逆變器給用戶供電。太陽能風能非常豐富，而且具有很強的互補性。在北京郊區采用風光互補發電系統為區域農業供電具有很強的優勢性、合理性和可行性。