風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)的研究

王茂映 張 湘

（西昌學(xué)院，四川 西昌 615000）

1 背景

當(dāng)今時(shí)代，能源和環(huán)境友好發(fā)展逐漸引起人們的關(guān)注，其中風(fēng)能和光能的應(yīng)用成為重要的研究方向；但是傳統(tǒng)太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電受天氣影響較大，單獨(dú)入網(wǎng)使用較為困難，太陽(yáng)能和風(fēng)能在時(shí)間上的互補(bǔ)性使得風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源利用上具有很好的匹配性[1]。因此風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電在眾多的發(fā)電方式脫穎而出，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電廣泛的分布于我國(guó)各個(gè)地區(qū)，且開(kāi)發(fā)潛力大，兩者的有機(jī)結(jié)合并不斷發(fā)展是今后研究的重要課題。

2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的發(fā)展，使風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大致有以下幾部分組成：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽(yáng)能電池方陣、集中控制系統(tǒng)、蓄電池組和負(fù)載等[2]。根據(jù)采用的母線結(jié)構(gòu)不同，可以分成直流母線結(jié)構(gòu)和交流母線結(jié)構(gòu)，這兩種母線結(jié)構(gòu)的分析可以得出直流母線結(jié)構(gòu)只適用于單個(gè)用戶供電使用，交流母線結(jié)構(gòu)由于其擴(kuò)展性高，是未來(lái)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)引用到千家萬(wàn)戶的主流選擇[3]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有很多的種類，就我國(guó)而言，主流供應(yīng)商能提供的機(jī)組有：變槳變速機(jī)、定槳變速機(jī)兩種，但風(fēng)機(jī)的選擇，還是要根據(jù)投入的地區(qū)來(lái)進(jìn)行選擇。太陽(yáng)能電池板是利用類似“硅”的材料制成，但單個(gè)太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電能有限，更何況其產(chǎn)能更是受到各種因素影響，所以采用太陽(yáng)能電池方陣才能有效的產(chǎn)電[4]。集中控制系統(tǒng)囊括了對(duì)產(chǎn)生的電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換利用、對(duì)蓄電池組的充、放電策略選擇、對(duì)不同負(fù)載輸入交、直流的選擇等功能的實(shí)現(xiàn)。控制風(fēng)電機(jī)和太陽(yáng)能電池方陣隨不同環(huán)境變化而變化運(yùn)行方式，來(lái)提高發(fā)電的效率。

3 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)的難題及解決方法

3.1 能量供需不平衡

蓄電池在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中擔(dān)任儲(chǔ)電的角色，負(fù)載主要是直流負(fù)載、交流負(fù)載以及其他能耗，若兩者在系統(tǒng)中無(wú)法維持同步，將會(huì)對(duì)蓄電池的使用壽命產(chǎn)生不利的影響[5]。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電受風(fēng)速和光強(qiáng)的影響，天氣的好壞決定著整個(gè)系統(tǒng)的使用，天氣好時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生的盈余電量會(huì)儲(chǔ)存在蓄電池中；而天氣糟糕的情況下，系統(tǒng)對(duì)負(fù)載的供電量不足，則需要蓄電池穩(wěn)定持續(xù)地供電，若使蓄電池長(zhǎng)期處于虧電的狀態(tài)，將會(huì)使蓄電池的使用壽命減少[6]。蓄電池在風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)中起微調(diào)和平衡負(fù)載的作用，但是電池的衰減會(huì)導(dǎo)致風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)電能成本的增加。因此目前提出了解決方法：

1.大電流充電—限流充電—浮控制方法[7]。主充階段用大電流使電池電壓快速達(dá)到閾值，之后限流充電，直至利用浮充電壓時(shí)，將電池電量充滿。此方式的第三階段彌補(bǔ)了蓄電的自放電。

2.恒流充電—恒壓充電—浮充控制方法[8]。顧名思義，先采用恒流充電方式，在一定容量的基礎(chǔ)上再利用恒壓充電，當(dāng)兩者的充電容量達(dá)到蓄電池的額定容量的80%左右，開(kāi)始用比恒定電壓低的浮充進(jìn)行充電。

3.二段式充電控制。開(kāi)始用恒定電流充電至一定電壓，再用恒定的電壓充電。采用穩(wěn)定的方式避免析氣對(duì)蓄電池的影響[9]。

4.新型控制系統(tǒng)。選擇對(duì)蓄電池合適的控制策略，除了充放電的控制，還要對(duì)蓄電池運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行保護(hù)的控制。

3.2 控制的精確性

目前太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制還存在問(wèn)題，太陽(yáng)能和風(fēng)能的間歇性和不穩(wěn)定性增加了控制的難度，使得整個(gè)系統(tǒng)的精確性降低。太陽(yáng)能電池板主要的控制方法有：擾動(dòng)觀察法、恒壓控制法、電導(dǎo)增量法。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制方法有：擾動(dòng)觀察法、最大功率給定法、電導(dǎo)增量法。整個(gè)系統(tǒng)需要搭配合適的控制方法對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)、負(fù)載、蓄電池以及太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)等進(jìn)行更準(zhǔn)確、穩(wěn)定的控制，使風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)更可靠。

3.3 其他的問(wèn)題

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

1.有學(xué)者對(duì)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速進(jìn)行限定，防止風(fēng)速過(guò)大對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生過(guò)載、振動(dòng)和破壞等不利影響，并且風(fēng)速過(guò)大還會(huì)加速機(jī)械磨損，降低各個(gè)環(huán)節(jié)的配合、系統(tǒng)可靠性和安全性。

2.縱觀以往風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)的研究，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的追蹤控制策略和合理的發(fā)電與儲(chǔ)能容量的配置為當(dāng)前主要研究的方向，應(yīng)該從其他角度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行研究，像有加拿大的學(xué)者對(duì)太陽(yáng)能、風(fēng)能和氫氣混合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了開(kāi)發(fā)和評(píng)估，因此可以從這方面入手[10]。

4 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及方向

4.1 在輸水工程上的應(yīng)用

輸水工程中有一個(gè)使用頻率少，但在整個(gè)系統(tǒng)中又起到很重要的作用——閥門(mén)，針對(duì)閥門(mén)的控制，如果控制不當(dāng)，會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生不可估量的影響，所以在控制方面采用手電兩用的方式，用電部分就采用風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)，在控制方面，通過(guò)改進(jìn)能適應(yīng)在水下工作，控制箱上沒(méi)有設(shè)置實(shí)體開(kāi)關(guān)，而是采用磁力筆、紅外藍(lán)牙遙控，不僅能防止錯(cuò)誤操作，還能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)編程[11]。

4.2 在大型起重機(jī)上的應(yīng)用

以輪胎式起重機(jī)（RTG）為例，傳統(tǒng)的RTG 采用的動(dòng)力源是大功率柴油發(fā)電機(jī)，但其輔助設(shè)備和控制系統(tǒng)都屬于小功率運(yùn)行設(shè)備，采用柴油發(fā)電機(jī)供電會(huì)導(dǎo)致其使用效率低，所以采用風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)，能提高能量的利用效率[12]。

4.3 產(chǎn)生其他清潔能源

能讓我想到的能源——?dú)洌ㄟ^(guò)系統(tǒng)產(chǎn)生的電來(lái)電解水產(chǎn)生氫，能夠大大降低風(fēng)光電場(chǎng)由于位置偏僻而產(chǎn)生的運(yùn)輸成本，間接性產(chǎn)生清潔能源[13]。

5 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，系統(tǒng)框架逐漸成熟，針對(duì)各個(gè)部件的最優(yōu)采用方案也在不斷進(jìn)步，[14-15]所剩下的就是因地區(qū)的投入對(duì)部分組件的選擇與優(yōu)化研究方面是一個(gè)困擾投入使用的重大問(wèn)題。現(xiàn)如今，石油類的能源逐漸枯竭，可持續(xù)能源的不斷開(kāi)發(fā)，促使其應(yīng)用方向漸漸擴(kuò)大，所以更應(yīng)該加強(qiáng)系統(tǒng)與環(huán)境的最優(yōu)匹配研究。[16-18]