青藏高原地區光伏風力互補發電系統探討

摘要：隨著能源危機與環境污染的加劇，可再生能源的開發和利用越來越受到人們的重視。在當前可利用的幾種可再生能源中，太陽能和風能是應用比較廣泛的兩種。太陽能、風能在資源條件和技術應用上都有很好的互補特性，綜合考慮太陽能和風能在多方面的互補特性而建立起來的風光互補發電系統是一種經濟合理的供電方式。

關鍵詞：高原地區；風光互補；發電系統；探討

一、青藏高原地區光伏風力互補發電系統的必要性及優點

風能主要來自于太陽能的轉化，其轉換過程受到季節、地理位置及外界天氣等多種因素的影響。太陽能及風能在時間及地域上都具備極強的互補性，在白天太陽光最強的時候，風力通常很小，而晚上的光照條件很差，但是地表溫差較大而導致風力加強。在夏天的時候，光照的強度大時風力較小，冬季的時候光照的強度較弱而風力較大。因此通過互相配合利用太陽能及風能，有利于揚長避短，最大限度的發揮二者的功效。受地域條件所限，在大多數的偏遠地區，地廣人稀，電網的覆蓋面有限，且偏遠地區的人們日常生活及工作用電需求量不是很大，因此利用電網輸送電力不夠經濟合理。所以在偏遠地區，例如青藏高原地區，人們的用電需求來源主要依靠獨立供電系統，目前常用的供電方案主要是利用柴油發電機。然而受偏遠地區交通運輸條件的限制，利用柴油發電機儲運的成本相對較高，且難以確保持續的供電需求，只能依靠當地的自然能源。而太陽能及風能資源是高原地區的最為普遍的自然資源，且取之不盡，二者在時間的變化分布上具備極強的互補性能。綜合風能及太陽能的特點，利用風力發電和太陽能光伏發電技術而建立起來的風光互補發電系統無疑是解決高原地區獨立供電的最佳方案。

風光互補發電系統相比較于獨立的風力發電或者光伏發電具有以下優點：第一，綜合運用太陽能及風能的互補性質，能夠實現較為穩定的總電能輸出，確保供電系統的可靠性及穩定性；第二，在保障同樣供電需求的狀態下，能夠有效降低儲能蓄電池的容量；第三，合理設計并匹配混合發電系統，能夠基本上由風光互補系統直接供電或者基本上無需使用備用電源，例如柴油發電機等，能夠實現較好的社會效益和經濟效益。

二、青藏高原地區光伏風力發電系統設計應注意的事項

（一）光伏、風力互補發電原理

光伏、風力互補發電系統原理：太陽電池方陣（風力發電機組）→控制器（耗能負載、蓄電池組）→逆變器→交流負載；→直流負載。

（二）站址的確定

建設場地需要具備較為豐富的太陽能及風能資源，根據當地的氣候條件，正確標設太陽方陣的位置及合適的傾角。例如在青海省區域，依據當地的氣象資料進行分析，太陽能資源的年變化規律主要為：夏季（3月至9月份）各個月份的太陽輻射均大約月平均輻射值，最高月份的輻射值能比月平均值高大約30%左右；在冬季（12月至2月份）期間，各個月份的太陽輻射值均比年平均值小大約30%左右。所以在設計太陽能電池的方陣傾角的時候，應綜合考慮提高光伏電站在冬季時段的發電量。太陽能資源的日變化規律為中午時分太陽輻射強度最大，早晚的輻射強度相對較小，在秋冬季的時候，上午8：00至下午16：00的時候，太陽輻射量越占據日輻射量的90%以上，而在下午4點之后，太陽的輻射強度逐步降低。所以應依據冬至日下午4點時的不遮擋距離作為太陽能電池方陣間距設計依據。此外應合理選擇風力機場地及安裝的位置，利用風力發電機組最大程度利用當地的風力資源。例如在青海省，依據風能資源相關資料顯示，風能資源的總儲量值大約為4.119億千瓦，絕大部分區域屬于風能可利用區，玉樹、柴達木盆地西北部以及青海湖地區是我省風能資源相對豐富地區，估算風能資源技術可開發量約0.121億千瓦。

（三）電站規模的確定

負載的需求量直接關系到電站的容量設計，合理精準的負荷調查結果是極為重要的設計依據，負荷的結果直接關系到電站容量的最終確定。所以需準確測算負荷需求。光伏電站裝機容量由下式決定：H≤0.2778WQbR 。

H代表用戶用電量，單位為kWh；W表示電站裝機容量計算值，單位為kWp；Qb表示太陽能年總輻射量，單位為MJ/m2，R表示方陣表面接收到的太陽能年總輻射量于水平面年總輻射量比值； 表示系統總效率風力機輸出功率；Cp表示風能利用系數；Pw表示通過風輪面積的風力功率，單位為KW。

（四）蓄電池容量設計

蓄電池主要用以儲存及調節電能，如果日照條件充分，且風力較大導致電能過剩的時候，蓄電池能夠儲存多余的電能。反之，當系統的發電量不夠或者負載用電量過大時，蓄電池能夠補充負載一定的電能，確保電壓的穩定。在互補系統中，蓄電池具備光伏及風力兩個充電電源，能夠進行備用，可在一定程度上降低蓄電池組的備用容量。在設計蓄電池組容量的時候，應考慮到負載的用電情況，還要考慮連續陰雨天、無風天氣蓄電池可支持天數、蓄電池充放電效率、逆變器效率、交流配電線路損失，另外，蓄電池室溫較低將會影響充放電效率。因此進行蓄電池容量設計時要考慮使用環境的溫度，蓄電池組容量由下式確定：C=E0DK/（U ）

在該公式中，E0代表平均每天負載用電量，kwh；D表示依據實際供電的需求，在連續陰雨天或者無風蓄電池供電可以支持的天數；U表示蓄電池允許的放電深度，依據實際經驗，通常取值為0.6-0.8； 表示逆變器的效率，高效率逆變器一般取值0.92； 表示蓄電池沖發電效率，高海拔及高寒地區一般取值0.85；K表示蓄電池使用環境的溫度系數，一般設計修正取值為1.2。

（五）控制器、逆變器的選型設計

設備具有較完善的測量和保護功控制器是電站的主要設備之一，作用是對充放電進行控制、監測，要能。逆變器容量由下式確定：P=LNB/SM。在該公式中，L表示負荷功率，KW；N表示用電同時率；B表示逆變器負荷率；S表示負荷功率因數；M表示各相負荷不平衡系數。

（六）設計的基本原則

最大限度的發揮出光伏及風力發電互補優勢是設計光伏及風力互補發電系統的基本原則。在該系統中，具備太陽能電池方陣及風力發電機組兩個不同性質的發電單元，其中，風力發電機組的運行狀況極為復雜，輸出功率的變化隨機性也比較強。加之混合光伏及風力發電兩種方式，更加增加了系統運行的復雜程度。光伏及風力互補發電系統的運行效率及經濟特性不僅和當地的太陽能及風能資源有關，而且還和二者的互補性能有關。所以，通過彌補單一能源的不足或者降低單一光伏發電的高成本，是設計光風互補發電系統的主要宗旨。

光風互補系統的使用效果及經濟效益依賴于當地地區的氣象條件，如果在當地太陽能及風能資源互補性能良好，則合理的光風互補設計能夠有效降低供電系統的初期投資成本及發電成本，提高負載供電的可靠率。如果在太陽能及風能資源互補性能較差的地區，可采取適當提高系統的發電能力來改善資源不足季節或者時段內的負載供電保障率。此外由于風能的變化工況極為復雜，應合理安排季節性負載和晝夜負載，進而提高系統的功效。

總之，在太陽能及風能資源較為豐富，且互補性能良好的狀態下，通過優化設計系統部件的內部配置、運行模式及負荷調度方法等，系統負載只需要依靠光伏、風力互補發電便可以獲得連續而且穩定的供電。尤其是在青藏高原地區，無電的地域分布較廣且分散，海拔高度一般都在4000m以上，常規電網難以到達偏遠的鄉村，加之當地自然條件惡劣，冬季氣候條件寒冷，交通不便，人員文化素質相對較低，維護能力相對較差。所以在優化設計方案時，應主要考慮光伏及風力電站的可靠性、操作便捷性、性價比及高海拔適應性等角度綜合考慮。

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