青藏高原地區(qū)光伏風(fēng)力互補發(fā)電系統(tǒng)探討

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

關(guān)鍵詞：高原地區(qū)；風(fēng)光互補；發(fā)電系統(tǒng)；探討

一、青藏高原地區(qū)光伏風(fēng)力互補發(fā)電系統(tǒng)的必要性及優(yōu)點

風(fēng)能主要來自于太陽能的轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)換過程受到季節(jié)、地理位置及外界天氣等多種因素的影響。太陽能及風(fēng)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(fēng)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(dǎo)致風(fēng)力加強。在夏天的時候，光照的強度大時風(fēng)力較小，冬季的時候光照的強度較弱而風(fēng)力較大。因此通過互相配合利用太陽能及風(fēng)能，有利于揚長避短，最大限度的發(fā)揮二者的功效。受地域條件所限，在大多數(shù)的偏遠地區(qū)，地廣人稀，電網(wǎng)的覆蓋面有限，且偏遠地區(qū)的人們?nèi)粘Ｉ罴肮ぷ饔秒娦枨罅坎皇呛艽?，因此利用電網(wǎng)輸送電力不夠經(jīng)濟合理。所以在偏遠地區(qū)，例如青藏高原地區(qū)，人們的用電需求來源主要依靠獨立供電系統(tǒng)，目前常用的供電方案主要是利用柴油發(fā)電機。然而受偏遠地區(qū)交通運輸條件的限制，利用柴油發(fā)電機儲運的成本相對較高，且難以確保持續(xù)的供電需求，只能依靠當(dāng)?shù)氐淖匀荒茉?。而太陽能及風(fēng)能資源是高原地區(qū)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(fēng)能及太陽能的特點，利用風(fēng)力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電技術(shù)而建立起來的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)無疑是解決高原地區(qū)獨立供電的最佳方案。

風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)相比較于獨立的風(fēng)力發(fā)電或者光伏發(fā)電具有以下優(yōu)點：第一，綜合運用太陽能及風(fēng)能的互補性質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)較為穩(wěn)定的總電能輸出，確保供電系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性；第二，在保障同樣供電需求的狀態(tài)下，能夠有效降低儲能蓄電池的容量；第三，合理設(shè)計并匹配混合發(fā)電系統(tǒng)，能夠基本上由風(fēng)光互補系統(tǒng)直接供電或者基本上無需使用備用電源，例如柴油發(fā)電機等，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的社會效益和經(jīng)濟效益。

二、青藏高原地區(qū)光伏風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)注意的事項

（一）光伏、風(fēng)力互補發(fā)電原理

光伏、風(fēng)力互補發(fā)電系統(tǒng)原理：太陽電池方陣（風(fēng)力發(fā)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(shè)場地需要具備較為豐富的太陽能及風(fēng)能資源，根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，正確標(biāo)設(shè)太陽方陣的位置及合適的傾角。例如在青海省區(qū)域，依據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料進行分析，太陽能資源的年變化規(guī)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(shè)計太陽能電池的方陣傾角的時候，應(yīng)綜合考慮提高光伏電站在冬季時段的發(fā)電量。太陽能資源的日變化規(guī)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(jù)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(yīng)依據(jù)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(shè)計依據(jù)。此外應(yīng)合理選擇風(fēng)力機場地及安裝的位置，利用風(fēng)力發(fā)電機組最大程度利用當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)力資源。例如在青海省，依據(jù)風(fēng)能資源相關(guān)資料顯示，風(fēng)能資源的總儲量值大約為4.119億千瓦，絕大部分區(qū)域?qū)儆陲L(fēng)能可利用區(qū)，玉樹、柴達木盆地西北部以及青海湖地區(qū)是我省風(fēng)能資源相對豐富地區(qū)，估算風(fēng)能資源技術(shù)可開發(fā)量約0.121億千瓦。

（三）電站規(guī)模的確定

負載的需求量直接關(guān)系到電站的容量設(shè)計，合理精準(zhǔn)的負荷調(diào)查結(jié)果是極為重要的設(shè)計依據(jù)，負荷的結(jié)果直接關(guān)系到電站容量的最終確定。所以需準(zhǔn)確測算負荷需求。光伏電站裝機容量由下式?jīng)Q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(tǒng)總效率風(fēng)力機輸出功率；Cp表示風(fēng)能利用系數(shù)；Pw表示通過風(fēng)輪面積的風(fēng)力功率，單位為KW。

（四）蓄電池容量設(shè)計

蓄電池主要用以儲存及調(diào)節(jié)電能，如果日照條件充分，且風(fēng)力較大導(dǎo)致電能過剩的時候，蓄電池能夠儲存多余的電能。反之，當(dāng)系統(tǒng)的發(fā)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(wěn)定。在互補系統(tǒng)中，蓄電池具備光伏及風(fēng)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(shè)計蓄電池組容量的時候，應(yīng)考慮到負載的用電情況，還要考慮連續(xù)陰雨天、無風(fēng)天氣蓄電池可支持天數(shù)、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(shè)計時要考慮使用環(huán)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(jù)實際供電的需求，在連續(xù)陰雨天或者無風(fēng)蓄電池供電可以支持的天數(shù)；U表示蓄電池允許的放電深度，依據(jù)實際經(jīng)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(fā)電效率，高海拔及高寒地區(qū)一般取值0.85；K表示蓄電池使用環(huán)境的溫度系數(shù)，一般設(shè)計修正取值為1.2。

（五）控制器、逆變器的選型設(shè)計

設(shè)備具有較完善的測量和保護功控制器是電站的主要設(shè)備之一，作用是對充放電進行控制、監(jiān)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(shù)；M表示各相負荷不平衡系數(shù)。

（六）設(shè)計的基本原則

最大限度的發(fā)揮出光伏及風(fēng)力發(fā)電互補優(yōu)勢是設(shè)計光伏及風(fēng)力互補發(fā)電系統(tǒng)的基本原則。在該系統(tǒng)中，具備太陽能電池方陣及風(fēng)力發(fā)電機組兩個不同性質(zhì)的發(fā)電單元，其中，風(fēng)力發(fā)電機組的運行狀況極為復(fù)雜，輸出功率的變化隨機性也比較強。加之混合光伏及風(fēng)力發(fā)電兩種方式，更加增加了系統(tǒng)運行的復(fù)雜程度。光伏及風(fēng)力互補發(fā)電系統(tǒng)的運行效率及經(jīng)濟特性不僅和當(dāng)?shù)氐奶柲芗帮L(fēng)能資源有關(guān)，而且還和二者的互補性能有關(guān)。所以，通過彌補單一能源的不足或者降低單一光伏發(fā)電的高成本，是設(shè)計光風(fēng)互補發(fā)電系統(tǒng)的主要宗旨。

光風(fēng)互補系統(tǒng)的使用效果及經(jīng)濟效益依賴于當(dāng)?shù)氐貐^(qū)的氣象條件，如果在當(dāng)?shù)靥柲芗帮L(fēng)能資源互補性能良好，則合理的光風(fēng)互補設(shè)計能夠有效降低供電系統(tǒng)的初期投資成本及發(fā)電成本，提高負載供電的可靠率。如果在太陽能及風(fēng)能資源互補性能較差的地區(qū)，可采取適當(dāng)提高系統(tǒng)的發(fā)電能力來改善資源不足季節(jié)或者時段內(nèi)的負載供電保障率。此外由于風(fēng)能的變化工況極為復(fù)雜，應(yīng)合理安排季節(jié)性負載和晝夜負載，進而提高系統(tǒng)的功效。

總之，在太陽能及風(fēng)能資源較為豐富，且互補性能良好的狀態(tài)下，通過優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)部件的內(nèi)部配置、運行模式及負荷調(diào)度方法等，系統(tǒng)負載只需要依靠光伏、風(fēng)力互補發(fā)電便可以獲得連續(xù)而且穩(wěn)定的供電。尤其是在青藏高原地區(qū)，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(guī)電網(wǎng)難以到達偏遠的鄉(xiāng)村，加之當(dāng)?shù)刈匀粭l件惡劣，冬季氣候條件寒冷，交通不便，人員文化素質(zhì)相對較低，維護能力相對較差。所以在優(yōu)化設(shè)計方案時，應(yīng)主要考慮光伏及風(fēng)力電站的可靠性、操作便捷性、性價比及高海拔適應(yīng)性等角度綜合考慮。

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