風光互補照明系統的發展與研究

李冰 朱佳偉 郭豐杰 應赫鋒 吳晗 尹航仁 張倫

【摘 ? ?要】本文通過介紹風光互補照明系統的國內外發展狀況和小型風光互補照明系統結構原理，闡明了風光互補照明系統的科學性、經濟性和實用性。

【關鍵詞】風光互補照明 風力發電 ?光伏 ?DC/DC ?蓄電池

中圖分類號：G4 ? ?文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2015.12.210

一、風光互補照明系統的國內外發展狀況研究

隨著科技的進步、社會的發展，人類對能源的需求不斷增大。伴隨著煤炭、石油等傳統能源的持續開發與使用，能源危機、氣候變遷已經嚴重的影響了人們的生產生活，各國政府不斷出臺節能減排的方案措施。清潔可再生新能源受到了人們的普遍重視。風能和太陽能都屬于清潔可再生新能源，而且潛力巨大。單單是太陽光就可以滿足全世界2850倍的能源需求;風能可滿足全世界200倍的能源需求，可現實情況是清潔可再生能源實際利用率很低，還需要人們繼續研究開發。

近年來，世界各國關于風光互補技術的研究方興未艾。加拿大的Rajesh Karki（University of Saskatchewan）等人指出根據負載和風/光資源條件合理配置發電系統是降低發電成本、提高系統可靠性的重要途徑。希臘的E.Koutroulis（TechnicaUniversity of Crete）等人提出風/光互補發電比單獨風力發電或單獨光伏發電更經濟有效。澳大利亞B.D.Shakya（Universityof Melbourne）等人設計了一種采用壓縮氫氣儲能的風光互補發電系統，并對該系統的技術可行性和經濟性作了分析。

目前，我國風光互補照明系統主要應用于城市亮化工程中，特別是風光互補路燈的大量安裝使用。和傳統的路燈相比，風光互補照明系統具有明顯優勢：節能減排，節約環保，無后期大量電費支出;免除電纜鋪線工程，無需大量供電設施建設;個別損壞不影響全局，不受大面積停電影響;節約大量電纜開銷，更免受電纜被盜的損失;智能控制，免除人工操作，施工簡單，維護方便。在新能源照明市場欣欣向榮的局面下，還是有一些亟待解決的問題：故障率高、燈光亮度低、人為損壞嚴重、維修不及時等，有些客戶甚至提出以后再也不敢用新能源路燈了。如果這些問題得不到及時解決，勢必影響到整個市場的健康發展。

二、風光互補照明系統的優越性

風的大小和方向瞬息萬變，因此風的脈動、日變化、季節性變化都十分明顯，波動很大，風能具有不穩定的特點。太陽能受晝夜、季節、天氣狀況影響較大，屬于不連續非穩定性能源。我國北方地區風能源“冬季大夏季小，夜間大白天小”，太陽能正與之相反，所以有效利用風能和太陽能的互補性，能提高系統的穩定性。也正是由于太陽能和風能具有這樣的特點，風光互補照明系統比單一利用其中一種能源的照明系統更科學、更經濟、更實用。

三、小型風光互補照明系統原理與研究

風光互補發電系統由風力發電機、整流器、光伏陣列、DC/DC功率變換器、蓄電池、超級電容、逆變器、控制器及交直流多用戶負載等組成，如圖3.1所示。

圖3.1 ?風光互補照明系統結構圖

運行機理如下：風輪將風能通過空氣動力學原理轉換成機械能，驅動永磁式交流發電機發出與風速成一定關系的交流電，經整流變成直流電，并經DC/DC變換器實現最大功率跟蹤;光伏陣列將太陽能通過光生伏特效應轉換成直流電，通過DC/DC變換器實現最大功率跟蹤。二者皆通過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，當風力發電機和光伏陣列輸出的電能除供給負載還有剩余時，蓄電池將這些電能儲存;當風力發電機和光伏電池輸出電能不足以滿足負載要求時，則由蓄電池向其供電。控制器實現最大功率跟蹤、蓄電池的充放電及保護顯示等功能。從能量角度看，整個系統包括能量產生、存儲、消耗三個環節。

四、風光互補照明系統發展展望

研究高效風光互補照明系統從短期來看雖然增加了照明系統的成本，但其性能大大提高了;從長期來看對我國能源結構的改善有著積極的作用。目前我國能源消費結構中，煤炭消費仍然占到70%，風能和太陽能綠色環保可再生，是未來的發展趨勢，應該大力提倡。而且隨著該領域研究的深入，高效風光互補照明系統的性價比會越來越高，用戶的認可度也會逐步提高。綜上，鑒于目前國家政策的大力扶持和廣闊的市場前景，適時開展研究，搶占先機，其未來的社會效益和經濟效益是無法估量的。

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