風光互補發電系統及應用綜述

李 丹，付 靜，姜廣軍

（吉林建筑工程學院 城建學院， 吉林 長春 130111）

風光互補發電系統及應用綜述

李 丹，付 靜，姜廣軍

（吉林建筑工程學院 城建學院， 吉林 長春 130111）

風光互補發電系統充分利用了風能和太陽能資源的互補性，實現了能源的有效利用.本文論述了風光互補系統的構成、應用前景以及設計中存在的問題.

風光互補發電系統；可再生能源；風光互補發電應用

風能、太陽能是目前世界各國在新能源利用方面最具規模和潛力的能源，據統計，我國風能在 10m高度儲量為3.2TW，可利用量超過 1.0TW[1]；太陽能較發達的地區達到了國土面積的 67%，可利用年平均日照強度達到 6×109MJ/m2[2].風能、太陽能作為單一性的可再生能源，其在利用上存在弊端，二者的利用均受地理條件、氣象環境影響很大，但是風能和太陽能的利用在時間和地域生存在著天然的互補性.風光互補發電系統可以很好的彌補獨立的風力發電和太陽能發電的缺陷，將成為未來可再生能源開發和利用的新趨勢.

1 風光互補發電系統的構成

圖1為風光互補發電系統的結構示意圖.風光互補發電系統由風力渦輪發電機，太陽能光伏發電陣列，風光互補系統控制器，蓄電池組，逆變器，交流負載、直流負載以及其他部件組成.發電系統工作時輸出直流電，直接供給直流負載使用；也可以經蓄電池存儲，然后由蓄電池向用戶提供穩定的電能；若用戶使用的是交流電，則可通過逆變器將直流電轉變為交流電供交流負載使用.

圖1 風光互補發電系統的結構示意圖

1.1 發電部分.發電部分主要由風力發電機組和太陽能光伏發電組件組成.風力發電部分的主要作用是將風能轉化為機械能，然后通過風力發電機組將機械能轉換為電能.風力機組的輸出功率一般按式（1）計算：

式中 Vin、Ve、Vout分別為風力發電機的切入風速、風機額定風速以及風機的切出風速；ρ 為空氣密度；R為風輪半徑；V為風速；Cp為風能利用系數，其最大值為 0.593.

對于小型風力發電機，當月風機發電量為[3]：

式中，Q為當月發電量；Q1、Q2為不同風速的發電量；Vin、Ve、Vout分別為風機的切入風速、額定風速和切出風速；Pe為風機額定功率；hi為該月中與 V相對應的小時數.

太陽能光伏發電系統主要是利用光電效應將光能轉化為可以利用的電能.太陽能電池方陣在安裝時應該保證足夠的間距，并且實現無陰影遮擋.太陽能電池方陣的間距公式如下[4]：

式中，D為太陽能方陣間距，mm；H為方陣的高度；φ 為方陣傾角，為了更好的接受和利用太陽的輻射，提高光伏電池的發電效率，太陽能電池的方陣傾角一般為當地緯度+5°.

太陽能組件在傾斜面上的太陽輻射量的 klein模型[5]：

式中，Hb為太陽能在水平面上直接輻射量；Hd為太陽能的散射輻射量；Rb為太陽能在傾斜面與水平面的直接輻射量的比值；H0為大氣層外水平面上的太陽輻射量；β 為傾角；H為水平面上總輻射量；ρ 為地物表面反射率.

太陽能光伏電池的電力的輸出主要受光照強度影響，其次是溫度，一般對于電力輸出的計算采用基于實測數據的簡單模型[6]：

式中，E為光伏電池的電力輸出，W/m2；Ht為入射太陽輻射度，W/m2；T為光伏電池表面溫度，W；c1為實驗標定的常數，W/m2；Hf為標定的太陽能輻射強度，W/m2；c2為太陽能組件的溫度系數，W/K.

太陽能電池陣列的各月發電量由下式計算：

式中 N為當月太陽能發電天數；P為太陽能發電組件的功率；η1為輸入回路效率；η2為輸出回路的效率.1.2 控制部分.控制部分是整個風光互補發電系統的核心部分.控制部分根據外部環境條件，如光照強度、風速、負載的用電需求等來調節發電部分的工作狀態以及蓄電池的工作狀態，從而實現風力發電和光伏發電模式的轉換，并將富余的電能存儲在蓄電池當中，當電量不足時，由蓄電池向負載提供正常工作所需要的電能.目前風光互補發電系統的控制方案主要包括最大功率跟蹤控制、負載跟蹤控制、電池充放電保護控制和發電機超速保護等.

1.3 儲能部分.蓄電池的作用是儲存富余電能，以減少和消除氣候等客觀因素引起的能量供需不平衡的問題，蓄電池在整個系統中起到調節電能以及平衡負載用電需求的作用.目前，儲能技術主要有鉛酸電池技術、全釩氧化還原液流電池技術、鋰離子電池技術、鈉硫(NaS)電池技術.近年來，飛輪儲能技術、超級電容儲能技術也成為今年來研究的熱點[7]. 1.4 逆變部分.逆變器的主要作用是在需要運行交流負載時，發電部分輸出的直流電通過逆變器來轉變為交流電，從而滿足交流負載的需求.逆變器在性能上主要具有斷路、過流、過壓、過熱保護功能.逆變器容量見下式：

式中，PN為逆變器容量；P額為額定輸出功率；N為用電同時率；M為各相負載不平衡系數；S為負載功率因數；ηN為逆變器效率.

2 風光互補發電系統的應用

（1）可應用于農村地區用電和照明需求.我國農村地區地域遼闊，太陽能風能資源豐富，大多數地區的平均風速在以上，風光互補發電在農村地區發展必將是滿足農村生產和生活用電的經濟、有效的方式.

（2）可以應用于城市路燈照明系統以及交通指示燈、公園和廣場的照明、廣告牌等.風光互補技術在政府部門、市政設施以及高校等方面的應用推廣，不僅具有節能減排的環保意義，而且具有美化社會及教育意義.

（3）可以應用于建筑行業.風能發電機和太陽能集熱管已經應用于北京奧運村的設計和建設，而且風光互補發電系統還可應用于光伏建筑一體化（BIPV）和風能建筑一體化（BIWE）、屋頂風力發電等.

（4）可應用于并網發電.2004年 12月，華能南澳建成了100KW風光互補發電站并且成功的實現了發電并網，標志著中國第一個正式商業化運行的風光互補發電系統建成.隨著國家對可再生能源開發和利用的重視，并網發電規模持續不斷擴大.2012年，中節能玉門昌馬 9MW風光互補發電示范項目實現并網發電成功，是我國第一座大規模風光互補發電項目.未來國家在可再生能源的開發和利用上支持和扶持力度必然不斷加大，因此風光互補并網發電在電量產量中的比例也必然顯著提高.

3 風光互補發電系統設計中存在的主要問題

風光互補系統的研究目前處于對靜態體系結構、蓄電池儲能設計、發電控制等方面的研究.目前，在風光互補系統設計時還存在以下主要問題：

（1）風能和太陽能在時間上和地域上存在間歇性和不穩定性，這就對風光互補發電系統的發電控制和電力輸出的控制要求較高.因此需要調研安裝地區的資源分布情況和負載用電需求、優化系統的設計、提高系統的穩定性.目前控制上主要集中于選擇適當的運行控制方案，通過最優算法搜索確定系統的最優控制策略和最佳配置方案的研究上.另外，控制器集成化程度較低，也影響了整個產業的發展.

（2）由于風光互補發電和用電負荷間的存在著不不平衡的特點，為了保證對負載的供電能夠實現連續性以及穩定性，這就對蓄電池的充放電能力以及儲能能力提出了較高的要求.目前，對于蓄電池性能的研究上，主要存在的問題是蓄電池供放控制策略選擇不合理，使蓄電池充電曲線與電池固有充電特性相差甚遠，導致電池壽命降低.

（3）風光互補發電系統的逆變器要有較高的效率、較高的可靠性、較大的直流輸入電壓范圍、交流輸出電壓穩定、并網發時電逆變器還要有并網發電功能.我國對逆變器的研究處于起步階段，加強逆變器的研究是實現和優化風光互補發電的重要支撐.

（4）風光互補發電系統的發電效率還有待進一步提高.對于小型風電發電效率的研究主要是通過擾動觀察法來研究如何實現小型風力發電系統最大功率跟蹤控制[8]以及通過模糊控制法實現小型風力機的最大功率的跟蹤[9].目前，還沒有很好的 MPPT方法，能夠有效的提高風光互補發電系統的發電效率.

4 結語

經濟的不斷發展必將促使可再生能源的開發和利用成為未來能源領域研究的重要內容，風光互補發電系統以其特有的優勢在新能源領域扮演著極其重要的角色.隨著我國風光互補發電技術的不斷完善和提高，風光互補發電在市場上的競爭力必定不斷增強，在能源消費結構中的份額必將不斷上升，風光互補發電具有廣闊的發展前景.

〔1〕黃毅城.大力發展風電[J].電網與清潔能源,2008，24（1）：01-02.

〔2〕王志新，劉立群，張華強.風光互補技術及應用新進展[J].電網與清潔能源,2008，24（5）：40-45.

〔3〕李濤，孫韻琳，杜曉榮.風光互補發電系統應用分析[J].青海師范大學學報,2011（03）：24-27.

〔4〕韓旭.小型風光互補發電系統的研究與應用[J].能源與節能,2012（08）：40-42.

〔5〕楊金煥,毛家俊，陳中華.不同方位傾斜面上太陽輻射量及最佳傾角計算[J].上海交通大學學報，2002（07）：1031-1036.

〔6〕季杰，何偉.光伏墻體年發電性能年得熱動態預測[J].太陽能學報，2001，22（3）：311-315.

〔7〕吳佳梁,曾贛生,余鐵輝.風光互補與儲能系統[M].北京：化學工業出版社，2012.

〔8〕包道日娜,劉志璋，張萬祥.小型風力發電機的功率控制方法[J].可再生能源,2009,27(4)：69-71.

〔9〕劉立群.分布式風光互補系統控制與最大功率跟蹤策略研宄[D].上海：上海交通大學,2011.

TK89

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1673-260X（2014）08-0046-02