新型太陽能和風能混合發電系統研究與應用

張岳甫

摘 要：可再生能源的綜合利用可以促進我國社會的持續發展，并對我國建設環境友好型社會具有重要意義，太陽能和風能則是兩種被廣泛應用的可再生能源。風力和太陽能單獨發電時會面臨發電及供電可靠性低、造價高等問題，而采用太陽能-風能混合發電則能夠實現優勢互補，對于風能和太陽能的綜合利用有著重要意義。該文從風能和太陽能的特點出發，對太陽能-風能混合發電系統的研究和應用進行了介紹。

關鍵詞：太陽能 風能 混合發電 研究應用

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）01（c）-0064-02

1 國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

風力發電可以有效減少污染，因此被世界上很多國家和地區開發和利用，像荷蘭就是著明的風車王國。風力發電的發展可以分為三個階段：第一階段是在20世紀70年代到90年代中期，此時風力發電還處于探索階段。第二階段是20世紀中期到21世紀，此階段是風力發電技術走向迅速發展的階段。進入21世紀后是風力發電發展的第三個階段，這個階段越來越重視保護環境，風能等可持續利用清潔能源的發展受到政策支持，開始出現大規模、集中發展。

目前全世界有上萬個村莊使用太陽能光伏發電，光伏發電被應用于通訊、照明、航空航天、公共電力等很多方面。過去的幾年中世界光伏組件快速增長，平均增長率可以達到15%。日本曾經提出“陽光計劃”和“新陽光計劃”用以發展太陽能電光伏產業，其光伏產業也得到了快速增長。世界上很多國家都有光伏計劃，光伏發電也正在走向產業化。

1.2 國內研究現狀

我國土地廣闊，并有2/3的地區為多風地帶，風力資源豐富，在20世紀早期我國就進行過風力發電的研究和實驗。為了應對世界能源危機和滿足偏遠地區用電需求我國開始大力發展風電產業，并于1987年建立了第一座并網運行的發電站。隨著不斷發展我國建立了很多風力發電站，但是風力發電總裝機容量在電力網絡的總容量中所占比例還比較低，還有很大發展空間。

我國光伏發電的起步慢，發展快。20世紀50年代我國開始進行光伏電源的建造，在1959年成功制作了第一塊光伏電池，之后我國光伏發電快速發展，1992年在新疆某地實現了用太陽能消滅無電狀況，2004年在深圳建立了當時亞洲最大的太陽能并網電站。如今，我國太陽能光伏發電發展迅速，在規模和范圍上都在不斷擴大，在未來有很大的發展潛力。

太陽能和風能具有普遍、無污染、儲量巨大等優點，并且除購買設備和維修之外不需要額外投入，價格低廉，因此被廣泛利用。但是由于這兩種能源的利用容易受到天氣、地形的影響，并且分散不易集中，因此，在單獨利用時需要面臨供電可靠性低、造價高等問題。隨著太陽能和風能發電技術的發展，人們根據這兩種能源在多方面的互補性，提出了太陽能-風能混合發電系統。目前在風光混合發電系統的研究上，一方面是對控制系統進行計算機仿真和優化設計；另一方面則在研究提高系統供電運行的穩定性和高效性。就目前而言，我國太陽能-風能混合發電系統的應用還不夠廣泛。

2 太陽能和風能相關的理論概念

2.1 風能的相關概念

風是一種常見的自然現象，其成因是太陽輻射，全球能夠利用的風能約2×107 MW，這是全球可利用水能總量要大10倍左右。風能的優點體現在蘊藏量大、無污染、可再生以及分布廣泛，可以在電網不能到達的就地取材，為偏遠地區提供電力。風能也存在一定的缺點，如：能量密度低、不穩定、地區差異大等，容易受到地理環境的影響。

2.2 太陽能相關概念

太陽能是一種取之不盡用之不竭的能源，太陽會通過輻射的方式向地球輸送大量的能量，而被地球所接受的能量中，人的利用量極少。太陽輻射的優點在于其分布的普遍性，尤其是在一些偏僻地區能夠彌補電網不能到達的空缺。太陽能還具有長久性和清潔型，太陽能是可以開發的蘊藏量最大的能源，并且太陽能發電可以極大減少環境污染，對于環境的保護有重要意義。不過太陽能也存在很明顯的缺點，首先太陽能具有分散性，這也導致了利用太陽能的低效率以及高成本，雖然能量總量很大，但是能流密度卻比較低，使得需要大面積收集和轉換裝備，使得利用太陽能發電較其他能源的成本較高。太陽能另一個顯著特點是間歇性，太陽能的利用會受到海拔、經緯度以及天氣陰晴的影響，因此，在利用太陽能時要做好蓄能工作。

3 風能和太陽能發電原理

風力發電的基本原理是通過風車葉片旋轉來驅動風力發電機工作，隨著旋轉速度的增加，就可以產生電能。通過對于風力發電的研究人們知道，風速超過3 km/h的時候風車就可以進行發電，風力發電是一個系統，系統中包括充電器、風力發電機和數字逆變器等設備。在風力發電機中是通過定子繞組切割磁力線來產生電能的，這是風能轉化成電能的過程。由于風量時常發生變化，所以發電機會輸出交流電壓，其輸出的功率將會通過整流器和充電器對蓄電池進行充電，這個過程電能被轉化成了化學能，之后保護電路里的逆變電源將電池中的化學能再次轉化成電能。目前常用的風力發電機主要有異步風力發電機、雙饋異步發電機和直驅式交流永磁同步發電機等三種類型，不同的風力機組有不同的數學模型和工作原理以及分析方法，在功能上則各有優勢。

4 光伏發電的基本原理

在太陽能-風能混合發電系統中，太陽能發電的基本原理是基于光生伏特效應。所謂光生伏特效應是指在光的照射下半導體產生電動勢的現象，因此，當太陽光照射到硅制成的太陽能電池板上時可以在其上產生電流，從而實現太陽能到電能的轉化，使太陽能電池串聯或者并聯就可以組成光伏方陣，可以進行發電。太陽能電池產生電流的根本原因是其吸收了光子，光子是光的組成成分，是一種具有能量的粒子，光的波長決定了其能量的大小。太陽能電池中的晶體硅吸收了光子會在PN結中產生相互配對的正負帶電粒子，因為這附近的正負電荷是分離的，使得PN結區域形成了一個電場。此時在太陽能電池的面上接上負載，就會有電流從負載流過，最終電流會從太陽能電池的底端流經負載到達其頂端。

4.1 太陽能-風能混合發電系統原理和結構

4.1.1 太陽能-風能混合發電系統的基本原理

太陽能-風能混合發電可以實現太陽能光伏發電和風能發電的特性互補，從而實現晝夜發電和各個季節電能的穩定輸出，這個系統比單獨的太陽能和風能發電更能充分利用資源，提高了發電的可靠性和穩定性，并且讓系統的持續供電性能大大提升。太陽能-風能混合發電還能夠降低投資和運行成本，兩種發電形式的優勢互補使得對蓄電池容量的要求降低，減少了費用。太陽能-風能混合發電系統的最佳狀態是在不起動外加電源的情況下實現給負載進行24 h的穩定電能輸出，此時系統可以實現經濟效益、社會效益的最大化。太陽能-風能混合發電的缺點在于其系統相較于風能或者太陽能單獨發電更為復雜，使得對系統控制和管理的要求也變得更高，系統的維護也會更難。風光混合發電系統運行過程是：利用自然風力發電，風輪轉動時吸收了風能，從而帶動了風力發電機，將風能轉換為電能，太陽能光伏電池將吸收的太陽光轉化成電能，產生的電流經過整流、穩壓和控制器，之后可以直接連接直流負載，也可以通過逆變器完成交流-直流轉化后連接交流負載，產生的電能也可以在蓄電池內備用。

4.1.2 太陽能-風能混合發電系統的基本組成

太陽能-風能混合發電系統一般由風力發電機、整流器、升壓變換器、光伏電池陣列、卸荷器、控制器、蓄電池組、逆變器、直流負載和交流負載構成。系統中存在能量生產、存儲以及消耗等三個環節，能量生產環節由風力發電機和光伏電池完成，他們分別將風能和太陽能轉化為電能。整流器負責將風力發電機發出的交流電轉化為穩定的直流電。能量的儲存環節則是由蓄電池承擔的，它在系統中的作用是解決能量供需不平衡的情況，它既能夠起到儲能作用，還有穩定電壓的功能。能量消耗環節則由負載構成，根據電流性質可以將負載分為直流負載和交流負載兩種類型。逆變器的功能是將直流電轉化為交流電，從而使產生的電能能夠被負載使用。控制器是整個系統的核心，它能夠保護蓄電池的充放電，控制系統的總輸出功率，還能夠對系統的運行進行監控，保障系統的正常運行。

風電互補發電系統一般在太陽光強時采用光伏發電，風能供電支路則處于斷開狀態，反之，則由風力發電機組進行供電，光伏電池支路處于斷開狀態。目前出現了可以兩條線路同時供電的太陽能-風能混合發電系統，只要兩只供電支路的輸出電壓大于蓄電池電壓，使二極管導通就可以實現兩條支路同時供電。

4.2 太陽能-風能混合系統發電的應用

太陽能-風能混合發電可以應用于無電農村地區的生活用電，半導體室外照明、航標、監控攝像機電源、通信基站、海水淡化裝置和抽水蓄能電站等方面，并且隨著人們不斷開發綠色能源，太陽能-風能混合發電在將來可能成為人們用電的主要來源。在這些方面太陽能-風能混合發電相比普通電網供電有許多優勢，以通訊基站為例，處于高原和山區的通訊基站由于其地理位置問題，架設通電線路面臨高成本、難維修等問題，建設太陽能-風能混合發電則可以有效解決這些困難，節約成本，并使通信基站正常運行。

5 結語

隨著國家越來越重視環境保護和節約能源，太陽能-風能混合發電還有很大發展空間。未來太陽能-風能混合發電系統將像更加穩定、經濟方向發展，實現系統各部分更加合理的配置，使系統的成本和維護費用繼續降低，促進太陽能-風能混合發電系統的廣泛應用。

參考文獻

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