關(guān)于港口供電照明系統(tǒng)融入風(fēng)光互補(bǔ)方案的分析

李海波+李海燕

摘 要：通過對風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的研究，提出一種針對港口供電照明系統(tǒng)中小電源負(fù)荷更為節(jié)能環(huán)保的供電方式，不僅能夠在設(shè)計(jì)方案上有了一定的優(yōu)化和特點(diǎn)，更加適應(yīng)業(yè)主的需求和市場的先進(jìn)化。文章首先介紹了風(fēng)能、太陽能互補(bǔ)特性，詳細(xì)分析了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，給出了各部分工作原理，并結(jié)合傳統(tǒng)的港口供電照明系統(tǒng)方案進(jìn)行了優(yōu)化，提出新的方案。

關(guān)鍵詞：風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)；節(jié)能環(huán)保；供電照明方案

引言

隨著不可再生資源的日漸減少及緊張形勢，可再生資源領(lǐng)域的深入研究、發(fā)展和應(yīng)用已經(jīng)成為了當(dāng)前科技發(fā)展的必然趨勢。當(dāng)前，中國的能源情況并不樂觀，因此我們對新能源的深入研究及應(yīng)用發(fā)展顯得刻不容緩。太陽能、風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)日漸可靠化、獨(dú)立化、成熟化，作為本領(lǐng)域內(nèi)風(fēng)生水起的兩大新生力量，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到全球的很多行業(yè)，例如家用型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、家用型太陽能發(fā)電系統(tǒng)等，它們有著綠色環(huán)保、能源豐富、節(jié)能減排、經(jīng)濟(jì)適用等特點(diǎn)，但受其能源密度低、穩(wěn)定性差、不連續(xù)性等因素，往往被認(rèn)為效率低。中國處于北半球的季風(fēng)氣候區(qū)域，春季秋季兩個(gè)時(shí)節(jié)的風(fēng)能源與太陽輻射適中，夏季時(shí)節(jié)的風(fēng)能源小太陽輻射大，冬季時(shí)節(jié)的風(fēng)能源大太陽輻射小，結(jié)合此情況，正好可利用風(fēng)能與太陽能時(shí)間、空間的互補(bǔ)來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的能源輸出，由此風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)順勢而生。

傳統(tǒng)的港口供電照明系統(tǒng)主要由場區(qū)高桿燈照明、棧橋及轉(zhuǎn)運(yùn)站照明系統(tǒng)構(gòu)成，它們的電源一般直接取自于變電所或相應(yīng)的饋線回路，大部分變電所均采用雙母線分段運(yùn)行三合二形式，可以保證供電的持續(xù)性，但長期運(yùn)行從節(jié)能減排、經(jīng)濟(jì)適用方面考慮并不劃算，況且如果變電站主站出現(xiàn)問題或者外部供電線路出現(xiàn)問題，將無法保證場區(qū)所必須的供電照明等。引入風(fēng)電互補(bǔ)系統(tǒng)能夠有效地解決此類問題，能充分利用海邊的自然能源進(jìn)而得以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)適用的目的。本文通過對風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的深入研究，從而實(shí)現(xiàn)將它融入到港口照明供電系統(tǒng)的方案中，并且證明本方案的可行性。

1風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

1.1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

常見的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)由六大部分組成：

1）風(fēng)力發(fā)電部分：通過風(fēng)力機(jī)裝置將外界的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為自身的機(jī)械能，再通過內(nèi)置發(fā)電機(jī)將機(jī)械能合理地轉(zhuǎn)換為質(zhì)量較高的交流電，通過電力電子整流器轉(zhuǎn)化為直流電，再通過控制器的控制策略做出選擇，直接給直流負(fù)載供電，對蓄電池進(jìn)行充電，通過電力電子逆變器輸出交流電對負(fù)載供電；

2）光伏發(fā)電部分：通過太陽能電池板光伏陣列的光生伏打效應(yīng)將光能合理地轉(zhuǎn)換為質(zhì)量較高的直流電，然后通過電力電子DC/DC變換器后輸出，再通過再通過控制器的控制策略做出選擇，直接給直流負(fù)載供電，對蓄電池進(jìn)行充電，通過電力電子逆變器輸出交流電對負(fù)載供電；

3）逆變系統(tǒng)：由電力電子逆變器組成，可將輸入的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足要求的交流電，從而輸出給交流電負(fù)載設(shè)備正常使用，該系統(tǒng)同時(shí)具有穩(wěn)壓功能，大大的改善了輸出電能的供電質(zhì)量；

4）控制器部分：該部分為整個(gè)系統(tǒng)的大腦中樞，投運(yùn)哪套發(fā)電系統(tǒng)由它決定，輸出決策也由它決定，同時(shí)它還負(fù)責(zé)各部分的功率跟蹤、蓄電池的充放電控制、保護(hù)顯示等。它可以根據(jù)環(huán)境的陽光輻射強(qiáng)度、風(fēng)能源的大小及負(fù)載的需求變化，通過內(nèi)部的控制策略，不斷調(diào)整蓄電池組的工作狀態(tài)，在對直流或交流負(fù)載供電的同時(shí)，把多余的電能輸入到蓄電池組以便存儲(chǔ)。當(dāng)周圍環(huán)境不佳的情況下，發(fā)電量不能滿足用電負(fù)載的需求，此時(shí)控制器會(huì)通過控制策略判斷，從而調(diào)整蓄電池的狀態(tài)，將儲(chǔ)存的電能送往負(fù)載，從而保證了整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性、穩(wěn)定性、連續(xù)性和安全性；

5）蓄電池組部分：作為該系統(tǒng)的備用電源倉庫，由多塊蓄電池串聯(lián)組成，在本發(fā)電系統(tǒng)中起到能量儲(chǔ)存、能量調(diào)節(jié)、能量供給、平衡負(fù)載等作用。

6）負(fù)載：作為用電的終端，包括直流負(fù)載、交流負(fù)載、泄荷負(fù)載等。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理如圖1所示。

1.2 風(fēng)力發(fā)電部分

風(fēng)能的特點(diǎn)主要有能量密度低、不穩(wěn)定性、分布不均勻、可再生、須在有風(fēng)地帶、無污染、分布廣泛、可分散利用、另外不須能源運(yùn)輸、可和其它能源相互轉(zhuǎn)換等[1]。

小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般由下列幾部分組成：風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、調(diào)速和調(diào)向機(jī)構(gòu)、停車機(jī)構(gòu)、塔架及拉索等[2]。

（1）風(fēng)輪

小型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪一般由2到3片葉片構(gòu)成，它是將外界的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的關(guān)鍵部件，材質(zhì)主要由復(fù)合材料構(gòu)成。

（2）發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)通常采用永磁式交流發(fā)電機(jī)，此部位是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的重要部件。

（3）調(diào)向機(jī)構(gòu)

為了更好的獲得風(fēng)能，風(fēng)機(jī)需要及時(shí)根據(jù)風(fēng)況調(diào)整迎風(fēng)方向，小型風(fēng)電機(jī)組一般采用尾翼結(jié)構(gòu)來調(diào)整方向。

（4）調(diào)速機(jī)構(gòu)

風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)并非越快越好，轉(zhuǎn)動(dòng)過快會(huì)造成飛車現(xiàn)象從而損壞各個(gè)部件，合理的調(diào)整轉(zhuǎn)速才能使系統(tǒng)穩(wěn)定而合理地輸出機(jī)械能，小型風(fēng)電機(jī)組一般采用側(cè)偏式風(fēng)輪調(diào)整；

（5）停車機(jī)構(gòu)

風(fēng)速較大時(shí)，小型風(fēng)電機(jī)組需停機(jī)，目前常采用側(cè)偏停機(jī)機(jī)構(gòu)停機(jī)，一般在尾翼機(jī)構(gòu)固定一根軟繩。

1.3 光伏發(fā)電部分

光伏陣列能夠有效地、穩(wěn)定地將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，一般由多個(gè)太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)并聯(lián)組合構(gòu)成。太陽能電池是光伏發(fā)電的最基本單元，種類有三種：單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池和非晶硅太陽電池[3]。單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換率最高，但成本也最高；相比較，多晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換率較高，價(jià)格便宜，是現(xiàn)在最常見的材料；而非晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率最低，生產(chǎn)工藝較為簡單。目前，以晶硅材料為基礎(chǔ)的高效電池和薄膜電池是基礎(chǔ)研究工作的熱點(diǎn)課題[2]。原理是電池板利用光伏效應(yīng)（光生伏打效應(yīng)）將太陽能高效地、穩(wěn)定地轉(zhuǎn)換成電能。光生伏打效應(yīng)是半導(dǎo)體在吸收光能后， P-N結(jié)上會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)電動(dòng)勢的現(xiàn)象。

1.4 逆變系統(tǒng)

逆變系統(tǒng)是將直流電轉(zhuǎn)化為交流電的系統(tǒng)，它的轉(zhuǎn)換效率直接體現(xiàn)了負(fù)載的使用效率，從而在可行性、穩(wěn)定性、安全性、經(jīng)濟(jì)性影響了整個(gè)系統(tǒng)。逆變系統(tǒng)通常由數(shù)臺逆變器構(gòu)成，將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榉弦蟮慕涣麟姡瑸樨?fù)載設(shè)備提供正常的電能，同時(shí)還具備自動(dòng)穩(wěn)壓等保護(hù)功能，由此可大大改善該系統(tǒng)的效率。

1.5 控制器部分

控制器部分主要由主電路板、控制電路板、外圍電路構(gòu)成，是整個(gè)系統(tǒng)的中心部位。

主電路板通常由整流器、變換器、防反充二極管等構(gòu)成。控制電路板作為整個(gè)系統(tǒng)的大腦中樞，多為單片機(jī)。外圍電路通常由驅(qū)動(dòng)電路、通訊電路、保護(hù)電路、電流采樣電路、電壓采樣電路、輔助電源電路等構(gòu)成。

發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能經(jīng)過整流器整流和穩(wěn)壓電容、控制系統(tǒng)處理后給蓄電池充電。風(fēng)速過高時(shí)，輸出電壓往往大于蓄電池電壓，控制系統(tǒng)一般會(huì)通過輸出脈沖（PWM）來控制電路通斷，從而使多余的能量轉(zhuǎn)移到卸荷電阻，從而實(shí)現(xiàn)對蓄電池的保護(hù)。為確保太陽能電池板的單向?qū)щ娦裕乐拱l(fā)電系統(tǒng)輸出的整流電壓和蓄電池電壓對光伏陣列反向灌充，控制系統(tǒng)一般裝設(shè)防反充二極管。控制系統(tǒng)中的二極管、保險(xiǎn)絲構(gòu)成了短路回路，蓄電池接反時(shí)，會(huì)燒毀保險(xiǎn)絲，從而切斷電路以實(shí)現(xiàn)保護(hù)系統(tǒng)的作用。為抑制mosfet管因過壓、過流產(chǎn)生的開關(guān)損耗，控制系統(tǒng)主電路通常由兩個(gè)具有緩沖電路的輸出并聯(lián)的變換器。主電路是由光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主電路兩個(gè)互相獨(dú)立輸出端并聯(lián)的buck電路組成。電路中通常會(huì)存在分布電感、感性負(fù)載等，當(dāng)mosfet管關(guān)斷時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生較大的浪涌電壓，因此采用緩沖電路來預(yù)防浪涌電壓。

1.6 蓄電池部分

蓄電池是整個(gè)系統(tǒng)的能量倉庫，是系統(tǒng)正常工作的能源基地。風(fēng)能、光能充沛情況下，可以儲(chǔ)存多余的電能，在欠缺的情況下，可以為負(fù)載提供充足的電能，同時(shí)作為兩大發(fā)電系統(tǒng)的“中樞”可以合理地調(diào)配以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)作用。蓄電池的濾波作用能構(gòu)使系統(tǒng)輸出的電能更加平穩(wěn)。目前市面上本系統(tǒng)采用的蓄電池主要有鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池和堿性鎳蓄電池。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，儲(chǔ)能方式多元化，超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級電容儲(chǔ)能、燃料電池等新技術(shù)已經(jīng)日漸成熟。綜合經(jīng)濟(jì)型、便捷性、維護(hù)性、穩(wěn)定性等條件，目前本系統(tǒng)采用鉛酸蓄電池比較常見。

1.7 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)能夠很好地克服風(fēng)能、太陽能的隨機(jī)性和間歇性的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)不間斷發(fā)電供電，與單獨(dú)的風(fēng)電系統(tǒng)、光電系統(tǒng)相比有明顯的優(yōu)勢[4]。系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：

1.兩種能源較為豐富，良好的互補(bǔ)性能夠輸出穩(wěn)定的、可靠的、合格的電能供負(fù)載使用。

2.通過兩大系統(tǒng)互補(bǔ)，可以減少原有單個(gè)系統(tǒng)的配置容量，從而大大縮減了投入成本。

3.合理利用可再生資源可以減少火電、核電供給的電量，在環(huán)保節(jié)能方面做出重大貢獻(xiàn)。

4.可以合理地規(guī)避由于市電故障導(dǎo)致的供電問題。

1.8 結(jié)合港口供電照明系統(tǒng)的分析

現(xiàn)港口供電照明系統(tǒng)中能夠引入風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的主要為小負(fù)荷回路，具體體現(xiàn)在普通照明、應(yīng)急照明、維修電源等，我們可以根據(jù)現(xiàn)有的港口進(jìn)行如下分析：

1、成本分析

現(xiàn)某港口配備500盞400w高壓鈉燈，500盞250w高壓鈉燈，現(xiàn)將400w、250w高壓鈉燈分別替換為150w、100w LED燈具，并引入風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，每年大概可以節(jié)省350萬度電，雖然在前期引入此套設(shè)備增加了投入成本，但隨著此類產(chǎn)品的成熟化、穩(wěn)定性，幾年內(nèi)就可通過節(jié)省市電的使用來實(shí)現(xiàn)更大的經(jīng)濟(jì)效益。

2、方案難點(diǎn)分析

由于港口領(lǐng)域還未引入過風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，所以從初期設(shè)計(jì)階段就要結(jié)合以下方面進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算和選型：

1）蓄電池容量的計(jì)算

2）不同高度和不同地點(diǎn)的風(fēng)速儀選型

3）風(fēng)力發(fā)電量

4）光伏發(fā)電量

5）控制策略的搭建

2結(jié)論

通過前面的闡述和分析，可以看出風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)日漸成熟，它在港口工業(yè)領(lǐng)域的引入可以減少不可再生資源的消耗，同時(shí)提高可再生資源的利用率，減少對環(huán)境的污染，大大保證了港口供電照明的持續(xù)照明問題，提高了運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)型、安全性、穩(wěn)定性。總之，隨著工業(yè)發(fā)展的需求、時(shí)代腳步的前進(jìn)、國家新能源政策的號召，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)必將引入到港口工業(yè)領(lǐng)域的供電照明系統(tǒng)內(nèi)，并且成為一道靚麗的風(fēng)景。

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