風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

樊剛強(qiáng) 馬罕志 楊勇

摘 要：風(fēng)能、太陽(yáng)能等新興能源儲(chǔ)量豐富，對(duì)環(huán)境友好，能有效緩解因傳統(tǒng)化石能源匾乏帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)危機(jī)。獨(dú)立型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)能有效利用新能源，解決無(wú)電地區(qū)供電問(wèn)題。在獨(dú)立系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，對(duì)供電系統(tǒng)容量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)能有效降低系統(tǒng)投資，提高系統(tǒng)風(fēng)光資源利用率。基于此，本文將著重分析探討分布式風(fēng)力太陽(yáng)能光伏互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，以期能為以后的實(shí)際工作起到一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：分布式風(fēng)力；太陽(yáng)能光伏；發(fā)電；技術(shù)

在人們生活與生產(chǎn)過(guò)程中，能源扮演著重要的角色，它是社會(huì)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的可靠物質(zhì)保障。在人類社會(huì)發(fā)展進(jìn)程中，石油、煤炭與天然氣是能源體系中的重要成員，但此類燃料在使用過(guò)程中，造成了嚴(yán)重的污染問(wèn)題，破壞著生態(tài)系統(tǒng)的平衡。近幾年，世界范圍內(nèi)均十分關(guān)注能源的應(yīng)用，可再生能源作為清潔、高效、無(wú)污染能源，滿足了人們的環(huán)保要求，同時(shí)也符合經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。在此背景下，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)得以建立、應(yīng)用與發(fā)展，該系統(tǒng)積極利用了風(fēng)能與太陽(yáng)能，通過(guò)二者互補(bǔ)性的有效結(jié)合，進(jìn)而形成了新型的能源發(fā)電系統(tǒng)。

1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的概況

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要是對(duì)風(fēng)能與太陽(yáng)能進(jìn)行了運(yùn)用，同時(shí)結(jié)合了多種能源發(fā)電技術(shù)，其系統(tǒng)是由智能控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制的，它屬于可再生能源發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)的構(gòu)成主要有風(fēng)力發(fā)電組件與太陽(yáng)能發(fā)電組件，利用蓄電池將電能進(jìn)行存儲(chǔ)，此時(shí)電池中的直流電將由逆變器將其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使之成為交流電，再借助輸電線路，最后傳輸至用戶，從而滿足了用戶的供電需求。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的建立具有一定的合理性，主要是由于太陽(yáng)能與風(fēng)能二者間具有良好的互補(bǔ)性。太陽(yáng)能源于太陽(yáng)內(nèi)部的核聚變，在此反應(yīng)下隨之產(chǎn)生了大量的、持續(xù)的能量；風(fēng)能屬于太陽(yáng)能的一種表現(xiàn)形式，地球表面能夠吸收太陽(yáng)光照，此時(shí)吸收的形態(tài)存在差異，因而，吸收的能力也有所區(qū)別，在此基礎(chǔ)上，地球表面的溫差隨之出現(xiàn)，此后，在空氣對(duì)流過(guò)程中，形成了風(fēng)能。太陽(yáng)能與風(fēng)能，二者具有一定的互補(bǔ)性，主要體現(xiàn)在時(shí)間分布上，具體如下：在白天，當(dāng)風(fēng)能較弱時(shí)，太陽(yáng)能設(shè)備可作為互補(bǔ)輔助產(chǎn)能{在晚上，沒(méi)有太陽(yáng)能時(shí)，風(fēng)能設(shè)備可作為互補(bǔ)輔助產(chǎn)能；在夏季，氣溫高空氣體積膨脹，較低的空氣密度導(dǎo)致風(fēng)能較小，但太陽(yáng)輻射強(qiáng)，太陽(yáng)能較大；在冬季，氣溫低空氣體積收縮，較高的空氣密度導(dǎo)致風(fēng)能較強(qiáng)，但太陽(yáng)輻射弱，太陽(yáng)能較小。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)有效利用了二者的互補(bǔ)性，從而實(shí)現(xiàn)了資源的合理配置與高效利用。

2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用

在我國(guó)，太陽(yáng)能、風(fēng)能等再生能源均十分豐富，因此，對(duì)其應(yīng)用具有廣泛性，在諸多領(lǐng)域，其應(yīng)用均具有高效性、經(jīng)濟(jì)性與可持續(xù)性。下文介紹了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用，具體內(nèi)容如下：

2.1 應(yīng)用于無(wú)電農(nóng)村

在中國(guó)，各個(gè)區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平存在一定的差異，不平衡的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，導(dǎo)致部分農(nóng)村的生活與生產(chǎn)缺少電能，如：青藏高原與內(nèi)蒙古自治區(qū)等，但此類地區(qū)擁有豐富的風(fēng)能與太陽(yáng)能，因此，利于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用。現(xiàn)階段，我國(guó)為了滿足農(nóng)村的用電需求，積極建立可再生能源供電系統(tǒng)，己建成的有千余個(gè)，通過(guò)系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行，即：獨(dú)立式發(fā)電的運(yùn)用，為農(nóng)村提供了可靠的電能，但此時(shí)的供電系統(tǒng)，僅能夠滿足農(nóng)村的生活用電及照明需求，由于系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)的用電負(fù)載，使得系統(tǒng)缺少經(jīng)濟(jì)性。在此背景下，風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的應(yīng)用要進(jìn)行深入的研究，通過(guò)實(shí)踐，保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與高效性，進(jìn)而促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，使其生活水平不斷提升嘲。

2.2 應(yīng)用于航標(biāo)

太陽(yáng)能航標(biāo)在我國(guó)大部分地區(qū)均有所應(yīng)用，它主要的依據(jù)為天氣情況，如果天氣條件不好，太陽(yáng)能發(fā)電則不能滿足需求，進(jìn)而需要風(fēng)能發(fā)電，此時(shí)便彌補(bǔ)了天氣條件惡劣的空缺。通常情況下，在春季與夏季，太陽(yáng)能配置均能夠滿足供電的需求，此時(shí)，風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)則不被啟動(dòng)；但在冬季或者天氣狀況不良時(shí)，太陽(yáng)能發(fā)電的效果較差，此時(shí)，則要啟動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)揮風(fēng)能發(fā)電的作用。

2.3 應(yīng)用于日用品

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在日用產(chǎn)品中的應(yīng)用較為廣泛，主要包括路燈照明、供暖、充電電源、野營(yíng)燈與獨(dú)立電源等。在城市路燈中對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用是高效的，雖然其投資偏高，但減少了輸電線路與路面開(kāi)挖埋管工程，同時(shí)也未能消耗電能，因此，該系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)性。在城市道路與景觀照明等方面積極應(yīng)用風(fēng)光互補(bǔ)照明技術(shù)，其發(fā)展具有良好的態(tài)勢(shì)。

2.4 應(yīng)用于建筑行業(yè)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，為建筑行業(yè)的發(fā)展?fàn)I造了良好的環(huán)境，該行業(yè)在發(fā)展過(guò)程中十分注重環(huán)保與節(jié)能，因此，對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了全面的應(yīng)用。在諸多建筑物中均安裝了太陽(yáng)能集熱管與風(fēng)力發(fā)電機(jī)，同時(shí)該系統(tǒng)也應(yīng)用到了光伏一體化建筑、風(fēng)光互補(bǔ)鍋爐、屋頂風(fēng)力發(fā)電機(jī)與風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)等。

2.5 應(yīng)用于并網(wǎng)發(fā)電

并網(wǎng)發(fā)電過(guò)程中，光伏產(chǎn)品的應(yīng)用是重要的，在發(fā)達(dá)國(guó)家，對(duì)于此產(chǎn)品的應(yīng)用達(dá)到了80%，而在我國(guó)，未能有效利用光伏產(chǎn)品。在今后發(fā)展過(guò)程中，并網(wǎng)發(fā)電要積極應(yīng)用光伏產(chǎn)品。如果在沙漠中安裝光伏產(chǎn)品，其總?cè)萘渴强捎^的，但如今，我國(guó)的裝機(jī)容量較少。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于電網(wǎng)建設(shè)，不僅可以減少建設(shè)的成本，還可以降低能源的損耗，因此，我國(guó)在可再生能源的應(yīng)用方面具有廣闊的市場(chǎng)。

2.6 應(yīng)用于沙漠治理

在我國(guó)，雖然經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展，但沙漠治理的現(xiàn)狀不容樂(lè)觀，為了實(shí)現(xiàn)有效的治理，國(guó)家對(duì)其投入了大量的人力、物力與財(cái)力，在沙漠公路開(kāi)通后，提高了當(dāng)?shù)鼐用竦纳钏剑纳屏水?dāng)?shù)氐淖匀簧鷳B(tài)環(huán)境。在沙漠治理過(guò)程中，對(duì)水資源、電能資源均有著較大的需求，因此，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)與風(fēng)光互補(bǔ)水泵得到了積極有效的運(yùn)用。

3 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化

太陽(yáng)能與風(fēng)能二者的混合利用技術(shù)是由丹麥科學(xué)家提出來(lái)的，在1981年，科學(xué)家將風(fēng)力機(jī)與光伏組件進(jìn)行了簡(jiǎn)單的組合，此時(shí)，對(duì)兩種能源的利用不夠充分。此后，世界各國(guó)均開(kāi)始研究風(fēng)光互補(bǔ)，主要是由于該系統(tǒng)滿足了可持續(xù)發(fā)展的需求，在技術(shù)不斷改進(jìn)與完善后，于1982年，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。近幾年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均十分關(guān)注對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的研究。在國(guó)外方面，主要研究了系統(tǒng)的合理配置與優(yōu)化設(shè)計(jì)等，加拿大科學(xué)家通過(guò)研究，建立了獨(dú)立的小型風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)，此系統(tǒng)具有良好的可靠性與較低的成本，它以負(fù)載為依據(jù)，對(duì)風(fēng)光資源進(jìn)行了合理的配置，使得該系統(tǒng)發(fā)電成本得到了控制，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的安全性、可靠性與可行性。在國(guó)內(nèi)方面，主要研究了系統(tǒng)的性能、效率與控制策略等，有研究構(gòu)建了風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)仿真模型，在此模型的作用下，用戶可以對(duì)不同結(jié)構(gòu)的風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)，并且利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算，進(jìn)而全面了解了系統(tǒng)的性能、運(yùn)行效率與控制策略；部分石油公司也對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了研究，主要是為了保證邊際油田的高效開(kāi)發(fā)，在研究過(guò)程中，對(duì)油田的特殊性、工程的實(shí)效性等因素均給予了考慮；在移動(dòng)通信方面，也研究了風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)，將其應(yīng)用到了移動(dòng)通訊配置中，有效解決了設(shè)備供電難的問(wèn)題。

4 分布式風(fēng)力——太陽(yáng)能光伏互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

4.1 分布式風(fēng)力——太陽(yáng)能光伏互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)一般由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽(yáng)能光伏電池組、控制器、蓄電池組、逆變器等組成。基于直流母線的組網(wǎng)方式，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

4.2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)工作狀態(tài)

根據(jù)天氣的變化情況可以將天氣情況大體分為四種：有風(fēng)無(wú)光，有光無(wú)風(fēng)，有風(fēng)有光，無(wú)風(fēng)無(wú)光。根據(jù)天氣的不同情況相應(yīng)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽(yáng)能光伏電池組和蓄電池組的工作情況如下表所示。

上表風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)各部分工作情況“+”表示蓄電池充電，“-”表示蓄電池放電。系統(tǒng)出力有余時(shí)取“+”，出力不足時(shí)取“-”。由于風(fēng)能和太陽(yáng)能的隨機(jī)性，致使風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能光伏電池組輸出的功率輸出也具有隨機(jī)性。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率關(guān)系可表示為：

Pz（t）=Pf（t）+Pg（t）±Px（t）

式中：Pz（t）為t時(shí)刻系統(tǒng)輸出的總功率；Pf（t）為t時(shí)刻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的功率；Px（t）為t時(shí)刻蓄電池組的輸出功率；Pg（t）為t時(shí)刻太陽(yáng)能光伏電池組輸出功率；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和太陽(yáng)能光伏電池組出力不足時(shí)取“+”，出力多余時(shí)取“-”。從公式可知，當(dāng)風(fēng)能與太陽(yáng)能具有較好的互補(bǔ)性時(shí)，Pz（t）輸出保持較好的穩(wěn)定性，Px（t）出力較少。則系統(tǒng)儲(chǔ)能容量的配置會(huì)相應(yīng)地減小。

4.3 分布式風(fēng)力——太陽(yáng)能光伏互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)

風(fēng)速是影響風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率輸出的重要因素，光照強(qiáng)度決定了光伏電池發(fā)電功率輸出的大小。同時(shí)負(fù)載用電量和蓄電池的儲(chǔ)能狀態(tài)也會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，而且這些因素也會(huì)互相影響與制約。因此需要對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行合理控制，才能實(shí)現(xiàn)在不同條件下系統(tǒng)始終最優(yōu)運(yùn)行。控制的對(duì)象主要包括：對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏電池的輸出功率進(jìn)行控制；對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電控制；協(xié)調(diào)光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電能量平衡等。

總而言之，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，能源需求越來(lái)越大，特別是對(duì)電能的需求。目前，電能主要靠火。

5 結(jié)語(yǔ)

電廠產(chǎn)生，通過(guò)大量使用煤炭，導(dǎo)致空氣質(zhì)量越來(lái)越差。為了社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)溫室效應(yīng)，需要使用清潔能源來(lái)代替。太陽(yáng)能與風(fēng)能作為清潔能源資源，可以看做是可再生資源，可代替煤炭資源為人類經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供電能。風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)與太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)以其清潔、可再生等特點(diǎn)已經(jīng)逐漸成了新的研究方向。對(duì)于遠(yuǎn)離電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)山區(qū)、邊防哨所、島嶼等，需要獨(dú)立穩(wěn)定的供電系統(tǒng)來(lái)提供可靠地電能。獨(dú)立的風(fēng)能或太陽(yáng)能由于受時(shí)間、區(qū)域等因素的影響，很難提供穩(wěn)定的電能。在新能源應(yīng)用領(lǐng)域，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)能夠充分結(jié)合這兩種資源優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。這就要求我們?cè)谝院蟮膶?shí)際工作中必須對(duì)其實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步研究探討。

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項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校科學(xué)研究項(xiàng)目：NJZY17382

作者簡(jiǎn)介：樊剛強(qiáng)（1984），男，碩士，講師，主要研究電氣控制、風(fēng)光互補(bǔ)等。