風(fēng)能與太陽(yáng)能綜合開發(fā)利用的案例分析與實(shí)踐探索

摘要：風(fēng)能和太陽(yáng)能的結(jié)合使用可提供更加穩(wěn)定的電力供應(yīng)，同時(shí)減少對(duì)化石燃料的依賴，減少溫室氣體排放。探討風(fēng)能和太陽(yáng)能在能源領(lǐng)域中的綜合應(yīng)用，不僅能夠減少對(duì)化石燃料的依賴，降低溫室氣體排放，還能促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。基于此，從理論基礎(chǔ)出發(fā)，介紹風(fēng)能發(fā)電和補(bǔ)償機(jī)制的基本原理，并選取相關(guān)案例進(jìn)行深入剖析，最后提出我國(guó)未來(lái)在風(fēng)光互補(bǔ)領(lǐng)域的實(shí)踐路徑和發(fā)展建議。

關(guān)鍵詞：風(fēng)能；太陽(yáng)能；綜合開發(fā)利用；案例分析；實(shí)踐探索

中圖分類號(hào)：F206 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）12-0-0338

Case Analysis and Practical Exploration of Integrated Development and Utilization of Wind Energy and Solar Energy

SHAO Wei

（China Huadian Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100160， China）

Abstract： The combination of wind energy and solar energy can provide a more stable power supply， while reducing dependence on fossil fuels and greenhouse gas emissions. Exploring the comprehensive application of wind and solar energy in the energy sector can not only reduce dependence on fossil fuels and greenhouse gas emissions， but also promote sustainable economic development. Based on this， starting from the theoretical foundation， the basic principles of wind power generation and compensation mechanism are introduced， and relevant cases are selected for in-depth analysis. Finally， the practical path and development suggestions for China’s future in the field of wind solar complementarity are proposed.

Keywords： wind energy; solar energy; integrated development and utilization; case analysis; practical exploration

目前，能源安全問(wèn)題日益突出，發(fā)展清潔低碳的新能源已成為各國(guó)政府的重要議題。其中，風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電作為清潔能源中最具潛力的代表，近年來(lái)得到快速發(fā)展。然而，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電均存在間歇性和不穩(wěn)定性等缺陷，如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定持續(xù)供電成為當(dāng)前面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。在此背景下，風(fēng)光互補(bǔ)的概念應(yīng)運(yùn)而生，即在同一區(qū)域或系統(tǒng)內(nèi)，將風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站有機(jī)結(jié)合，利用兩種資源之間的自然互補(bǔ)性，提高整體輸出效率及可靠性，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的最優(yōu)化[1]。

1 相關(guān)理論介紹

1.1 風(fēng)能發(fā)電

風(fēng)能作為一種清潔可再生資源，已逐漸成為全球能源轉(zhuǎn)型的重要組成部分。風(fēng)力發(fā)電機(jī)捕捉空氣流動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，使內(nèi)部發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生電能。這個(gè)過(guò)程看似簡(jiǎn)單，實(shí)則涉及多方面因素的影響[2]。

首先，地理位置選擇至關(guān)重要。風(fēng)力資源豐富與否會(huì)直接影響發(fā)電效率和經(jīng)濟(jì)效益。風(fēng)電場(chǎng)的理想建設(shè)位置為常年盛行風(fēng)向穩(wěn)定、平均風(fēng)速較大且距離輸電線路較近的地區(qū)。例如，沿海地帶、山口隘道有利于增大風(fēng)速；遠(yuǎn)離障礙物的開闊平原，可保障氣流暢通無(wú)阻。其次，氣候條件同樣不可忽視。極端天氣現(xiàn)象（臺(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)）、季節(jié)變換等，均會(huì)影響風(fēng)速，在一定程度上限制了設(shè)備利用率。為克服氣候條件限制，研究人員正在開發(fā)更加先進(jìn)的優(yōu)化控制系統(tǒng)，以適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境要求。最后，儲(chǔ)能裝置、調(diào)頻穩(wěn)壓電路等配套設(shè)施也必須配套跟進(jìn)，以確保電力品質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，在選址布局時(shí)需要全面考量各種要素，并通過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)積累數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)規(guī)律，用于指導(dǎo)決策制定。

1.2 補(bǔ)償機(jī)制

通常情況下，夜間無(wú)光照時(shí)，風(fēng)速可能增大；反之，白天光照增強(qiáng)時(shí)，風(fēng)速可能減小。這種逆相關(guān)關(guān)系使得二者間存在較強(qiáng)的互補(bǔ)效應(yīng)[3]。目前，一般通過(guò)設(shè)計(jì)風(fēng)光系統(tǒng)模擬試驗(yàn)，評(píng)估系統(tǒng)在不同條件下的性能。在試驗(yàn)過(guò)程中，選擇開放的戶外環(huán)境作為試驗(yàn)場(chǎng)地，以模擬真實(shí)的城市或郊區(qū)照明條件。同時(shí)，場(chǎng)地配置有可調(diào)節(jié)的模擬風(fēng)速發(fā)生器和太陽(yáng)模擬燈，以模擬不同時(shí)間和天氣條件下的風(fēng)能和太陽(yáng)能變化。其中，模擬風(fēng)速發(fā)生器能夠模擬不同的風(fēng)速，太陽(yáng)模擬燈則能模擬從陰天到晴天的光照強(qiáng)度。

性能評(píng)估主要圍繞能量的有效獲取、轉(zhuǎn)換和使用。性能指標(biāo)及評(píng)估方法如表1所示。從理論上講，混合系統(tǒng)可通過(guò)整合風(fēng)能和太陽(yáng)能的優(yōu)勢(shì)，提高能量利用率，并提供更穩(wěn)定的能源供給[4-7]。其中，系統(tǒng)的效率主要由轉(zhuǎn)換效率（能源轉(zhuǎn)換為電力的效率）和存儲(chǔ)效率決定；系統(tǒng)的響應(yīng)性是衡量系統(tǒng)響應(yīng)環(huán)境變化速度的指標(biāo)，與系統(tǒng)的適應(yīng)性和靈活性有關(guān)；系統(tǒng)的可靠性則通過(guò)持續(xù)運(yùn)行能力和故障率來(lái)評(píng)估，能夠反映系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和維護(hù)需求。

2 典型案例分析

2.1 青海德令哈市風(fēng)光儲(chǔ)一體化項(xiàng)目

青海省德令哈市位于青藏高原東北邊緣，地勢(shì)開闊，日照時(shí)間長(zhǎng)且強(qiáng)度大，擁有豐富的風(fēng)能資源，是開展風(fēng)光儲(chǔ)一體化項(xiàng)目的理想場(chǎng)所。項(xiàng)目總投資超過(guò)47億元，目標(biāo)裝機(jī)容量達(dá)1 GW，是我國(guó)西部清潔能源開發(fā)利用的里程碑。

通過(guò)大規(guī)模布局風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站，項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能與太陽(yáng)能的有機(jī)結(jié)合。當(dāng)夜間無(wú)光照時(shí)，采用風(fēng)力發(fā)電模式；而在日間陽(yáng)光充沛時(shí)，采用光伏發(fā)電模式。這種模式不僅能夠有效平衡風(fēng)、光帶來(lái)的電力波動(dòng)，還大幅提升了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。項(xiàng)目配備先進(jìn)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)與自動(dòng)化控制系統(tǒng)，建立多層次調(diào)度體系，能夠保證風(fēng)電機(jī)組與太陽(yáng)能板穩(wěn)定運(yùn)行。配置的儲(chǔ)能設(shè)施能夠在供需不平衡時(shí)段發(fā)揮緩沖作用，進(jìn)一步優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，減少對(duì)傳統(tǒng)火力發(fā)電的依賴[8-11]。

項(xiàng)目為當(dāng)?shù)貛?lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。新增的就業(yè)崗位能夠吸引眾多青年返鄉(xiāng)創(chuàng)業(yè)，推動(dòng)德令哈市乃至整個(gè)青海省的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型與升級(jí)。此外，清潔電力的供給可有效改善周邊生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，促進(jìn)旅游業(yè)繁榮。

2.2 張北風(fēng)光儲(chǔ)示范工程

張北縣位于河北省西北部，地處華北平原與內(nèi)蒙古高原的過(guò)渡地帶，兼具豐富的風(fēng)能與太陽(yáng)能資源，為我國(guó)建設(shè)首個(gè)國(guó)家級(jí)風(fēng)光儲(chǔ)輸綜合示范基地奠定了基礎(chǔ)。張北風(fēng)光儲(chǔ)示范工程的總投資規(guī)模宏大，設(shè)計(jì)總裝機(jī)容量達(dá)4 GW，其中風(fēng)電為3.75 GW和光伏為0.25 GW。

工程采用先進(jìn)的信息技術(shù)與能源管理手段，搭建高度集成化的調(diào)度指揮中心，實(shí)現(xiàn)各類電源點(diǎn)位精準(zhǔn)控制與即時(shí)反饋。通過(guò)對(duì)各環(huán)節(jié)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控分析，有效應(yīng)對(duì)負(fù)荷峰谷交替挑戰(zhàn)，保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，依托云計(jì)算平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域資源優(yōu)化配置，增強(qiáng)電網(wǎng)的靈活性與抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

除了直接貢獻(xiàn)清潔能源產(chǎn)出，張北風(fēng)光儲(chǔ)示范工程還催生了一系列產(chǎn)業(yè)鏈上下游的合作機(jī)會(huì)。本地企業(yè)參與設(shè)備制造、安裝維護(hù)等多個(gè)環(huán)節(jié)，加速產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，創(chuàng)造大量勞動(dòng)崗位，助力農(nóng)民增收。項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)帶來(lái)的稅收也將反哺公共設(shè)施建設(shè)，進(jìn)一步提高居民的生活質(zhì)量。

3 未來(lái)實(shí)踐路徑與發(fā)展建議

3.1 加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新

在風(fēng)能與太陽(yáng)能的綜合開發(fā)利用過(guò)程中，技術(shù)創(chuàng)新扮演著重要的角色。為實(shí)現(xiàn)兩類資源高效、穩(wěn)定地并入現(xiàn)有電網(wǎng)系統(tǒng)，需突破一系列科技難題。

首先，加大儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)力度。目前，主流的鋰離子電池雖然已經(jīng)取得長(zhǎng)足進(jìn)展，但是在能量密度、循環(huán)壽命等方面仍有待提升。新一代固態(tài)電解質(zhì)電池、鈉硫電池等前沿技術(shù)受到廣泛關(guān)注，不僅能夠大幅度提高儲(chǔ)存效率，還可以降低潛在安全隱患。其次，推廣虛擬同步發(fā)電機(jī)（Virtual Synchronous Generator，VSG）與智能微網(wǎng)。通過(guò)精確控制電壓頻率相位角等參數(shù)，VSG能夠模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)行為特性，有助于加快系統(tǒng)響應(yīng)速度和提升系統(tǒng)健壯性。智能微網(wǎng)則可在局部區(qū)域內(nèi)自主管理和協(xié)調(diào)各分布式電源間的互動(dòng)運(yùn)作，確保電力供需平衡的同時(shí)，提高靈活性及安全性。最后，應(yīng)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)，推動(dòng)能源行業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。借助海量數(shù)據(jù)分析處理能力，可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化負(fù)荷預(yù)測(cè)管理、故障預(yù)警診斷等功能，極大提高運(yùn)維效率，降低成本開支。

因此，國(guó)家應(yīng)積極組織科研機(jī)構(gòu)企業(yè)合作攻關(guān)，打造開放式創(chuàng)新平臺(tái)，促進(jìn)知識(shí)共享交流；加大財(cái)政投入，引導(dǎo)社會(huì)資本廣泛參與儲(chǔ)能裝備產(chǎn)業(yè)鏈上下游環(huán)節(jié)，加快成果轉(zhuǎn)化步伐。

3.2 營(yíng)造有利的外部環(huán)境

要實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)規(guī)?；l(fā)展，必須營(yíng)造有利的外部環(huán)境。政府應(yīng)當(dāng)出臺(tái)涵蓋規(guī)劃審批、土地使用、稅費(fèi)激勵(lì)等方面的綜合性政策措施，創(chuàng)造公平的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，吸引投資者涌入。例如，實(shí)施凈計(jì)量電價(jià)制度，允許個(gè)人家庭將多余綠電出售給電網(wǎng)公司；推出綠色信貸專項(xiàng)基金計(jì)劃，為符合條件的小型項(xiàng)目提供低息貸款支持；舉辦年度綠色債券發(fā)行活動(dòng)，為擴(kuò)大基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)?；I集資金。此外，政府應(yīng)積極借鑒國(guó)際經(jīng)驗(yàn)，召開雙邊或多邊合作對(duì)話會(huì)議，學(xué)習(xí)他國(guó)成熟做法，調(diào)整自身戰(zhàn)略方向，推動(dòng)建立統(tǒng)一透明的交易規(guī)則，消除貿(mào)易壁壘限制。

3.3 達(dá)成社會(huì)共識(shí)

除了技術(shù)層面革新和政策指引，達(dá)成社會(huì)共識(shí)也是構(gòu)建風(fēng)光互補(bǔ)體系的重要一環(huán)。例如：在日常生活中普及節(jié)能燈泡、高效家電產(chǎn)品等低碳化生活方式；學(xué)校增設(shè)環(huán)境科學(xué)課程，培養(yǎng)青少年的保護(hù)意識(shí)；通過(guò)媒體宣傳、公益活動(dòng)等形式弘揚(yáng)節(jié)約文化價(jià)值觀。此外，政府應(yīng)該充分發(fā)揮引導(dǎo)功能，出臺(tái)相關(guān)政策文件，強(qiáng)調(diào)社會(huì)責(zé)任感，鼓勵(lì)各行各業(yè)積極開展示范項(xiàng)目，讓廣大公民親身體驗(yàn)到使用綠色能源帶來(lái)的實(shí)惠好處，逐漸形成全民參與的良好風(fēng)氣。

4 結(jié)論

風(fēng)能與太陽(yáng)能的綜合開發(fā)利用是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、構(gòu)建清潔低碳能源體系的有效途徑。在全球范圍內(nèi)，已有許多成功案例證明了這一觀點(diǎn)。我國(guó)應(yīng)充分利用自身的資源優(yōu)勢(shì)，積極探索風(fēng)光互補(bǔ)新模式，逐步推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，最終實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。

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作者簡(jiǎn)介：邵威（1979—），男，遼寧鐵嶺人，工程師。研究方向：火風(fēng)力發(fā)電及光伏發(fā)電。