风光互补发电技术

邵洪涛

【摘 要】风能和太阳能都是清洁能源，随着光伏发电技术、风力发电技术的日趋成熟及实用化进程中产品的不断完善，为风光互补发电系统的推广应用奠定了基础。风光互补发电站系统主要由风力发电机、太阳能电池方阵、智能控制器、蓄电池组、多功能逆变器、电缆及支撑和辅助件等组成一个发电系统，将电力并网送入常规电网中风光。互补发电系统推动了我国节能环保事业的发展，促进资源节约型和环境友好型社会的建设。

【关键词】风光互补；逆变器；蓄电池组

1 风光互补发电技术概述

在国外对于风光互补发电系统的设计主要有两种方法进行功率的确定：一是功率匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的 光伏阵列的功率和风机的功率和大于负载功率，主要用于系统的优化控制；另一是能量匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的发电量和风机的发电量 的和大于等于负载的耗电量，主要用于系统功率设计。

风光互补，是一套发电应用系统，该系统是利用太阳能电池方阵、风力发电机（将交流电转化为直流电）将发出的电能存储到蓄电池组中，当用户需要用电时，逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电，通过输电线路送到用户负载处。是风力发电机和太阳电池方阵两种发电设备共同发电。 最初的风光互补发电系统，就是将风力机和光伏组件进行简单的组合，因为缺乏详细的数学计算模型，同时系统只用于保证率低的用户，导致使用寿命不长。

近几年随着风光互补发电系统应用范围的不断扩大，保证率和经济性要求的提高，国外相继开发出一些模拟风力、光伏及其互补发电系统性能的大型工具软件包。通过模拟不同系统配置的性能和供电成本可以得出最佳的系统配置。其中colorado state university和national renewable energy laboratory合作开发了hybrid2应用软件。hybrid2本身是一个很出色的软件，它对一个风光互补系统进行非常精确的模拟运行，根据输入的互补发电系统结构、负载特性以及安装地点的风速、太阳辐射数据获得一年8760小时的模拟运行结果。但是hybrid2只是一个功能强大的仿真软件，本身不具备优化设计的功能，并且价格昂贵，需要的专业性较强。在国外对于风光互补发电系统的设计主要有两种方法进行功率的确定：一是功率匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的功率和风机的功率和大于负载功率，只要用于系统的优化控制；另一是能量匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的发电量和风机的发电量的和大于等于负载的耗电量，主要用于系统功率设计。

目前国内进行风光互补发电系统研究的大学，主要有中科院电工研究所、内蒙古大学、内蒙古农业大学、合肥工业大学等。各科研单位主要在以下几个方面进行研究：风光互补发电系统的优化匹配计算、系统控制等。目前中科院电工研究所的生物遗传算法的优化匹配和内蒙古大学新能源研究中推出来的小型户用风光互补发电系统匹配的计算即辅助设计，在匹配计算方面有着领先的地位，而合肥工业大学智能控制在互补发电系统的应用也处在前沿水平。据国内有关资料报道，目前运行的风光互补发电系统有：西藏纳曲乡离格村风光互补发电站、用于气象站的风能太阳能混合发电站、太阳能风能无线电话离转台电源系统、内蒙微型风光互补发电系统等。

2 风光发电的基本原理

风光互补是一套发电应用系统，该系统是利用太阳能电池方阵、风力发电机（将交流电转化为直流电）将发出的电能存储到蓄电池组中，当用户需要用电时，逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电，通过输电线路送到用户负载处。是风力发电机和太阳电池方阵两种发电设备共同发电。风光互补发电站风光互补发电站采用风光互补发电系统，风光互补发电站系统主要由风力发电机、太阳能电池方阵、智能控制器、蓄电池组、多功能逆变器、电缆及支撑和辅助件等组成一个发电系统，将电力并网送入常规电网中。夜间和阴雨天无阳光时由风能发电，晴天由太阳能发电，在既有风又有太阳的情况下两者同时发挥作用，实现了全天候的发电功能，比单用风机和太阳能更经济、科学、实用。适用于道路照明、农业、牧业、种植、养殖业、旅游业、广告业、服务业、港口、山区、林区、铁路、石油、部队边防哨所、通讯中继站、公路和铁路信号站、地质勘探和野外考察工作站及其它用电不便地区。

风光互补发电系统主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、蓄电池、逆变器、交流直流负载等部分组成。该系统是集风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统。

（1）风力发电部分是利用风力机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电；

（2）光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电；

（3）逆变系统由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的220v交流电，保证交流电负载设备的正常使用。同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量；

（4）控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，不斷对蓄电池组的工作状态进行切换和调节：一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载。另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性；

（5）蓄电池部分由多块蓄电池组成，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。

3 风光互补发电系统的适用性

3.1 资源的评价

偏远地区一般用电负荷都不大，所以用电网送电就不经济，在当地直接发电，最常用的就是采用柴油发电机。但柴油的储运对偏远地区成本太高，所以柴油发电机只能作为一种短时的应急电源。要解决长期稳定可靠的供电问题，只能依赖当地的自然能源。太阳能和风能是最普遍的自然资源，也是取之不尽的可再生能源。

太阳能是地球上一切能源之源，太阳照射着地球的每一片土地。

风能是太阳能在地球表面的另外一种表现形式，由于地球表面的不同形态（如沙土地面、植被地面和水面）对太阳光照的吸热系数不同，在地球表面形成温差，地表空气的温度不同形成空气对流而产生风能。

我国西部地区是世界上最大，也是世界上最丰富的太阳能资源地区之一，尤其是西藏地区，空气稀薄，透明度高，年日照时间长达3400h，每天日照6h以上年平均天数在275～330天之间，辐射强度大，年均辐射总量7000MJ/m2，地域呈东向西递增分布，年变化呈峰型，资源优势得天独厚，应用前景十分广阔。我国风能资源丰富，储量3200GW，可开发的装机容量约253GW，居世界首位，与可开发的水电装机容量380GW为同一量级。2005年我国风电装机容量超过1GW，2020年风电规模预计达30GW。未来风电很可能成为和太阳能比肩的新能源行业。我国风能开发利用的潜力很大，属于风能资源可利用区。特别是太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性。白天太阳光最强时，风很小，晚上太阳落山后，光照很弱，但由于地表温差变化大而风能加强。在夏季，太阳光强度大而风小；冬季，太阳光强度弱而风大。太阳能和风能在时间上的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性，风光互补发电系统是一个最好的独立电源系统。

3.2 技术评价

光电系统是利用光电板将太阳能转换成电能，通过控制器对蓄电池充电，再通过逆变器对用电设备供电的一套系统。该系统的优点是供电可靠性高，运行维护成本低，但是系统造价高。

风电系统是利用小型风力发电机，将风能转换成电能，通过控制器对蓄电池充电，再通过逆变器对用电设备供电的一套系统。该系统的优点是发电量较大，系统造价较低，运行维护成本低。缺点是小型风力发电机可靠性低。

风电和光电系统都存在由于资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡问题，风电和光电系统都必须通过蓄电池储能才能稳定供电，但每天的发电量受天气的影响很大，会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态，这也是引起蓄电池组使用寿命降低的主要原因。

由于太阳能与风能的互补性强，风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以降低，系统成本趋于合理。太阳能电池可以将光能转换成电能。它将太阳能电池组件与风力发电机有机地配合组成一个系统，可充分发挥各自的特性和优势，最大限度的利用好大自然赐予的风能和太阳能。对于用电量大、

用电要求高，而风能资源和太阳能资源又较丰富的地区，风光互补供电无疑是一种最佳选择。

由于太阳能与风能的互补性强，风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。

同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以降低，系统成本趋于合理。太阳能电池可以将光能转换成电能。它将太阳能电池组件与风力发电机有机地配合组成一个系统，可充分发挥各自的特性和优势，最大限度的利用好大自然赐予的风能和太阳能。对于用电量大、用电要求高，而风能资源和太阳能资源又较丰富的地区，风光互补供电无疑是一种最佳选择。

3.3 风光互补发电系统的合理配置

风光互补发电系统由太阳能光电板、小型风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器等几部分组成，发电系统各部分容量的合理配置对保证发电系统的可靠性非常重要。一般来说，系统配置应考虑以下几方面因素。

（1）用电负荷的特征。发电系统是为满足用户的用电要求而设计的，要为用户提供可靠的电力，就必须认真分析用户的用电负荷特征。主要是了解用户的最大用电负荷和平均日用电量。

最大用电负荷是选择系统逆变器容量的依据，而平均日发电量则是选择风机及光电板容量和蓄电池组容量的依据。

（2）太阳能和风能的资源状况。项目实施地的太阳能和风能的资源状况是系统光电板和风机容量选择的另一个依据，一般根据资源状况来确定光电板和风机的容量系数，在按用户的日用电量确定容量的前提下再考虑容量系数，最后光电板和风机的容量。

4 结论

风光互补发电系统作为合理的独立电源系统，開创了一条综合开发风能和太阳能资源的新途径，标志着开发利用太阳能光伏发电进入了新的阶段。它不仅适用于缺电的边远地区，因为它是可再生能源，无污染，且成本低、效率高，所以在条件具备的地方都有很好的开发应用前景。

【参考文献】

[1]贲礼进.风光互补发电技术[M].中国铁道出版社，2014.

[2]任新兵.太阳能光伏发电工程技术[M].化学工业出版社，2012.

[3]周志敏，纪爱华.风光互补发电实用技术[M].电子工业出版社，2011.

[4]何道清，何涛，丁宏林.太阳能光伏发电系统原理与应用[M].化学工业出版社，2012.

[责任编辑：杨玉洁]