风光互补发电系统在65 m 钢质趸船上的应用

张元桥

(江西省港航管理局上饶分局，江西上饶333100)

0 引言

与传统的化石燃料(煤、石油、天然气)相比，太阳能和风能不会对环境及生态系统造成污染和破坏，使用方便且安全，属于可再生能源，可以无限使用，因此，20世纪80年代开始，世界上很多科研工作者开始对风光互补发电工程进行了重点研究。我国自2004年在广东省南澳岛建成了国内第一个并网运行风光互补示范电站以来，国内多家电力公司开始把市场放在了风光互补发电项目上来，所以目前我国风光互补发电系统技术已经处于较成熟的阶段，该技术已经被广泛应用于偏远地区缺乏电力的村落、通信基站、路灯、趸船等地区。风光互补发电系统是结合了风能发电和太阳能发电的一项综合技术，其基本原理是太阳能和风能以其在时间、空间上的互补特性，通过控制器向蓄电池智能化充电，再通过逆变器转化设备，将蓄电池存储的电能提供给负载，满足日常生产生活用电需要。

风光互补发电趸船是风光互补发电系统一个成功应用的典型案例，这种技术非常适合在偏远地区湖泊的趸船上使用。本文确定了风光互补发电系统的各个组成部分，对太阳能发电系统及风力发电系统的的工作原理和特性做了详细的分析和探讨，最后总结了风光互补发电系统在趸船上的实际应用。

1 风光互补发电系统

图1是风光互补发电系统的简易构造图，它主要由太阳能光伏组件阵列模块、风力发电机模块、智能控制器、蓄电池、逆变器等部分组成。光伏组件和风力发电机组共同工作来满足负载的需求。当组件和风机产生的电量在满足负载需求后，多余的电量将存储在蓄电池中，直到充满;相反，当光伏组件和风机组的发电量不足时，蓄电池将辅助它们来满足负载的需求直到电量用尽，从而保证了发电系统的整体稳定性和连续性。

图1 风光互补发电系统简易构造图

1.1 光伏组件阵列模块

太阳能电池是由能将太阳转变成电能的硅半导体材料组成的。典型的太阳电池本质是一个大面积的发光二极管，它利用光生伏打效应原理将太阳能转变成电能。当太阳光照射到电池板上并被吸收时，能量宽度大于禁带宽度Eg的光子把价带中的电子激发到导带上形成自由电子，价带中留下带正电的自由空穴，即电子-空穴对;自由电子和空穴不断的运动，扩散到P-N结的空间电荷区域，被该区的内建电场分开，电子扩散到N型一侧，空穴扩散到P型一侧，从而在电池上下表面形成正负电荷积累，产生光生电压。若在电池两侧引出电极并接上负载，负载中就有光生电流通过，得到电能，这就是硅基太阳电池发电的基本原理，如图2所示。它的等效电路由电流源、二极管和一系列的串联电阻和并联电阻组成，如图3(a)所示，图3(b)是它的简化等效电路图。图 3 中，Rs、Rsh、RL为电阻，Isc、ID、IL为电流，Vpv是太阳电池的工作电压。

图2 太阳电池的工作原理

图3 光伏电池电路图

电流源根据太阳辐射能和热能产生电能［1，2］，产生的电流Ipv可以用式(1)表示:

太阳电池的输出功率为:

式中:ipv、vpv分别为电池输出端的电流和电压;Iph为光生电流;Ip为一系列电阻的输出电流;q代表电子电荷，q=1.38×10-23J/K;T为外界温度;Ipv为电池的输出电流。

I-V曲线表现了通过太阳能电池板输出的最大工作电流和最大工作电压在一定太阳电池辐射条件下的关系，如图4所示。图中给出了电池组件在200、400、600、800、1 000 W/m2光照条件下的 I-V 和P-V特性曲线。图4中，太阳光照条件越好，组件的输出功率越高;当光照强度为1 000 W/m2时，组件的输出功率最高可达250 W。

1.2 风力发电模块

风力发电机发电的基本原理是利用风能带动风机叶片旋转，再通过增速器将旋转的速度提高来促使发电机发电，通过控制器对蓄电池充电。风力发电机的输出功率与风速有很大的关系，输出功率的计算公式为:

风机力矩等于

式中:Pt为输出功率;Tt为风机力矩;Cp为风能利用系数;ρ为空气密度;A为扫风面积;ωm为风轮角速度;V为风速;λ为尖速比，其中，λ=wR/V，w为风机涡轮转速，R为风叶半径。

图4 电流和电压以及功率和电压关系曲线图

输出功率与风速之间的变化关系如图5所示，当风速高于3 m/s时，风轮即转动;4～9 m/s风速下，风轮旋转桨叶受离心锤作用，其角度随转速变化，跟踪在利于加速的高升阻比状态，风轮保持高效平稳运行;当风速继续增大，风轮转速提高，桨叶在离心锤的作用下，向负角转变，迫使风轮恢复并维持在额定转速附近运行，最高转速不超过370 r/min。

2 风光互补发电系统在趸船上的实际应用

65 m钢质趸船位于鄱阳湖蛤蟆石水域。经调研，此地区位于长江中下游地区，具有较好的风力条件和太阳辐射条件，采用风光互补发电系统完全可以满足趸船负荷供电要求，因此，在65 m钢质趸船可成功安装风光互补发电系统。

2.1 安装实例

根据趸船图纸，结合趸船实际情况，在不影响趸船结构和美观的条件下，系统的安装方式如下:

(1)组件阵列安装在趸船顶部，共88块组件分2列安装，每列44块电池组件。考虑到当地的日照情况，为了使组件更好地被太阳光吸收利用，光伏矩阵的安装角度与地面呈35°。

图5 风机输出功率曲线图

(2)风机安装在趸船两端位于首层甲板下的船舱底层上，风机杆通过焊接与船舱底层上的风机底座相连。船底钢结构按照要求进行了加固处理，中部与3层甲板结构经过毂相连，风机安装总高度距离首层甲板大约15 m，风机底座装有调平装置，可使风机杆与船底保持平衡。

(3)智能控制器安装在配电室内，共有4个风机控制器和1个太阳电池控制器。为了安全起见，在控制器与蓄电池之间各配有1个断路器，控制器与断路器都是通过支架焊接在室内墙壁上。

(4)蓄电池安放在1层的充电间内，靠中间两侧放置，电池总面积约为5 m2。蓄电池用支架固定分2层安装，底部加固处理，防止波浪或者靠岸时对船体的撞击造成蓄电池滑落。

2.2 效益分析

以燃烧煤炭的火力发电为例，计算采用风光互补发电系统带来的节电减排效益。根据专家统计:每节约1度(kWh)电，就相应节约了0.4 kg标准煤，同时减少污染排放0.272 kg碳粉尘、0.997 kg二氧化碳、0.03 kg二氧化硫、0.015 kg氮氧化物。测量数据表明，65 m钢质趸船安装风光互补离网发电系统之后，每天的发电量可达60 kWh。利用以上数据可以算出趸船每年可以节省电费约1.3万元，节省用标准煤8.8 t，同时可减少污染排放约6 t碳粉尘，22 t二氧化碳、0.7 t二氧化硫、0.3 t氮氧化物。

3 结论及展望

风光互补发电趸船是风光互补发电系统的一个典型应用，效益分析结果表明，该技术具有明显的社会效益和经济效益。传统的风力和太阳能单独发电受到风、光资源的影响较大，不能满足趸船的供电需求。但风光互补发电系统可以优势互补，弥补了风力和太阳能单独发电自身存在的缺陷，是新能源综合开发与利用的完美结合。

我国幅员辽阔，具有丰富的太阳能［3］和风能［4］。目前，虽然太阳能电池和风力发电的成本随着技术的提高和改进不断降低，但是对于偏远的贫困地区来说成本还是相对较高。为了使风光互补发电技术更快更早更广泛的应用，还需要进一步降低太阳能电池和风力发电的成本。

［1］ 王峥，任毅.我国太阳能资源的利用现状与产业发展［J］.资源与产业，2010，12(2):89-92.

［2］ 陈忠斌，胡文华.电力电子技术在风力发电中的应用［J］.上海电力，2005，9(12):22-26.