小型风光互补发电集成模块研究

摘" 要：随着全球对可再生能源需求的不断增长，小型风光互补发电集成模块作为一种新型的分布式发电技术，因其清洁、高效、模块化的特点，受到广泛关注。该文针对风光互补发电系统中的小型化和高集成应用需求，围绕系统集成、智能控制、场地适应、能量存储和成本控制等问题开展研究设计，提出一种创新的小型风光互补发电集成模块设计方案，将光伏发电和风力发电整合优化，加入PLC、电磁阀和传感器等控制器件，增强系统在不同工况下的的智能化控制水平，旨在提高系统的发电效率和可靠性，降低成本，促进其在可再生能源领域的广泛应用。

关键词：风光互补发电；集成模块；智能控制；分布式发电；发电效率

中图分类号：TM61" " " 文献标志码：A" " " " " "文章编号：2095-2945（2024）35-0１５５-0４

Abstract： With the increasing global demand for renewable energy， small wind-solar hybrid power generation integrated modules， as a new type of distributed power generation technology， have attracted widespread attention due to their clean， efficient and modular characteristics. Aiming at the miniaturization and highly integrated application needs in wind-solar hybrid power generation systems， this paper carries out research and design around issues such as system integration， intelligent control， site adaptation， energy storage and cost control， and proposes an innovative small-scale wind-solar hybrid power generation integrated module design plan， integrating and optimizing photovoltaic power generation and wind power generation， adding control devices such as PLCs， solenoid valves and sensors， and enhancing the intelligent control level of the system under different working conditions. It aims to improve the power generation efficiency and reliability of the system， reduce costs， and promote its widespread application in the field of renewable energy.

Keywords： wind-solar hybrid power generation; integrated module; intelligent control; distributed power generation; power generation efficiency

随着我国能源需求的不断增长和环境问题的日益严峻，开发利用可再生能源成为解决能源危机和减少环境污染的有效途径。近年来，风光互补发电系统得到了快速发展，在政策扶持和市场需求的推动下，越来越多的企业和研究机构投入到风光互补发电系统的研发和应用中。截至2023年底，中国的风电、光伏累计装机量达到10.5亿千瓦，占全球新能源总装机量的四成。中国在风光互补发电领域取得了显著进展，风电和太阳能发电装机容量的快速增长体现了中国在推动能源转型和实现碳达峰碳中和目标方面的坚定决心。小型风光互补发电集成模块作为一种新型的分布式发电技术，通过集成风能和太阳能，能够实现能源的多样化供应和优化配置，为生活生产提供更加稳定和持续的电力供应，尤其适用于电网覆盖不到的偏远地区或对电力供应稳定性有特殊要求的场合。

本项目研究旨在针对风光互补发电系统中的小型化和高集成应用需求，解决现有系统中的多能集成、智能控制、场地适应、能量存储和制作成本等问题。风能和太阳能都是间歇性能源，受天气、时间和环境影响较大，需要有效的储能解决方案来平衡供需，多能源的整合更需要高效的控制系统，以确保高效发电和优化运行，这在技术上仍然是一个挑战。

1" 研究现状分析

国内外风光互补发电系统研究和应用取得了显著进展，但仍存在一些问题。首先，风光互补系统研究主要集中在运行策略和应用方式，缺乏对风光双发电系统集成化和小型化的研究成果，没有扩展系统应用场景和提高便携性；其次，风光互补发电系统的制造、部署和运维成本较高，限制了其在分布式领域和特种环境下的大规模应用；再次，在部署空间面积受限的条件下，系统供能的平稳性和持续性问题没有很好解决。

在新能源实际工程建设实施中，当前主流风力发电系统和光伏发电系统相对独立，且相互挤占部署空间，对于单位面积的能源利用效率较低。另外风电站和光伏电站设备体积较大，安装运输皆不方便，例如大型风机在山区条件下运输、安装极不方便，甚至对当地生态系统造成一定影响。小型风光互补发电集成模块相对传统风光互补系统有着灵活性强、适应性广、发电效率高、安装维护便捷和控制策略智能等特点。对于缓解能源危机、保护环境、推动经济发展具有重要的战略意义。

2" 集成模块总体设计

2.1" 设计思路

项目设计综合考虑风光资源特点、系统需求、架构设计、关键部件选型和系统集成调试等方面。总体来说设计主要围绕解决4个方面的问题开展。第一，多系统整合匹配问题，确定风力发电机和光伏组件的最佳配比，以确保在不同天气条件下系统都能高效、稳定运行，合理设计结构实现风力和光伏的高效集成，减少集成模块体积，提高单位面积发电功率。第二，系统控制策略问题，设计有效的控制策略，以实现在不同工况条件下对风力发电和光伏发电的优先选择或联合发电，提升集成模块在强光条件下逐日和强风条件下逐风的双逐智能控制策略，增强系统环境自适应性，从而确保双电源的输出稳定。第三，微型风机集群化应用问题，现有研究中鲜有微型风机的集群化应用案例，所以还需解决微型风机的启动风速、额定风速等性能参数的选型匹配问题，以适应不同风速条件下的运行需求。设计合理的风机布局和间距，以降低尾流效应的影响，提高集群的整体发电效率。第四，应用部署问题，部署方式要求灵活多变，可根据实地情况采用单模块安装或者集群式部署，模块化结构使得技术更新和维护更加便捷，也扩展了装置的适用范围。

2.2" 主要结构及原理

小型风光互补发电集成模块可以替代风光互补系统中的传统风力和光伏发电单元，按照功能分为发电部分和控制部分，其原理图如图1所示，其中的储能单元可根据需求情况增减，在并网系统中也可不采用。集成模块结构主要包含三大单元，风力发电单元：包括微型垂直风力发电机集群、控制器等，用于将风能转换为电能。太阳能光伏单元：由双面光伏组件、活动支架、镜面反光底板、逆变器等组成，用于将太阳能转换为电能，其中镜面反光底板能够较好地反射太阳光给双面光伏组件的背面，提高发电效率。智能控制单元：由PLC、接近开关、偏转系统、风速风向传感器及光线传感器等构成，负责整个系统的状态监控、姿态调整、数据采集和发电控制等作用。工作原理基于PLC采集风速风向传感器和光线传感器数据，判断光伏发电和风力发电优先级。通过控制电磁阀驱动迷你气缸推动光伏板，实现光伏板摆动逐日来达到在白天强光条件下，提高光伏发电效率；在夜晚弱光条件下，增加进风口面积，提升微型风机集群发电效率的多功能新能源发电智能控制模块。

系统集合了风光储多种能源于一体，目前设计了2种电气控制结构。第一种是固定型，根据建筑物所在地计算出光伏板偏转最佳倾斜角，采用固定支架连接，优先光伏发电，但不能实现不同工况条件下的智能控制，单模块制作成本较低。第二种是智能控制型，集成模块加入PLC、电磁阀、接近开关和迷你气缸等设备，PLC控制器通过RS485通信方式与风速风向传感器和光线传感器相连接，定时轮询读取风速风向和光照强度信息，为光伏板偏转提供控制依据，实时调节光伏组件偏转角度以达到强光条件下光伏发电优先和强风条件下风力发电优先，实现更高效率的能源转换。为提升系统稳定性和抗风性，采用PLC控制电磁阀和迷你气缸实现偏转，迷你气缸直接牵引光伏板，通过气缸活动控制光伏板角度和姿态。当电磁阀通电时，气缸供气活塞被推动；当电磁阀断电时，气缸排气活塞回到初始位置，起到限位偏转的效果，在达到提高能源转换效率的基础上，还能保障产品运行的稳固性，具体外观结构及部分尺寸参数如图2所示。

小型风光互补发电集成模块在城市建设、农村电气化、工业生产以及其他多个领域都有着广泛的应用前景和优势。在具体应用方面，该集成模块可以应用于各类供电发电场景，例如单个集成模块可以给公共照明、环境检测、户外应用等功率较小设备供电。也可以以集群阵列方式在小型户用、工商业分布式电站和大型集中式电站中广泛使用，直接取代传统新能源电站中的光伏组件和风力发电机。阵列部署应用结构如图3所示。

3" 控制系统及控制策略

该集成模块采用西门子200smart作为核心控制器件，具体CPU型号为SR20，可根据电站规模和集成模块数量选择其他型号PLC。具体IO口分配方式，输入部分包含启动按钮、停止按钮、手自切换旋钮、多路南接近开关、多路北接近开关、手动南北偏转按钮等，输出端口则主要是连接电磁阀或者中间继电器。风力风速传感器和光照度传感器可以通过RS485连接到PLC的485通信接口，也可以通过扩展西门子EM AM03模拟量模块连接2个传感器采集模拟量信号，IO口的点位功能分配可按实际功能需求调整。每块集成模块上安装有南北2个PNP型接近开关，主要目的是检测上层光伏组件偏转时是否达到预定位置，防止单一集成模块控制出错或不到位，所有集成模块的北接近开关并联在一起，通过一个与门CMOS电路判断所有北接近开关是否已经到位，多路南接近开关原理相同。具体结构如图4所示。

控制策略分为手动控制和自动控制，手动控制情况下管理人员直接通过偏转按钮控制集成模块集群的状态，以达到适合当前环境条件下的高效发电。当手自转换开关打到自动状态，PLC会每半小时对外部传感器轮询风速风向和光照强度阈值信息，以此作为条件判断该情况下光伏发电和风力发电的发电功率大小，然后检测上层光伏组件偏转状态，确定是否要调整偏转状态，如果需要则通过输出端控制中间继电器或电磁阀调整迷你气缸伸缩状态，让光伏板偏转处于向南偏转、向北偏转、水平状态等3种情况，如果其中有任何一个集成模块没有偏转到位，与门电路则不能输出高电平，PLC可以判定控制出现问题需要及时清障。此外自动控制策略还有一种更加简单的季节性控制策略，可以大大降低姿态调整频率。例如风向有一定的季节性，夏季偏南风、冬季偏北风，所以可以设定白天时，全年集成模块均向南偏转，以光伏发电为主，到了晚上则在PLC中设定时钟，冬季向南偏转，张开北向入风口，增加进风量提升风力发电效率，夏季则正好相反。综合以上控制策略可以得出，控制策略分为3种，第一种为手动控制，人为参与较多，及时性差发电效率低；第二种为实时型自动控制，及时性好发电效率高；第三种为季节型自动控制优缺点介于两者之间。

4" 前景与特色

在全球新能源市场蓬勃发展的背景下，小型风光互补发电集成模块的概念被创新性地提出，这一举措丰富了新能源发电模式的多样性与灵活性。模块化设计理念的应用，深刻重塑了系统架构，显著提升了安装、运维及管理的便捷性，增强了系统的可维护性与可扩展潜力。在控制策略上，引入太阳能与风向的双重追踪机制，并融合合理的控制算法与优化策略，实现了对风能与太阳能资源的高效协同捕获与最大化利用，进而提升了发电效率。此外，通过优化储能部件容量配置，系统实现了轻量化与高效化，为偏远山区、海岛等独立电网区域提供了可靠的电力解决方案。该系统展现出高度的配置灵活性与多样化的组建模式，能够依据不同环境条件与用电需求，定制化设计最优系统部署方案。其既可独立作为微电网为特定负荷供电，亦能无缝接入主电网，为多元化用户提供电力支撑。在成本效益方面，该系统通过精准匹配当地风能与太阳能资源，有效降低了风力发电机与光伏电池的冗余配置，显著减少了系统投资成本，提升了性价比。同时，风光互补发电系统共享配电设施与管理资源，不仅缩减了工程总体造价，还通过提高管理效率与人力资源利用率，实现了运维成本的进一步降低。

5" 结论

在当前全球能源结构转型与可持续发展的背景下，小型风光互补发电集成模块作为一种创新的可再生能源技术，展现出了巨大的应用潜力与市场前景。该技术通过整合风力与太阳能发电系统，优化了能源的互补性与协同效应，显著提升了分布式发电系统的效率与可靠性。该集成模块通过其模块化设计，有效克服了传统风光互补设备的环境和空间限制，实现了能源的高效转换与优化配置。该技术的应用范围广泛，不仅适用于家庭和商业建筑的电力供应，也适用于偏远地区的电力基础设施建设、公共照明系统以及通信基站的电力保障。因此，在国家对可再生能源发展政策的大力支持下，小型风光互补发电集成模块的市场空间将进一步扩大。模块化设计不仅增强了系统的灵活性和可扩展性，还降低了工程成本，提高了项目的经济性，并网发电能力的增强，进一步促进了可再生能源的普及，加速了能源结构的转型与升级，为实现能源的可持续发展目标作出了积极贡献。

综上所述，小型风光互补发电集成模块凭借其市场需求、技术创新和应用领域拓展的优势，具有广阔的应用前景和发展潜力。未来，随着技术的不断进步和政策的持续支持，该系统将在可再生能源领域发挥更加重要的作用。

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