风光互补发电及应用

风光互补发电与应用1. 风光互补介绍1.1 太阳能发电、风力发电发展现状 近年来,关于全球变暖和碳排放害处的环境关注日益增加,于是产 生了对清洁和可再生能源发电的新需求,比如风能、海洋能、太阳能 生物和地热发电等。其中,风能和太阳能发电在过去的10 年中已有了 非常快速的发展。两者均为无污染的丰富的能源 ,而且可以在负荷中 心附近发电,因此无需架设穿越乡村和市区地表的高压输电线路,减少 了大量的输电成本。在当前可利用的几种可再生能源中 ,风能和太阳能是目前利用比 较广泛的两种。同其它能源相比,风能和太阳能有着其自身的优点:（1）取之不尽、用之不竭太阳内部由于氢核的聚变热核反应,从而释放出巨大的光和热,这 是太阳能的根本来源。在氢核聚变产能区中 ,氢核稳定燃烧的时间可 在 60 亿年以上。也就是说, 太阳至少还可以像现在这样有 60 亿年可 以无限度被利用。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。根据相关估计,在全球边界层风的总能量相当于目前全世界每年 所燃烧的能量的3000 倍。（2）就地可取、无需运输煤炭和石油这类矿物能源地理分布不均,加之工业布局的不平衡, 从而造成了煤炭和石油运输的不均衡。这些都给交通运输带来了压 力，即使通过电力调度,对高山、古道、草原和高原这类电网不易到 达的地区也有很大的局限性。风能和太阳能的分布虽然也有一定的局 限性,但相对于矿物能、水能和地热能等能源而言可视为分布较广的 一种能源。各个地区都可根据当地的风力、日照状况采取合理的利用 方式。（3）无环境污染但是风能、太阳能虽然存在上述优点,但也存在着一些弊端:（1）能量密度低（2）能量稳定性差由于这些不利因素的存在,在单独利用其中一种能源转变成为经 济可靠的电能过程中存在着很多技术问题。这也是几个世纪以来 ,两 种能源利用发展缓慢的原因。但是,随着现代科学技术的发展,风能和 太阳能的利用在技术上都有突破和进展 ,特别是将风能、太阳能综合 利用,充分利用它们在多方面的互补性,可以建立起更加稳定可靠、经 济合理的能源系统。1.2 风光互补发电的提出上述分析了风能、太阳能的特点,作为可利用的自然可再生能源, 二者在转换过程中都是受季节、地理和天气气候等多种因素制约。但 是,两者的变化趋势基本相反,扬其两能各自之长,补其两能各自之短, 相互配合利用,因地制宜,能发挥出最大的作用。有鉴于此,很多人都着 手风能、太阳能的综合利用研究。在以电能为主要的能源消耗方式的 当今社会,人们对电的依赖越来越强。特别是在远离电网的地区,独立 供电系统成为人们最需要的动力源。结合风能、太阳能的特点 ,综合 利用风力发电和太阳能光伏发电技术而建立的风光互补发电系统无 疑是解决这一重要问题的最佳方案。对偏远地区生活和工作的人们而言,一般情况下用电负荷都不大, 所以采用电网输送电力就不合理,应当选择在当地直接发电,现在常用 的供电方案就是采用柴油发电机。但是柴油的储运相对于偏远地区来 讲成本太高,而且难以保障持续地供电。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,而且两者在时间变化分布上有很强的互补性。白天太阳光 最强时,风很小,到了晚上,光照很弱,但由于地表温差变化大而风能有 所加强;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得风光互补发电系统在资源分布上具 有很好的匹配性,因此而建立起来的风光互补发电系统就资源条件而 言是很好的独立供电系统。在风能、太阳能单独用于发电的系统中 ,由于风能、太阳能的稳 定性较差,为了能够提供连续稳定的能量转换输出,无论是光伏供电系 统还是风力发电系统,都要引入能量存储环节用以调节系统运行过程 中的能量供需平衡。能量存储方式有很多种,如机械储能、化学储能 热储能等,其中最适合的,也是应用最为广泛的则是利用蓄电池的化学 储能方式。光电系统是利用光伏组件将太阳能转换成电能 ,然后通过控制器 对蓄电池充电,最后通过逆变器对用电负荷 （交流负载）供电的一套系 统。该系统的优点是系统供电可靠性高,运行维护成本低,缺点是系统 造价高。风电系统则是利用小型风力发电机,将风能转换成电能,然后 通过控制器对蓄电池充电,最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系 统。该系统的优点是系统发电量较高,系统造价较低,运行维护成本低, 缺点就是小型风力发电机可靠性低。虽然风电和光电系统通过引入蓄 电池储能设备后能够稳定供电,但系统每天的发电量受天气的影响很 大,会引起系统的供电与用电负荷的不平衡,从而导致蓄电池组处于亏 电状态或过充电状态,长期运行会降低蓄电池组的使用寿命,增加系统 的维护投资。考虑到风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节可以通用, 所以建立风光互补发电系统在技术应用上成为可能 ,同时可以减少储 能设备蓄电池的设计容量,一定程度上消除了系统电量的供需不 平衡,从而即降低了系统初投资也减轻了系统维护工作量。因此从技 术评价来看,风光互补发电系统是一种合理的独立供电系统。综上所述,风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系 统在资源上的各自缺陷,在技术应用中可以通过储能环节使独立的风 电、光电系统得到合理化整合。风光互补发电系统可以根据用户的用 电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置 ,既可保证发电系统 的供电可靠性,又可降低发电系统的造价。1.3 风光互补系统应用当前己经有很多风光互补的应用示范,如下：（1）日用产品。如风光互补路灯照明系统、风光互补供暖、风光 互补充电电源、风光互补野营灯和独立电源等。（2）建筑行业。北京奥运会已经将风力发电机和太阳能集热管安 装进了奥运村。风光互补系统还用于光伏一体化建筑BIPV、屋顶风 力发电机、风光互补锅炉和风光互补并网等。（3）并网发电。在发达国家,光伏产品的 80%用于并网发电,而我 国几乎为 0,未来风能和太阳能发电的大规模并网势在必行。（4）沙漠治理。随着我国经济的发展,国家逐渐有财力对沙漠进 行治理,沙漠公路己经开通了数条,改善了当地自然生态和居民的生活 条件。沙漠治理不仅需要大量的水资源 ,也需要大量的电能。在西部 广大地区,风光互补水泵、光伏水泵和风能水泵都有广阔的市场。2. 风光互补路灯应用2.1 路灯系统结构风光互补路灯系统就是将传统路灯的电网电源换为将风能和太 阳能转化为电能的风光互补发电系统。系统结构框图如图所示，该系 统由风力发电机组、太阳能光伏阵列、整流电路、调压电路、泄荷器 控制器和节能路灯组成。该系统的整体工作原理为：风力发电机组发 出三相交流电经过整流后的直流电和光伏阵列发出的直流电在经过 调压电路进行电压调节后给蓄电池充电，经蓄电池给负载（节能路灯） 供电。整流电路控制电路泄荷器K R: tih:f.伏 I ：i：列凤力发电机组调压电路营电池组节能路灯风光互补路灯系统结构框图该系统从电能产生消耗角度看主要由电能产生环节、电能变换控 制环节、电能存储环节及电能消耗环节四部分组成。电能传输如图所示风光互补系统电能传输框图2.2 风力发电机组风力发电机组是指风力发电所需要的装置，属于风光互补路灯控制系统的电能产生的一个部分，在将风能转化为电能过程中包括两个能量转换过程，即风力机（风轮）将风能转化为机械能和发电机将机械 能转化为电能。（1）风力机风力机按照风力机风轮转轴与风向的位置分为水平轴风力机和 垂直轴风力机。垂直轴式的仍在试验中，技术还不是很成熟，实际应 用中相对比较少。水平轴风力机是目前国内外研制最多，最常见的一 种风力机，也是技术最成熟的一种风力机。目前水平轴风力机有“单 叶片”、“双叶片”、“三叶片”和“多叶片”型。叶片的数目有很 多因素决定，包括空气动力效率、复杂度、成本、噪音、美学要求等。 叶片较少需要更高的转速以提取风中的能量，因而噪音比较大。而叶 片太多，又会因它们之间的相互作用而降低系统效率。目前 3 叶片 风电机是主流，从美学角度上看也较为平衡和美观。风力机按照桨叶受力方式分为升力型风力机和阻力型风力机。升 力型风力机由于风力的作用，风轮的速度可以达到风速的几倍乃至几 十倍，因而多被用于发电。阻力型风力机转速不高，但输出扭矩很大， 因而常被用于提水、碾米和拉磨等动力。风力机的经济效益在相当大程度上取决于安装地点的风力状态， 通过气象测量可得到安装地点的一条风速持续曲线。输出功率随风速 增高逐渐增大，当风速持续增高时，通过调节叶片桨距或其他方法可 使功率输出稳定在额定值。（2）发电机发电机对风力发电机组输出电能的质量和效率、风电转换系统的 性能和装置结构的复杂性都有很大的影响。传统的用于风力发电的发 电机有鼠笼式异步发电机，绕线式异步发电机，有刷双馈异步发电机， 同步发电机。新型的风力发电机中用到的发电机有开关磁阻发电机， 无刷双馈异步发电机，永磁无刷直流发电机，永磁同步发电机，全永 磁悬浮风力发电机，高压同步发电机。目前，大、中型风电场中多采用恒速笼型异步发电机，由于受风 速变化的影响，这种风电系统工作时间较短，效率较低。笼型异步发 电机既可以孤立运行，也可以联网运行。笼型异步发电机不仅能耗低、 可靠性高、无需励磁装置和电刷，而且结构简单尺寸小、坚固耐用、 基本上无需维修，已成为风力及其它发电系统的最理想设备。而在小型发电系统中主要使用的是永磁发电机。交流永磁电机 的定子结构与一般同步电机相同，转子采用永磁结构，没有励磁绕组， 无需消耗励磁功率，因而效率较高；同时也省去了换向装置和电刷， 可靠性高，定子铁耗和机械损耗相对较小，使用寿命长；采用永磁发 电机的小型发电机组常直接与风力机相连，省去了增速齿轮箱。风力发电机组的工作原理就是两个能量转化过程，即风力机将风能转化为机械能和发电机将机械能转化为电能的过程。当风以一定速度吹向风力机时，在风轮的叶片上产生的力驱动风轮叶片开始转动，将风能转化为机械能，通过传动机构将机械能传递给发电机，带动发电机转子转动，将机械能转化为电能。对于小型的独立运行的风力发电机组采用直驱结构，即风轮直接带动发电机转子转动，不需要很复杂的传动机构。风力机发电机3）逆变器风光互补联合发电系统中，光伏阵列只能产生直流电，风力发电 机虽然产生的是三相交流电，但因为风能资源非常不稳定，输出的电 能也非常不稳定，电压和电流经常变化。在独立运行系统中采取的措 施就是把风力发电机输出的交流电整流成直流电，与光伏阵列的直流 电一同对蓄电池充电。整流滤波电路如图所示，风力发电机发出三相 电经三相整流桥整流再经大电解电容 C2 滤波得到较稳定的直流电 压；WZ2为压敏电阻避雷器，它的作用是把窜入电力线、信号线的雷电高电压限制在一定范围内，保证后续用电设备不被高压所击穿。巩机三相输入3Vfzi-WZ2121I-G314（4）太阳能电池风光互补路灯系统中，由太阳能电池通过光电效应直接将光能转 化为电能。一系列的太阳能电池经过串并联后转化成电能。太阳能电 池是光伏发电的基本单位。太阳能电池工作原理的基础，是半导体 p-n 结的光生伏打效应。 所谓光生伏打效应，就是当物体受到光照时，其体内的电荷分布状态 发生变化而产生电动势和电流的一种效应。太阳能电池吸收具有一定 能量的光子，激发出非平衡载流子（光生载流子）电子-空穴对； 在太阳能电池p-n结内建电场的作用下，电子-空穴对被分离,p-n结 两边异性电荷逐渐积累，从而产生光生电动势，即光生电压；在太阳 能电池的两侧引出电极，接上负载，则在外电路中会产生光生电流， 从而获得功率输出。因而太阳能电池就把太阳能直接转换成了电能。（5）蓄电池蓄电池的功能是贮存风能和太阳能转化的电能并可随时向负载 供电。当风力很大伙日照充足而产生的电能过剩时，蓄电池将多余的 电能贮存起来；当系统发电量不足或负载用电量大时，蓄电池想负载 补充电能，并保持供电电压的稳定。储能是风光互补路灯系统中的重要部分，储能系统的好坏直接影 响到风光互补路灯系统的好坏。而在实际的风光互补路灯系统中，储 能部分又是最易受损、最易消耗的部分。因而获得最佳的储能系统成 为风光互补路灯系统设计的重要组成部分。风光互补路灯系统对蓄电 池的基本要求是：1）自放电率低；2）使用寿命长；3）深放电能力强；4）充电效率高；5）少维护或免维护；6）工作温度范围宽；7） 价格低廉。因而本项目中选用阀控式密封铅酸蓄电池作为路灯系统的 储能设备。蓄电池有三种主要工作状态：放电状态、充电状态和浮充状态。 处于放电状态时，蓄电池将储蓄的化学能转化为电能供给负载；充电 状态是在蓄电池放电之后进行能量储蓄的状态，此种状态下电能转化 为化学能存储起来；浮充状态则是蓄电池维持一定化学能存储量所要 保持的工作状态，浮充状态下的蓄电池的储能不会因为自放电而损 失。放电、充电、浮充电三个状态构成蓄电池的一个完整的工作循环。（6）泄荷器电路泄荷器是用来消耗风力放电机组发出多余的能量的，电路如图所 示，其中 RW 为 4.5 /180W 的大功率电阻，当系统需要泄荷时，单 片机将控制功率管 VT8 导通，将多余的能量在大功率电阻上消耗掉， 平时VT8是关断的。C6与R61串联构成缓冲电路并在功率管两端， 电容在功率管两端电压突变时起缓冲作用，防止瞬态过压击穿功率 管，电阻起限流作用保护电容。凤机整流输入IRW4.5/1 SOWVTSj f FT- I70N15Tfc-7）LED 路灯LED 路灯的光源采用低压直流供电，具有高效、安全、节能、 环保、寿命长、响应速度快、显色指数高等独特优点。 LED 路灯不 仅维护成本低，与高压钠灯相比，还可节电 60%以上。（7）控制电路控制电路的作用就是为了防止蓄电池的过充电和过放电，保护蓄 电池不受过充电和过放电的损害。控制器通过检测蓄电池的端电压或 荷电状态，判断蓄电池是否已经达到过充电或过放电的程度，并根据 检测结果发出是否继续充、放电的指令。另外，控制器可以智能控制 路灯的开、熄灯时间，根据蓄电池剩余电量自动调节亮灯持续时间。风能和太阳能作为纯净的可再生绿色能源，越来越受到人们的重 视，二者在时间和地域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资源条件最好的独立电源系统， 而风光互补路灯则是风光互补发电系统的一个显著的应用。路灯是城市中常见的基础设施,同时也是一个耗电大户,路灯的低 压输电线路也存在很大的损耗,在城市街道中使用风光互补路灯能够 达到节能减排的目的。另一方面,随着我国公路交通网络不断完善,一 些偏远的地区也修通了公路,但是在这些地区使用普通路灯需要铺设 专用的线路,会耗费大量的人力物力,所以风光互补路灯独立供电的特 点非常适合在这些地区使用。移动通信基站的供电 ,偏远山村的用电 以及边防哨所的用电都可以通过风光互补发电技术来解决,所以,研究 风光互补路灯具有广泛的意义。参考文献王宇.风光互补发电控制系统的研究和开发M.北京：中国电力出版社， 20042京特莱纳，余世杰译，太阳能的光伏利用，合肥工业大学,1991 吴治坚，等新能源和可再生能源的利用M.北京：化学工业 出版社,20074 中国新能源网 熊绍珍，朱美芳.太阳能电池基础与应用M.北京:科学出版社,20096 惠晶新能源转换与控制技术M.北京：机械工业出版社，20087 方志烈.半导体照明技术M.北京：电子工业出版社，2009 王承煦，张源.风力发电M.北京：中国电力出版社，20039姚兴佳，宋俊等风力发电机组原理与应用M.北京：机械工业出版社， 200814 / 14