1、風光互補發電與應用1.風光互補介紹1.1太陽能發電、風力發電發展現狀 近年來,關于全球變暖和碳排放害處的環境關注日益增加,于是產生了對清潔和可再生能源發電的新需求,比如風能、海洋能、太陽能、生物和地熱發電等。其中,風能和太陽能發電在過去的10年中已有了非常快速的發展。兩者均為無污染的豐富的能源,而且可以在負荷中心附近發電,因此無需架設穿越鄉村和市區地表的高壓輸電線路,減少了大量的輸電成本。 在當前可利用的幾種可再生能源中,風能和太陽能是目前利用比較廣泛的兩種。同其它能源相比,風能和太陽能有著其自身的優點:（1）取之不盡、用之不竭太陽內部由于氫核的聚變熱核反應,從而釋放出巨大的光和熱,這是太陽能

2、的根本來源。在氫核聚變產能區中,氫核穩定燃燒的時間可在60億年以上。也就是說,太陽至少還可以像現在這樣有60億年可以無限度被利用。風能是太陽能在地球表面的另外一種表現形式。由于地球表面的不同形態(如沙土地面、植被地面和水面)對太陽光照的吸熱系數不同,在地球表面形成溫差,地表空氣的溫度不同形成空氣對流而產生風能。根據相關估計,在全球邊界層風的總能量相當于目前全世界每年所燃燒的能量的3000倍。（2）就地可取、無需運輸煤炭和石油這類礦物能源地理分布不均,加之工業布局的不平衡,從而造成了煤炭和石油運輸的不均衡。這些都給交通運輸帶來了壓力，即使通過電力調度,對高山、古道、草原和高原這類電網不易到達的地

3、區也有很大的局限性。風能和太陽能的分布雖然也有一定的局限性,但相對于礦物能、水能和地熱能等能源而言可視為分布較廣的一種能源。各個地區都可根據當地的風力、日照狀況采取合理的利用方式。（3）無環境污染但是風能、太陽能雖然存在上述優點,但也存在著一些弊端:（1）能量密度低（2）能量穩定性差由于這些不利因素的存在,在單獨利用其中一種能源轉變成為經濟可靠的電能過程中存在著很多技術問題。這也是幾個世紀以來,兩種能源利用發展緩慢的原因。但是,隨著現代科學技術的發展,風能和太陽能的利用在技術上都有突破和進展,特別是將風能、太陽能綜合利用,充分利用它們在多方面的互補性,可以建立起更加穩定可靠、經濟合理的能源系統

4、。1.2風光互補發電的提出上述分析了風能、太陽能的特點,作為可利用的自然可再生能源,二者在轉換過程中都是受季節、地理和天氣氣候等多種因素制約。但是,兩者的變化趨勢基本相反,揚其兩能各自之長,補其兩能各自之短,相互配合利用,因地制宜,能發揮出最大的作用。有鑒于此,很多人都著手風能、太陽能的綜合利用研究。在以電能為主要的能源消耗方式的當今社會,人們對電的依賴越來越強。特別是在遠離電網的地區,獨立供電系統成為人們最需要的動力源。結合風能、太陽能的特點,綜合利用風力發電和太陽能光伏發電技術而建立的風光互補發電系統無疑是解決這一重要問題的最佳方案。對偏遠地區生活和工作的人們而言,一般情況下用電負荷都不大

5、,所以采用電網輸送電力就不合理,應當選擇在當地直接發電,現在常用的供電方案就是采用柴油發電機。但是柴油的儲運相對于偏遠地區來講成本太高,而且難以保障持續地供電。所以柴油發電機只能作為一種短時的應急電源。要解決長期穩定可靠的供電問題,只能依賴當地的自然能源。太陽能和風能是最普遍的自然資源,也是取之不盡的可再生能源,而且兩者在時間變化分布上有很強的互補性。白天太陽光最強時,風很小,到了晚上,光照很弱,但由于地表溫差變化大而風能有所加強;在夏季,太陽光強度大而風小,冬季,太陽光強度弱而風大。太陽能和風能在時間上的互補性使得風光互補發電系統在資源分布上具有很好的匹配性,因此而建立起來的風光互補發電系統

6、就資源條件而言是很好的獨立供電系統。在風能、太陽能單獨用于發電的系統中,由于風能、太陽能的穩定性較差,為了能夠提供連續穩定的能量轉換輸出,無論是光伏供電系統還是風力發電系統,都要引入能量存儲環節用以調節系統運行過程中的能量供需平衡。能量存儲方式有很多種,如機械儲能、化學儲能、熱儲能等,其中最適合的,也是應用最為廣泛的則是利用蓄電池的化學儲能方式。光電系統是利用光伏組件將太陽能轉換成電能,然后通過控制器對蓄電池充電,最后通過逆變器對用電負荷(交流負載)供電的一套系統。該系統的優點是系統供電可靠性高,運行維護成本低,缺點是系統造價高。風電系統則是利用小型風力發電機,將風能轉換成電能,然后通過控制器

7、對蓄電池充電,最后通過逆變器對用電負荷供電的一套系統。該系統的優點是系統發電量較高,系統造價較低,運行維護成本低,缺點就是小型風力發電機可靠性低。雖然風電和光電系統通過引入蓄電池儲能設備后能夠穩定供電,但系統每天的發電量受天氣的影響很大,會引起系統的供電與用電負荷的不平衡,從而導致蓄電池組處于虧電狀態或過充電狀態,長期運行會降低蓄電池組的使用壽命,增加系統的維護投資。考慮到風電和光電系統在蓄電池組和逆變環節可以通用,所以建立風光互補發電系統在技術應用上成為可能,同時可以減少儲能設備蓄電池的設計容量,一定程度上消除了系統電量的供需不平衡,從而即降低了系統初投資也減輕了系統維護工作量。因此從技術評

8、價來看,風光互補發電系統是一種合理的獨立供電系統。綜上所述,風光互補發電系統在資源上彌補了風電和光電獨立系統在資源上的各自缺陷,在技術應用中可以通過儲能環節使獨立的風電、光電系統得到合理化整合。風光互補發電系統可以根據用戶的用電負荷情況和資源條件進行系統容量的合理配置,既可保證發電系統的供電可靠性,又可降低發電系統的造價。1.3風光互補系統應用 當前己經有很多風光互補的應用示范,如下： （1）日用產品。如風光互補路燈照明系統、風光互補供暖、風光互補充電電源、風光互補野營燈和獨立電源等。 （2）建筑行業。北京奧運會已經將風力發電機和太陽能集熱管安裝進了奧運村。風光互補系統還用于光伏一體化建筑BI

9、PV、屋頂風力發電機、風光互補鍋爐和風光互補并網等。 （3）并網發電。在發達國家,光伏產品的80%用于并網發電,而我國幾乎為0,未來風能和太陽能發電的大規模并網勢在必行。（4） 沙漠治理。隨著我國經濟的發展,國家逐漸有財力對沙漠進行治理,沙漠公路己經開通了數條,改善了當地自然生態和居民的生活條件。沙漠治理不僅需要大量的水資源,也需要大量的電能。在西部廣大地區,風光互補水泵、光伏水泵和風能水泵都有廣闊的市場。2. 風光互補路燈應用 2.1路燈系統結構 風光互補路燈系統就是將傳統路燈的電網電源換為將風能和太陽能轉化為電能的風光互補發電系統。系統結構框圖如圖所示，該系統由風力發電機組、太陽能光伏陣列

10、、整流電路、調壓電路、泄荷器控制器和節能路燈組成。該系統的整體工作原理為：風力發電機組發出三相交流電經過整流后的直流電和光伏陣列發出的直流電在經過調壓電路進行電壓調節后給蓄電池充電，經蓄電池給負載(節能路燈)供電。風光互補路燈系統結構框圖該系統從電能產生消耗角度看主要由電能產生環節、電能變換控制環節、電能存儲環節及電能消耗環節四部分組成。電能傳輸如圖所示。風光互補系統電能傳輸框圖2.2風力發電機組風力發電機組是指風力發電所需要的裝置，屬于風光互補路燈控制系統的電能產生的一個部分，在將風能轉化為電能過程中包括兩個能量轉換過程，即風力機(風輪)將風能轉化為機械能和發電機將機械能轉化為電能。（1）風

11、力機 風力機按照風力機風輪轉軸與風向的位置分為水平軸風力機和垂直軸風力機。垂直軸式的仍在試驗中，技術還不是很成熟，實際應用中相對比較少。水平軸風力機是目前國內外研制最多，最常見的一種風力機，也是技術最成熟的一種風力機。目前水平軸風力機有“單葉片”“雙葉片”“三葉片”和“多葉片”型。葉片的數目有很多因素決定，包括空氣動力效率、復雜度、成本、噪音、美學要求等。葉片較少需要更高的轉速以提取風中的能量，因而噪音比較大。而葉片太多，又會因它們之間的相互作用而降低系統效率。目前 3 葉片風電機是主流，從美學角度上看也較為平衡和美觀。風力機按照槳葉受力方式分為升力型風力機和阻力型風力機。升力型風力機由于風力

12、的作用，風輪的速度可以達到風速的幾倍乃至幾十倍，因而多被用于發電。阻力型風力機轉速不高，但輸出扭矩很大，因而常被用于提水、碾米和拉磨等動力。風力機的經濟效益在相當大程度上取決于安裝地點的風力狀態，通過氣象測量可得到安裝地點的一條風速持續曲線。輸出功率隨風速增高逐漸增大，當風速持續增高時，通過調節葉片槳距或其他方法可使功率輸出穩定在額定值。（2） 發電機 發電機對風力發電機組輸出電能的質量和效率、風電轉換系統的性能和裝置結構的復雜性都有很大的影響。傳統的用于風力發電的發電機有鼠籠式異步發電機，繞線式異步發電機，有刷雙饋異步發電機，同步發電機。新型的風力發電機中用到的發電機有開關磁阻發電機，無刷雙

13、饋異步發電機，永磁無刷直流發電機，永磁同步發電機，全永磁懸浮風力發電機，高壓同步發電機。目前，大、中型風電場中多采用恒速籠型異步發電機，由于受風速變化的影響，這種風電系統工作時間較短，效率較低。籠型異步發電機既可以孤立運行，也可以聯網運行。籠型異步發電機不僅能耗低、可靠性高、無需勵磁裝置和電刷，而且結構簡單尺寸小、堅固耐用、基本上無需維修，已成為風力及其它發電系統的最理想設備。 而在小型發電系統中主要使用的是永磁發電機。交流永磁電機的定子結構與一般同步電機相同，轉子采用永磁結構，沒有勵磁繞組，無需消耗勵磁功率，因而效率較高；同時也省去了換向裝置和電刷，可靠性高，定子鐵耗和機械損耗相對較小，使用

14、壽命長；采用永磁發電機的小型發電機組常直接與風力機相連，省去了增速齒輪箱。風力發電機組的工作原理就是兩個能量轉化過程，即風力機將風能轉化為機械能和發電機將機械能轉化為電能的過程。當風以一定速發電機度吹向風力機時，在風輪的葉片上產生的力驅動風輪葉片開始轉動，發電機將風能轉化為機械能，通過傳動機構將機械能傳遞給發電機，帶動發電機轉子轉動，將機械能轉化為電能。對于小型的獨立運行的風力發電機組采用直驅結構，即風輪直接帶動發電機轉子轉動，不需要很復雜的傳動機構。傳動機構風力機（3） 逆變器風光互補聯合發電系統中，光伏陣列只能產生直流電，風力發電機雖然產生的是三相交流電，但因為風能資源非常不穩定，輸出的電

15、能也非常不穩定，電壓和電流經常變化。在獨立運行系統中采取的措施就是把風力發電機輸出的交流電整流成直流電，與光伏陣列的直流電一同對蓄電池充電。整流濾波電路如圖所示，風力發電機發出三相電經三相整流橋整流再經大電解電容 C2濾波得到較穩定的直流電壓；WZ2 為壓敏電阻避雷器，它的作用是把竄入電力線、信號線的雷電高電壓限制在一定范圍內，保證后續用電設備不被高壓所擊穿。（4）太陽能電池風光互補路燈系統中，由太陽能電池通過光電效應直接將光能轉化為電能。一系列的太陽能電池經過串并聯后轉化成電能。太陽能電池是光伏發電的基本單位。 太陽能電池工作原理的基礎，是半導體 p-n 結的光生伏打效應。所謂光生伏打效應，

16、就是當物體受到光照時，其體內的電荷分布狀態發生變化而產生電動勢和電流的一種效應。太陽能電池吸收具有一定能量的光子，激發出非平衡載流子（光生載流子）電子-空穴對；在太陽能電池 p-n 結內建電場的作用下，電子-空穴對被分離，p-n 結兩邊異性電荷逐漸積累，從而產生光生電動勢，即光生電壓；在太陽能電池的兩側引出電極，接上負載，則在外電路中會產生光生電流，從而獲得功率輸出。因而太陽能電池就把太陽能直接轉換成了電能。（5）蓄電池蓄電池的功能是貯存風能和太陽能轉化的電能并可隨時向負載供電。當風力很大伙日照充足而產生的電能過剩時，蓄電池將多余的電能貯存起來；當系統發電量不足或負載用電量大時，蓄電池想負載補

17、充電能，并保持供電電壓的穩定。儲能是風光互補路燈系統中的重要部分，儲能系統的好壞直接影響到風光互補路燈系統的好壞。而在實際的風光互補路燈系統中，儲能部分又是最易受損、最易消耗的部分。因而獲得最佳的儲能系統成為風光互補路燈系統設計的重要組成部分。風光互補路燈系統對蓄電池的基本要求是：1）自放電率低；2）使用壽命長；3）深放電能力強；4）充電效率高；5）少維護或免維護；6）工作溫度范圍寬；7）價格低廉。因而本項目中選用閥控式密封鉛酸蓄電池作為路燈系統的儲能設備。蓄電池有三種主要工作狀態：放電狀態、充電狀態和浮充狀態。處于放電狀態時，蓄電池將儲蓄的化學能轉化為電能供給負載；充電狀態是在蓄電池放電之后

18、進行能量儲蓄的狀態，此種狀態下電能轉化為化學能存儲起來；浮充狀態則是蓄電池維持一定化學能存儲量所要保持的工作狀態，浮充狀態下的蓄電池的儲能不會因為自放電而損失。放電、充電、浮充電三個狀態構成蓄電池的一個完整的工作循環。（6） 泄荷器電路泄荷器是用來消耗風力放電機組發出多余的能量的，電路如圖所示，其中 RW為 4.5/180W 的大功率電阻，當系統需要泄荷時，單片機將控制功率管 VT8導通，將多余的能量在大功率電阻上消耗掉，平時 VT8是關斷的。C6與R61串聯構成緩沖電路并在功率管兩端，電容在功率管兩端電壓突變時起緩沖作用，防止瞬態過壓擊穿功率管，電阻起限流作用保護電容。 （7）LED路燈LED 路燈的光源采用低壓直流供電，具有高效、安全、節能、環保、壽命長、響應速度快、顯色指數高等獨特優點。LED 路燈不僅維護成本低，與高壓鈉燈相比，還可節電 60%以上。（7）控制電路控制電路的作用就是為了防止蓄電池的過充電和過放電，保護蓄電池不受過充電和過放電的損害。控制器通過檢測蓄電池的端電壓或荷電狀態，判斷蓄電池是否已經達到過充電或過放電的程度，并根據檢測結果發出是否繼續充、放電的指令。另外，控制器可以智能控制路燈的開、熄燈時間，根據蓄電池剩余電量自動調節亮燈持續時間。 風能和太陽能作