新能源互補發電系統

新能源互補發電系統主要由風力發電機組和太陽能發電機組構成，由控制器、逆變器、蓄電池等設備組成。後備柴油機的選用，要根據當地風力、日照資源條件確定，若為了增強系統供電的不間斷性可以考慮引入它，但如今在提倡綠色環保、低碳發展的時代，適當的增大風力機、光伏陣列或蓄電池容量，進行容量的最佳化配比之後完全可以免去柴油機。該系統可以劃分成三大部分: 電能產生部分、電能轉換控制部分、電能存儲與消耗部分。

基本介紹

• 中文名：新能源互補發電系統
• 外文名：New energy complementary power generation system
• 學科：能源
• 領域：新能源
• 類型：發電系統
• 特點：風光互補發電

簡介

近年來，隨著我國經濟社會的快速發展，人們對能源的需求量持續增長，傳統化石能源如煤炭、石油、天然氣等的燃燒使用，給人們賴以生存的地球生態環境造成了嚴重的破壞。20世紀初期，英國倫敦“霧都”的形成和當前我國大範圍霧霾天氣的出現，燃煤等化石能源的大規模利用是主因。因此，人們開始普遍關注對環境有保護作用的相關措施，可再生新能源風能、太陽能的合理開發與套用可減少化石能源的消耗，無論從緩解能源危機，消除環境污染，保護人類生存環境還是從經濟社會長期穩定發展來看，這個措施無疑對我國乃至世界有著極其重要的現實意義: 用潔淨的可再生新能源替代常規化石能源，不僅是人類的美好願望，也是能源發展的必然趨勢。

21世紀電力的需求日益增長，它已成為人們生活中必不可少的一部分，同時也帶動著我國的經濟發展。因此，電力的需求會引領我們進入一個可再生能源利用的電氣化時代。在1992年“世界環境與發展大會”以後，可再生能能源的合理開發利用問題，受社會可持續發展需求的推動，進一步被提到了人類發展戰略的高度，受到了各個國家的高度重視。據報導統計，社會資本投資重點轉向可再生能源，139個新興經濟體的社會資本參與投資，2016年，項目總數相對穩定在124個，其中可再生能源的項目占比達59%，僅太陽能項目占到所有能源投資項目的1/3以上( 數據來源: 世界銀行的社會資本參與基礎設施資料庫簡報) ，而在當前可利用的可再生新能源中，用於發電的風能、太陽能，具有取之不盡，用之不竭，就地取材，環保，資源豐富等優點，它們已經成為此領域中開發利用水平最高，技術最成熟，套用最廣泛，具有商業化發展條件的新型能源。但單獨的風力發電、太陽能光伏發電都在資源利用上存在缺陷: 在季節性方面，夏季日照輻射強風力較弱，冬季風力強日照輻射較弱; 在時間性方面，白天有光照輻射，風力較小，晚上無光照輻射，風力較強。因此綜合考慮太陽能和風能在季節性、時間性等多方面資源的互補而建立起來的風光互補發電系統是一種經濟合理的供電方式。

風光互補發電系統是一種多能互補、經濟高效、環保、無污染的能源供電系統，再加以科學的管理和運行控制，可以獲得最佳的利用效益，推動我國電力產業的發展，滿足人們的日常生活用電需求。從20 世紀80 年代至今，由太陽能光伏發電系統、風力發電系統到將兩者結合形成的風光互補發電系統，與之相關方面的研究與套用一直處在不斷完善與探索的過程中，理論與實踐的結合，使得風光互補發電技術越來越規模化，慢慢地滲透於人們的生活中，同時在電力系統中發揮著不可替代的地位。

風光互補發電系統的主要構成

風光互補發電系統主要由風力發電機組和太陽能發電機組構成，由控制器、逆變器、蓄電池等設備組成。後備柴油機的選用，要根據當地風力、日照資源條件確定，若為了增強系統供電的不間斷性可以考慮引入它，但如今在提倡綠色環保、低碳發展的時代，適當的增大風力機、光伏陣列或蓄電池容量，進行容量的最佳化配比之後完全可以免去柴油機。該系統可以劃分成三大部分: 電能產生部分、電能轉換控制部分、電能存儲與消耗部分。

（1） 電能產生部分的主要構成

電能產生部分主要由風力發電機組和太陽能發電機組構成。風力發電組件主要有風速感測器、風力壓縮器和風力發電機構成; 太陽能發電組件主要由太陽能光板和太陽能光板支撐架組成。太陽能電池光板是由最基本的單元串並聯組成的，一般有3 種類型: 單晶矽太陽能電池，將光能轉化為電能轉化效率最高，但成本也最高; 多晶矽太陽能電池，價格便宜，光電轉化率也比較高，所以是最常用的一種; 非晶矽太陽能電池，光電轉換效率比多晶矽相對差些，但製造工藝簡單，加工也相對容易。目前，以晶矽材料為基礎的高效電池是基礎研究工作的熱點課題，如超高效矽太陽能電池轉化效率高達42.8%。

（2） 電能轉換控制部分的主要構成

由DC/DC變換器，主控制電路等部分構成的風光互補控制器，是發電系統的核心部件，主控制電路通常採用PLC 或單片機等控制晶片，通過控制DC /DC 變換器實現功率轉換，同時還可對各種信息、參數進行數據採集、處理，從而實現設備保護、風險預警等功能。

（3） 電能存儲與消耗部分的主要構成

這部分主要由蓄電池組、逆變器、直流負載構成。蓄電池組負責電能存儲; 交流負載和直流負載主要用於消耗電能。其中蓄電池組是電化學儲能中的一種存儲電能設備，在國內套用最多，技術較為成熟，容量可以靈活調整，是目前國內研究熱點，同時，它在已開發國家如日本、美國、歐洲諸國已獲得了較多套用。

在風光互補發電系統中，具有代表性，技術比較成熟的蓄電池有三類: 鉛酸蓄電池，價格便宜，成本構造低，可靠性好，但受能量密度和使用壽命限制及環境污染影響，逐漸被取代;鈉硫蓄電池，能量密度高，效率高，環保，容量大，免維護，壽命長，目前在日本，美國已被套用於削峰調節階段，但其在溫環境中工作具有一定安全隱患，而且生產工藝複雜，成本高，不適合大規模套用; 液流蓄電池( 釩電池) 具有儲能容量大、效率高、循環壽命長等優點，廣泛套用於新能源領域和電力系統中。

主要相關設備的工作原理

（1） 風力發電機組的工作原理

作為風光互補發電系統中風能的吸收和轉化設備，主要由風力機和發電機構成。從能量轉換角度來看，風輪在風力的作用下進行旋轉，將風的動能即風能轉變成為風輪軸的機械能; 發電機在風輪軸的帶動下的旋轉，實現了機械能到電能的轉變，獲取的電能形式為直流電或交流電，這主要取決使用的是直流風機還是交流風機。

（2） 太陽能發電機組的工作原理

太陽能光伏發電部分是利用太陽能電池板串聯合併構成產生的光生伏打效應，而此效應的形成是在半導體NP結基礎上可將太陽能直接轉換成直流形式的電能。

（3）風光互補控制器的工作原理

風光互補控制器是整個系統中最重要的核心部件之一，它將風力發電機組和太陽能發電機組共同產生的電能進行調節、整合，最終以直流電的形式輸出。此時從控制器末端輸出的直流電有3個去處: 一是直接供給所需的直流負載; 二是通過逆變器將直流電轉換成頻率恆定的交流電，然後通過輸電線輸送到用戶負載處; 三是可以將多餘的直流形式的電能給蓄電池進行充電。在此過程中主要對以下設備進行控制: 太陽能電池板的最大功率點跟蹤控制( MPPT) ，負載跟蹤控制，光源跟蹤控制;風力發電機的MPPT 控制，負載跟蹤控制和運行保護控制; 蓄電池的充、放電控制和運行保護控制。

（4）逆變器及蓄電池的工作原理

逆變器是將風光互補控制器調節後的直流電轉變成頻率恆定的交流電的一種裝置，此外逆變器還具有自動穩壓功能，可有效改善風光互補發電系統的供電質量。蓄電池接受風光互補控制器的部分直流電用以進行電能的存儲，可消除由於天氣等原因引起的供電量不足; 若需要其進行放電向外輸送電能時需要經過逆變器將直流電轉換成交流電，最終輸送到用戶末端，在整個風光互補發電系統中蓄電池起到電能調節和平衡負載的作用。

總之，在風光互補發電系統中，以風力發電為主，太陽能光伏發電為輔，還是以太陽能光伏發電為主，風力發電為輔，均需要根據當地的日照、風力等多方面資源進行基礎研究，通過仿真實驗模擬並驗證，最終確定好容量配比並投入到實踐套用中。

國內外的研究進展

1. 國外的理論構思

1981 年，丹麥的N. E. Busch 和I. K. Ienbach 提出太陽能和風能混合利用技術問題; 美國的C. I. Asphden 研究了太陽能－ 風能混合轉換系統的氣象問題; 前蘇聯的N. A. Ksarni 等人根據機率原理統計出近似的太陽能/風能潛力的估計值，為風光互補發電系統的研究和利用提供了科學的數據支持; 加拿大的Ssaka Tchewan 大學的RajeshKarki 等人研究了獨立小型風光互補發電系統的成本及可靠性，得出根據負載和風光資源條件合理配置發電系統，是降低發電成本、提高系統可靠性的重要途徑，並指出互補發電系統擴容的可行性;孟加拉國研究人員根據模擬牛頓算法對風光互補獨立發電系統進行了最佳化配置; 泰國研究人員利用TRNS － YS16 暫態仿真軟體對風光互補發電系統進行了成本評估; 馬來西亞的研究人員採用遺傳算法程式對淨成本最低化和配置最最佳化進行了分析研究; Colorado State University 和NationalRenewable Energy Laboratory 合作開發了hybrid2套用軟體對一個風光互補系統進行非常精確的模擬運行，根據輸入的混合發電系統結構、負載特性以及安裝地點的風速、太陽輻射數據獲得1年8760h 的模擬運行結果等。

近年來，國外的一些研究機構及人員不斷提出與風光互補發電系統相關的理論構思，利用軟體進行仿真實驗模擬，並套用於實踐中。如歐洲、美國、日本、俄羅斯等已開發國家，在風光互補發電系統的相關方面做得已經相當完善了，尤其在垂直軸風力發電機的研究設計方面，充分利用其優勢，在很大程度上提高了垂直軸發電機在風光互補系統中的發電效率，而更具有現實意義的是已將其工業化、產業化。例如，在日本，垂直軸風力發電機，風光互補發電系統裝置隨處可見; 印度中部地區通信基站供電系統為小型離網式風光互補發電系統，其中風機容量為7.5kW，光伏容量為5kW，在2003年開始投入運行; 美國加利福尼亞州利用超級電容器進行輔助儲能，其風機容量為950kW，屬於中型風力發電系統，採用併網式在2007年開始投入運行。

2.國內的理論構思

20世紀50年代後期，我國便開始進行風力發電相關的技術研究; 70年代中後期，國內的科研院校重新啟動了風力發電的科研工作; 80年代中期開始建設風力發電廠。隨後，在1987年，余華揚等提出了太陽能、風能發電機的能量轉化裝置; 華南理工大學的吳捷教授等提出一種風光互補發電系統的能量管理系統，用來實現在風/光互補發電系統的能量管理控制，該系統採用集中式控制，在分級模糊算法的基礎上進行仿真實驗驗證該系統的作用; 西安交通大學的李福利等提出並套用驗證了一種“局部－ 整體法”，可以解決風光發電系統中存在設備配置隨意及投資大的問題。

現在我國在風光互補發電系統相關方面的產業化中取得了重大成果，實現了風力發電、太陽能光伏發電及兩者的聯合套用: 2004年底，國內第一個併網運行的風光互補示範電站，即華能南澳54MW/100kMp 風光互補發電電站投運; 2006年至2010 年期間，我國共建立8 座荒漠電站，總容量為80MWp; 2011 年，國內新增光伏發電裝機容量為2.7GWp，占2011年全球的10%左右;2012年光伏發電容量已達到了7982.68MW;2013年上半年達到5.28GWp，而僅河北地區在風電產業化進程中的發電量累計7878. 8MW。回首我國最近10 年的風光互補相關方面的研究進展，發現風光互補的發電產量為我國做出了不可估量的貢獻，2006-2015 年的10年間，風力發電、太陽能光伏發電裝機容量增幅最大，其發電消費量年均分別增長22.73%和53.18%。

國內在風光互補發電系統中的典型案例

2000年，風光互補路燈照明系統中風機容量為400W，光伏容量為120W; 2003年，甘肅高速公路監控系統風光互補供電，其風機容量400W，光伏容量為555W; 2010年，山東泰安通信基站供電系統中風機容量為2kW，光伏容量2kW，這些均屬於小型離網式風光互補發電系統，均採用鉛酸蓄電池作為儲能裝置用以輔助發電。

1) 中型併網式的風光互補發電系統。2004年，青海海西州風光互補發電站，利用電解水制氫的化學儲能來穩定供電質量，其風機容量為120kW，光伏容量為54kW; 2005年，西藏阿里地區風光互補發電站的成功運行，採用抽水蓄能的物理方式來進行能量輸出，平衡電量使用，其風機容量為275kW，光伏容量為186kW。

2)大型併網式風光互補發電系統。2011年，甘肅玉門風光互補項目投入使用，風機容量為200MW，光伏容量為9MW。

無論是小、中還是大型風光互補發電系統，採用離網式或併網式運行，儲能裝置的選擇等方面，均隨著風光互補發電技術的最佳化與提高而不斷發展著，不斷揚長避短，相信風光互補發電系統會占據整個電力時代的消費市場。

創新論點的提出，仿真實驗模擬的驗證，廣泛套用到實際中，理論與實踐的結合，讓風光互補發電系統逐漸成為時代中的主角。離網型風光互補發電系統被廣泛套用到通信系統中繼站，使得通信系統中繼站的無人值守和免維護成為可能，降低了運行成本，提高了系統運行的可靠性;垂直軸風機在專業人員的深入研究中已通過了中國空氣動力學研究中心的風洞實驗，並在野外自然風場併網發電實踐中得到驗證，值得一提的是，一些企業也已做好進入量產階段的準備，將其投放到實際領域中運行;在風光互補系統中加入儲能裝置作為供電能的輔助設備，主要利用鉛酸電池和超級電容器的混合儲能形成風光儲發電系統，經實踐證明，此系統能更好地控制功率平滑輸出，提供更穩定的供電質量。

總結

風能、太陽能作為理想的可再生能源發電的載體，將風力發電與太陽能光伏發電聯合形成的不同容量配比的風光互補發電系統，可充分利用兩者在季節性、地域性、時間性等多方面資源的互補，實現綠色、環保、無污染的發電。

風光互補發電系統符合當今社會“綠色環保，低碳前行”的主題，加快我國的電力產業進程，同時帶動我國經濟的發展，滿足人們的日常生活用電需求。從最初的理論構思，基礎研究，仿真實驗模擬驗證，然後將其產業化並套用到實踐中，風光互補發電系統的研究與套用凝聚了很多不同領域人們的智慧結晶。

從20世紀50年代至今，隨著科學技術的進步與發展，風光互補發電系統中設備的最佳化設計，科學的能量管理系統，合理的運行控制，最佳的容量配比，再加上儲能設備系統的能源輔助，與智慧型電網及網際網路相結合，是今後要研究的重點。

目前由於技術與材料的限制等多方面因素，風光互補發電系統的改進與創新，推廣與套用面臨著很多挑戰，但節能、環保、低碳是未來永遠的主題，隨著政府的大力支持，研究人員的不斷探索與研究，普通民眾的接受與認可，相信風光互補發電系統會在我國的電力系統中發揮無可替代的作用，最終實現家庭化、市場化。雖然近30年來我國乃至全球的風力發電，太陽能光伏發電或兩者結合形成的風光互補發電系統發展速度驚人，引領我們進入能源利用的電氣化時代，同時也面臨著低效率、高成本、供電質量不穩定等問題。目前我國已進入新能源發展攻堅階段，諸如“棄風”，但我國在可再生新能源風光互補發電系統方面已經形成了從基礎研究、套用研究到工程套用的全方位格局，它會成為未來的發展之星，發展前景十分廣闊。