基本介紹
- 中文名：風光互補發電系統
- 實質：一種新型能源發電系統
- 利用：風能和太陽能資源
- 結構： 風力發電機組
簡介,發展過程,結構,套用前景,解決方案,套用場景,對策,方案特點,總結,發電分析,互補控制,
簡介
風光互補，是一套發電套用系統，該系統是利用太陽能電池方陣、風力發電機（將交流電轉化為直流電）將發出的電能存儲到蓄電池組中，當用戶需要用電時，逆變器將蓄電池組中儲存的直流電轉變為交流電，通過輸電線路送到用戶負載處。是風力發電機和太陽電池方陣兩種發電設備共同發電。
發展過程
最初的風光互補發電系統，就是將風力機和光伏組件進行簡單的組合，因為缺乏詳細的數學計算模型，同時系統只用於保證率低的用戶，導致使用壽命不長。
近幾年隨著風光互補發電系統套用範圍的不斷擴大，保證率和經濟性要求的提高，國外相繼開發出一些模擬風力、光伏及其互補發電系統性能的大型工具軟體包。通過模擬不同系統配置的性能和供電成本可以得出最佳的系統配置。
在國外對於風光互補發電系統的設計主要有兩種方法進行功率的確定：一是功率匹配的方法，即在不同輻射和風速下對應的光伏陣列的功率和風機的功率和大於負載功率，主要用於系統的最佳化控制；另一是能量匹配的方法，即在不同輻射和風速下對應的光伏陣列的發電量和風機的發電量的和大於等於負載的耗電量，主要用於系統功率設計。
目前國內進行風光互補發電系統研究的大學，主要有中科院電工研究所、內蒙古大學、內蒙古農業大學、合肥工業大學等。各科研單位主要在以下幾個方面進行研究：風光互補發電系統的最佳化匹配計算、系統控制等。目前中科院電工研究所的生物遺傳算法的最佳化匹配和內蒙古大學新能源研究中推出來的小型戶用風光互補發電系統匹配的計算即輔助設計，在匹配計算方面有著領先的地位，而合肥工業大學智慧型控制在互補發電系統的套用也處在前沿水平。
據國內有關資料報導，目前運行的風光互補發電系統有：西藏納曲鄉離格村風光互補發電站、用於氣象站的風能太陽能混合發電站、太陽能風能無線電話離轉台電源系統、內蒙微型風光互補發電系統等。
結構
風光互補發電系統主要由風力發電機組、太陽能光伏電池組、控制器、蓄電池、逆變器、交流直流負載等部分組成，系統結構圖見附圖。該系統是集風能、太陽能及蓄電池等多種能源發電技術及系統智慧型控制技術為一體的複合可再生能源發電系統。
(1)風力發電部分是利用風力機將風能轉換為機械能，通過風力發電機將機械能轉換為電能，再通過控制器對蓄電池充電，經過逆變器對負載供電；
(2)光伏發電部分利用太陽能電池板的光伏效應將光能轉換為電能，然後對蓄電池充電，通過逆變器將直流電轉換為交流電對負載進行供電；
(3)逆變系統由幾台逆變器組成，把蓄電池中的直流電變成標準的220v交流電，保證交流電負載設備的正常使用。同時還具有自動穩壓功能，可改善風光互補發電系統的供電質量；
(4)控制部分根據日照強度、風力大小及負載的變化，不斷對蓄電池組的工作狀態進行切換和調節：一方面把調整後的電能直接送往直流或交流負載。另一方面把多餘的電能送往蓄電池組存儲。發電量不能滿足負載需要時，控制器把蓄電池的電能送往負載，保證了整個系統工作的連續性和穩定性；
(5)蓄電池部分由多塊蓄電池組成，在系統中同時起到能量調節和平衡負載兩大作用。它將風力發電系統和光伏發電系統輸出的電能轉化為化學能儲存起來，以備供電不足時使用。
風光互補發電系統根據風力和太陽輻射變化情況，可以在以下三種模式下運行：風力發電機組單獨向負載供電；光伏發電系統單獨向負載供電；風力發電機組和光伏發電系統聯合向負載供電。
風光互補發電比單獨風力發電或光伏發電有以下優點：
●利用風能、太陽能的互補性，可以獲得比較穩定的輸出，系統有較高的穩定性和可靠性；
●在保證同樣供電的情況下，可大大減少儲能蓄電池的容量[5]；
●通過合理地設計與匹配，可以基本上由風光互補發電系統供電，很少或基本不用啟動備用電源如柴油機發電機組等，可獲得較好的社會效益和經濟效益。
套用前景
缺電生活
中國現有9億人口生活在農村，其中5%左右目前還未能用上電。在中國無電鄉村往往位於風能和太陽能蘊藏量豐富的地區。因此利用風光互補發電系統解決用電問題的潛力很大。採用已達到標準化的風光互補發電系統有利於加速這些地區的經濟發展，提高其經濟水平。另外，利用風光互補系統開發儲量豐富的可再生能源，可以為廣大邊遠地區的農村人口提供最適宜也最便宜的電力服務，促進貧困地區的可持續發展。
我國已經建成了千餘個可再生能源的獨立運行村落集中供電系統，但是這些系統都只提供照明和生活用電，不能或不運行使用生產性負載，這就使系統的經濟性變得非常差。可再生能源獨立運行村落集中供電系統的出路是經濟上的可持續運行，涉及到系統的所有權、管理機制、電費標準、生產性負載的管理、電站政府補貼資金來源、數量和分配渠道等等。但是這種可持續發展模式，對中國在內的所有開發中國家都有深遠意義。
室外套用
世界上室外照明工程的耗電量占全球發電量的12%左右，在全球日趨緊張的能源和環保背景下，它的節能工作日益引起全世界的關注。
基本原理是：太陽能和風能以互補形式通過控制器向蓄電池智慧型化充電，到晚間根據光線強弱程度自動開啟和關閉各類led室外燈具。智慧型化控制器具有無線感測網路通訊功能，可以和後台計算機實現三遙管理(遙測、遙訊、遙控)。智慧型化控制器還具有強大的人工智慧功能，對整個照明工程實施先進的計算機三遙管理，重點是照明燈具的運行狀況巡檢及故障和防盜報警。
道路照明
●車行道路照明工程(快速道/主幹道/次幹道/支路)；
●小區(廣義)道路照明工程(小區路燈/庭院燈/草坪燈/地埋燈/壁燈等)。
目前已被開發的新能源新光源室外照明工程有：風光互補led智慧型化路燈、風光互補led小區道路照明工程、風光互補led景觀照明工程、風光互補led智慧型化隧道照明工程、智慧型化led路燈等。
航標套用
我國部分地區的航標已經套用了太陽能發電，特別是燈塔樁，但是也存在著一些問題，最突出的就是在連續天氣不良狀況下太陽能發電不足，易造成電池過放，燈光熄滅，影響了電池的使用性能或損毀。冬季和春季太陽能發電不足的問題尤為嚴重。
天氣不良情況下往往是伴隨大風，也就是說，太陽能發電不理想的天氣狀況往往是風能最豐富的時候，針對這種情況，可以用以風力發電為主，光伏發電為輔的風光互補發電系統代替傳統的太陽能發電系統。風光互補發電系統具有環保、無污染、免維護、安裝使用方便等特點，符合航標能源套用要求。在太陽能配置滿足春夏季能源供應的情況下，不啟動風光互補發電系統；在冬春季或連續天氣不良狀況、太陽能發電不良情況下，啟動風光互補發電系統。由此可見，風光互補發電系統在航標上的套用具備了季節性和氣候性的特點。事實證明，其套用可行、效果明顯。
監控電源
目前，高速公路道路攝像機通常是24小時不間斷運行，採用傳統的市電電源系統，雖然功率不大，但是因為數量多，也會消耗不少電能，採用傳統電源系統不利於節能；並且由於攝像機電源的線纜經常被盜，損失大，造成使用維護費用大大增加，加大了高速公路經營單位的運營成本。
套用風光互補發電系統為道路監控攝像機提供電源，不僅節能，並且不需要鋪設線纜，減少了被盜了可能，有效防盜。但是我國有的地區會出現惡劣的天氣情況，如連續灰霾天氣，日照少，風力達不到起風風力，會出現不能連續供電現象，可以利用原有的市電線路，在太陽能和風能不足時，自動對蓄電池充電，確保系統可以正常工作。
通信套用
目前國內許多海島、山區等地遠離電網，但由於當地旅遊、漁業、航海等行業有通信需要，需要建立通信基站。這些基站用電負荷都不會很大，若採用市電供電，架桿鋪線代價很大，若採用柴油機供電，存在柴油儲運成本高，系統維護困難、可靠性不高的問題。
要解決長期穩定可靠地供電問題，只能依賴當地的自然資源。而太陽能和風能作為取之不盡的可再生資源，在海島相當豐富，此外，太陽能和風能在時間上和地域上都有很強的互補性，海島風光互補發電系統是可靠性、經濟性較好的獨立電源系統，適合用於通信基站供電。由於基站有基站維護人員，系統可配置柴油發電機，以備太陽能與風能發電不足時使用。這樣可以減少系統中太陽電池方陣與風機的容量，從而降低系統成本，同時增加系統的可靠性。
電站套用
風光互補抽水蓄能電站是利用風能和太陽能發電，不經蓄電池而直接帶動抽水機實行不定時抽水蓄能，然後利用儲存的水能實現穩定的發電供電。這種能源開發方式將傳統的水能、風能、太陽能等新能源開發相結合，利用三種能源在時空分布上的差異實現期間的互補開發，適用於電網難以覆蓋的偏遠地區，並有利於能源開發中的生態環境保護。
開發條件：
●三種能源在能量轉換過程中應保持能量守恆；
●抽水系統所構成的自循環系統的水量保持平衡。
雖然與水電站相比成本電價略高，但是可以解決有些地區小水電站冬季不能發電的問題，所以採用風光互補抽水蓄能電站的多能互補開發方式具有獨特的技術經濟優勢，可作為某些滿足條件地區的能源利用方案。
的套用向全社會生動展示了風能、太陽能新能源的套用意義，推動我國節能環保事業的發展，促進資源節約型和環境友好型社會的建設，具有巨大的經濟、社會和環保效益。
解決方案
套用場景
風光互補發電系統是針對通信基站、微波站、邊防哨所、邊遠牧區、無電戶地區及海島，在遠離大電網，處於無電狀態、人煙稀少，用電負荷低且交通不便的情況下，利用本地區充裕的風能、太陽能建設的一種經濟實用性發電站
對策
風光互補發電系統解決方案主要套用於道路照明、農業、牧業、種植、養殖業、旅遊業、廣告業、服務業、港口、山區、林區、鐵路、石油、部隊邊防哨所、通訊中繼站、公路和鐵路信號站、地質勘探和野外考察工作站及其它用電不便地區的供電。
風光互補發電系統主要由風力發電機、太陽能電池方陣、智慧型控制器、蓄電池組、多功能逆變器、電纜及支撐和輔助件等組成一個發電系統。夜間和陰雨天無陽光時由風能發電，晴天由太陽能發電，在既有風又有太陽的情況下兩者同時發揮作用，實現了全天候的發電功能，比單用風機和太陽能更經濟、科學、實用。
風光互補發電系統圖：
風光互補發電系統圖
風光互補發電系統主要由風力發電機、太陽能電池方陣、智慧型控制器、蓄電池組、多功能逆變器、電纜及支撐和輔助件等組成一個發電系統。夜間和陰雨天無陽光時由風能發電，晴天由太陽能發電，在既有風又有太陽的情況下兩者同時發揮作用，實現了全天候的發電功能，比單用風機和太陽能更經濟、科學、實用。
風光互補發電系統圖：
風光互補發電系統圖方案特點
完全利用風能和太陽能來互補發電，無需外界供電；
免除建變電站、架設高低壓線路和高低壓配電系統等工程；
具有晝夜互補、季節性互補特點，系統穩定可靠、性價比高；
電力設施維護工作量及相應的費用開銷大幅度下降；
獨立供電，在遇到自然災害時不會影響到全部用戶的用電；
低壓供電，運行安全、維護簡單。
總結
風能和太陽能都是清潔能源，隨著光伏發電技術、風力發電技術的日趨成熟及實用化進程中產品的不斷完善，為風光互補發電系統的推廣套用奠定了基礎。風光互補發電系統推動了我國節能環保事業的發展，促進資源節約型和環境友好型社會的建設。
總之，相信隨著設備材料成本的降低、科技的發展、政府扶持政策的推出，該清潔、綠色、環保的新能源發電系統將會得到更加廣泛的套用。
發電分析
風力發電機
風力發電機是將風力機的機械能轉化為電能的設備。風力發電機分為直流發電機和交流發電機。
1)直流發電機。電勵磁直流發電機。該類發電機分自勵、它勵和復勵三種形式，小型直流發電系統一般和蓄電池匹配使用，裝置容量一般為1000 w以下。永磁直流發電機。這種發電機與電勵磁式直流發電機相比結構簡單，其輸出電壓隨風速變化，需在發電機和負載間增加蓄電池和控制系統，通過調節控制系統占空比來調節輸出電壓。由於直流發電機構造複雜、價格昂貴，而且直流發電機帶有換向器和整流子，一旦出現故障，維護十分麻煩，因此在實際套用中此類風力發電機較少採用。
2)交流發電機。交流發電機分：同步發電機和異步發電機。同步發電機在同步轉速時工作，同步轉速是由同步發電機的極數和頻率共同決定，而異步發電機則是以略高於同步發電機的轉速工作。主要有無刷爪極自勵發電機、整流自勵交流發電機、感應發電機和永磁發電機等。目前在小型風力發電系統中主要使用三相永磁同步發電機。三相永磁同步發電機一般體積較小、效率較高、而且價格便宜。永磁同步發電機的定子結構與一般同步電機相同，轉子採用永磁結構，由於沒有勵磁繞組，不消耗勵磁功率，因而有較高的效率。另外，由於永磁同步發電機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，使用壽命長。
太陽能光伏電池原理
光伏電池是直接將太陽能轉換為電能的器件，其工作原理是：當太陽光輻射到光伏電池的表面時，光子會衝擊光伏電池內部的價電子，當價電子獲得大于禁頻寬度eg的能量，價電子就會衝出共價鍵的約束從價帶激發到導帶，產生大量非平衡狀態的電子-空穴對。被激發的電子和空穴經自由碰撞後，在光伏電池半導體中複合達到平衡。
蓄電池
蓄電池作為風光互補發電系統的儲能設備，在整個發電系統中起著非常重要的作用。首先，由於自然風和光照是不穩定的，在風力、光照過剩的情況下，存儲負載供電多餘的電能，在風力、光照欠佳時，儲能設備蓄電池可以作為負載的供電電源;其次，蓄電池具有濾波作用，能使發電系統更加平穩的輸出電能給負載;另外，風力發電和光伏發電很容易受到氣候、環境的影響，發出的電量在不同時刻是不同的，也有很大差別。作為它們之間的“中樞”，蓄電池可以將它們很好的連線起來，可以將太陽能和風能綜合起來，實現二者之間的互補作用。常用蓄電池主要有鉛酸蓄電池、鹼性鎳蓄電池和鎘鎳蓄電池。隨著電儲能技術的不斷發展，產生了越來越多新的儲能方式，如超導儲能、超級電容儲能、燃料電池等。由於造價便宜、使用簡單、維修方便、原材料豐富，而且在技術上不斷取得進步和完善，因此在小型風力發電及光伏發電中鉛酸蓄電池已得到廣泛的套用。本文設計的智慧型型風光互補發電系統採用鉛酸蓄電池作為儲能設備。
風光互補發電系統
風力資源還是太陽能資源都是不確定的，由於資源的不確定性，風力發電和太陽發電系統發出的電具有不平衡性，不能直接用來給負載供電。為了給負載提供穩定的電源，必須藉助蓄電池這個“中樞”才能給負載提供穩定的電源，由蓄電池、太陽能電池板、風力發電機以及控制器等構成的智慧型型風光互補發電系統能將風能和太陽能在時間上和地域上的互補性很好的銜接起來。
互補控制
風光互補控制器由主電路板和控制電路板兩部分組成。主電路板主要包括不控整流器、dc/dc變換器、防反充二極體等。控制電路板中的控制晶片為pic16f877a單片機，它負責整個系統的控制工作，是控制核心部分，其外圍電路包括電壓、電流採樣電路，功率管驅動電路，保護電路，通訊電路，輔助電源電路等。風力發電機輸出的三相交流電接u、v、w，經三相不控整流器整流和電容c0穩壓後給蓄電池充電。sp、sn分別為太陽能電池板的正、負極接線端子，d1為防反充二極體，其作用是防止蓄電池電壓和風力發電機的整流電壓對太陽能電池陣列反向灌充，確保太陽能電池的單嚮導電性。r0是風力發電機的卸荷電阻，當風速過高時，風力發電機輸出電壓大於蓄電池過充電壓，單片機輸出脈衝(pwm)來控制q3開通，使多餘的能量被消耗在卸荷電阻上，從而保護蓄電池。二極體d2和保險絲f1是為了防止蓄電池接反，當蓄電池接反時，蓄電池通過d2與f1構成短路迴路，燒毀保險絲而切斷電路，從而保護控制器和蓄電池。主電路中間部分是兩個輸出並聯的buck型dc/dc變換器，為了抑制mosfet管因過壓、du/dt或者過流、di/dt產生的開關損耗，本設計的dc/dc變換器採用具有緩衝電路的buck變換器。主電路是由兩個互相獨立輸出端並聯的buck電路組成，一路是光伏發電系統主電路，一路是風力發電系統主電路。緩衝電路由於電路中存在分布電感和感性負載，當mos管關斷時，將會在mos管上產生很大的浪涌電壓。為了消除浪涌電壓的危害，提高mos管工作可靠性和效率，常用的方法是使用緩衝電路。
隨著社會的發展和能源的短缺，高科技和新技術得到廣泛的套用。新能源的發展和開發是人類發展的趨勢。風能和太陽能必將在這個資源稀缺的年代得到大力推廣和使用。我國可以在這方面努力，爭取在新能源方面走在世界的前列。
