風力-光伏電力系統

風力-光伏電力系統是指分別將風力、日照資源轉化為高品位的電力能源，並將能量由蓄電池存儲起來的系統。

系統由能量產生環節、能量 存儲環節、能量消費三個環節三部分組成的，能量的產生環節又分為風力發電和光伏發電部分。

基本介紹

• 中文名：風力-光伏電力系統
• 外文名：Wind photovoltaic power system
• 提出背景：風、光單獨發電受制約
• 結構：風力機組、光伏陣列
• 特點：可靠性強
• 前景：廣闊

發展過程及現狀

最初的風力-光伏電力系統，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。

近幾年隨著風力-光伏電力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。

在國外對於風力-光伏電力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，只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。

據國內有關資料報導，運行的風力-光伏電力系統有：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、內蒙微型風力-光伏電力系統等。

風力-光伏電力系統的研究一方面集中在系統的計算機仿真和最佳化設計，國外進行這方面研究的大學有Colorado State University，University of Massachusetts等。其中Colorado State University和National Renewable Energy Laboratory(美國可再生能源研究室)合作開發了hybrid2套用軟體。該軟體功能強大，能對一個風力-光伏電力系統進行精確的模擬運行，根據輸入的發電系統的結構、負載特性以及安裝地點風力、日照強度數據獲得8760小時的運行結果。但它只是一個功能強大的仿真程式，並不具備最佳化設計功能。而在國內，香港理工大學同中科院廣州能源所及中科院半導體研究所合作提出了了一整套利用以CAD進行風力-光伏電力系統最佳化設計的方法。該方法採用了更精確地表征組件特性及評估實際獲得的風光資源的數學模型，精確確定系統每小時的運行狀態。採用比較尋優的方法找出以最小設備投資成本滿足用戶用電要求的系統配置。

風力-光伏電力系統另一方面的研究主要是利用飛速發展的電力電子技術和微計算機控制技術提高系統的供電高效性和運行穩定性。通過電力電子技術來實現風力發電和光伏發電的最大輸出功率追蹤捕捉以及負載端的交流/直流逆變輸出。在這方面的技術創新層出不窮。華南理工大學研究設計了新型無刷雙饋發電機，並通過權值調節方式實現太陽能逆變器最優功率傳輸通過微計算機控制技術來實現對系統的控制與保護，保證系統在無人職守的情況下能穩定可靠地運行。這方面的研究多見於西北部偏遠山區農牧民供電系統以及海島居民生活用電系統。西藏K4w風光互補電站示範工程的完成、內蒙古戶用風光互補系統的推廣以及山東省某海島30WK風力-光伏電力系統的成功運行都能體現出微計算機控制技術對風力-光伏電力系統控制帶來的優越性。這方面的研究也是本文的重點。

風力-光伏電力系統的套用，如前所述，多作為獨立的供電系統，用於遠離電網的地區。如部隊的邊防哨所、郵電通訊的中繼站、公路和鐵路的信號站、地質勘探和野外考察的工作站、偏遠山區及海島。

系統結構

風力-光伏電力系統的典型結構如右圖所示。整個系統由能量產生環節、能量 存儲環節、能量消費三個環節三部分組成。能量的產生環節又分為風力發電和光伏發電部分了，分別將風力、日照資源轉化為高品位的電力能源；能量的存儲環節由蓄電池來承擔，如前文所述，引入蓄電池的主要作用就是為了儘量消除由於天氣等原因引起能量供應和需求的不平衡，在整個系統中起到能量調節和平衡負載的作用；能量消耗環節就是各種用電負載，可分為直流負載和交流負載兩類，交流負載連入電路時需要逆變器。另外，為了增強系統供電的不間斷性，可以考慮引入後備柴油機，後備柴油機的選配很大程度上還是根據當地的風力、日照資源條件確定的。

風力發電機組

風力發電機組是風力-光伏電力系統中風能的吸收和轉化設備。從能量轉換角度來看，風力發電機組由兩大部分組成，其一是風力機，它的功能是將風能轉換為機械能；其二是發電機，它的功能是將機械能轉換成電能。

1、風力機類型

作為風能接收裝置的風力機，自古以來就有多種形式，特別是在近代得到了很大的發展。其分類方法有兩種：

（1）以接受風能的形式可以分為升為式和阻力式；

（2）以風輪迴轉軸的方向，可以分為豎直軸式和水平軸式。

2、風力機工作特性

風力機起動時，需要一定的力距來克服其內部的摩擦力，這一力距稱作風力機的起動力矩。起動力距與風力機本身傳動機構的摩擦阻力有關，因此風力機有一個最低的工作風速，只有風速大於最低的工作風速時風力機才能工作。而當風速超過某一值的時候，基於安全上考慮，風力機應當停止運轉，所以每颱風力機都規定有最高工作風速，該風速值與風力機的設計強度有關，是設計時給定的參數。介於最低風速和最高風速之間的風速叫做風力機的工作風速，相應於工作風速風力機有功率輸出，風力機的輸出功率達到標稱功率時的工作風速稱為該風力機的額定風速。為充分利用風力資源進行發電，應按當地的風力資源來確定風力機的起動風速和額定風速，進而選擇合適的機型。

3、風電機組的工作方式

可用於風力發電的變速恆頻發電方式有多種。如交流/直流/交流系統、磁場調製發電機系統、交流勵磁雙饋發電機系統、無刷雙饋發電機系統、爪極式發電機系統、開關磁階發電機系統等，這些變速恆頻發電系統有的是發電機與電力電子裝置相結合實現變速恆頻的，有的是通過改造發電機本身結構而實現變速恆頻的。這些方式的實現都有自己的特點，可以適用於各種不同場合。

在風力-光伏電力系統中，風電機組採用交流/直流/交流的運行方式同光伏方陣聯合運行。風電機組發出的電能經整流器將交流變換為直流，而後再通過逆變器變換為頻率恆定的交流電供負載使用。在直流環節，風電機組發出的電可直接供給直流負載，而且多餘的電能可以對蓄電池進行充電。

光伏陣列

1、光伏發電原理

光伏發電是基於“光電效應”原理的，利用太陽光線發電的一種新型、清潔發電供能方式。光伏發電系統中主要部件有：太陽能光伏電池、蓄電池、逆變器、用電負載。

RS為矽片內部電阻和電池電阻構成的串聯電阻；Rsh就是結的分路電阻，就是一個漏損電阻。對一個理想的太陽能光伏電池來說，RS得很小，而Rsh就應該很大。由於Rs和Rsh分別是串聯和並聯在等效電路中，所以在進行電路計算時，它們阻值可以忽略不計。那么實際負載電流為：

I_R=I_L-I_D-I_sh

2、光伏電池

光伏電池是光伏發電系統中最基本且最重要的組成部分，所以必須根據必須根據適當場合選擇合適的光伏電池，但這一切都必須基於對光伏電池的深刻了解。

比較實用的太陽能電池主要有：單晶矽、多晶矽和非晶矽太陽能電池。單晶矽太陽能電池最主要的優點是能夠很快達到高效率，並且也使得光電轉換效率不易隨時間衰退，但缺點是價格昂貴。多晶矽太陽能光伏電池價格就相對便宜。非晶矽電池成本低，但是效率低以及光電轉換效率隨時間波動較大。

工作原理

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；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；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，可改善風力-光伏電力系統的供電質量；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；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。

風力-光伏電力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。

特點

風光互補發電比單獨風力發電或光伏發電有以下優點：

(1)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；

(2)在保證同樣供電的情況下，可大大減少儲能蓄電池的容量；

(3)通過合理地設計與匹配，可以基本上由風力-光伏電力系統供電，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。

風力-光伏電力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，無論是怎樣的環境和怎樣的用電要求，風力-光伏電力系統都可做出最最佳化的系統設計方案來滿足用戶的要求，即可保證系統供電的可靠性，又可降低發電系統的造價。應該說，風力-光伏電力系統是最合理的獨立電源系統。

太陽能和風能雖然存在上述一些優點，但是也有不足之處：

(1)能量密度低

太陽能和風能相對於火電、水電、核電等傳統能源，其能量密度偏低，對於太陽能發電需要足夠的受熱面積，而風力發電機如果要提高輸出功率，則必須要增加風輪的尺寸和整個風場的規模，才能達到我們所需要的電量，這都需要占用大面積土地資源。

(2)間歇性、不穩定性和不可控性

傳統能源我們可以根據需求來調節供應，而太陽能只有在晴天和白天時才能，風機只有在風力達到要求時才能發電，且根據風速的大小風機輸出的電量也隨時都在變化，太陽能和風能的這種間性和不穩定性直接導致了不可控性，所以要有效利用太陽能和風能，儲能是必不可少的。

由於這些不利的因素，太陽能或風能單獨的經濟可靠地使用就遇到許多技術問題。隨著科學技術的發展，將太陽能和風能綜合利用，組成一個互補系統成為一種實用的方式，使得我們可以更加穩定可靠經濟合理地使用這無窮無盡的風光資源。

套用前景

1、偏遠農村的生活生產用電

中國農村人口數目眾多。但偏遠農村若靠電網供電，則需架設很長的輸電線路，其經濟性很差．很不現實。而在這些地方其風能和太陽能蘊藏量十分豐富。若採用太陽能，風能這些可再生能源進行發電。則可基本滿足偏遠農村的生活及照明用電。利用風力-光伏電力系統可以有效的解決用電問題。

2、路燈照明系統

風光互補路燈不需要輸電線路。不消耗電網電能，一次性投入與常規路燈大體相當的建設經費後即可一勞永逸地利用取之不盡用之不竭的風能與太陽能提供穩定可靠的能源。與單純由太陽能供電的路燈相比。風光互補路燈也有著顯著優點：

(1)風能的充分利用不單大大提高了能量轉換率。還顯著降低了太陽能系統設備的成本。使其在長期陰雨天氣下仍能持續工作，提高了供電系統穩定性；

(2)能量效率的提高使得風光互補路燈在光源配置上更靈活。

3、通信基站中的套用

移動通信、微波、廣播和電視轉發，還是衛星通信。都各自在全國建立了一定數量的通信基站。如今通信基站的建設已從最初期的城市內建設向城鎮鄉村發展．在未來的幾年。還將更多地向不發達的西部地區、偏遠山區發展。這些基站負荷比較小，若採用市電供電，架設輸電線路代價很大。而採用風力-光伏電力系統可以很好的解決問題。可使用清潔能源自給自足。在十分重要的基站，則可以配備備用的柴油發電機，形成風光柴油混合發電系統，提高供電的可靠性。保證實時通信。

4、併網發電

彌補了獨立風電和光電系統的不足。向電網提供更加穩定的電源。充分利用土地資源。風力發電設備利用高空風能。光伏發電設備則利用風機之間的地面太陽能實現地面和高空的有效結合。由於共用一套送變電設備。降低了工程造價。大大提高了經濟效益。