风光互补型发电系统应用技术

风光互补型发电系统应用技术

张剑文

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【摘要】温室气体致使全球变暖，地球升温引发洪灾、旱灾和风暴，造成不可挽回的巨大损失。如何避免全球气候变暖来寻求全球经济增长是世界共同面临的难题。目前，开发和利用可再生资源已成为中国保护环境、减少污染、促进可持续发展的必要环节。在我国西北地区有着丰富的太阳能和风能资源，有条件和基础通过太阳能和风能的开发与风光发电产业发展，创建基于可再生能源和提高能源效率的“低碳经济”。通过实施绿色能源战略，使西北地区的能源开发利用在国内处于“领导全国”的地位。风光互补发电系统就是为了实施绿色能源战略而采取的一项重要措施，使西北地区的太阳能和风能得到充分利用。该系统是为了弥补传统电力的不足而设计的独立发电设备。它是由太阳能电池组件与风力发电机配合而成的一个系统，通过微型计算机的远程控制，并实现了免维护的功能。本文通过对风光互补发电系统的分析，解析了西北地区太阳能和风能资源的开发形态、价值，以及风光互补发电系统的设计方法，总结出风光互补发电系统在我国可实施性和可发展性。

【关键词】温室气体；可再生能源；太阳能；风能；低碳经济；风光互补发电系统；微型计算机

一、我国太阳能资源

1.1 我国太阳能分布

1.1.1太阳能分区

      按接收太阳能辐射量得大小，全国大致上可分为五类地区（如图1.1,图1.2）：

一类地区：全年日照时数为3200～3300小时，辐射量在670～837×104kJ／cm2·a,相当于225～285kg标准煤所放出的热量。主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地，这是我国太阳能资源最丰富的地区。特别是西藏，地势高,光的透明度也好，太阳辐射最高值达921kJ／cm2·a，仅次于沙哈拉沙漠，其中拉萨是世界著名的阳光城。

二类地区：全年日照时数为3000～3200小时，辐射量在586～670×104 kJ／cm2·a，相当于200～225kg标准煤所放出的热量。主要包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。此区为我国太阳能资源较丰富区。

三类地区：全年日照时数为2200～3000小时，辐射量在502～586×104 kJ／cm2·a，相当于170～200kg标准煤所放出的热量。主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏北部、安徽北部等地。

四类地区：全年日照时数为1400～2200小时，辐射量在419～502×104kJ／cm2·a，相当于140～170kg标准煤所放出的热量。主要是长江中下游、福建、浙江和广东的一部分地区，春夏多阴雨，秋冬季太阳能资源还可以。

二、风光互补发电系统

2.1 风光互补发电系统构成

风光互补发电系统主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、蓄电池、逆变器、交流直流负载等部分组成，系统结构如图2-1。该系统是由风能、太阳能、蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统。

图2-1 风光互补发电系统结构

◇风力发电部分是利用风力机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械能转化为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电；

◇光伏发电部分是利用太阳能电池组件的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电；

◇逆变系统由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的220v交流电，保证交流电负载设备的正常使用。同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量；

◇控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节：一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载。另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性；

◇蓄电池部分由多块蓄电池组成，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。

2.2风光互补发电系统的设计分析

风光互补发电系统作为一个独立的发电系统，从风力发电机、太阳能电池组件、储能系统容量的配置都有一个最佳配置设计问题，需要结合风力发电机、太阳能电池组件安装位置的自然条件来进行系统最佳配置。

2.2.1设计步骤

（1）当地的地理位置气象参数的收集

地点、气候、纬度、平均日照、平均温度、降水量、湿度、浮尘量、地质条件、风速、有效风能密度都会影响风光发电系统的经济性。

（2）当地负载情况的分析

为尽可能精确地明确负载特性，进而对配件和成本进行优化设计，我们必须获取以下信息：

·系统额定电压；

·负载所允许的电压浮动范围；

·平均每天的负载量；

·全年的大体负载数据。

（3）光伏发电部分的光伏板的最佳安装倾角、及系统容量的确定，风力发电部分容量的确定。

（4）根据系统稳定性等因素确定蓄电池容量

2.2.2设计时考虑因素

Ⅰ当地外界客观自然条件。

除了考虑当地的气象因素外，还要考虑当地的风能和太阳能资源状况、地震、雷电、其他生物的栖息地等因素。

Ⅱ蓄电池的选择。

风光互补发电系统中，蓄电池长期处于频繁的充电-放电的反复循环中，如果控制器的性能不好，则会出现过充电和过放电的现象。因此，蓄电池的工作特性和循环使用寿命便成为人们最为关注的问题。

3结论

风光互补发电系统由太阳能电池板、风力发电机、控制系统、蓄电池等几部分组成。由于太阳能与风能的互补性强，风光互补发电系统在资源上弥补了传统风电和光电独立系统在资源上的缺陷。同时，风电和光电系统在蓄电池和逆变环节上是通用的。

风光互补发电系统同时利用太阳能和风能发电，因此对气象资源的利用更加充分。在适宜气象条件下，风光互补系统可提高系统供电的连续性和稳定性。当利用光伏发电提供的电力不足时，可以利用风力发电；当风力发电不足时，可以利用光伏发电。由于夜晚无阳光时恰好风力大，所以互补性好，实现昼夜发电，可以减少系统的太阳能板配置，从而大大降低系统造价。单位容量的系统初投资和发电成本，均低于独立的光伏系统。

该系统实现了分能和太阳能资源的综合利用，而风能和太阳能都是清洁能源，对环境无污染，实现了“双碳目标”。随着光伏发电技术、风力发电技术的日趋成熟及实用化进程中产品的不断完善，为风光互补发电系统的推广应用奠定了基础。风光互补发电系统推动了我国节能环保事业的发展，促进资源节约型和环境友好型社会的建设。

通过上文对风光互补发电系统分析，均表明该系统在实际生产中的可实施性和实用性，符合当地的实际情况，应加以推广应用。

参考文献

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