新型太陽能和風能混合發(fā)電系統(tǒng)研究與應用

張岳甫

摘 要：可再生能源的綜合利用可以促進我國社會的持續(xù)發(fā)展，并對我國建設環(huán)境友好型社會具有重要意義，太陽能和風能則是兩種被廣泛應用的可再生能源。風力和太陽能單獨發(fā)電時會面臨發(fā)電及供電可靠性低、造價高等問題，而采用太陽能-風能混合發(fā)電則能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)勢互補，對于風能和太陽能的綜合利用有著重要意義。該文從風能和太陽能的特點出發(fā)，對太陽能-風能混合發(fā)電系統(tǒng)的研究和應用進行了介紹。

關鍵詞：太陽能 風能 混合發(fā)電 研究應用

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）01（c）-0064-02

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

風力發(fā)電可以有效減少污染，因此被世界上很多國家和地區(qū)開發(fā)和利用，像荷蘭就是著明的風車王國。風力發(fā)電的發(fā)展可以分為三個階段：第一階段是在20世紀70年代到90年代中期，此時風力發(fā)電還處于探索階段。第二階段是20世紀中期到21世紀，此階段是風力發(fā)電技術走向迅速發(fā)展的階段。進入21世紀后是風力發(fā)電發(fā)展的第三個階段，這個階段越來越重視保護環(huán)境，風能等可持續(xù)利用清潔能源的發(fā)展受到政策支持，開始出現(xiàn)大規(guī)模、集中發(fā)展。

目前全世界有上萬個村莊使用太陽能光伏發(fā)電，光伏發(fā)電被應用于通訊、照明、航空航天、公共電力等很多方面。過去的幾年中世界光伏組件快速增長，平均增長率可以達到15%。日本曾經(jīng)提出“陽光計劃”和“新陽光計劃”用以發(fā)展太陽能電光伏產(chǎn)業(yè)，其光伏產(chǎn)業(yè)也得到了快速增長。世界上很多國家都有光伏計劃，光伏發(fā)電也正在走向產(chǎn)業(yè)化。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國土地廣闊，并有2/3的地區(qū)為多風地帶，風力資源豐富，在20世紀早期我國就進行過風力發(fā)電的研究和實驗。為了應對世界能源危機和滿足偏遠地區(qū)用電需求我國開始大力發(fā)展風電產(chǎn)業(yè)，并于1987年建立了第一座并網(wǎng)運行的發(fā)電站。隨著不斷發(fā)展我國建立了很多風力發(fā)電站，但是風力發(fā)電總裝機容量在電力網(wǎng)絡的總容量中所占比例還比較低，還有很大發(fā)展空間。

我國光伏發(fā)電的起步慢，發(fā)展快。20世紀50年代我國開始進行光伏電源的建造，在1959年成功制作了第一塊光伏電池，之后我國光伏發(fā)電快速發(fā)展，1992年在新疆某地實現(xiàn)了用太陽能消滅無電狀況，2004年在深圳建立了當時亞洲最大的太陽能并網(wǎng)電站。如今，我國太陽能光伏發(fā)電發(fā)展迅速，在規(guī)模和范圍上都在不斷擴大，在未來有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

太陽能和風能具有普遍、無污染、儲量巨大等優(yōu)點，并且除購買設備和維修之外不需要額外投入，價格低廉，因此被廣泛利用。但是由于這兩種能源的利用容易受到天氣、地形的影響，并且分散不易集中，因此，在單獨利用時需要面臨供電可靠性低、造價高等問題。隨著太陽能和風能發(fā)電技術的發(fā)展，人們根據(jù)這兩種能源在多方面的互補性，提出了太陽能-風能混合發(fā)電系統(tǒng)。目前在風光混合發(fā)電系統(tǒng)的研究上，一方面是對控制系統(tǒng)進行計算機仿真和優(yōu)化設計；另一方面則在研究提高系統(tǒng)供電運行的穩(wěn)定性和高效性。就目前而言，我國太陽能-風能混合發(fā)電系統(tǒng)的應用還不夠廣泛。

2 太陽能和風能相關的理論概念

2.1 風能的相關概念

風是一種常見的自然現(xiàn)象，其成因是太陽輻射，全球能夠利用的風能約2×107 MW，這是全球可利用水能總量要大10倍左右。風能的優(yōu)點體現(xiàn)在蘊藏量大、無污染、可再生以及分布廣泛，可以在電網(wǎng)不能到達的就地取材，為偏遠地區(qū)提供電力。風能也存在一定的缺點，如：能量密度低、不穩(wěn)定、地區(qū)差異大等，容易受到地理環(huán)境的影響。

2.2 太陽能相關概念

太陽能是一種取之不盡用之不竭的能源，太陽會通過輻射的方式向地球輸送大量的能量，而被地球所接受的能量中，人的利用量極少。太陽輻射的優(yōu)點在于其分布的普遍性，尤其是在一些偏僻地區(qū)能夠彌補電網(wǎng)不能到達的空缺。太陽能還具有長久性和清潔型，太陽能是可以開發(fā)的蘊藏量最大的能源，并且太陽能發(fā)電可以極大減少環(huán)境污染，對于環(huán)境的保護有重要意義。不過太陽能也存在很明顯的缺點，首先太陽能具有分散性，這也導致了利用太陽能的低效率以及高成本，雖然能量總量很大，但是能流密度卻比較低，使得需要大面積收集和轉換裝備，使得利用太陽能發(fā)電較其他能源的成本較高。太陽能另一個顯著特點是間歇性，太陽能的利用會受到海拔、經(jīng)緯度以及天氣陰晴的影響，因此，在利用太陽能時要做好蓄能工作。

3 風能和太陽能發(fā)電原理

風力發(fā)電的基本原理是通過風車葉片旋轉來驅(qū)動風力發(fā)電機工作，隨著旋轉速度的增加，就可以產(chǎn)生電能。通過對于風力發(fā)電的研究人們知道，風速超過3 km/h的時候風車就可以進行發(fā)電，風力發(fā)電是一個系統(tǒng)，系統(tǒng)中包括充電器、風力發(fā)電機和數(shù)字逆變器等設備。在風力發(fā)電機中是通過定子繞組切割磁力線來產(chǎn)生電能的，這是風能轉化成電能的過程。由于風量時常發(fā)生變化，所以發(fā)電機會輸出交流電壓，其輸出的功率將會通過整流器和充電器對蓄電池進行充電，這個過程電能被轉化成了化學能，之后保護電路里的逆變電源將電池中的化學能再次轉化成電能。目前常用的風力發(fā)電機主要有異步風力發(fā)電機、雙饋異步發(fā)電機和直驅(qū)式交流永磁同步發(fā)電機等三種類型，不同的風力機組有不同的數(shù)學模型和工作原理以及分析方法，在功能上則各有優(yōu)勢。

4 光伏發(fā)電的基本原理

在太陽能-風能混合發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能發(fā)電的基本原理是基于光生伏特效應。所謂光生伏特效應是指在光的照射下半導體產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象，因此，當太陽光照射到硅制成的太陽能電池板上時可以在其上產(chǎn)生電流，從而實現(xiàn)太陽能到電能的轉化，使太陽能電池串聯(lián)或者并聯(lián)就可以組成光伏方陣，可以進行發(fā)電。太陽能電池產(chǎn)生電流的根本原因是其吸收了光子，光子是光的組成成分，是一種具有能量的粒子，光的波長決定了其能量的大小。太陽能電池中的晶體硅吸收了光子會在PN結中產(chǎn)生相互配對的正負帶電粒子，因為這附近的正負電荷是分離的，使得PN結區(qū)域形成了一個電場。此時在太陽能電池的面上接上負載，就會有電流從負載流過，最終電流會從太陽能電池的底端流經(jīng)負載到達其頂端。

4.1 太陽能-風能混合發(fā)電系統(tǒng)原理和結構

4.1.1 太陽能-風能混合發(fā)電系統(tǒng)的基本原理

太陽能-風能混合發(fā)電可以實現(xiàn)太陽能光伏發(fā)電和風能發(fā)電的特性互補，從而實現(xiàn)晝夜發(fā)電和各個季節(jié)電能的穩(wěn)定輸出，這個系統(tǒng)比單獨的太陽能和風能發(fā)電更能充分利用資源，提高了發(fā)電的可靠性和穩(wěn)定性，并且讓系統(tǒng)的持續(xù)供電性能大大提升。太陽能-風能混合發(fā)電還能夠降低投資和運行成本，兩種發(fā)電形式的優(yōu)勢互補使得對蓄電池容量的要求降低，減少了費用。太陽能-風能混合發(fā)電系統(tǒng)的最佳狀態(tài)是在不起動外加電源的情況下實現(xiàn)給負載進行24 h的穩(wěn)定電能輸出，此時系統(tǒng)可以實現(xiàn)經(jīng)濟效益、社會效益的最大化。太陽能-風能混合發(fā)電的缺點在于其系統(tǒng)相較于風能或者太陽能單獨發(fā)電更為復雜，使得對系統(tǒng)控制和管理的要求也變得更高，系統(tǒng)的維護也會更難。風光混合發(fā)電系統(tǒng)運行過程是：利用自然風力發(fā)電，風輪轉動時吸收了風能，從而帶動了風力發(fā)電機，將風能轉換為電能，太陽能光伏電池將吸收的太陽光轉化成電能，產(chǎn)生的電流經(jīng)過整流、穩(wěn)壓和控制器，之后可以直接連接直流負載，也可以通過逆變器完成交流-直流轉化后連接交流負載，產(chǎn)生的電能也可以在蓄電池內(nèi)備用。

4.1.2 太陽能-風能混合發(fā)電系統(tǒng)的基本組成

太陽能-風能混合發(fā)電系統(tǒng)一般由風力發(fā)電機、整流器、升壓變換器、光伏電池陣列、卸荷器、控制器、蓄電池組、逆變器、直流負載和交流負載構成。系統(tǒng)中存在能量生產(chǎn)、存儲以及消耗等三個環(huán)節(jié)，能量生產(chǎn)環(huán)節(jié)由風力發(fā)電機和光伏電池完成，他們分別將風能和太陽能轉化為電能。整流器負責將風力發(fā)電機發(fā)出的交流電轉化為穩(wěn)定的直流電。能量的儲存環(huán)節(jié)則是由蓄電池承擔的，它在系統(tǒng)中的作用是解決能量供需不平衡的情況，它既能夠起到儲能作用，還有穩(wěn)定電壓的功能。能量消耗環(huán)節(jié)則由負載構成，根據(jù)電流性質(zhì)可以將負載分為直流負載和交流負載兩種類型。逆變器的功能是將直流電轉化為交流電，從而使產(chǎn)生的電能能夠被負載使用?？刂破魇钦麄€系統(tǒng)的核心，它能夠保護蓄電池的充放電，控制系統(tǒng)的總輸出功率，還能夠?qū)ο到y(tǒng)的運行進行監(jiān)控，保障系統(tǒng)的正常運行。

風電互補發(fā)電系統(tǒng)一般在太陽光強時采用光伏發(fā)電，風能供電支路則處于斷開狀態(tài)，反之，則由風力發(fā)電機組進行供電，光伏電池支路處于斷開狀態(tài)。目前出現(xiàn)了可以兩條線路同時供電的太陽能-風能混合發(fā)電系統(tǒng)，只要兩只供電支路的輸出電壓大于蓄電池電壓，使二極管導通就可以實現(xiàn)兩條支路同時供電。

4.2 太陽能-風能混合系統(tǒng)發(fā)電的應用

太陽能-風能混合發(fā)電可以應用于無電農(nóng)村地區(qū)的生活用電，半導體室外照明、航標、監(jiān)控攝像機電源、通信基站、海水淡化裝置和抽水蓄能電站等方面，并且隨著人們不斷開發(fā)綠色能源，太陽能-風能混合發(fā)電在將來可能成為人們用電的主要來源。在這些方面太陽能-風能混合發(fā)電相比普通電網(wǎng)供電有許多優(yōu)勢，以通訊基站為例，處于高原和山區(qū)的通訊基站由于其地理位置問題，架設通電線路面臨高成本、難維修等問題，建設太陽能-風能混合發(fā)電則可以有效解決這些困難，節(jié)約成本，并使通信基站正常運行。

5 結語

隨著國家越來越重視環(huán)境保護和節(jié)約能源，太陽能-風能混合發(fā)電還有很大發(fā)展空間。未來太陽能-風能混合發(fā)電系統(tǒng)將像更加穩(wěn)定、經(jīng)濟方向發(fā)展，實現(xiàn)系統(tǒng)各部分更加合理的配置，使系統(tǒng)的成本和維護費用繼續(xù)降低，促進太陽能-風能混合發(fā)電系統(tǒng)的廣泛應用。

參考文獻

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