關于港口供電照明系統(tǒng)融入風光互補方案的分析

李海波+李海燕

摘 要：通過對風光互補發(fā)電系統(tǒng)的研究，提出一種針對港口供電照明系統(tǒng)中小電源負荷更為節(jié)能環(huán)保的供電方式，不僅能夠在設計方案上有了一定的優(yōu)化和特點，更加適應業(yè)主的需求和市場的先進化。文章首先介紹了風能、太陽能互補特性，詳細分析了風光互補發(fā)電的系統(tǒng)結構，給出了各部分工作原理，并結合傳統(tǒng)的港口供電照明系統(tǒng)方案進行了優(yōu)化，提出新的方案。

關鍵詞：風光互補發(fā)電系統(tǒng)；節(jié)能環(huán)保；供電照明方案

引言

隨著不可再生資源的日漸減少及緊張形勢，可再生資源領域的深入研究、發(fā)展和應用已經(jīng)成為了當前科技發(fā)展的必然趨勢。當前，中國的能源情況并不樂觀，因此我們對新能源的深入研究及應用發(fā)展顯得刻不容緩。太陽能、風能發(fā)電系統(tǒng)日漸可靠化、獨立化、成熟化，作為本領域內(nèi)風生水起的兩大新生力量，已經(jīng)被廣泛地應用到全球的很多行業(yè)，例如家用型風力發(fā)電系統(tǒng)、家用型太陽能發(fā)電系統(tǒng)等，它們有著綠色環(huán)保、能源豐富、節(jié)能減排、經(jīng)濟適用等特點，但受其能源密度低、穩(wěn)定性差、不連續(xù)性等因素，往往被認為效率低。中國處于北半球的季風氣候區(qū)域，春季秋季兩個時節(jié)的風能源與太陽輻射適中，夏季時節(jié)的風能源小太陽輻射大，冬季時節(jié)的風能源大太陽輻射小，結合此情況，正好可利用風能與太陽能時間、空間的互補來實現(xiàn)穩(wěn)定的能源輸出，由此風光互補發(fā)電系統(tǒng)順勢而生。

傳統(tǒng)的港口供電照明系統(tǒng)主要由場區(qū)高桿燈照明、棧橋及轉運站照明系統(tǒng)構成，它們的電源一般直接取自于變電所或相應的饋線回路，大部分變電所均采用雙母線分段運行三合二形式，可以保證供電的持續(xù)性，但長期運行從節(jié)能減排、經(jīng)濟適用方面考慮并不劃算，況且如果變電站主站出現(xiàn)問題或者外部供電線路出現(xiàn)問題，將無法保證場區(qū)所必須的供電照明等。引入風電互補系統(tǒng)能夠有效地解決此類問題，能充分利用海邊的自然能源進而得以實現(xiàn)節(jié)能減排、綠色環(huán)保、經(jīng)濟適用的目的。本文通過對風光互補發(fā)電系統(tǒng)的深入研究，從而實現(xiàn)將它融入到港口照明供電系統(tǒng)的方案中，并且證明本方案的可行性。

1風光互補發(fā)電系統(tǒng)

1.1 風光互補發(fā)電系統(tǒng)的構成及工作原理

常見的風光互補發(fā)電系統(tǒng)由六大部分組成：

1）風力發(fā)電部分：通過風力機裝置將外界的風能轉換為自身的機械能，再通過內(nèi)置發(fā)電機將機械能合理地轉換為質(zhì)量較高的交流電，通過電力電子整流器轉化為直流電，再通過控制器的控制策略做出選擇，直接給直流負載供電，對蓄電池進行充電，通過電力電子逆變器輸出交流電對負載供電；

2）光伏發(fā)電部分：通過太陽能電池板光伏陣列的光生伏打效應將光能合理地轉換為質(zhì)量較高的直流電，然后通過電力電子DC/DC變換器后輸出，再通過再通過控制器的控制策略做出選擇，直接給直流負載供電，對蓄電池進行充電，通過電力電子逆變器輸出交流電對負載供電；

3）逆變系統(tǒng)：由電力電子逆變器組成，可將輸入的直流電轉變?yōu)闈M足要求的交流電，從而輸出給交流電負載設備正常使用，該系統(tǒng)同時具有穩(wěn)壓功能，大大的改善了輸出電能的供電質(zhì)量；

4）控制器部分：該部分為整個系統(tǒng)的大腦中樞，投運哪套發(fā)電系統(tǒng)由它決定，輸出決策也由它決定，同時它還負責各部分的功率跟蹤、蓄電池的充放電控制、保護顯示等。它可以根據(jù)環(huán)境的陽光輻射強度、風能源的大小及負載的需求變化，通過內(nèi)部的控制策略，不斷調(diào)整蓄電池組的工作狀態(tài)，在對直流或交流負載供電的同時，把多余的電能輸入到蓄電池組以便存儲。當周圍環(huán)境不佳的情況下，發(fā)電量不能滿足用電負載的需求，此時控制器會通過控制策略判斷，從而調(diào)整蓄電池的狀態(tài)，將儲存的電能送往負載，從而保證了整個系統(tǒng)工作的可靠性、穩(wěn)定性、連續(xù)性和安全性；

5）蓄電池組部分：作為該系統(tǒng)的備用電源倉庫，由多塊蓄電池串聯(lián)組成，在本發(fā)電系統(tǒng)中起到能量儲存、能量調(diào)節(jié)、能量供給、平衡負載等作用。

6）負載：作為用電的終端，包括直流負載、交流負載、泄荷負載等。

風光互補發(fā)電系統(tǒng)的構成和工作原理如圖1所示。

1.2 風力發(fā)電部分

風能的特點主要有能量密度低、不穩(wěn)定性、分布不均勻、可再生、須在有風地帶、無污染、分布廣泛、可分散利用、另外不須能源運輸、可和其它能源相互轉換等[1]。

小型風力發(fā)電機組一般由下列幾部分組成：風輪、發(fā)電機、調(diào)速和調(diào)向機構、停車機構、塔架及拉索等[2]。

（1）風輪

小型風電機組的風輪一般由2到3片葉片構成，它是將外界的風能轉化為機械能的關鍵部件，材質(zhì)主要由復合材料構成。

（2）發(fā)電機

發(fā)電機通常采用永磁式交流發(fā)電機，此部位是將機械能轉化為電能的重要部件。

（3）調(diào)向機構

為了更好的獲得風能，風機需要及時根據(jù)風況調(diào)整迎風方向，小型風電機組一般采用尾翼結構來調(diào)整方向。

（4）調(diào)速機構

風輪轉動并非越快越好，轉動過快會造成飛車現(xiàn)象從而損壞各個部件，合理的調(diào)整轉速才能使系統(tǒng)穩(wěn)定而合理地輸出機械能，小型風電機組一般采用側偏式風輪調(diào)整；

（5）停車機構

風速較大時，小型風電機組需停機，目前常采用側偏停機機構停機，一般在尾翼機構固定一根軟繩。

1.3 光伏發(fā)電部分

光伏陣列能夠有效地、穩(wěn)定地將太陽能轉換為電能，一般由多個太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)并聯(lián)組合構成。太陽能電池是光伏發(fā)電的最基本單元，種類有三種：單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池和非晶硅太陽電池[3]。單晶硅太陽電池轉換率最高，但成本也最高；相比較，多晶硅太陽電池轉換率較高，價格便宜，是現(xiàn)在最常見的材料；而非晶硅太陽電池的轉換效率最低，生產(chǎn)工藝較為簡單。目前，以晶硅材料為基礎的高效電池和薄膜電池是基礎研究工作的熱點課題[2]。原理是電池板利用光伏效應（光生伏打效應）將太陽能高效地、穩(wěn)定地轉換成電能。光生伏打效應是半導體在吸收光能后， P-N結上會產(chǎn)生相應電動勢的現(xiàn)象。

1.4 逆變系統(tǒng)

逆變系統(tǒng)是將直流電轉化為交流電的系統(tǒng)，它的轉換效率直接體現(xiàn)了負載的使用效率，從而在可行性、穩(wěn)定性、安全性、經(jīng)濟性影響了整個系統(tǒng)。逆變系統(tǒng)通常由數(shù)臺逆變器構成，將直流電轉變?yōu)榉弦蟮慕涣麟?，為負載設備提供正常的電能，同時還具備自動穩(wěn)壓等保護功能，由此可大大改善該系統(tǒng)的效率。

1.5 控制器部分

控制器部分主要由主電路板、控制電路板、外圍電路構成，是整個系統(tǒng)的中心部位。

主電路板通常由整流器、變換器、防反充二極管等構成。控制電路板作為整個系統(tǒng)的大腦中樞，多為單片機。外圍電路通常由驅(qū)動電路、通訊電路、保護電路、電流采樣電路、電壓采樣電路、輔助電源電路等構成。

發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能經(jīng)過整流器整流和穩(wěn)壓電容、控制系統(tǒng)處理后給蓄電池充電。風速過高時，輸出電壓往往大于蓄電池電壓，控制系統(tǒng)一般會通過輸出脈沖（PWM）來控制電路通斷，從而使多余的能量轉移到卸荷電阻，從而實現(xiàn)對蓄電池的保護。為確保太陽能電池板的單向?qū)щ娦?，防止發(fā)電系統(tǒng)輸出的整流電壓和蓄電池電壓對光伏陣列反向灌充，控制系統(tǒng)一般裝設防反充二極管。控制系統(tǒng)中的二極管、保險絲構成了短路回路，蓄電池接反時，會燒毀保險絲，從而切斷電路以實現(xiàn)保護系統(tǒng)的作用。為抑制mosfet管因過壓、過流產(chǎn)生的開關損耗，控制系統(tǒng)主電路通常由兩個具有緩沖電路的輸出并聯(lián)的變換器。主電路是由光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路和風力發(fā)電系統(tǒng)主電路兩個互相獨立輸出端并聯(lián)的buck電路組成。電路中通常會存在分布電感、感性負載等，當mosfet管關斷時，將會產(chǎn)生較大的浪涌電壓，因此采用緩沖電路來預防浪涌電壓。

1.6 蓄電池部分

蓄電池是整個系統(tǒng)的能量倉庫，是系統(tǒng)正常工作的能源基地。風能、光能充沛情況下，可以儲存多余的電能，在欠缺的情況下，可以為負載提供充足的電能，同時作為兩大發(fā)電系統(tǒng)的“中樞”可以合理地調(diào)配以實現(xiàn)互補作用。蓄電池的濾波作用能構使系統(tǒng)輸出的電能更加平穩(wěn)。目前市面上本系統(tǒng)采用的蓄電池主要有鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池和堿性鎳蓄電池。隨著科學技術的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，儲能方式多元化，超導儲能、超級電容儲能、燃料電池等新技術已經(jīng)日漸成熟。綜合經(jīng)濟型、便捷性、維護性、穩(wěn)定性等條件，目前本系統(tǒng)采用鉛酸蓄電池比較常見。

1.7 風光互補發(fā)電系統(tǒng)的特點

風光互補發(fā)電系統(tǒng)能夠很好地克服風能、太陽能的隨機性和間歇性的缺點，實現(xiàn)不間斷發(fā)電供電，與單獨的風電系統(tǒng)、光電系統(tǒng)相比有明顯的優(yōu)勢[4]。系統(tǒng)的主要特點如下：

1.兩種能源較為豐富，良好的互補性能夠輸出穩(wěn)定的、可靠的、合格的電能供負載使用。

2.通過兩大系統(tǒng)互補，可以減少原有單個系統(tǒng)的配置容量，從而大大縮減了投入成本。

3.合理利用可再生資源可以減少火電、核電供給的電量，在環(huán)保節(jié)能方面做出重大貢獻。

4.可以合理地規(guī)避由于市電故障導致的供電問題。

1.8 結合港口供電照明系統(tǒng)的分析

現(xiàn)港口供電照明系統(tǒng)中能夠引入風光互補發(fā)電系統(tǒng)的主要為小負荷回路，具體體現(xiàn)在普通照明、應急照明、維修電源等，我們可以根據(jù)現(xiàn)有的港口進行如下分析：

1、成本分析

現(xiàn)某港口配備500盞400w高壓鈉燈，500盞250w高壓鈉燈，現(xiàn)將400w、250w高壓鈉燈分別替換為150w、100w LED燈具，并引入風光互補發(fā)電系統(tǒng)，每年大概可以節(jié)省350萬度電，雖然在前期引入此套設備增加了投入成本，但隨著此類產(chǎn)品的成熟化、穩(wěn)定性，幾年內(nèi)就可通過節(jié)省市電的使用來實現(xiàn)更大的經(jīng)濟效益。

2、方案難點分析

由于港口領域還未引入過風光互補發(fā)電系統(tǒng)，所以從初期設計階段就要結合以下方面進行詳細的計算和選型：

1）蓄電池容量的計算

2）不同高度和不同地點的風速儀選型

3）風力發(fā)電量

4）光伏發(fā)電量

5）控制策略的搭建

2結論

通過前面的闡述和分析，可以看出風光互補發(fā)電系統(tǒng)技術已經(jīng)日漸成熟，它在港口工業(yè)領域的引入可以減少不可再生資源的消耗，同時提高可再生資源的利用率，減少對環(huán)境的污染，大大保證了港口供電照明的持續(xù)照明問題，提高了運營的經(jīng)濟型、安全性、穩(wěn)定性?？傊S著工業(yè)發(fā)展的需求、時代腳步的前進、國家新能源政策的號召，風光互補發(fā)電系統(tǒng)必將引入到港口工業(yè)領域的供電照明系統(tǒng)內(nèi)，并且成為一道靚麗的風景。

參考文獻：

[1]黃素逸.能源與節(jié)能技術，北京：北京中國電力出版社，2004.4

[2]李俊峰.風力12在中國，北京：北京化學工業(yè)出版社，2005.5

[3]李學金.太陽電池及其電源系統(tǒng)設計，北京：節(jié)能，1999. 29-31

[4]李爽.風/光互補混合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設計，中國科學院電工研究所碩士學位論文，2001.42-43