風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)在北京郊區(qū)應(yīng)用的可行性研究

郝建華

摘要：隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源消耗的逐年增加，不可再生的常規(guī)能源面臨日益枯竭的境況，迫切需要可再生的新型清潔能源。而風(fēng)能與太陽能在眾多新型能源中潛力最大，也最具開發(fā)價值。由于太陽能與風(fēng)能在時間上和地域上都有很強的互補性。綜合利用風(fēng)能、太陽能的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)成為一種合理的能源系統(tǒng)。本文主要介紹了風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，分析了北京郊區(qū)太陽能風(fēng)能資源和他們之間的互補性，總結(jié)出風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)在郊區(qū)應(yīng)用的優(yōu)勢性、合理性和可行性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)；互補；太陽能：蓄電池

一、風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)在北京郊區(qū)應(yīng)用的可行性研究背景

1.電已成為人們生活中最常用的動力來源，隨著人們生活水平的不斷提高和技術(shù)進步，人們對電的依賴越來越強，在遠離電網(wǎng)的地區(qū)，獨立供電系統(tǒng)就成為人們最需要的電源，近些年太陽能的應(yīng)用已逐漸擴大，已廣泛用于城市太陽能光伏電源系統(tǒng)（SHS），水情監(jiān)測用太陽能電源系統(tǒng)，鐵路的信號站，高速公路或森林的監(jiān)控電源系統(tǒng)，屋頂光伏電源系統(tǒng)，公路照明等方面，偏遠的郊區(qū)農(nóng)民更需要低成本高可靠性的獨立電源系統(tǒng)。

2.隨著石化燃料消耗的增長，環(huán)境日益惡化，資源日益匱乏，利用可再生的清潔能源成為解決中國資源和環(huán)境問題的必由之路。其中太陽能和風(fēng)能是最具代表性的可再生能源，也是目前研究開發(fā)的重點。太陽能和風(fēng)能在時間上的互補性使風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性。風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)成為邊遠地區(qū)資源條件最好的獨立電源系統(tǒng)，具有很好的應(yīng)用前景。

3.北京農(nóng)村地域廣闊，除居家環(huán)境用電，更多應(yīng)用于蔬菜大棚、果園、養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)家院等生產(chǎn)生活，這些用電負(fù)荷較小而且分散，通過大電網(wǎng)的延伸來供電很不現(xiàn)實。單獨太陽能發(fā)電系統(tǒng)，很大程度上受到時間天氣和地域的約束，很難實現(xiàn)全天候利用自然資源。風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)利用了風(fēng)能和太陽能優(yōu)勢，順應(yīng)了國家節(jié)能減排的政策，也解決了電網(wǎng)難以覆蓋的邊遠郊區(qū)的供電問題。

二、北京郊區(qū)風(fēng)光發(fā)電的資源技術(shù)研究

1.資源的研究

一般生產(chǎn)用電負(fù)荷都不大，所以用電網(wǎng)送電“大材小用”，而只能在當(dāng)?shù)刂苯影l(fā)電，最常用的就是采用柴油發(fā)電機，但柴油的儲運對偏遠郊區(qū)成本偏高，對環(huán)境的污染更難以消除，而且供給難以保障，所以柴油發(fā)電機只能作為一種短時的應(yīng)急電源，要解決長期穩(wěn)定可靠的供電問題，只能依賴當(dāng)?shù)氐淖匀荒茉?，太陽能和風(fēng)能是最普遍的自然資源，也是取之不盡的可再生能源。

2.風(fēng)光資源具有互補特性

根據(jù)北京郊區(qū)光能和風(fēng)能資源及當(dāng)?shù)氐挠秒娯?fù)荷情況，將風(fēng)能作為風(fēng)光互補發(fā)電的主要指標(biāo)。這主要是因為：①風(fēng)能能量密度遠大于太陽能密度②風(fēng)力發(fā)電的成本遠低于太陽能發(fā)電成本③風(fēng)能的時空變化大而復(fù)雜，變率大，太陽能的時空變化規(guī)律性強，變率小。

太陽能與風(fēng)能在時間上和地域上都有很強的互補性，白天太陽光最強時，風(fēng)很小，晚上太陽落山后，光照很弱，但由于地表溫差變化大而風(fēng)能加強，在夏季，太陽光強度大而風(fēng)小，冬季，太陽光強度弱而風(fēng)大，太陽能和風(fēng)能在時間上的互補性使風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)是資源條件最好的獨立電源系統(tǒng)。

3.北京地區(qū)太陽能資源豐富。北京的緯度39.80度，斜面日均輻射量18035KJ/m2，晴天少雨。

4.技術(shù)的成熟性

光電系統(tǒng)是利用光電板將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，然后通過控制器對蓄電池充電，最后通過逆變器對用電負(fù)荷供電的一套系統(tǒng)，該系統(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)供電可靠性高，運行維護成本低，缺點是系統(tǒng)造價高。

風(fēng)電系統(tǒng)是利用小型風(fēng)力發(fā)電機，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能，然后通過控制器對蓄電池充電，最后通過逆變器對用電負(fù)荷供電的一套系統(tǒng)，該系統(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)發(fā)電量較高，系統(tǒng)造價較低，運行維護成本低，缺點是小型風(fēng)力發(fā)電機可靠性低。

另外，風(fēng)電和光電系統(tǒng)都存在一個共同的缺陷，就是資源的不確定性導(dǎo)致發(fā)電與用電負(fù)荷的不平衡，風(fēng)電和光電系統(tǒng)都必須通過蓄電池儲能才能穩(wěn)定供電，但每天的發(fā)電量受天氣的影響很大，會導(dǎo)致系統(tǒng)的蓄電池組長期處于虧電狀態(tài)，這也是引起蓄電池組使用壽命降低的主要原因。

由于太陽能與風(fēng)能的互補性強，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源上彌補了風(fēng)電和光電獨立系統(tǒng)在資源上的缺陷，同時風(fēng)電和光電系統(tǒng)在蓄電池組和逆變環(huán)節(jié)是可以通用的，所以風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的造價可以降低，系統(tǒng)成本趨于合理。

風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的用電負(fù)荷情況和資源條件進行系統(tǒng)容量的合理配置，即可保證系統(tǒng)供電的可靠性，又可降低發(fā)電系統(tǒng)的造價，無論是怎樣的環(huán)境和怎樣的用電要求，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)都可作出最優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計方案來滿足用戶的要求，應(yīng)該說，推廣風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的最大障礙是小型風(fēng)力發(fā)電機的可靠性問題。

幾十年來，可靠性問題一直沒有得到解決，長期以來出于成本上的考慮，先進的液壓控制技術(shù)沒有在小型風(fēng)力發(fā)電機的限速保護上采用，只是根據(jù)空氣動力學(xué)原理，采用簡單的機械控制方式對小型風(fēng)力發(fā)電機在大風(fēng)狀態(tài)下進行限速保護，機械限速結(jié)構(gòu)的特點是小型風(fēng)機的機頭或某個部件處于動態(tài)支撐的狀態(tài)，這種結(jié)構(gòu)在風(fēng)洞試驗的條件下，可以反映出良好的限速特性，但在自然條件下，由于風(fēng)速和風(fēng)向的變化太復(fù)雜，而且自然環(huán)境惡劣，小型風(fēng)力發(fā)電機的動態(tài)支撐部件不可避免的會引進振動和活動部件的損壞，從而使機組損壞。

目前最好的小型風(fēng)力發(fā)電機只保留了三個運動部件，一是風(fēng)輪驅(qū)動發(fā)電機主軸旋轉(zhuǎn)，二是尾翼驅(qū)動風(fēng)機的機頭偏航，三是為大風(fēng)限速保護而設(shè)的運動部件，前兩個運動部件的不可缺少的，這也是風(fēng)力發(fā)電機的基礎(chǔ)，實踐中這兩個運動部件故障率并不高，主要是限速保護機構(gòu)損壞的情況多，要徹底解決小型風(fēng)力發(fā)電機的可靠性問題必須在限速方式上有最好的解決方法。

三、風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)簡介

所謂風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)就是指將太陽能和風(fēng)能聯(lián)合起來、使二者優(yōu)劣互補進行發(fā)電的發(fā)電系統(tǒng)。

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

典型風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機組、光伏陣列、控制器、蓄電池組、泄荷器、逆變器、直流交流負(fù)載等部分組成。

（1）風(fēng)力發(fā)電機組利用風(fēng)力機將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，然后利用風(fēng)力發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能。此時的電能為交流形式且電壓不穩(wěn)定，所以必須通過整流器整流。然后通過控制器給蓄電池充電，直接給直流負(fù)載供電，經(jīng)過逆變器對交流負(fù)載供電。

（2）光伏陣列是由若干太陽電池板串聯(lián)、并聯(lián)構(gòu)成，利用光電轉(zhuǎn)換原理使太陽的輻射光通過半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。此時的電能為直流形式，可以通過控制器向蓄電池充電，并給交流、直流負(fù)載供電。

（3）蓄電池在風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)中起著儲存和調(diào)節(jié)電能的作用，由多塊蓄電池組成。當(dāng)日照充足或風(fēng)力很大而導(dǎo)致產(chǎn)生的電能過剩時，蓄電池將剩余的電能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能儲存起來；當(dāng)風(fēng)力、日照不佳或負(fù)荷用電量增加時，則由蓄電池向負(fù)荷補充電能，并保持供電電壓的穩(wěn)定。

（4）逆變器是一種把直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姷难b置。風(fēng)力發(fā)電機、太陽能電池和蓄電池輸出的電能經(jīng)控制器后都輸出直流電。系統(tǒng)要想給交流負(fù)載供電，必須通過逆變器將輸出的直流電轉(zhuǎn)換成負(fù)載所需的交流電。此外，逆變器還具有自動穩(wěn)壓功能，確保風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量，提供穩(wěn)定的電能，使負(fù)載正常運行。

（5）控制器在整個系統(tǒng)中起著非常重要的作用。它將系統(tǒng)中各個部分連接起來，并對各部分的工作進行控制。根據(jù)日照強弱、風(fēng)力大小和負(fù)荷的變化，控制器不斷切換和調(diào)節(jié)蓄電池的工作狀態(tài)。當(dāng)電能充足時，控制器將調(diào)節(jié)后的電能送往負(fù)載，并控制太陽能電池陣列和風(fēng)力發(fā)電機將剩余電能以最佳的充電電流和電壓快速、平穩(wěn)、高效地送入蓄電池組儲存，當(dāng)發(fā)電量不能滿足負(fù)載需要時，控制器控制蓄電池向負(fù)載供電，同時避免蓄電池過充電和過放電現(xiàn)象的發(fā)生。

（6）泄荷器是一種快速消耗電能的裝置。當(dāng)蓄電池已被充滿，系統(tǒng)發(fā)電量大于負(fù)載用電量時，為防止蓄電池過充和確保逆變器正常工作，控制器會自動接通泄荷器，將多余的電能消耗掉。

風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)克服光伏、風(fēng)力單獨發(fā)電的不足，有效利用太陽能、風(fēng)能在時間和地域上的互補性，為不易用電網(wǎng)供電的邊遠地區(qū)提供低成本、高穩(wěn)定性的電能。同時，它也為當(dāng)前有效解決能源危機和環(huán)境污染問題翻開了嶄新的一頁

2.風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的特點

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)利用風(fēng)力發(fā)電機，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能，然而通過控制器對蓄電池充電，最后通過逆變器對負(fù)載供電。該系統(tǒng)具有日發(fā)電量較高，系統(tǒng)造價較低，運行維護成本低等優(yōu)點。缺點是小型風(fēng)力發(fā)電機可靠性低，常規(guī)水平軸風(fēng)力發(fā)電機對風(fēng)速的要求較高。

光伏發(fā)電系統(tǒng)利用光電板將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，然后通過控制器對蓄電池充電，最后通過逆變器對負(fù)載供電。該系統(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)供電可靠性高、資源條件好、運行維護成本低，缺點是系統(tǒng)造價高。

發(fā)電與用電負(fù)荷的不平衡性是風(fēng)電和光電系統(tǒng)共同存在的一個缺陷，它是由資源的不確定性造成的。風(fēng)電和光電系統(tǒng)發(fā)出電能后都必須通過蓄電池儲能才能穩(wěn)定供電，但是每天的發(fā)電量受陽光、風(fēng)力的影響很大，陽光、風(fēng)力較弱會導(dǎo)致系統(tǒng)的蓄電池組長期處于虧電狀態(tài)，這是引起蓄電池組使用壽命降低的主要原因。

風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)具有以下特點：（1）風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)彌補了風(fēng)電和光電獨立發(fā)電系統(tǒng)在資源上的缺陷，利用太陽能和風(fēng)能的互補性，提供較穩(wěn)定的電能；（2）在風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)電和光電系統(tǒng)可以共用一套蓄電池組和逆變環(huán)節(jié)，減少系統(tǒng)造價（3）整個系統(tǒng)是兩種發(fā)電系統(tǒng)進行互補運行，因此，在保證同等供電的情況下，可大大減少儲能裝置的容量（4）風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需要合理配置系統(tǒng)容量，在不影響供電可靠性的情況下減少系統(tǒng)造價（5）風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)可以根據(jù)用戶所在地的季節(jié)及天氣變化情況優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計方案，在滿足用戶要求的情況下節(jié)約資源。

四、風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)在郊區(qū)應(yīng)用的優(yōu)勢性、合理性及可行性

1.優(yōu)勢性

（1）風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)將太陽能電池陣列與風(fēng)力發(fā)電機有機地配合組成一個系統(tǒng)，整合了太陽能和風(fēng)能優(yōu)勢，充分發(fā)揮各自的特性，最大限度地利用好大自然賜予的風(fēng)能和太陽能以應(yīng)用科學(xué)來滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。

（2）風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)不需輸電線路，也不需挖開路面埋管或架空線路。解決了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)無法供電的難題和傳統(tǒng)供電線損耗大成本高的難題。

（3）較風(fēng)能太陽能單獨發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)利用北京風(fēng)能和太陽能互補的資源優(yōu)勢，采用風(fēng)光互補技術(shù)，有風(fēng)無光時通過風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電，無風(fēng)有光時通過太陽能電池陣列發(fā)電，通過蓄能裝置，為用戶提供穩(wěn)定的電源。

（4）風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)投資小、見效快；占地面積小，應(yīng)用靈活便捷，一個家庭、一個村莊、一個區(qū)域，無論個人、集體均可采用；供電區(qū)域規(guī)模小、供電區(qū)域明確，便于維護。

（5）風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)是把風(fēng)能和光能轉(zhuǎn)化為電能，直接減少了對礦物燃料的消耗，減少大氣污染，保護環(huán)境，為北京的綠色藍天節(jié)能減排開辟了新的天地。

2.合理性

（1）北京農(nóng)村風(fēng)能、光能資源都非常豐富，但是這些資源時空分布的不均勻性使得單獨使用一種能源會出現(xiàn)一定時段內(nèi)供能不足，甚至出現(xiàn)停止供能的現(xiàn)象。風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)利用風(fēng)能和太陽能的互補性，在資源上彌補了風(fēng)能和太陽能獨立發(fā)電系統(tǒng)的缺陷。

（2）風(fēng)光互補發(fā)系統(tǒng)將風(fēng)能和太陽能轉(zhuǎn)變來的電能通過蓄電池儲存起來，通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡葌鹘y(tǒng)的家用直流微型發(fā)電機功率更大，使用時間更長。

（3）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)利用高空的風(fēng)能，光伏發(fā)電設(shè)備則利用地面的太陽能，實現(xiàn)地面和高空的有效結(jié)合，充分利用土地資源。風(fēng)光互補技術(shù)可加大利用太陽能和風(fēng)能連續(xù)工作的能力，降低設(shè)備制造成本。同時，加強太陽能和風(fēng)能利用時間可減少使用蓄電池的時間，提高蓄電池使用壽命。

（4）風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池組和逆變環(huán)節(jié)在風(fēng)電和光電系統(tǒng)中在是可以通用的，所以風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的造價可以大大降低，使系統(tǒng)趨于合理。

3.可行性

風(fēng)光互補技術(shù)的發(fā)展，北京郊區(qū)豐富的風(fēng)能太陽能資源及國家對于新能源開發(fā)利用的有利政策，使得風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)在北京郊區(qū)的應(yīng)用具有可行性。

伴隨著風(fēng)光互補技術(shù)的日益成熟，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)可以提供越來越穩(wěn)定的電力供應(yīng)，可以根據(jù)用戶的用電負(fù)荷情況和資源條件進行系統(tǒng)容量的合理配置，既可保證系統(tǒng)供電的可靠性，又可降低發(fā)電系統(tǒng)的造價。無論是怎樣的環(huán)境和怎樣的用電要求，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)都可采用最優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計方案來滿足用戶的要求。

風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)一種新型的綠色環(huán)保發(fā)電方式，其能量來源是自然界的太陽能和風(fēng)能。在太陽能以及風(fēng)能充足的地區(qū)使用風(fēng)光互補發(fā)系統(tǒng)，節(jié)約使用成本，同時節(jié)省國家能耗，符合國家節(jié)能環(huán)保政策的要求。

綜上所述，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)可以彌補風(fēng)能和太陽能發(fā)電存在的缺陷，利用風(fēng)能和太陽能在時間和地域上的互補性，北京郊區(qū)最大限度地將風(fēng)能和太陽能轉(zhuǎn)變成電能，通過蓄電池和逆變器給用戶供電。太陽能風(fēng)能非常豐富，而且具有很強的互補性。在北京郊區(qū)采用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)為區(qū)域農(nóng)業(yè)供電具有很強的優(yōu)勢性、合理性和可行性。