風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用及優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙艷梅

【摘 要】隨著社會的發(fā)展，風(fēng)能、太陽能等可再生能源的應(yīng)用越來越廣泛，其能夠緩解當(dāng)前面臨的能源緊缺和環(huán)境污染問題。作為新型能源，風(fēng)能和太陽能可以解決供電問題，并完善供電系統(tǒng)，對各行各業(yè)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著積極的作用?；诖?，文章就風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)展開研究，希望能夠?yàn)轱L(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng);應(yīng)用;優(yōu)化設(shè)計(jì)

【中圖分類號】TM61 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）10-0060-03

能源在人們的日常生活生活中占據(jù)了重要地位，其為社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了保障作用。人類社會在發(fā)展過程中，作為重要的能源體系，石油、煤炭及天然氣是主要能源構(gòu)成，其在應(yīng)用過程中不僅會加劇能源緊缺狀況，也會產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生破壞。近年來，世界各國開始重視能源應(yīng)用問題，加大力度開發(fā)清潔、可再生能源，在滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的同時(shí)解決環(huán)境問題。因此，提出了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，通過推廣和應(yīng)用該系統(tǒng)，充分利用風(fēng)能和太陽能，構(gòu)成新型能源發(fā)電系統(tǒng)，為人們的生產(chǎn)生活提供充足的電力。

1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)概述

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)通過應(yīng)用風(fēng)能和太陽能，并與多種能源發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，在智能控制技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)發(fā)電，為可再生能源發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由風(fēng)力和太陽能發(fā)電組件構(gòu)成，其中蓄電池能存儲電能，通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，為用戶提供電力[1]。該系統(tǒng)能夠使風(fēng)電和光電之間形成互補(bǔ)，可以根據(jù)用戶用電和資源實(shí)際情況分配系統(tǒng)容量，保證持續(xù)供電，減少能源浪費(fèi)。該系統(tǒng)分為兩個(gè)發(fā)電單元，其費(fèi)用與區(qū)域風(fēng)能和太陽能實(shí)際資源有關(guān)，同時(shí)這兩種資源的互補(bǔ)情況也會影響其利用情況，該系統(tǒng)會根據(jù)季節(jié)、晝夜變化等太陽能和風(fēng)能的實(shí)際變化情況來分配能源，并利用自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)充放電和發(fā)電。

2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 航標(biāo)

我國很多地區(qū)都有應(yīng)用太陽能航標(biāo)，根據(jù)天氣狀況運(yùn)行的，若天氣不好，就無法滿足太陽能發(fā)電要求，這就需要風(fēng)力發(fā)電作為補(bǔ)充。一般情況下，春夏兩季氣溫高，太陽輻射強(qiáng)，太陽能資源比較豐富，能夠滿足太陽能發(fā)電配置需求，這時(shí)就不需要啟動(dòng)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)，但是在冬季或雨雪天氣時(shí)，溫度低，太陽輻射量少，太陽能資源相對較少，太陽能發(fā)電無法滿足供電要求，這時(shí)就需要啟動(dòng)該系統(tǒng)，采用風(fēng)能發(fā)電[2]。

2.2 建筑行業(yè)

隨著社會的發(fā)展，建筑行業(yè)不僅要滿足建筑要求，同時(shí)要滿足節(jié)能環(huán)保要求。對此，需要全面應(yīng)用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，安裝太陽能集熱管和風(fēng)力發(fā)電機(jī)，同時(shí)在應(yīng)用該系統(tǒng)時(shí)，建筑也需要滿足光伏一體化要求，同時(shí)具備屋頂風(fēng)力發(fā)電機(jī)、風(fēng)光互補(bǔ)鍋爐等建筑設(shè)施。

2.3 發(fā)電

一方面，該系統(tǒng)可以在無電農(nóng)村應(yīng)用。我國區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平有所差異，經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，有些農(nóng)村地區(qū)缺少基本的生產(chǎn)生活電能，例如青藏高原等地區(qū)，這類地區(qū)的風(fēng)能和太陽能資源比較豐富，可以通過風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)為其提供充足的電能。為滿足農(nóng)村用電需求，需要加大力度構(gòu)建可再生能源供電系統(tǒng)，通過風(fēng)光互補(bǔ)滿足農(nóng)村生產(chǎn)生活用電，推動(dòng)農(nóng)村發(fā)展。另一方面，該系統(tǒng)也能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，應(yīng)用光伏產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)發(fā)電，例如在高原、沙漠地帶安裝光伏產(chǎn)品，開發(fā)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)來建設(shè)電網(wǎng)。

2.4 日用品

該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在日用品中，例如路燈、充電電源、供暖等產(chǎn)品。城市路燈應(yīng)用該系統(tǒng)十分節(jié)能，盡管前期投資較大，但是減少了施工工程量且不會消耗電能，經(jīng)濟(jì)性整體比較好。城市道路和景觀照明都可以應(yīng)用該系統(tǒng)，其發(fā)展趨勢比較可觀。

2.5 沙漠治理

我國經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步發(fā)展，為有效治理沙漠，我國投入了大量的人力、物力，在開通沙漠公路后，區(qū)域居民生活水平有所提升，自然環(huán)境也有所改善。在治理過程中，需要大量的水資源和電能資源，對此，需要應(yīng)用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)及相關(guān)的設(shè)施，為沙漠治理提供所需的資源。

3 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

風(fēng)光發(fā)電呈現(xiàn)時(shí)間互補(bǔ)特征，夜晚風(fēng)速大于白天風(fēng)速，其輸出風(fēng)能比較高，而白天太陽能資源豐富，光伏發(fā)電效果好，彼此在能源上有互補(bǔ)性，可以共同使用一部分控制器件和蓄能設(shè)備，因此將兩者結(jié)合起來能夠形成優(yōu)勢性的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，可以將風(fēng)能和太陽能綜合利用起來，應(yīng)用前景比較好[3]。風(fēng)光發(fā)電互補(bǔ)系統(tǒng)如圖1所示，光伏列陣、風(fēng)機(jī)發(fā)電，將電能存儲到蓄電池組中，用戶用電時(shí)只需要利用逆變器就能夠?qū)⒅绷麟娹D(zhuǎn)化為交流電，實(shí)現(xiàn)電能傳輸。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，其需要對風(fēng)機(jī)、光伏組件、蓄電池的數(shù)量及光伏列陣安裝傾角這4個(gè)變量進(jìn)行優(yōu)化。

該系統(tǒng)的目的在于用最小成本達(dá)到最優(yōu)發(fā)電，系統(tǒng)成本包括初始安裝和后期維護(hù)兩個(gè)部分[4]。系統(tǒng)的運(yùn)維成本關(guān)系著負(fù)載系統(tǒng)的負(fù)載大小及其總?cè)萘?，?fù)載大小固定時(shí)，容量大，運(yùn)維成本就會上升。儲能器件更換與風(fēng)機(jī)保養(yǎng)是主要成本，該部分發(fā)電成本不會對優(yōu)化設(shè)計(jì)產(chǎn)生較大影響，只需要考慮初次安裝成本即可。安裝優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，得到目標(biāo)函數(shù)如下：

Cw、Cpv、Cb分別為風(fēng)機(jī)、光伏組件和蓄電池組單價(jià)（元）。

該系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)要符合負(fù)荷需求，系統(tǒng)在滿足負(fù)載的基礎(chǔ)上，在一定時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行，進(jìn)而達(dá)到最低成本目標(biāo)。假定評估期為1年，間隔時(shí)間以天為單位，風(fēng)光組建發(fā)電量：

Vw為風(fēng)速，Pw是風(fēng)機(jī)功率特性參數(shù);水平輻射量為H，維度角為λ，光伏列陣傾角為s，天數(shù)為n，日照時(shí)數(shù)為S，溫度為T，Npv為組件配置數(shù)量，Ppv為光伏組件功率特性參數(shù)。

蓄電池組日初始容量計(jì)算公式：

Eb是儲能元件剩余電量，Ebm是最大可用電量，El是負(fù)載耗電量，Eov是盈余電量。

若是不考慮外界因素對蓄電池組的影響，同時(shí)假定其充放電效率是1，最大放電深度是最大蓄電量一半，這是為延長電池壽命。假定蓄電池組初始電量：

Ebat是儲能元件額定電量。

在計(jì)算時(shí)，若是負(fù)載去電，盈余電量就為負(fù)值，缺電次數(shù)則加1。在評估期內(nèi)，負(fù)載缺電次數(shù)之和與365相除，則得到缺電率，則該設(shè)計(jì)的約束條件就可以用下式表示：

LPSP-LPSPset≤0，LPSP為負(fù)載缺電率，LPSPset為負(fù)載缺點(diǎn)率閾值。

0°≤s≤λ+30°，s為光伏列陣固定傾角。

3.3 結(jié)果分析

通過對區(qū)域氣象站所記錄的日平均風(fēng)量和太陽能量的統(tǒng)計(jì)，在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，以每戶每日負(fù)載耗電量為5 kW·h，分別計(jì)算2戶和10戶的用電量。風(fēng)力發(fā)電機(jī)選擇額定功率為1 kW，單價(jià)在3 000元，光伏電池組件為單晶硅組件，峰值在50 W，單價(jià)在320元，儲能元件則是膠體免維護(hù)的蓄電池組件，容量在13 V，單價(jià)為1 100元。通過遺傳算法建立風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)模型，在進(jìn)行迭代計(jì)算時(shí)，該算法利用懲罰函數(shù)對模型中的非線性和整數(shù)約束進(jìn)行處理，得到歷史群體最優(yōu)和平均的函數(shù)值變化。每代個(gè)體數(shù)量是20，限定的最大遺傳代數(shù)為100，在通過60代的優(yōu)化計(jì)算選擇后可以成本收斂，進(jìn)而得到最優(yōu)結(jié)果。

在假設(shè)兩種負(fù)載基礎(chǔ)上，這2戶和10戶兩種用戶的日用電量統(tǒng)一，得到的結(jié)果見表1。

3.4 系統(tǒng)運(yùn)行分析

在能量輸出模型中帶入小負(fù)載結(jié)果，通過仿真可以得到風(fēng)力和光伏兩種發(fā)電量。在能量輸出模型中帶入大負(fù)載結(jié)果，通過仿真得到風(fēng)力和光伏兩種發(fā)電方式的發(fā)電量。

通過對市場調(diào)研得到，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中零部件選取的都具有經(jīng)濟(jì)性及實(shí)用性，在通過計(jì)算后可以獲得安裝成本（見表2），同時(shí)根據(jù)市場對后續(xù)的維護(hù)成本進(jìn)行了估算，最終得到總成本是初始成本和維護(hù)成本相加之和，供電成本是總成本和設(shè)備使用期間內(nèi)的用電總量相除所得結(jié)果。計(jì)算結(jié)果可以表示該系統(tǒng)供電成本相較于網(wǎng)電而言要高，且存在明顯的季節(jié)差異，為保證供電穩(wěn)定性，供電成本也會隨之升高[5]。在對比不同負(fù)載容量，與大負(fù)載配置要求相符的供電成本呈現(xiàn)下降趨勢，但是這與器件選擇也有關(guān)系，總之，供電成本是存在偏差現(xiàn)象的。

4 結(jié)語

本文通過闡述風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，首先了解該系統(tǒng)的主要內(nèi)容及特征，其次對其在航標(biāo)、建筑行業(yè)、發(fā)電、日用品、沙漠治理等方面的應(yīng)用進(jìn)行了分析，最后對其優(yōu)化設(shè)計(jì)展開深入研究，建立了優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，將負(fù)載缺電率作為約束條件，并進(jìn)行計(jì)算，建立電量輸出模型，求解模型，得到大小負(fù)載條件下，系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，之后進(jìn)行仿真分析計(jì)算，得到最終的供電成本，對其進(jìn)行比較。通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)力和光伏發(fā)電量本身的穩(wěn)定性不高，其發(fā)電量遠(yuǎn)超過了負(fù)載，且存在輸出盈余，也出現(xiàn)負(fù)載缺電現(xiàn)象。在對風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)，這種發(fā)電形式仍然需要與其他供電模式結(jié)合，在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性計(jì)算后得到，該發(fā)電系統(tǒng)成本相較于電網(wǎng)要高。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]楊輝，王麗萍，薛森賢，等.PLC在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用——光伏發(fā)電系統(tǒng)[J].能源研究與管理，2019（3）.

[2]齊志.基于貝塞爾函數(shù)和斐波那契數(shù)列的分布式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)[J].中國新通信，2018，20（3）.

[3]袁延華，馬琳，孫洪芹.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)在農(nóng)村生活污水處理中的應(yīng)用[J].中國資源綜合利用，2019（2）.

[4]胡瀅，臧大進(jìn)，張勇，等.基于知識融合PSO的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化[J].控制工程，2019（5）.

[5]錢為，徐政，陳銳堅(jiān).風(fēng)光互補(bǔ)提水系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].太陽能學(xué)報(bào)，2019（9）.