基于典型工作任務(wù)下的風(fēng)光互補(bǔ)實(shí)訓(xùn)設(shè)備改造與實(shí)施

張曉棟?烏云高娃

摘要：本課題主要研究如何設(shè)計(jì)改造和利用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行實(shí)體教學(xué)。由于現(xiàn)有風(fēng)光互補(bǔ)實(shí)訓(xùn)室設(shè)備多偏重于智能控制理論難度較高，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容缺少真正在牧區(qū)那種實(shí)用型簡(jiǎn)易的風(fēng)光互補(bǔ)設(shè)備;在實(shí)訓(xùn)課中可以極大的培養(yǎng)鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，可以做到直接服務(wù)于客戶，對(duì)于小型家用的風(fēng)光互補(bǔ)設(shè)備的推廣有著極大的推動(dòng)效果。

關(guān)鍵詞：風(fēng)光互補(bǔ);培訓(xùn);實(shí)體教學(xué)

中圖分類號(hào)：G4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)研究背景與意義

（一）資源利用的合理性

我國(guó)是世界上風(fēng)能資源較為豐富的國(guó)家之一，主要分布在兩大風(fēng)能地帶，內(nèi)蒙古、甘肅、新疆等北部和東南沿海及附近島嶼。2017年全球累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量排名中，中國(guó)仍位居全球第一，裝機(jī)容量188392MW，累計(jì)市場(chǎng)份額35%。2017年中國(guó)風(fēng)電增速放緩，根據(jù)初步統(tǒng)計(jì)中國(guó)實(shí)現(xiàn)19.5GW裝機(jī)，而中國(guó)的減速被其他市場(chǎng)的增長(zhǎng)彌補(bǔ)。全球市場(chǎng)2017年新增裝機(jī)52573MW，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到539581MW。

特別是內(nèi)蒙古錫林郭勒盟風(fēng)資源豐富，總蘊(yùn)藏量高達(dá)5億KW以上，占全自治區(qū)總量約50%，占全國(guó)總量的約20%，可開發(fā)利用量超過(guò)5千KW，風(fēng)能的品質(zhì)好，從而成就了錫林郭勒盟風(fēng)電利用的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

就內(nèi)蒙古錫林郭勒盟錫林浩特市而言，地處西風(fēng)帶，受蒙古高氣壓和季風(fēng)的影響，形成了風(fēng)大、風(fēng)多、風(fēng)向穩(wěn)定的氣候特征，尤其春、秋兩季，極地干冷空氣侵襲頻繁，風(fēng)速大，大風(fēng)日多，近3年平均風(fēng)速約為3.6m/s。風(fēng)能利用的有效風(fēng)速為3～20m/s，屬較豐富地區(qū)。

太陽(yáng)能是地球上一切能源之來(lái)源。而我國(guó)處于北半球歐亞大陸的東部，地域遼闊，有著豐富的太陽(yáng)能資源，但由于地理位置不同，太陽(yáng)能的分布也有很大的區(qū)別，主要集中在青海、西藏、新疆、甘肅、寧夏和內(nèi)蒙古等地區(qū)。特別是在內(nèi)蒙古錫林郭勒盟太陽(yáng)輻射年總量在515～615J/cm2，屬太陽(yáng)能豐富地區(qū)。

農(nóng)牧民在其家中即可利用太陽(yáng)能發(fā)電，以滿足生活所需。同樣以內(nèi)蒙古錫林郭勒盟錫林浩特地區(qū)為例，陽(yáng)光充足，累年平均太陽(yáng)輻射總量約為541.3kJ/cm2≥10℃有效積溫2500℃左右，太陽(yáng)能資源比較豐富。錫林浩特地區(qū)近3年累年平均日照時(shí)數(shù)約2940.8h，累年平均日照百分率為66.5%，可見在該地區(qū)也比較適合建立光伏發(fā)電系統(tǒng)。風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)、并網(wǎng)發(fā)電、風(fēng)電設(shè)備制造等領(lǐng)域成為熱點(diǎn)，對(duì)于風(fēng)電人才的需求也快速增加，

隨著風(fēng)電技術(shù)專業(yè)逐漸成熟，社會(huì)對(duì)專業(yè)人才的需求也在逐年遞增。本著主動(dòng)適應(yīng)區(qū)域、行業(yè)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需要，為了實(shí)現(xiàn)提高教學(xué)質(zhì)量，切實(shí)改善實(shí)訓(xùn)條件，培養(yǎng)“雙師型”教師隊(duì)伍，使實(shí)訓(xùn)條件和實(shí)訓(xùn)設(shè)施的質(zhì)量和數(shù)量以及師資水平充分滿足教學(xué)要求，逐步形成實(shí)訓(xùn)內(nèi)容與實(shí)際生產(chǎn)零距離貼近的實(shí)訓(xùn)模式，保證學(xué)生獲得足夠時(shí)間的、高質(zhì)量的實(shí)際動(dòng)手能力訓(xùn)練。

（二）緊密聯(lián)系本地氣候特點(diǎn)

小型家庭實(shí)用型風(fēng)光互補(bǔ)設(shè)備的拆裝實(shí)體教學(xué)設(shè)備在內(nèi)蒙古高職院校一直是一個(gè)空缺，我們把經(jīng)過(guò)改造的牧區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)的設(shè)備不僅可以充實(shí)風(fēng)電專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備，也可為相關(guān)企業(yè)員工或者農(nóng)牧區(qū)專業(yè)水平不是很高卻動(dòng)手能力較強(qiáng)的急需學(xué)習(xí)風(fēng)光互補(bǔ)安裝運(yùn)行與調(diào)試的技能的人員，提供培訓(xùn)條件。使他們經(jīng)過(guò)培訓(xùn)完全可以勝任農(nóng)牧區(qū)一些小型風(fēng)光設(shè)備的安裝與維護(hù)，并可以直接上崗，完成就業(yè)。

通過(guò)舊物利用和改造淘汰設(shè)備來(lái)開發(fā)新的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目供高職院校學(xué)生學(xué)習(xí)與操作。我們擬將牧區(qū)收購(gòu)回來(lái)的小型風(fēng)光互補(bǔ)設(shè)備重新進(jìn)行組裝，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)，可用于改善風(fēng)電專業(yè)學(xué)生的實(shí)訓(xùn)條件，提高教學(xué)質(zhì)量，還可以為農(nóng)牧民進(jìn)行就業(yè)培訓(xùn)，也可以為與我們內(nèi)蒙古的鄰居蒙古國(guó)人士進(jìn)行培訓(xùn)。

二、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)階段研究狀況

1981年，丹麥的N.E.Busch和Kpllenbach 提出了太陽(yáng)能和風(fēng)能混合利用的技術(shù)問題。最初的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)只是將風(fēng)力機(jī)和光伏組件進(jìn)行簡(jiǎn)單的組合。隨后美國(guó)的C.IAspliden研究了太陽(yáng)能一風(fēng)能混合轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的氣象問題;前蘇聯(lián)的N.Aksar ni等人根據(jù)概率原理， 統(tǒng)計(jì)出近似的太陽(yáng)能一風(fēng)能潛力的估計(jì)值，為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的研究和利用提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)支持;1982年，我國(guó)的余華揚(yáng)等提出了太陽(yáng)能一風(fēng)能發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換裝置，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的研究從此進(jìn)入實(shí)際利用階段。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的研究主要集中在系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和合理配置方面。在國(guó)內(nèi)，香港理工大學(xué)同中科院廣州能源所、半導(dǎo)體研究所合作提出了一整套利用CAD進(jìn)行風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，該方法采用了更精確地表征組件特性及評(píng)估實(shí)際獲得的風(fēng)光資源的數(shù)學(xué)模型，找出以最小設(shè)備投資成本滿足用戶用電要求的系統(tǒng)配置。

華南理工大學(xué)設(shè)計(jì)了新型無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)，并通過(guò)權(quán)值調(diào)節(jié)方式實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能逆變器最優(yōu)功率傳輸。研究人員還對(duì)我國(guó)已有風(fēng)光互補(bǔ)電站進(jìn)行了研究分析，上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟蘇尼特右旗牧區(qū)戶用型可再生能源發(fā)電系統(tǒng)（獨(dú)立風(fēng)能、獨(dú)立太陽(yáng)能和風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的統(tǒng)稱）的使用情況、牧民經(jīng)濟(jì)條件進(jìn)行調(diào)查，分析了推廣戶用型可再生能源發(fā)電系統(tǒng)過(guò)程中所存在的問題及原因，指出系統(tǒng)仍需進(jìn)一步優(yōu)化配置來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)的使用可靠性。

以上的研究項(xiàng)目大部分都趨向于提高風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的發(fā)電效率，而對(duì)于簡(jiǎn)單化、模塊化的研究項(xiàng)目較少。

三、地域特色的研究

通過(guò)對(duì)牧區(qū)淘汰的三套小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)與重組，用于以充實(shí)風(fēng)電專業(yè)教學(xué)中實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，開發(fā)新的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目?？梢詫?duì)風(fēng)電專業(yè)的教學(xué)、培訓(xùn)、科研和服務(wù)等有巨大的推動(dòng)作用。

主要探討以下問題：

第一，改造后的設(shè)備如何補(bǔ)充現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目不足之處?，F(xiàn)有實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目不足以滿足直接對(duì)崗的工作內(nèi)容，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后可以補(bǔ)充安裝與維護(hù)方面直接對(duì)崗的教學(xué)內(nèi)容。

第二，改進(jìn)過(guò)程如何實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的兼容問題。目前三套設(shè)備老化程度、電壓等級(jí)、功率大小等均不同。需要經(jīng)過(guò)合理匹配和詳細(xì)計(jì)算實(shí)現(xiàn)重新組合利用。

第三，改進(jìn)后的設(shè)備如何開發(fā)針對(duì)性的新的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容。所有設(shè)備組裝運(yùn)行通過(guò)后，需要討論和研究符合設(shè)備和崗位對(duì)接的針對(duì)性的新的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

（一）目標(biāo)：

（1）完善風(fēng)電專業(yè)“教、學(xué)、做一體化”的教學(xué)及實(shí)訓(xùn)功能。

（2）學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力的培養(yǎng)功能。形成實(shí)訓(xùn)內(nèi)容與實(shí)際生產(chǎn)零距離貼近的實(shí)訓(xùn)模式，保證學(xué)生獲得足夠時(shí)間的、高質(zhì)量的實(shí)際動(dòng)手能力訓(xùn)練。

（3）本著主動(dòng)適應(yīng)區(qū)域、行業(yè)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需要，可為行業(yè)及區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供人才培養(yǎng)服務(wù)。

（二）重點(diǎn)、難點(diǎn)及創(chuàng)新之處

研究重點(diǎn)在于選址與風(fēng)光互補(bǔ)設(shè)備的施工建設(shè)，運(yùn)行設(shè)備需要戶外的太陽(yáng)能與風(fēng)能，選址對(duì)于能源利用率有著很大的關(guān)系。施工質(zhì)量關(guān)系著以后實(shí)訓(xùn)和培訓(xùn)過(guò)程的人身安全問題，所以施工過(guò)程尤為重要。

研究難點(diǎn)在于整合后的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)兼容問題。三套不同型號(hào)，不同功率，不同生產(chǎn)廠家機(jī)型進(jìn)行兼容與匯流和輸出的設(shè)計(jì)。

創(chuàng)新之處在于淘汰舊物的重新利用，變廢為寶用于風(fēng)光互補(bǔ)理論課程及實(shí)訓(xùn)課程進(jìn)行實(shí)體教學(xué)。實(shí)訓(xùn)過(guò)程中可以極大的鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，對(duì)于小型實(shí)用的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)相關(guān)崗位鍛煉有實(shí)際意義。

四、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的實(shí)際應(yīng)用

在我國(guó)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電場(chǎng)比較少，主要集中在青藏高原、內(nèi)蒙古自治區(qū)等偏遠(yuǎn)地區(qū)，采用獨(dú)立式發(fā)電。

在城市中，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用主要是在城市路燈的使用上。盡管風(fēng)光互補(bǔ)路燈初投資較高，但是不需要輸電線路和開挖路面做埋管工程，不消耗電能，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，該系統(tǒng)有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，風(fēng)光互補(bǔ)照明技術(shù)在城市道路和景觀照明項(xiàng)目上呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展勢(shì)頭，國(guó)務(wù)院公布的21世紀(jì)發(fā)展計(jì)劃中明確了發(fā)展太陽(yáng)能和風(fēng)能的戰(zhàn)略，從決策上也指明了方向。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)還可以用在高速公路上的路燈、報(bào)警電話或信號(hào)和道路標(biāo)志上;博覽會(huì)場(chǎng)和活動(dòng)會(huì)場(chǎng)的場(chǎng)外照明或景觀點(diǎn)綴;海上的輔助電源，比如海上導(dǎo)航系統(tǒng)，既節(jié)省電網(wǎng)建設(shè)成本，又降低能源損耗;或是在災(zāi)難時(shí)作通信用、避難緊急指示燈的輔助電源，以及需要經(jīng)常移動(dòng)的野外作業(yè)的正作站等。

在用電負(fù)荷比較小、用電可靠性要求不高的遠(yuǎn)離電網(wǎng)的農(nóng)村牧區(qū)以及海島，一般來(lái)說(shuō)，采用電網(wǎng)供電不太現(xiàn)實(shí)，從整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)看也是一種浪費(fèi)。建立小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電獨(dú)立電源系統(tǒng)就可以解決一般的照明、家電產(chǎn)品或者提水等生活和生產(chǎn)用電。

在我國(guó)，離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)被廣泛地運(yùn)用于通信系統(tǒng)的中繼站。在西北廣表的土地上，通信系統(tǒng)的中繼站的電源問題在過(guò)去一直存在著維護(hù)難和可靠性低的問題。小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電獨(dú)立電源系統(tǒng)技術(shù)的日益成熟從根本上解決了這一問題，使得通信系統(tǒng)中繼站的無(wú)人值守和免維護(hù)成為可能，不但降低了運(yùn)行成本，而且提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

在內(nèi)蒙古錫林郭勒盟由于草原面積廣闊，架線輸電的成本很高，所以風(fēng)光互補(bǔ)設(shè)備的應(yīng)用非常廣泛，也隨著風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)的日趨完善，其應(yīng)用范圍也在不斷地?cái)U(kuò)大。

五、建議

建議當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的研究大多集中于互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的靜態(tài)體系結(jié)構(gòu)的研究、蓄能設(shè)備的配置及控制、系統(tǒng)仿真等。為了促進(jìn)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，使其成為一種具有競(jìng)爭(zhēng)力平民化的清潔電源，讓大部分普通人像玩智能手機(jī)一樣快速組裝維修風(fēng)光互補(bǔ)設(shè)備，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)風(fēng)光互補(bǔ)設(shè)備的簡(jiǎn)單明了化、集成化、通用化、地域化等特點(diǎn)的研究。

參考文獻(xiàn)

[1]電力行業(yè)職業(yè)技能鑒定指導(dǎo)中心.風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行檢修員.北京：中國(guó)電力出版社，2006（04）：132-152

[2]風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù).北京：中國(guó)水利水電出版社，2010（11）：59-62

[3]風(fēng)力發(fā)電機(jī)組原理與應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009（4）：9-12

[4]風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝、運(yùn)行與維護(hù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010（7）;99-101