小型風光互補發(fā)電集成模塊研究

摘" 要：隨著全球?qū)稍偕茉葱枨蟮牟粩嘣鲩L，小型風光互補發(fā)電集成模塊作為一種新型的分布式發(fā)電技術(shù)，因其清潔、高效、模塊化的特點，受到廣泛關注。該文針對風光互補發(fā)電系統(tǒng)中的小型化和高集成應用需求，圍繞系統(tǒng)集成、智能控制、場地適應、能量存儲和成本控制等問題開展研究設計，提出一種創(chuàng)新的小型風光互補發(fā)電集成模塊設計方案，將光伏發(fā)電和風力發(fā)電整合優(yōu)化，加入PLC、電磁閥和傳感器等控制器件，增強系統(tǒng)在不同工況下的的智能化控制水平，旨在提高系統(tǒng)的發(fā)電效率和可靠性，降低成本，促進其在可再生能源領域的廣泛應用。

關鍵詞：風光互補發(fā)電；集成模塊；智能控制；分布式發(fā)電；發(fā)電效率

中圖分類號：TM61" " " 文獻標志碼：A" " " " " "文章編號：2095-2945（2024）35-0１５５-0４

Abstract： With the increasing global demand for renewable energy， small wind-solar hybrid power generation integrated modules， as a new type of distributed power generation technology， have attracted widespread attention due to their clean， efficient and modular characteristics. Aiming at the miniaturization and highly integrated application needs in wind-solar hybrid power generation systems， this paper carries out research and design around issues such as system integration， intelligent control， site adaptation， energy storage and cost control， and proposes an innovative small-scale wind-solar hybrid power generation integrated module design plan， integrating and optimizing photovoltaic power generation and wind power generation， adding control devices such as PLCs， solenoid valves and sensors， and enhancing the intelligent control level of the system under different working conditions. It aims to improve the power generation efficiency and reliability of the system， reduce costs， and promote its widespread application in the field of renewable energy.

Keywords： wind-solar hybrid power generation; integrated module; intelligent control; distributed power generation; power generation efficiency

隨著我國能源需求的不斷增長和環(huán)境問題的日益嚴峻，開發(fā)利用可再生能源成為解決能源危機和減少環(huán)境污染的有效途徑。近年來，風光互補發(fā)電系統(tǒng)得到了快速發(fā)展，在政策扶持和市場需求的推動下，越來越多的企業(yè)和研究機構(gòu)投入到風光互補發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)和應用中。截至2023年底，中國的風電、光伏累計裝機量達到10.5億千瓦，占全球新能源總裝機量的四成。中國在風光互補發(fā)電領域取得了顯著進展，風電和太陽能發(fā)電裝機容量的快速增長體現(xiàn)了中國在推動能源轉(zhuǎn)型和實現(xiàn)碳達峰碳中和目標方面的堅定決心。小型風光互補發(fā)電集成模塊作為一種新型的分布式發(fā)電技術(shù)，通過集成風能和太陽能，能夠?qū)崿F(xiàn)能源的多樣化供應和優(yōu)化配置，為生活生產(chǎn)提供更加穩(wěn)定和持續(xù)的電力供應，尤其適用于電網(wǎng)覆蓋不到的偏遠地區(qū)或?qū)﹄娏€(wěn)定性有特殊要求的場合。

本項目研究旨在針對風光互補發(fā)電系統(tǒng)中的小型化和高集成應用需求，解決現(xiàn)有系統(tǒng)中的多能集成、智能控制、場地適應、能量存儲和制作成本等問題。風能和太陽能都是間歇性能源，受天氣、時間和環(huán)境影響較大，需要有效的儲能解決方案來平衡供需，多能源的整合更需要高效的控制系統(tǒng)，以確保高效發(fā)電和優(yōu)化運行，這在技術(shù)上仍然是一個挑戰(zhàn)。

1" 研究現(xiàn)狀分析

國內(nèi)外風光互補發(fā)電系統(tǒng)研究和應用取得了顯著進展，但仍存在一些問題。首先，風光互補系統(tǒng)研究主要集中在運行策略和應用方式，缺乏對風光雙發(fā)電系統(tǒng)集成化和小型化的研究成果，沒有擴展系統(tǒng)應用場景和提高便攜性；其次，風光互補發(fā)電系統(tǒng)的制造、部署和運維成本較高，限制了其在分布式領域和特種環(huán)境下的大規(guī)模應用；再次，在部署空間面積受限的條件下，系統(tǒng)供能的平穩(wěn)性和持續(xù)性問題沒有很好解決。

在新能源實際工程建設實施中，當前主流風力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)相對獨立，且相互擠占部署空間，對于單位面積的能源利用效率較低。另外風電站和光伏電站設備體積較大，安裝運輸皆不方便，例如大型風機在山區(qū)條件下運輸、安裝極不方便，甚至對當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)造成一定影響。小型風光互補發(fā)電集成模塊相對傳統(tǒng)風光互補系統(tǒng)有著靈活性強、適應性廣、發(fā)電效率高、安裝維護便捷和控制策略智能等特點。對于緩解能源危機、保護環(huán)境、推動經(jīng)濟發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

2" 集成模塊總體設計

2.1" 設計思路

項目設計綜合考慮風光資源特點、系統(tǒng)需求、架構(gòu)設計、關鍵部件選型和系統(tǒng)集成調(diào)試等方面?？傮w來說設計主要圍繞解決4個方面的問題開展。第一，多系統(tǒng)整合匹配問題，確定風力發(fā)電機和光伏組件的最佳配比，以確保在不同天氣條件下系統(tǒng)都能高效、穩(wěn)定運行，合理設計結(jié)構(gòu)實現(xiàn)風力和光伏的高效集成，減少集成模塊體積，提高單位面積發(fā)電功率。第二，系統(tǒng)控制策略問題，設計有效的控制策略，以實現(xiàn)在不同工況條件下對風力發(fā)電和光伏發(fā)電的優(yōu)先選擇或聯(lián)合發(fā)電，提升集成模塊在強光條件下逐日和強風條件下逐風的雙逐智能控制策略，增強系統(tǒng)環(huán)境自適應性，從而確保雙電源的輸出穩(wěn)定。第三，微型風機集群化應用問題，現(xiàn)有研究中鮮有微型風機的集群化應用案例，所以還需解決微型風機的啟動風速、額定風速等性能參數(shù)的選型匹配問題，以適應不同風速條件下的運行需求。設計合理的風機布局和間距，以降低尾流效應的影響，提高集群的整體發(fā)電效率。第四，應用部署問題，部署方式要求靈活多變，可根據(jù)實地情況采用單模塊安裝或者集群式部署，模塊化結(jié)構(gòu)使得技術(shù)更新和維護更加便捷，也擴展了裝置的適用范圍。

2.2" 主要結(jié)構(gòu)及原理

小型風光互補發(fā)電集成模塊可以替代風光互補系統(tǒng)中的傳統(tǒng)風力和光伏發(fā)電單元，按照功能分為發(fā)電部分和控制部分，其原理圖如圖1所示，其中的儲能單元可根據(jù)需求情況增減，在并網(wǎng)系統(tǒng)中也可不采用。集成模塊結(jié)構(gòu)主要包含三大單元，風力發(fā)電單元：包括微型垂直風力發(fā)電機集群、控制器等，用于將風能轉(zhuǎn)換為電能。太陽能光伏單元：由雙面光伏組件、活動支架、鏡面反光底板、逆變器等組成，用于將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，其中鏡面反光底板能夠較好地反射太陽光給雙面光伏組件的背面，提高發(fā)電效率。智能控制單元：由PLC、接近開關、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、風速風向傳感器及光線傳感器等構(gòu)成，負責整個系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控、姿態(tài)調(diào)整、數(shù)據(jù)采集和發(fā)電控制等作用。工作原理基于PLC采集風速風向傳感器和光線傳感器數(shù)據(jù)，判斷光伏發(fā)電和風力發(fā)電優(yōu)先級。通過控制電磁閥驅(qū)動迷你氣缸推動光伏板，實現(xiàn)光伏板擺動逐日來達到在白天強光條件下，提高光伏發(fā)電效率；在夜晚弱光條件下，增加進風口面積，提升微型風機集群發(fā)電效率的多功能新能源發(fā)電智能控制模塊。

系統(tǒng)集合了風光儲多種能源于一體，目前設計了2種電氣控制結(jié)構(gòu)。第一種是固定型，根據(jù)建筑物所在地計算出光伏板偏轉(zhuǎn)最佳傾斜角，采用固定支架連接，優(yōu)先光伏發(fā)電，但不能實現(xiàn)不同工況條件下的智能控制，單模塊制作成本較低。第二種是智能控制型，集成模塊加入PLC、電磁閥、接近開關和迷你氣缸等設備，PLC控制器通過RS485通信方式與風速風向傳感器和光線傳感器相連接，定時輪詢讀取風速風向和光照強度信息，為光伏板偏轉(zhuǎn)提供控制依據(jù)，實時調(diào)節(jié)光伏組件偏轉(zhuǎn)角度以達到強光條件下光伏發(fā)電優(yōu)先和強風條件下風力發(fā)電優(yōu)先，實現(xiàn)更高效率的能源轉(zhuǎn)換。為提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗風性，采用PLC控制電磁閥和迷你氣缸實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，迷你氣缸直接牽引光伏板，通過氣缸活動控制光伏板角度和姿態(tài)。當電磁閥通電時，氣缸供氣活塞被推動；當電磁閥斷電時，氣缸排氣活塞回到初始位置，起到限位偏轉(zhuǎn)的效果，在達到提高能源轉(zhuǎn)換效率的基礎上，還能保障產(chǎn)品運行的穩(wěn)固性，具體外觀結(jié)構(gòu)及部分尺寸參數(shù)如圖2所示。

小型風光互補發(fā)電集成模塊在城市建設、農(nóng)村電氣化、工業(yè)生產(chǎn)以及其他多個領域都有著廣泛的應用前景和優(yōu)勢。在具體應用方面，該集成模塊可以應用于各類供電發(fā)電場景，例如單個集成模塊可以給公共照明、環(huán)境檢測、戶外應用等功率較小設備供電。也可以以集群陣列方式在小型戶用、工商業(yè)分布式電站和大型集中式電站中廣泛使用，直接取代傳統(tǒng)新能源電站中的光伏組件和風力發(fā)電機。陣列部署應用結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3" 控制系統(tǒng)及控制策略

該集成模塊采用西門子200smart作為核心控制器件，具體CPU型號為SR20，可根據(jù)電站規(guī)模和集成模塊數(shù)量選擇其他型號PLC。具體IO口分配方式，輸入部分包含啟動按鈕、停止按鈕、手自切換旋鈕、多路南接近開關、多路北接近開關、手動南北偏轉(zhuǎn)按鈕等，輸出端口則主要是連接電磁閥或者中間繼電器。風力風速傳感器和光照度傳感器可以通過RS485連接到PLC的485通信接口，也可以通過擴展西門子EM AM03模擬量模塊連接2個傳感器采集模擬量信號，IO口的點位功能分配可按實際功能需求調(diào)整。每塊集成模塊上安裝有南北2個PNP型接近開關，主要目的是檢測上層光伏組件偏轉(zhuǎn)時是否達到預定位置，防止單一集成模塊控制出錯或不到位，所有集成模塊的北接近開關并聯(lián)在一起，通過一個與門CMOS電路判斷所有北接近開關是否已經(jīng)到位，多路南接近開關原理相同。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

控制策略分為手動控制和自動控制，手動控制情況下管理人員直接通過偏轉(zhuǎn)按鈕控制集成模塊集群的狀態(tài)，以達到適合當前環(huán)境條件下的高效發(fā)電。當手自轉(zhuǎn)換開關打到自動狀態(tài)，PLC會每半小時對外部傳感器輪詢風速風向和光照強度閾值信息，以此作為條件判斷該情況下光伏發(fā)電和風力發(fā)電的發(fā)電功率大小，然后檢測上層光伏組件偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，確定是否要調(diào)整偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，如果需要則通過輸出端控制中間繼電器或電磁閥調(diào)整迷你氣缸伸縮狀態(tài)，讓光伏板偏轉(zhuǎn)處于向南偏轉(zhuǎn)、向北偏轉(zhuǎn)、水平狀態(tài)等3種情況，如果其中有任何一個集成模塊沒有偏轉(zhuǎn)到位，與門電路則不能輸出高電平，PLC可以判定控制出現(xiàn)問題需要及時清障。此外自動控制策略還有一種更加簡單的季節(jié)性控制策略，可以大大降低姿態(tài)調(diào)整頻率。例如風向有一定的季節(jié)性，夏季偏南風、冬季偏北風，所以可以設定白天時，全年集成模塊均向南偏轉(zhuǎn)，以光伏發(fā)電為主，到了晚上則在PLC中設定時鐘，冬季向南偏轉(zhuǎn)，張開北向入風口，增加進風量提升風力發(fā)電效率，夏季則正好相反。綜合以上控制策略可以得出，控制策略分為3種，第一種為手動控制，人為參與較多，及時性差發(fā)電效率低；第二種為實時型自動控制，及時性好發(fā)電效率高；第三種為季節(jié)型自動控制優(yōu)缺點介于兩者之間。

4" 前景與特色

在全球新能源市場蓬勃發(fā)展的背景下，小型風光互補發(fā)電集成模塊的概念被創(chuàng)新性地提出，這一舉措豐富了新能源發(fā)電模式的多樣性與靈活性。模塊化設計理念的應用，深刻重塑了系統(tǒng)架構(gòu)，顯著提升了安裝、運維及管理的便捷性，增強了系統(tǒng)的可維護性與可擴展?jié)摿ΑＴ诳刂撇呗陨?，引入太陽能與風向的雙重追蹤機制，并融合合理的控制算法與優(yōu)化策略，實現(xiàn)了對風能與太陽能資源的高效協(xié)同捕獲與最大化利用，進而提升了發(fā)電效率。此外，通過優(yōu)化儲能部件容量配置，系統(tǒng)實現(xiàn)了輕量化與高效化，為偏遠山區(qū)、海島等獨立電網(wǎng)區(qū)域提供了可靠的電力解決方案。該系統(tǒng)展現(xiàn)出高度的配置靈活性與多樣化的組建模式，能夠依據(jù)不同環(huán)境條件與用電需求，定制化設計最優(yōu)系統(tǒng)部署方案。其既可獨立作為微電網(wǎng)為特定負荷供電，亦能無縫接入主電網(wǎng)，為多元化用戶提供電力支撐。在成本效益方面，該系統(tǒng)通過精準匹配當?shù)仫L能與太陽能資源，有效降低了風力發(fā)電機與光伏電池的冗余配置，顯著減少了系統(tǒng)投資成本，提升了性價比。同時，風光互補發(fā)電系統(tǒng)共享配電設施與管理資源，不僅縮減了工程總體造價，還通過提高管理效率與人力資源利用率，實現(xiàn)了運維成本的進一步降低。

5" 結(jié)論

在當前全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型與可持續(xù)發(fā)展的背景下，小型風光互補發(fā)電集成模塊作為一種創(chuàng)新的可再生能源技術(shù)，展現(xiàn)出了巨大的應用潛力與市場前景。該技術(shù)通過整合風力與太陽能發(fā)電系統(tǒng)，優(yōu)化了能源的互補性與協(xié)同效應，顯著提升了分布式發(fā)電系統(tǒng)的效率與可靠性。該集成模塊通過其模塊化設計，有效克服了傳統(tǒng)風光互補設備的環(huán)境和空間限制，實現(xiàn)了能源的高效轉(zhuǎn)換與優(yōu)化配置。該技術(shù)的應用范圍廣泛，不僅適用于家庭和商業(yè)建筑的電力供應，也適用于偏遠地區(qū)的電力基礎設施建設、公共照明系統(tǒng)以及通信基站的電力保障。因此，在國家對可再生能源發(fā)展政策的大力支持下，小型風光互補發(fā)電集成模塊的市場空間將進一步擴大。模塊化設計不僅增強了系統(tǒng)的靈活性和可擴展性，還降低了工程成本，提高了項目的經(jīng)濟性，并網(wǎng)發(fā)電能力的增強，進一步促進了可再生能源的普及，加速了能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型與升級，為實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展目標作出了積極貢獻。

綜上所述，小型風光互補發(fā)電集成模塊憑借其市場需求、技術(shù)創(chuàng)新和應用領域拓展的優(yōu)勢，具有廣闊的應用前景和發(fā)展?jié)摿?。未來，隨著技術(shù)的不斷進步和政策的持續(xù)支持，該系統(tǒng)將在可再生能源領域發(fā)揮更加重要的作用。

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