[科普中国]-新能源互补发电系统

简介近年来，随着我国经济社会的快速发展，人们对能源的需求量持续增长，传统化石能源如煤炭、石油、天然气等的燃烧使用，给人们赖以生存的地球生态环境造成了严重的破坏。20世纪初期，英国伦敦“雾都”的形成和当前我国大范围雾霾天气的出现，燃煤等化石能源的大规模利用是主因。因此，人们开始普遍关注对环境有保护作用的相关措施，可再生新能源风能、太阳能的合理开发与应用可减少化石能源的消耗，无论从缓解能源危机，消除环境污染，保护人类生存环境还是从经济社会长期稳定发展来看，这个措施无疑对我国乃至世界有着极其重要的现实意义: 用洁净的可再生新能源替代常规化石能源，不仅是人类的美好愿望，也是能源发展的必然趋势。

21世纪电力的需求日益增长，它已成为人们生活中必不可少的一部分，同时也带动着我国的经济发展。因此，电力的需求会引领我们进入一个可再生能源利用的电气化时代。在1992年“世界环境与发展大会”以后，可再生能能源的合理开发利用问题，受社会可持续发展需求的推动，进一步被提到了人类发展战略的高度，受到了各个国家的高度重视。据报道统计，社会资本投资重点转向可再生能源，139个新兴经济体的社会资本参与投资，2016年，项目总数相对稳定在124个，其中可再生能源的项目占比达59%，仅太阳能项目占到所有能源投资项目的1/3以上( 数据来源: 世界银行的社会资本参与基础设施数据库简报) ，而在当前可利用的可再生新能源中，用于发电的风能、太阳能，具有取之不尽，用之不竭，就地取材，环保，资源丰富等优点，它们已经成为此领域中开发利用水平最高，技术最成熟，应用最广泛，具有商业化发展条件的新型能源。但单独的风力发电、太阳能光伏发电都在资源利用上存在缺陷: 在季节性方面，夏季日照辐射强风力较弱，冬季风力强日照辐射较弱; 在时间性方面，白天有光照辐射，风力较小，晚上无光照辐射，风力较强。因此综合考虑太阳能和风能在季节性、时间性等多方面资源的互补而建立起来的风光互补发电系统是一种经济合理的供电方式。

风光互补发电系统是一种多能互补、经济高效、环保、无污染的能源供电系统，再加以科学的管理和运行控制，可以获得最佳的利用效益，推动我国电力产业的发展，满足人们的日常生活用电需求。从20 世纪80 年代至今，由太阳能光伏发电系统、风力发电系统到将两者结合形成的风光互补发电系统，与之相关方面的研究与应用一直处在不断完善与探索的过程中，理论与实践的结合，使得风光互补发电技术越来越规模化，慢慢地渗透于人们的生活中，同时在电力系统中发挥着不可替代的地位1。

风光互补发电系统的主要构成风光互补发电系统主要由风力发电机组和太阳能发电机组构成，由控制器、逆变器、蓄电池等设备组成。后备柴油机的选用，要根据当地风力、日照资源条件确定，若为了增强系统供电的不间断性可以考虑引入它，但如今在提倡绿色环保、低碳发展的时代，适当的增大风力机、光伏阵列或蓄电池容量，进行容量的优化配比之后完全可以免去柴油机。该系统可以划分成三大部分: 电能产生部分、电能转换控制部分、电能存储与消耗部分。

（1） 电能产生部分的主要构成

电能产生部分主要由风力发电机组和太阳能发电机组构成。风力发电组件主要有风速传感器、风力压缩器和风力发电机构成; 太阳能发电组件主要由太阳能光板和太阳能光板支撑架组成。太阳能电池光板是由最基本的单元串并联组成的，一般有3 种类型: 单晶硅太阳能电池，将光能转化为电能转化效率最高，但成本也最高; 多晶硅太阳能电池，价格便宜，光电转化率也比较高，所以是最常用的一种; 非晶硅太阳能电池，光电转换效率比多晶硅相对差些，但制造工艺简单，加工也相对容易。目前，以晶硅材料为基础的高效电池是基础研究工作的热点课题，如超高效硅太阳能电池转化效率高达42.8%。

（2） 电能转换控制部分的主要构成

由DC/DC变换器，主控制电路等部分构成的风光互补控制器，是发电系统的核心部件，主控制电路通常采用PLC 或单片机等控制芯片，通过控制DC /DC 变换器实现功率转换，同时还可对各种信息、参数进行数据采集、处理，从而实现设备保护、风险预警等功能。

（3） 电能存储与消耗部分的主要构成

这部分主要由蓄电池组、逆变器、直流负载构成。蓄电池组负责电能存储; 交流负载和直流负载主要用于消耗电能。其中蓄电池组是电化学储能中的一种存储电能设备，在国内应用最多，技术较为成熟，容量可以灵活调整，是目前国内研究热点，同时，它在发达国家如日本、美国、欧洲诸国已获得了较多应用。

在风光互补发电系统中，具有代表性，技术比较成熟的蓄电池有三类: 铅酸蓄电池，价格便宜，成本构造低，可靠性好，但受能量密度和使用寿命限制及环境污染影响，逐渐被取代;钠硫蓄电池，能量密度高，效率高，环保，容量大，免维护，寿命长，目前在日本，美国已被应用于削峰调节阶段，但其在温环境中工作具有一定安全隐患，而且生产工艺复杂，成本高，不适合大规模应用; 液流蓄电池( 钒电池) 具有储能容量大、效率高、循环寿命长等优点，广泛应用于新能源领域和电力系统中。

主要相关设备的工作原理（1） 风力发电机组的工作原理

作为风光互补发电系统中风能的吸收和转化设备，主要由风力机和发电机构成。从能量转换角度来看，风轮在风力的作用下进行旋转，将风的动能即风能转变成为风轮轴的机械能; 发电机在风轮轴的带动下的旋转，实现了机械能到电能的转变，获取的电能形式为直流电或交流电，这主要取决使用的是直流风机还是交流风机。

（2） 太阳能发电机组的工作原理

太阳能光伏发电部分是利用太阳能电池板串联合并构成产生的光生伏打效应，而此效应的形成是在半导体NP结基础上可将太阳能直接转换成直流形式的电能。

（3）风光互补控制器的工作原理

风光互补控制器是整个系统中最重要的核心部件之一，它将风力发电机组和太阳能发电机组共同产生的电能进行调节、整合，最终以直流电的形式输出。此时从控制器末端输出的直流电有3个去处: 一是直接供给所需的直流负载; 二是通过逆变器将直流电转换成频率恒定的交流电，然后通过输电线输送到用户负载处; 三是可以将多余的直流形式的电能给蓄电池进行充电。在此过程中主要对以下设备进行控制: 太阳能电池板的最大功率点跟踪控制( MPPT) ，负载跟踪控制，光源跟踪控制;风力发电机的MPPT 控制，负载跟踪控制和运行保护控制; 蓄电池的充、放电控制和运行保护控制。

（4）逆变器及蓄电池的工作原理

逆变器是将风光互补控制器调节后的直流电转变成频率恒定的交流电的一种装置，此外逆变器还具有自动稳压功能，可有效改善风光互补发电系统的供电质量。蓄电池接受风光互补控制器的部分直流电用以进行电能的存储，可消除由于天气等原因引起的供电量不足; 若需要其进行放电向外输送电能时需要经过逆变器将直流电转换成交流电，最终输送到用户末端，在整个风光互补发电系统中蓄电池起到电能调节和平衡负载的作用。

总之，在风光互补发电系统中，以风力发电为主，太阳能光伏发电为辅，还是以太阳能光伏发电为主，风力发电为辅，均需要根据当地的日照、风力等多方面资源进行基础研究，通过仿真实验模拟并验证，最终确定好容量配比并投入到实践应用中2。

国内外的研究进展1. 国外的理论构思

1981 年，丹麦的N. E. Busch 和I. K. Ienbach 提出太阳能和风能混合利用技术问题; 美国的C. I. Asphden 研究了太阳能－ 风能混合转换系统的气象问题; 前苏联的N. A. Ksarni 等人根据概率原理统计出近似的太阳能/风能潜力的估计值，为风光互补发电系统的研究和利用提供了科学的数据支持; 加拿大的Ssaka Tchewan 大学的RajeshKarki 等人研究了独立小型风光互补发电系统的成本及可靠性，得出根据负载和风光资源条件合理配置发电系统，是降低发电成本、提高系统可靠性的重要途径，并指出互补发电系统扩容的可行性;孟加拉国研究人员根据模拟牛顿算法对风光互补独立发电系统进行了优化配置; 泰国研究人员利用TRNS － YS16 暂态仿真软件对风光互补发电系统进行了成本评估; 马来西亚的研究人员采用遗传算法程序对净成本最低化和配置最优化进行了分析研究; Colorado State University 和NationalRenewable Energy Laboratory 合作开发了hybrid2应用软件对一个风光互补系统进行非常精确的模拟运行，根据输入的混合发电系统结构、负载特性以及安装地点的风速、太阳辐射数据获得1年8760h 的模拟运行结果等。

近年来，国外的一些研究机构及人员不断提出与风光互补发电系统相关的理论构思，利用软件进行仿真实验模拟，并应用于实践中。如欧洲、美国、日本、俄罗斯等发达国家，在风光互补发电系统的相关方面做得已经相当完善了，尤其在垂直轴风力发电机的研究设计方面，充分利用其优势，在很大程度上提高了垂直轴发电机在风光互补系统中的发电效率，而更具有现实意义的是已将其工业化、产业化。例如，在日本，垂直轴风力发电机，风光互补发电系统装置随处可见; 印度中部地区通信基站供电系统为小型离网式风光互补发电系统，其中风机容量为7.5kW，光伏容量为5kW，在2003年开始投入运行; 美国加利福尼亚州利用超级电容器进行辅助储能，其风机容量为950kW，属于中型风力发电系统，采用并网式在2007年开始投入运行。

2.国内的理论构思

20世纪50年代后期，我国便开始进行风力发电相关的技术研究; 70年代中后期，国内的科研院校重新启动了风力发电的科研工作; 80年代中期开始建设风力发电厂。随后，在1987年，余华扬等提出了太阳能、风能发电机的能量转化装置; 华南理工大学的吴捷教授等提出一种风光互补发电系统的能量管理系统，用来实现在风/光互补发电系统的能量管理控制，该系统采用集中式控制，在分级模糊算法的基础上进行仿真实验验证该系统的作用; 西安交通大学的李福利等提出并应用验证了一种“局部－ 整体法”，可以解决风光发电系统中存在设备配置随意及投资大的问题。

现在我国在风光互补发电系统相关方面的产业化中取得了重大成果，实现了风力发电、太阳能光伏发电及两者的联合应用: 2004年底，国内第一个并网运行的风光互补示范电站，即华能南澳54MW/100kMp 风光互补发电电站投运; 2006年至2010 年期间，我国共建立8 座荒漠电站，总容量为80MWp; 2011 年，国内新增光伏发电装机容量为2.7GWp，占2011年全球的10%左右;2012年光伏发电容量已达到了7982.68MW;2013年上半年达到5.28GWp，而仅河北地区在风电产业化进程中的发电量累计7878. 8MW。回首我国最近10 年的风光互补相关方面的研究进展，发现风光互补的发电产量为我国做出了不可估量的贡献，2006-2015 年的10年间，风力发电、太阳能光伏发电装机容量增幅最大，其发电消费量年均分别增长22.73%和53.18%。

国内在风光互补发电系统中的典型案例2000年，风光互补路灯照明系统中风机容量为400W，光伏容量为120W; 2003年，甘肃高速公路监控系统风光互补供电，其风机容量400W，光伏容量为555W; 2010年，山东泰安通信基站供电系统中风机容量为2kW，光伏容量2kW，这些均属于小型离网式风光互补发电系统，均采用铅酸蓄电池作为储能装置用以辅助发电。

1) 中型并网式的风光互补发电系统。2004年，青海海西州风光互补发电站，利用电解水制氢的化学储能来稳定供电质量，其风机容量为120kW，光伏容量为54kW; 2005年，西藏阿里地区风光互补发电站的成功运行，采用抽水蓄能的物理方式来进行能量输出，平衡电量使用，其风机容量为275kW，光伏容量为186kW。

2)大型并网式风光互补发电系统。2011年，甘肃玉门风光互补项目投入使用，风机容量为200MW，光伏容量为9MW。

无论是小、中还是大型风光互补发电系统，采用离网式或并网式运行，储能装置的选择等方面，均随着风光互补发电技术的优化与提高而不断发展着，不断扬长避短，相信风光互补发电系统会占据整个电力时代的消费市场。

创新论点的提出，仿真实验模拟的验证，广泛应用到实际中，理论与实践的结合，让风光互补发电系统逐渐成为时代中的主角。离网型风光互补发电系统被广泛应用到通信系统中继站，使得通信系统中继站的无人值守和免维护成为可能，降低了运行成本，提高了系统运行的可靠性;垂直轴风机在专业人员的深入研究中已通过了中国空气动力学研究中心的风洞实验，并在野外自然风场并网发电实践中得到验证，值得一提的是，一些企业也已做好进入量产阶段的准备，将其投放到实际领域中运行;在风光互补系统中加入储能装置作为供电能的辅助设备，主要利用铅酸电池和超级电容器的混合储能形成风光储发电系统，经实践证明，此系统能更好地控制功率平滑输出，提供更稳定的供电质量。

总结风能、太阳能作为理想的可再生能源发电的载体，将风力发电与太阳能光伏发电联合形成的不同容量配比的风光互补发电系统，可充分利用两者在季节性、地域性、时间性等多方面资源的互补，实现绿色、环保、无污染的发电。

风光互补发电系统符合当今社会“绿色环保，低碳前行”的主题，加快我国的电力产业进程，同时带动我国经济的发展，满足人们的日常生活用电需求。从最初的理论构思，基础研究，仿真实验模拟验证，然后将其产业化并应用到实践中，风光互补发电系统的研究与应用凝聚了很多不同领域人们的智慧结晶。

从20世纪50年代至今，随着科学技术的进步与发展，风光互补发电系统中设备的优化设计，科学的能量管理系统，合理的运行控制，最佳的容量配比，再加上储能设备系统的能源辅助，与智能电网及互联网相结合，是今后要研究的重点。

目前由于技术与材料的限制等多方面因素，风光互补发电系统的改进与创新，推广与应用面临着很多挑战，但节能、环保、低碳是未来永远的主题，随着政府的大力支持，研究人员的不断探索与研究，普通民众的接受与认可，相信风光互补发电系统会在我国的电力系统中发挥无可替代的作用，最终实现家庭化、市场化。虽然近30年来我国乃至全球的风力发电，太阳能光伏发电或两者结合形成的风光互补发电系统发展速度惊人，引领我们进入能源利用的电气化时代，同时也面临着低效率、高成本、供电质量不稳定等问题。目前我国已进入新能源发展攻坚阶段，诸如“弃风”，但我国在可再生新能源风光互补发电系统方面已经形成了从基础研究、应用研究到工程应用的全方位格局，它会成为未来的发展之星，发展前景十分广阔3。