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风光互补供电系统的运行与应用分析
摘要：太阳能和风能在时间上有着很好的互补性，实践证明风光联合供电系统是一种比较经济的发电系统，因此太阳能和风能这两种可再生能源得到了广泛的使用。本文结合风能、太阳能特点，以风光联合发电系统的原理为依据，分析了我国风光互补供电系统的运行方式与特征，指出利用风能、太阳能组成独立供电系统在我国的应用，对解决我国偏远地区和特性领域的供电问题具有重要意义。
关键词：可再生能源；风力发电；光伏发电；运行方式；风光互补供电系统
1.引言
随着社会的不断进步和发展，人类对化石类燃料的依赖程度越发严重，目前全世界使用的能源有百分之九十取自化石燃料，化石类燃料的大量使用对人类赖以生存的环境造成极大伤害。在此背景下开展可再生能源的综合利用研究，将对我国社会经济的可持续发展和环境保护起着重要的作用。太阳能和风能发电具有以下几个特点：(1)取之不尽，用之不竭；(2)就地取材，不需运输；(3)分布广泛，分散使用；(4)不污染环境，不破坏生态；(5)周而复始，可以再生。因此光伏发电及风力发电是最有发展前景的两种能源技术。然而太阳能、风能都具有能量密度低、稳定性差的弱点，并受地理分布、季节变化、昼夜变化等因素影响，太阳能在白天和夏季丰富，而风能在晚上和春秋较为丰富[1]。太阳能和风能这种天然的昼夜互补性和季节互补性，可以消除稳定性差的弱点。
2. 风光互补供电系统的结构及原理
风光互补供电系统是由风力发电机与太阳能电池组成的联合供电系统，主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、蓄电池、逆变器、交流直流负载等部分组成[2]，该系统是集风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统。 风光互补供电系统结构图如图1所示。

图1 风光互补供电系统结构图
风光互补供电系统中各模块的功能如下：风力发电部分是利用风力机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电；光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电；逆变系统由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的220v交流电，保证交流电负载设备的正常使用。同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量；控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节：一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载。另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性；蓄电池部分由多块蓄电池组成，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。风光互补发电系统根据风力和太阳辐射变化情况，可以在以下三种模式下运行：风力发电机组单独向负载供电；光伏发电系统单独向负载供电；风力发电机组和光伏发电系统联合向负载供电。风光互补独立供电系统可以很好地克服太阳能和风能提供能量的随机性和间歇性的缺点，实现不间断供电。
3.风光互补供电系统运行方式和特点
风力和太阳能发电都是取之不尽、用之不竭的特殊电力，但由于功率的不稳定性，因此风力和太阳能发电具有许多不同于常规能源发电的特点：1、风能和太阳能可以满足负荷需要运行方式。在这种运行方式下，系统可能有太阳能电池组单独供电或风力发电机组单独供电，也有可能是由二者配合向负荷供电，这取决该时段太阳能和风能资源的充沛情况。在理想情况下，太阳能和风能刚好可以满足负荷需求，但这种情况发生的概率极小，通常情况下系统供电量有剩余，在这种情况下，系统可把超出负荷需求的电能冲入蓄电池中，以备蓄电池组在以后太阳能和风能资源供电不足时把储存的电能供给负荷。如果该系统是联网型风光互补供电系统，系统也可把盈余的电能输送给电网，以满足其他供电区域的用电需求。
2、风能和太阳能不能满足负荷需求运行方式。在这种运行方式下，蓄电池就作为太阳能电池和风力发电机的备用电源来满足该时段的负荷需求。在太阳能和风能资源严重不足时，有可能造成负荷的缺电量超出蓄电池组中储存电能，这种情况下联网型风光互补供电系统可通过大电网供电，以满足负荷需求，当系统属于风光互补独立供电系统时，系统可通过控制器进行甩负荷操作，甩掉该时段不能满足的负荷部分。
风光互补供电系统和风力或光伏独立运行供电系统相比，风光互补供电系统有比较优越的特点，具体表现在以下几个方面：1) 利用风能、太阳能的互补特性，同时利用太阳能和风能发电，在合适的气象资源条件下，风光互补供电系统可提高系统供电的连续性、稳定性和可靠性。2) 单位容量的系统初期投资和发电成本均低于独立的光伏发电系统。如果太阳能与风能资源互补性好，在保证同样供电的情况下，可大大减少储能蓄电池的容量。3) 在太阳能、风能资源比较丰富且互补性好的情况下，对系统的部件配置、运行模式及负荷调度方法等进行优化设计和匹配后，可以基本上由风-光系统供电，很少或基本不用启动备用电源如柴油发电机等，这样可获得较好的社会效益和经济效益。
4.风光互补供电系统在我国的应用
我国至今仍有个别地理位置较为偏远的地方至今尚未能用上电，而在这些无电乡村往往位于风能和太阳能蕴藏量丰富的地区。因此利用风光互补发电系统解决用电问题的潜力很大。目前我国已经建成了千余个可再生能源的独立运行村落集中供电系统[3]，但是这些系统都只提供照明和生活用电，不能或不运行使用生产性负载，这就使系统的经济性变得非常差。风能和太阳能灯可再生能源独立运行供电系统的出路是经济上的可持续运行，风光互补供电系统除了在我国一些偏远的地方得到应用外，还在如下一些场所也得到应用，并取得了不俗的经济效益。
风光互补供电系统在室外照明中的应用。目前已被开发的室外照明工程有风光互补led智能化路灯、风光互补led小区道路照明工程、风光互补led景观照明工程、风光互补led智能化隧道照明工程、智能化led路灯等。风光互补供电系统在监控摄像机电源中的应用。这种能源开发方式将传统的水能、风能、太阳能等新能源开发相结合，利用三种能源在时空分布上的差异实现期间的互补开发，适用于电网难以覆盖的边远死去，并有利于能源开发中的生态环境保护。
5.结束语
风光互补供电系统能将风能和太阳能互补使用，为用户提高清洁、环保的电能。 由于风能和太阳能的高度不确定性， 现有的风光互补发电技术还不够成熟，因此我国应加强对风光互补供电技术方面的研究，为加快风光互补供电系统在我国的推广应用奠定理论支撑。
参考文献
刘山风, 龙江, 方韬. 风光互补新能源成新趋势[j]. 电气技术, 2008(12)；
徐大明, 康龙云等. 风光互补独立供电系统的优化设计[j]. 太阳能学报,2006.9；
陆虎瑜, 马胜红, 光伏-风力及互补发电村落系统[m]. 北京:中国电力出版社,2004.
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