孫 楠,邢德山,杜海玲

(山西大學(xué)工程學(xué)院,山西太原 030013)

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用

孫 楠,邢德山,杜海玲

(山西大學(xué)工程學(xué)院,山西太原 030013)

指出了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)作為獨立電源系統(tǒng)和清潔的供電系統(tǒng),有著廣泛的應(yīng)用,分析了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源利用以及系統(tǒng)配置的合理性,概括敘述了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在國內(nèi)外的發(fā)展和應(yīng)用情況,包括相關(guān)軟件的開發(fā)、系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和合理配置、對我國已有電站的調(diào)查分析及研究現(xiàn)狀;提出了今后的研究方向,如特定區(qū)域氣象資料的測量與統(tǒng)計、系統(tǒng)各組分的動態(tài)特性研究、應(yīng)用領(lǐng)域的開拓等。

風(fēng)能;太陽能;風(fēng)光互補(bǔ);發(fā)電系統(tǒng)

1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的合理性

1.1 資源利用的合理性

太陽能和風(fēng)能是最普遍的自然資源,也是取之不盡的可再生能源。太陽能是太陽內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過程產(chǎn)生的能量,風(fēng)能是太陽能在地球表面的一種表現(xiàn)形式,由于地球表面的不同形態(tài)(如沙土地面、植被地面和水面)對太陽光照的吸收能力不同,所以在地球表面形成溫差,從而形成空氣對流而產(chǎn)生風(fēng)能。太陽能和風(fēng)能在時間分布上有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。白天太陽光最強(qiáng)時,風(fēng)很小,到了晚上,光照很弱,但由于地表溫差變化大而風(fēng)能有所加強(qiáng);在夏季,太陽光強(qiáng)度大而風(fēng)小,冬季,太陽光強(qiáng)度弱而風(fēng)大。太陽能和風(fēng)能在時間上的互補(bǔ)性使得風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源利用上具有很好的匹配性[1]。

1.2 系統(tǒng)配置的合理性

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是由風(fēng)電系統(tǒng)與光電系統(tǒng)組成的聯(lián)合供電系統(tǒng)。

風(fēng)電系統(tǒng)是利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能,然后通過控制器對蓄電池充電,通過逆變器對用電負(fù)荷供電的一套系統(tǒng)。光電系統(tǒng)是利用太陽電池板將太陽能轉(zhuǎn)換成電能,然后通過控制器對蓄電池充電,通過逆變器對用電負(fù)荷供電的一套系統(tǒng)。風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電量較高,系統(tǒng)造價較低,但是可靠性較差。光電系統(tǒng)供電可靠性高,但成本高。兩套系統(tǒng)一旦建成其運(yùn)行維護(hù)成本均比較低[2]。

單獨的風(fēng)能、太陽能發(fā)電系統(tǒng)很難保證穩(wěn)定的能量輸出,從而會引起系統(tǒng)的供電和用電負(fù)荷的不平衡,導(dǎo)致蓄電池處于虧電狀態(tài)或過充電狀態(tài),長期運(yùn)行會降低蓄電池的使用壽命,增加系統(tǒng)的維護(hù)投資[3]。所以一種新型的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)被提出來解決單獨的風(fēng)能、太陽能發(fā)電系統(tǒng)存在的問題。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以利用風(fēng)能、太陽能的互補(bǔ)特性,獲得比較穩(wěn)定的總輸出,提高發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性;在供電量相同的情況下,可大大減少儲能蓄電池的容量,并提高蓄電池使用壽命;通過合理的設(shè)計與匹配,可以基本上由風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)供電,很少或基本不用啟動備用電源如柴油發(fā)電機(jī)組等,節(jié)省投資[4]。

2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的研究與發(fā)展?fàn)顩r

1981年,丹麥的N.E.Busch和 KΦ llenbach提出了太陽能和風(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)行簡單的組合[5]。隨后美國的C.I.Aspliden研究了太陽能—風(fēng)能混合轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的氣象問題;前蘇聯(lián)的N.Aksarni等人根據(jù)概率原理,統(tǒng)計出近似的太陽能—風(fēng)能潛力的估計值,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,我國的余華揚(yáng)等提出了太陽能—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)入實際利用階段[6]。

隨著風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)研究的深入,產(chǎn)生了一批初步的研究成果。在軟件方面的開發(fā),主要有西班牙 Zaragoza大學(xué) Rodolfo Dufo Lopez等人用C++語言開發(fā)了一套用于風(fēng)光、光柴油機(jī)等互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的基于遺傳算法的優(yōu)化系統(tǒng) (軟件)[7]。Colorado State University和National Renewable Energy Laboratory(美國可再生能源實驗室)合作開發(fā)了hybrid2應(yīng)用軟件。hybrid2本身是一個很出色的軟件,它對一個風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行非常精確的模擬運(yùn)行,根據(jù)輸入的混合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、負(fù)載特性以及安裝地點的風(fēng)速、太陽輻射數(shù)據(jù)獲得1年8 760 h的模擬運(yùn)行結(jié)果[8]。

近年來,國內(nèi)外對風(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)計和合理配置方面。在國外,加拿大Saskatchewan大學(xué)Rajesh Karki等人研究了獨立小型風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)的成本及可靠性,得出根據(jù)負(fù)載和風(fēng)光資源條件合理配置發(fā)電系統(tǒng),是降低發(fā)電成本、提高系統(tǒng)可靠性的重要途徑,并指出互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)擴(kuò)容的可行性[7]。在國內(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)計的方法[3]。該方法采用了更精確地表征組件特性及評估實際獲得的風(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。另外,合肥工業(yè)大學(xué)能源研究所提出了風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)仿真模型,用戶可以重構(gòu)多種結(jié)構(gòu)的風(fēng)光復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)并進(jìn)行計算機(jī)仿真計算,從而能夠預(yù)測系統(tǒng)的性能、控制策略的合理性以及系統(tǒng)運(yùn)行的效率等[6]。華南理工大學(xué)設(shè)計了新型無刷雙饋發(fā)電機(jī),并通過權(quán)值調(diào)節(jié)方式實現(xiàn)太陽能逆變器最優(yōu)功率傳輸[3]。在亞洲的其他一些國家,泰國研究人員利用T RNSYS16暫態(tài)仿真軟件對風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了成本評估[9],馬來西亞的研究人員采用遺傳算法程序?qū)舫杀咀畹突团渲米顑?yōu)化進(jìn)行了分析研究[10],孟加拉國研究人員根據(jù)擬牛頓算法對風(fēng)光互補(bǔ)獨立發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化配置[11]。

研究人員還對我國已有風(fēng)光互補(bǔ)電站進(jìn)行了研究分析,上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院對內(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) (獨立風(fēng)能、獨立太陽能和風(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)化配置來提高整個系統(tǒng)的使用可靠性[12]。中國衛(wèi)星通信集團(tuán)公司對青海村村通工程中的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)實際運(yùn)行情況進(jìn)行了分析,系統(tǒng)經(jīng)過1年的運(yùn)行,完成了計劃任務(wù)并顯現(xiàn)出很好的經(jīng)濟(jì)效益,同時也指出系統(tǒng)在準(zhǔn)確性和可靠性上仍存在一些問題[13]。

對風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的研究也有了突破。中海石油中心和中石化西北油田分公司都對風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)用于邊際油田的開發(fā)做了可行性研究,分析了海上油田的特殊性,以及在工程實際應(yīng)用中需要考慮的幾點因素[14-15]。移動通訊方面,中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院、福建郵科通信技術(shù)有限公司、新疆新能源股份有限公司都針對某一地區(qū)的資源條件以及移動通信建設(shè)中設(shè)備供電難的問題,給出了風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)用于移動通訊的典型配置[16-18]。在監(jiān)控方面,廣州華南路橋?qū)崢I(yè)有限公司介紹了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)用于我國高速公路監(jiān)控攝像槍的使用現(xiàn)狀,并提出了完善措施[19]。

3 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的應(yīng)用

在我國,風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電場比較少,主要集中在青藏高原、內(nèi)蒙古自治區(qū)等偏遠(yuǎn)地區(qū),采用獨立式發(fā)電。1998年和2000年,我國的長江源自然保護(hù)站分別安裝了600 W/400 Wp(Wp為光伏發(fā)電功率)和1000 W/400 Wp兩套獨立運(yùn)行的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。2004年12月,華能南澳54 MW/100 kWp風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電場成功并入當(dāng)?shù)?0 kV電網(wǎng),是我國第一個正式投入商業(yè)化運(yùn)行的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)[20]。

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,從長遠(yuǎn)來看,該系統(tǒng)有明顯的經(jīng)濟(jì)效益[21]。風(fēng)光互補(bǔ)照明技術(shù)在城市道路和景觀照明項目上呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展勢頭,國務(wù)院公布的21世紀(jì)發(fā)展計劃中明確了發(fā)展太陽能和風(fēng)能的戰(zhàn)略,從決策上也指明了方向[22]。

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、報警電話或信號和道路標(biāo)志上;博覽會場和活動會場的場外照明或景觀點綴;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)常移動的野外作業(yè)的工作站等[1]。

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,一般來說,采用電網(wǎng)供電不太現(xiàn)實,從整個社會經(jīng)濟(jì)看也是一種浪費。建立小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電獨立電源系統(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[23]。

在我國,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。在西北廣袤的土地上,通信系統(tǒng)的中繼站的電源問題在過去一直存在著維護(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[23]。

隨著風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)的日趨完善,其應(yīng)用范圍也在不斷地擴(kuò)大。

4 建議

當(dāng)前,國內(nèi)外對風(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[7]。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爭力的清潔電源,應(yīng)加強(qiáng)以下方面的工作。

a)進(jìn)一步做好風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電場的風(fēng)能資源、太陽能光照資源,特別是具有風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電應(yīng)用潛力的小區(qū)域氣象數(shù)據(jù)的勘測統(tǒng)計工作,為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用提供更可靠的依據(jù)。

b)研究風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)各組成部分的動態(tài)運(yùn)行特性[21],降低系統(tǒng)運(yùn)行成本,提高發(fā)電場運(yùn)行質(zhì)量。

c)進(jìn)一步拓展風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域,如開展風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)小區(qū)域路燈照明和室內(nèi)照明等方面的應(yīng)用研究等。

d)積累風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的使用數(shù)據(jù),在應(yīng)用中逐步形成較完善的可再生能源技術(shù)支撐體系,為可再生能源的大規(guī)模開發(fā)和利用奠定基礎(chǔ)。

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Development and Application of Wind-Solar Hybrid Power Generating System

SUN Nan,XINGDe-shan,DU Hai-ling
(Engineering College of Shanxi University,Taiyuan,Shanxi 030013,China)

Wind-solar hybrid power generating system,as an independent and pollution-free power supply system,could be widely applied.In this paper,the rationality,development and application of wind-solar hybrid power generation system are analyzed,including the development of software,the optimization of the system,and researches on wind-solar hybrid power station in being in our country and their status quo,based on which some suggestions are put forward for its further development,including the measurement and statistics of the meteorological data in certain area,the dynamic characteristics of every part of the system,the development of its application field,and the accumulation of data and experience.

wind energy;solar energy;wind-solar hybrid;power generating system

TM914.4

A

1671-0320(2010)04-0054-03

2009-12-20,

2010-05-24

孫 楠 (1981-),女,內(nèi)蒙古赤峰人,2006年畢業(yè)于愛爾蘭都柏林國立大學(xué)環(huán)境工程專業(yè),助教,研究方向為環(huán)境污染控制及新能源利用;

邢德山 (1960-),男,山西大同人,2008年畢業(yè)于華北電力大學(xué)熱能工程專業(yè),教授,研究方向為新能源利用;

白靜利 (1985-),男,山西陽泉人,2008年畢業(yè)于華北電力大學(xué)熱能工程專業(yè),助教,研究方向為新能源利用。