浅析风光互补发电场的优劣

摘要：风光互补发电技术是绿色能源中的翘楚，风光能互补发电可以避免单纯的风能或者光能的不稳定，提高发电质量和稳定性，是绿色能源可以真正的成为替代型能源，本文介绍风光互补发电场的优劣，对其前景进行展望，有一定参考价值。

关键词：风能；光能；发电；前景

中图分类号：R363.1+22 文献标识码：A

一、风光互补发电技术研究背景

1.风光互补发电的需求

中国所面临的能源危机情况不容乐观。建立资源节约型社会、大力发展可再生能源已摆上了我国经济发展的战略位置。我国的《可再生能源法》已于2006年1月1日生效,其别将可再生能源综合利用和互补系统的研究列为研究开发的重点领域。2008年初,国家又将可再生能源利用、节能和环保列人了国家中长期科技发展计划和“十一五”发展规划中,是当前国家重点支持的科技攻关和发展领域。据权威专家估计,从2000年到2050年,我国一次能源构成的变化趋势见图1。可以看出,到2050年可再生能源的供量将接近总电力供应的30%,成为仅次于并接近常规能源发电的第二大能源供应形式。

无论从缓解能源危机、消除环境污染、保护人类生存环境、合理开发利用自然资源,还是从经济和社会的发展要求,开发利用太阳能和风能等可再生能源都有着极其重要的现实意义。而且从长远看,用洁净的可再生能源替代常规能源,不仅是人类的美好愿望,也是能源发展的必然趋势。

2.风光互补发电系统特性

当前可利用的几种可再生能源中,风能和太阳能由于具有分布广泛,取之不尽、用之不竭,就地取材,无污染等优点被广泛利用。但受其能量密度低,能量稳定性差等缺点的影响,二者的利用也受到一定的制约。太阳能和风能都是相对不稳定、不连续的能源,用于无电网地区,需配备大量的储能设备,使得系统的耗费大大增加。而中国属于季风气候区,一般冬季风大,太阳辐射小;夏季风小,太阳辐射大。两种资源正好可以相互补充利用。因此,采用风/光互补发电系统可以很好的克服风能和太阳能提供能量的随机性和间歇性的缺点,实现不间断供电。

3.应用领域

风光互补发电系统因其自身众多优点在很多领域得到了广泛应用。在远离电网的边远地区,独立供电系统就成为人们最需要的供电方式,如部队边防哨所、邮电通讯中继站、公路和铁路信号站、地质勘探和野外考察工作站、野外便携设备、远航渔船、偏远的农牧民区等都需要低成本、高可靠性的独立电源系统;特别适用于风力和阳光资源丰富的地区:如草原、海岛、沙漠、山区、林场、渔排、渔船等地区;风光互补发电系统还可用于城市的住宅小区和环境工程,如照明路灯、庭院、草坪、景观灯、广场、公园、公共设施、广告牌等,该项技术在风景名胜区和市政部门进行推广,不仅具有重要的节能环保意义,又兼具美化环境的社会效益。此外,随着光伏电池价格的降低和并网技术的日益成熟,风光互补系统还可以做大并入电网供电。

二、风光互补发电技术研究现状

1.可再生能源的现状和发展趋势

常规能源的有限性和环境压力的增加,使世界上许多国家重新加强了对新能源和可再生能源技术发展的支持,并取得了突破性进展。可再生能源及其综合利用技术,越来越受到包括发达国家在内的世界各国的广泛关注。欧盟等发达国家采取了强有力的促进和激励措施,并给予特别的政策支持,使可再生能源在近几年内得到大规模的快速发展。全球过去几年内风电和光伏发电的年增长率均高达30%以上,欧盟计划到2010年可再生能源发电占总发电量的22%,到2050年可再生能源在能源供应中占50%以上的目标。

这是一个非常宏伟的目标,不仅使常规能源的消耗节省50%,而且大大改善了大气环境质量,近几年,国际光伏发电迅猛发展,光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。到目前为止,世界太阳电池年销售量己经超过6O兆瓦,电池转换效率提高到了15%以上,系统造价和发电成本已分别降至4美元/峰瓦和25美分/度电;风力发电在可再生能源行业中是增长最快、商业化程度最高的行业,其年增长速度达到了35%,美国、德国和丹麦等发达国家的年增长更是高达50%以上。德国风电已占总发电量的30%,丹麦风电已超过总发电量的70%。在全球范围内,风力发电已形成年产值超过50亿美元的产业。

2.风/光互补发电系统的研究现状

上世纪80年代许多人开始了风能、太阳能的综合利用的研究。丹麦的N.E.Busch和Kllenbach(198l)提出太阳能和风能混合利用技术问题;美国的C.I.AsPliden(1981)研究太阳能一风能混合转换系统的气象问题;前苏联的N.Aksarin等根据概率原理,统计出近似的太阳能、风能潜力的估计值;余华扬等(l987)也提出了太阳能、风能发电机的能量转换装置191。近年来,随着世界范围内风力和太阳能发电热潮的掀起,许多学校和科研单位如美国马萨诸塞州大学、中科院电工研究所、合肥工业大学、上海交大及台湾科技大学等开始风光互补发电深人研究,其研究主要内容可归纳为以下一个方面:

(l)系统的优化设计及稳定性能分析

系统优化设计不仅可以提高整个系统运行稳定性和供电可靠性,还可以降低系统的成本和维修费用。因此,对它展开深人研究有很大的理论及工程应用意义。在国外已经有学者导出与有限的气象参数有关的经验公式,而系统的配置是基于时间步长的仿真,但用于仿真的数学模型过于简单,如部件的特征模型都是线性化的,此外负载也是恒定不变的,因此所导出的公式应用范围有限。一些学者针对风光蓄复合发电系统提出了更直接的优化系统配置的方法,但在优化系统配置的过程中,并没有把系统的串联连接与并联连接区别开来,此外系统所采用的数学模型也有待进一步改进。也有学者通过对系统性能小时数据的计算,得出优化系统配置的方法,即在一系列给定的LPSP(1055ofpowe:suPplyprobability)下,绘出光伏阵列容量与蓄电池容量的协调曲线,通过该曲线的切线(其斜率代表光伏阵列与蓄电池费用的关系)从而唯一地确定系统的最优配置。还有应用线性设计技术分析独立和并网运行的风光互补发电系统,该技术能在满足系统可靠运行的同时降低系统的成本,并给出了监测系统控制器的设计。由NationalRenewableEnergyLaboratory(美国可再生能源研究室)和UniversityofMassachusett,合作开发的HybridZ应用软件,其功能强大,能对风光互补发电系统进行精确的模拟运行,根据输人的发电系统的结构、负载特性以及安装地点风力、日照强度等数据获得8160小时的运行结果。但它只是一个功能强大的仿真程序,并不具备优化设计功能。

在国内,香港理工大学同中科院广州能源所及中科院半导体研究所合作提出了一整套利用CAD进行风光互补发电系统优化设计的方法。该方法采用了更精确地表征组件特性及评估实际获得的风光资源的数学模型,精确确定系统每小时的运行状态,采用寻优方法找出以最小设备投资成本满足用户用电要求的系统配置。内蒙古大学新能源研究中心提出了一种对小型户用风光互补发电系统匹配设计的计算方法并给出了更符合实际的计算风力发电机和太阳电池组合板各月发电量的数学公式。利用用户所在地区的风频分布、太阳辐射等气象资料,计算风力发电机和太阳电池组合板各月发电量,以全年各月能量供需平衡进行系统的匹配计算。

(2)最大功率跟踪

最大功率跟踪保证了光伏电池和风力机输出功率尽可能最大,提高了整个系统的工作效率。最大功率跟踪可通过DC一DC直流变换电路来实现,一般采用升压或降压变换器。基于DC一DC直流变换的控制算法目前比较常用的扰动观察法、电导增量法、爬山法及智能控制等。前两种方法各有利弊,根据不同的环境采用不同的方法进行改进,既能提高效率又能缩小成本,而智能控制只处于理论研究与仿真阶段,未见应用于实际系统中。有学者给出互补系统双输人单输出功率变换器,其运行模式由数字控制来实现,使风机与光伏阵列工作在最大功率点上,并给出了10kw实验室模型。

三、结论

总之,风光互补发电系统可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置,无论是怎样的环境和怎样的用电要求,风光互补发电系统都可做出最优化的系统设计方案来满足用户的要求,即可保证系统供电的可靠性,又可降低发电系统的造价。应该说,风光互补发电系统是最合理的独立电源系统。

参考文献：

[1]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.

[2]叶航冶.风力发电机组的控制技术[M].北京:机械工业出版社,2002.