供应风光互补发电系统简介

摘要：利用西部地区风、光资源，设计一风力发电机组和太阳能光伏电池为一体的风光互补发电系统。通过一个实例，说明了供电系统的可行性，解决了当地日常用电问题。

1引言

风 光互补发电系统是利用了当地风能和太阳能资源的互补性，具有较高性价比的一种新型能源发电系统。风能和太阳能具有天然的互补优势：白天太阳光强，夜间风 多；夏天日照好，风弱；冬春季节风大，日照弱。本文通过青海海西州的一个风光互补发电站的实例，介绍发电系统的基本原理和控制系统，并分析系统的使用情 况。

2风光互补发电系统

风光互补发电系统主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、蓄电池组、逆变器、直流交流负载等部分组成。系统结构图见图1。

2．1发电部分

一般由一台或几台风力发电机组和太阳能电池板矩阵组成，完成风能一电能、光能一电能的转换。

(1)风力发电部分是利用风力机将风能转化为机械能，然后通过风力发电机转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电。风力机一般为水平轴、上风向、三叶片布置。风力机输出功率：

P=0.5ρπR²V³C_p （1）

式中：R尺为风轮半径；V为风速；C_p 为风能利用系数，最大值为0．593。

风轮叶片有定桨距和变桨距之分：定桨距风力机在额定风速以下的风速范围内，C_p 没有达到最佳值，输出功率低；超过额定风速后，C_p 偏离最佳值，输出功率降低。变桨距风力机，启动时通过调节桨距角可以使C_p 增大，输出功率较大；超过额定风速后，通过调节桨距角使C_p 保持在最佳，输出功率保持在额定值。发电机多数采用笼型异步发电机。

(2)光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转化为电能，然后对蓄电池充电，通过逆变器将直流电转化为交流电对负载进行供电。理想的PN结太阳电池I - V方程

式中：I_s、V_s，为光伏电池的输出电流和输出电压；I_sc、I_o为光伏电池的短路电流和PN结反向饱和电流；K为波尔兹曼常数，K =1．38 * 10^-23J／K；T为温度；q为电子电荷量，q=1．6 * 10^-19C。

在一定温度、日照条件下，光伏电池的输出功率具有最大值。发电过程中，电池的内阻不仅受日照强度的影响，还受环境温度及负载的影响。要想在光伏发电时得到最大功率，必须不断改变阻抗的大小，从而达到光伏阵列与负载的最佳匹配，实现大电流、高电压的输出，提高系统的效率。

2．2控制器和直流控制中心

完 成系统各部分的连接、组合以及蓄电池充电的自动控制。该装置能根据日照强弱、风力的大小及负荷的变化，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负载或交流负载；另一方面把多余的电能送往蓄电池组储存。当发电量不能满足负载需要时，控制器又把蓄电池的电能送往负载，使其在 充电、放电或浮充电等多种工况下交替运行，从而保证风光互补发电系统工作的连续性和稳定性。

2．3蓄电池

蓄电池在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电机和太阳能电池输出

的电能转化为化学能储存起来，以供电能不足时使用。在常用的蓄电池中，主要有铅酸蓄电池、碱性镍蓄电池和铁镍蓄电池。其中铅酸蓄电池价格低廉、性能可靠、安全性高，且技术上又不断进步和完善，得到了广泛的应用。

2．4逆变器

由一台或几台逆变器组成。逆变器把蓄电池中的直流电能变换成为标准的22OV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。

风力发电和太阳能电池发电都可输出直流电，同时可用蓄电池充电，然后靠蓄电池向负荷提供稳定的电能。若用户使用交流电器，通过加载逆变器，将直流电变为交流电。由于系统采用了风能、太阳能发电互补的结构形式，具有较广的应用范围。

3控制系统

风 光互补发电过程控制系统比较复杂，工业上采用过程控制技术对该系统的运行工况进行监测控制和智能化管理。根据系统的特点，现场控制层是对各类传感器、变送 器和执行器的控制，实现对现场数据采集和过程控制。智能监控系统分为二层：底层是基于微处理器芯片的监控层，负责实现对单台设备的运行进行优化控制和参数 设定，同时具备与上层通信的能力；顶层是基于微机的协调管理层，主要用于现场数据处理，同时处理多台并列运行时的协调控制及并网发电问题。

3．1监控层的主要功能

系统状态检测，如风速、太阳辐射强度、蓄电池电压、负荷需求等运行参数；能量管理层负责系统的供电模式切换及负荷控制问题；通讯控制实现与顶层管理系统通信，提供系统所需要的运行及设备参数，同时根据指令改变系统的运行工况。

3．2协调管理层的主要功能

通信，包括与底层监控层通信，获得运行参数和向监控层发送控制指令，调整系统的运行状态；数据采集是顶层协调管理层运行的基础，通过与底层监控层的通信来获得发电系统的运行参数和设备状态；协调控制层通过对系统的运行参数进行监控，灵活点改变各设备的运行工况，达到最优。

4实例

青海属典型的高原大陆性气候，夏季日照时间长、辐射量大，冬季寒冷多风。该地区每年的4～9月太阳能辐射最高，10月到次年的4月风力资源最丰富。夏秋季太阳能辐射强而风能弱，冬春季太阳能辐射弱而风能强，为风光互补发电系统应用提供了良好的基础。根据当地的实际发展情况，预计基本生活用电负荷电量将达到50000kWh。在满足用户负载的前提下，提出三种建电站方案：90kw 风力发电站、40kWp光伏电站和30／20kW 风光互补电站。供电方案及投资比较见表1。

风力发电电站机组设备3台，单台设备的主要性能参数：额定功率10kW；启动风速3．4m／s；额定风速13．0 m／s；偏航风速15．6m／s；最大设计风速50 m／s；风轮直径6．2 m；传动方式：风轮直接驱动发电机(无需齿轮箱)；温度范围：一40-60"C。

光伏电池选用多晶硅太阳能电池组件，方阵由20个子方阵组成，每个子方阵由18块组件串联而成。太阳能电池组件标称功率：85Wp；转换效率≥12％；最大功率电压16．5～17．5V；最大功率电流4．86-5．16A；开路电压21．5V；短路电流5．0A。

风力发电的优点是发电量高、造价低、运行维护成本低；缺点是可靠性低。光伏发电的优点是供电可靠性高，运行维护成本低；缺点是系统造价高。另外两者都存在一个共同的缺陷，就是资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡，需通过蓄电池才能稳定供电。

在系统中，太阳电池方阵是维护工作较少的一个部件。定期用水和温和的清洁剂清洗清洁太阳电池方阵(避免使用有溶解力和浓度高的清洁剂，切忌使用具有腐蚀性的溶剂冲洗)，且最好在早晚时清洗。风力发电机组的机械部件要定期润滑。

通过对三种供电方案分析计算：独立风力发电机组7、8、9月发电量最低，风力发电系统在各月所发电量的稳定性较差，在风力资源较好的月份其能量输出较大，高出日常用电需求量；在风能资源较差的月份能量输出较差，不能满足日常用电需求量。独立太阳能光伏发电11、12、1月发电量最低，光伏发电系统其供电保证率较好，能量输出较风力发电系统要稳定许多。风光互补发电系统虽然供电保证率比光伏发电系统要略低，但由于太阳能、风能资源的互补性，使得输出能量品质相对最好，互补发电系统达到了设计要求。

设计风光互补发电系统，要遵循风力发电系统与太阳能光伏发电系统设计思路和要领，充分利用两者的互补特性，合理确定容量的比例，处理好控制方式与负荷变化的关系，体现出互补的优越性。一般来说，系统配置应考虑的因素有：(1)风能和太阳能的资源状况；(2)用电负荷的特性，主要指用户的最大用电负荷和平均用电量。经过计算分析，2003年青海省新能源研究所在海西州天峻县阳康乡建成的50kw 风光互补电站，该系统采用风力发电为主、

光伏发电为辅的方案，配备了30kw 风力发电机组和20kW太阳能电池组。

5结语

能 源和环境是当前人类生存和发展迫切要解决的问题。常规能源如煤、石油、天然气，储量随利用时间的增长而日益减少，且带来严重的环境污染问题。按照能源的可 持续发展观，在合理利用常规能源的同时，要积极开发可再生的新能源。其中风能和太阳能都是清洁型新能源，合理有效地使用就是节约了常规能源。随着风力发电 技术和光伏发电技术的日趋成熟，为风光互补发电系统可行性奠定了必要基础，具有较好的应用前景。