風光互補發(fā)電系統(tǒng)的互補性及優(yōu)勢

　　風能和太陽能的利用和發(fā)展已有三千多年的歷史，是一門古老而又年青的科學、實用而又和生活關(guān)系密切的科學、可再生而又能保護環(huán)境的科學、現(xiàn)時又為可持續(xù)發(fā)展的科學、是一次投資可多年受益的產(chǎn)業(yè)。在眾多新能源領(lǐng)域中，風力發(fā)電和太陽能發(fā)電的開發(fā)和利用被首當其沖優(yōu)先發(fā)展，是當今國際上的一大熱點，因為風能和太陽能的利用，是不用開采、不用運輸、不用排放垃圾、沒有環(huán)境污染的技術(shù)，是保護地球，造福子孫后代的百年大計工程。

　　風能和太陽能都是清潔、儲量極為豐富的重要的可再生能源，由于受季節(jié)更替和天氣變化的影響，風能、太陽能都是不穩(wěn)定、不連續(xù)的能源，單獨的風力發(fā)電或太陽能光伏發(fā)電都存在發(fā)電量不穩(wěn)定的缺陷。但風能和太陽能具有天然的互補優(yōu)勢，即白天太陽光強，夜間風多;夏天日照好，風弱而冬春季節(jié)風大，日照弱。風光互補發(fā)電系統(tǒng)充分利用了風能和太陽能資源的互補性，是一種具有較高性價比的新型能源發(fā)電系統(tǒng)。

　　隨著光伏發(fā)電技術(shù)、風力發(fā)電技術(shù)的日趨成熟及實用化進程中產(chǎn)品的不斷完善，為風光互補發(fā)電系統(tǒng)的推廣應用奠定了基礎(chǔ)。風光互補發(fā)電系統(tǒng)推動了我國節(jié)能環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，促進資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的建設(shè)。隨著設(shè)備材料成本的降低、科技的發(fā)展、政府扶持政策的推出，風光互補這一清潔、綠色、環(huán)保的新能源發(fā)電系統(tǒng)將會得到更加廣泛的應用。

　　風能和太陽能可獨立構(gòu)成發(fā)電系統(tǒng)，也可組成風能和太陽能混合發(fā)電系統(tǒng)，即風光互補發(fā)電系統(tǒng)，采用何種發(fā)電形式，主要取決于當?shù)氐淖匀毁Y源條件以及發(fā)電綜合成本，在風能資源較好的地區(qū)宜采用風能發(fā)電，在日照豐富地區(qū)可采用太陽能光伏發(fā)電，一般情況下，風能發(fā)電的綜合成本遠低于太陽能光伏發(fā)電成本，因而在風能資源較好地區(qū)應首選風能發(fā)電系統(tǒng)。近年來由于風光互補發(fā)電系統(tǒng)具有資源互補性、供電安全性、穩(wěn)定性均好于單一能源發(fā)電系統(tǒng)，且價格居中而得到越來越廣泛地應用。

　　風力發(fā)電存在著無風時(尤其是夏季白天長夜間短，太陽光強季節(jié))不發(fā)電的問題，太陽能光伏發(fā)電也存在著無陽光時(尤其是冬季白天短夜間長，北風大的季節(jié))不發(fā)電的問題，如果合理的將風力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電結(jié)合在一起，可實現(xiàn)了365天連續(xù)不間斷發(fā)電。

　　2.風光互補發(fā)電技術(shù)

　　風光互補發(fā)電技術(shù)是整合了中小型風電技術(shù)和太陽能光伏技術(shù)，綜合了各種應用領(lǐng)域的新技術(shù)，其涉及的領(lǐng)域之多、應用范圍之廣、技術(shù)差異化之大，是各種單獨技術(shù)所無法比擬的。風能和太陽能是目前全球在新能源利用方面，技術(shù)最成熟、最具規(guī)?；鸵旬a(chǎn)業(yè)化發(fā)展的行業(yè)，單獨的風能和單獨的太陽能都有其開發(fā)的弊端，而風力發(fā)電和太陽能發(fā)電兩者具有互補性，兩種新能源結(jié)合可實現(xiàn)在自然資源的配置方面、技術(shù)方案的整合方面、性能與價格的對比方面都達到了對新能源綜合利用的最合理，不但降低了滿足同等需求下的單位成本，而且擴大了市場的應用范圍，還提高了產(chǎn)品的可靠性。

　　所謂風光互補，簡而言之，是指將風力發(fā)電和光伏發(fā)電組合起來構(gòu)成發(fā)電系統(tǒng)。在新能源領(lǐng)域的研究者和投資者看來，利用太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的光伏發(fā)電系統(tǒng)，雖然清潔，但造價相對高，且受日照時間影響;而風電系統(tǒng)雖然系統(tǒng)造價低，運行維護成本低，但質(zhì)量可靠性也相對較差。將兩者相結(jié)合，卻能互補所短，各揚所長。然而，風光互補發(fā)電技術(shù)并不是簡單地將風能和太陽能相加就可以，其間還涉及一系列復雜的技術(shù)及系統(tǒng)的匹配設(shè)計。

　　在風光互補發(fā)電技術(shù)的推廣應用中，競爭的關(guān)鍵是綜合配置能力。尋找最佳匹配方案需做大量的研究工作，反復推算、演示，進行市場摸排，選配組件、組裝等，已構(gòu)成最佳匹配的方案，以實現(xiàn)風能和太陽能的無縫對接，有光照的時候通過太陽能電池將光能轉(zhuǎn)換為電能，有風的時候利用風力機發(fā)電，二者均無的時候，負載可以利用蓄電池儲備的電能工作。

　　風能、太陽能都是無污染的、取之不盡用之不竭的可再生能源，中小型風力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在我國已得到初步應用。這兩種發(fā)電方式各有其優(yōu)點，但風能、太陽能都是不穩(wěn)定的，不連續(xù)的能源，用于無電網(wǎng)地區(qū)，需要配備相當大的儲能設(shè)備，或者采取多能互補的辦法，以保證發(fā)電系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的供電。太陽能與風能在時間上和地域上都有很強的互補性，我國屬季風氣候區(qū)，一般冬季風大，太陽輻射強度小;夏季風小，太陽輻射強度大，在季節(jié)上可以相互補充利用。白天太陽光最強時，風很小，晚上太陽落山后，光照很弱，但由于地表溫差變化大而使風能加強。夜間和陰雨天無陽光時由風能發(fā)電，晴天由太陽能發(fā)電，在既有風又有太陽的情況下兩者同時發(fā)揮作用，實現(xiàn)了全天候的發(fā)電，比單用風能和太陽能更經(jīng)濟、科學、實用。

　　風光互補發(fā)電的應用方向，不應是以聯(lián)網(wǎng)發(fā)電為主，風光互補發(fā)電是針對邊遠牧區(qū)、無電戶地區(qū)及海島，在遠離大電網(wǎng)，人煙稀少，用電負荷低且交通不便的情況下，利用本地區(qū)充裕的風能、太陽能建設(shè)的一種經(jīng)濟實用性發(fā)電站。風光互補發(fā)電技術(shù)是解決這些無電人口供電問題的有效手段。偏遠地區(qū)一般用電負荷都不大，所以用電網(wǎng)送電就不經(jīng)濟，在當?shù)刂苯影l(fā)電，最常用的就是采用柴油發(fā)電機。但柴油的儲運對偏遠地區(qū)成本太高，所以柴油發(fā)電機只能作為一種短時的應急電源。要解決長期穩(wěn)定可靠的供電問題，只能依賴當?shù)氐淖匀荒茉础?/p>

　　風力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)都存在由于資源的不確定性，導致了發(fā)電與用電負荷的不平衡。利用風能和太陽能具有的互補性，開發(fā)風光互補發(fā)電系統(tǒng)，可以彌補太陽能和風能相互之間的不足，如圖1所示。太陽能和風能在時間上的互補性，使風光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有最佳匹配的可能性，采用風光互補技術(shù)，可以在一定程度上減少太陽能電池組件容量，并降低了發(fā)電系統(tǒng)的成本。價格低、性能穩(wěn)定的風光互補發(fā)電系統(tǒng)比單一能源的太陽能或風能發(fā)電系統(tǒng)更加容易被用戶所接受，更利于推廣。

　　圖2為某地10月份的一天中太陽能和風能資源的分布，因此，采用風光互補發(fā)電，可以彌補風能、太陽能間歇性的缺陷，從而開發(fā)一種新的性能優(yōu)越的綠色能源。風光互補發(fā)電是比單獨風力發(fā)電、單獨太陽能光伏發(fā)電更加有效的發(fā)電方式。采用風光互補發(fā)電系統(tǒng)，可實現(xiàn)能量之間的相互補充，不僅能提供更加穩(wěn)定的電能輸出，還可以在一定程度上削弱風力發(fā)電系統(tǒng)的反調(diào)峰特性。

　　3風光互補發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)勢及構(gòu)成框圖

　　(1)風光互補發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)勢

　　風光互補發(fā)電系統(tǒng)是一種將光能和風能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，由于太陽能與風能的互補性強，風光互補發(fā)電系統(tǒng)彌補了風能與太陽能獨立發(fā)電系統(tǒng)在資源上的間斷不平衡性、不穩(wěn)定性，可以根據(jù)用戶的用電負荷情況和資源條件進行系統(tǒng)容量的合理配置，既可保證供電的可靠性，又可降低發(fā)電系統(tǒng)的造價，不受地域限制，既環(huán)保又節(jié)能。

　　風光互補發(fā)電系統(tǒng)按是否并入公共電網(wǎng)系統(tǒng)可分為并網(wǎng)風光互補發(fā)電系統(tǒng)和離網(wǎng)風光互補發(fā)電系統(tǒng)。離網(wǎng)風光互補發(fā)電系統(tǒng)是獨立于公共電網(wǎng)、自發(fā)自用的發(fā)電系統(tǒng)，常用于為邊遠無電用戶供電;并網(wǎng)風光互補發(fā)電系統(tǒng)是為公共電網(wǎng)提供電力的發(fā)電系統(tǒng)。通常離網(wǎng)風光互補發(fā)電系統(tǒng)容量在100W～100kW級，并網(wǎng)風光互補發(fā)電系統(tǒng)容量可達數(shù)百千瓦甚至兆瓦級。

　　優(yōu)化配置的風光互補發(fā)電系統(tǒng)可保證系統(tǒng)供電的可靠性，又可降低發(fā)電系統(tǒng)的造價。無論是怎樣的環(huán)境和怎樣的用電要求，風光互補發(fā)電系統(tǒng)都可作出最優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計方案來滿足用戶的要求。應該說，風光互補發(fā)電系統(tǒng)是最合理的獨立電源系統(tǒng)。這種合理性表現(xiàn)在資源配置最合理，技術(shù)方案最合理，性能價格最合理。正是這種合理性保證了風光互補發(fā)電系統(tǒng)的高可靠性。目前，推廣風光互補發(fā)電系統(tǒng)的最大障礙是中小型風力發(fā)電機的可靠性問題。

　　綜合利用了風能、太陽能的風光互補發(fā)電系統(tǒng)，不僅能為電網(wǎng)供電不便的地區(qū)，提供低成本、高可靠性的電源，而且也為解決當前的能源危機和環(huán)境污染開辟了一條新路。風光互補發(fā)電系統(tǒng)是科學利用自然資源的新成果，它有如下諸多優(yōu)勢：

　　1)利用風能、太陽能的互補性，彌補了獨立風力發(fā)電和獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的不足，可以獲得比較穩(wěn)定的和可靠性高的電源。

　　2)充分利用土地資源。風力發(fā)電設(shè)備利用高空風能，光伏發(fā)電設(shè)備則利用風力機下的地面太陽能，實現(xiàn)地面和高空的有效結(jié)合。

　　3)在保證同樣供電的情況下，可大大減少儲能蓄電池的容量。

　　4)對風光互補發(fā)電系統(tǒng)進行合理的設(shè)計和匹配，可實現(xiàn)由風光互補發(fā)電系統(tǒng)可靠供電，很少或基本不用啟動備用電源如柴油機發(fā)電機組等，可獲得較好的社會效益和經(jīng)濟效益。

　　5)由于風光互補發(fā)電系統(tǒng)共用一套配電設(shè)備，降低了工程造價;共用一批管理和工程技術(shù)人員，提高了勞動效率，降低了運行成本。

　　(2)風光互補發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成框圖

　　風光互補發(fā)電系統(tǒng)作為合理的獨立電源系統(tǒng)，開創(chuàng)了一條綜合開發(fā)風能和太陽能資源的新途徑，標志著開發(fā)利用可再生能源發(fā)電進入了新的階段。風光互補發(fā)電系統(tǒng)不僅適用于缺電的邊遠地區(qū)，因其利用可再生能源，無污染，且成本低、效率高，所以在條件具備的地方都有很好的開發(fā)應用前景。所以綜合開發(fā)利用風能、太陽能，發(fā)展風光互補發(fā)電有著廣闊的前景，受到了很多國家的重視。

　　早期的風光互補發(fā)電系統(tǒng)僅是簡單地將風力發(fā)電系統(tǒng)和太陽能發(fā)電系統(tǒng)組合在一起，并沒有考慮系統(tǒng)匹配、優(yōu)化等問題。要進行風光互補發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計、充分發(fā)揮風光互補發(fā)電的優(yōu)勢，首先要調(diào)查當?shù)靥柲芎惋L能資源狀況，然后在基礎(chǔ)資源數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對互補系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，風光互補發(fā)電系統(tǒng)建成后，應對其進行系統(tǒng)匹配測試和發(fā)電量等性能參數(shù)的實際測試，并進行評價。

　　離網(wǎng)風光互補發(fā)電系統(tǒng)框圖如圖3所示，光伏發(fā)電單元采用所需規(guī)模的太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，風力發(fā)電單元利用中小型風力發(fā)電機將風能轉(zhuǎn)換為電能，并通過智能控制中心對蓄電池充電、放電、逆變器進行統(tǒng)一管理，為負載提供穩(wěn)定可靠的電力供應。兩個發(fā)電單元在能源的采集上互相補充，同時又各具特色。風光互補發(fā)電系統(tǒng)可充分發(fā)揮風力發(fā)電和光伏發(fā)電各自的特性和優(yōu)勢，最大限度的利用好大自然賜予的風能和太陽能。對于用電量大、用電要求高，而風能資源和太陽能資源又較豐富的地區(qū)，選用風光互補發(fā)電系統(tǒng)無疑是一種最佳選擇。

　　離網(wǎng)風光互補發(fā)電系統(tǒng)是由風力發(fā)電機組、太陽能光伏電池組、蓄電池、控制器/逆變器、配電系統(tǒng)和用電設(shè)備等組成。風光互補發(fā)電系統(tǒng)的控制器/逆變器上設(shè)置了風力發(fā)電機和太陽能電池兩個輸入接口，風力發(fā)電機和太陽能光伏電池發(fā)出的電，通過充電控制器向蓄電池組充電;然后將蓄電池儲存的直流電通過逆變器轉(zhuǎn)換為適合通用電器使用的交流電。

　　根據(jù)不同地區(qū)的風能、太陽能資源，以及不同的用電需求，用戶可配置不同的風光互補發(fā)電模式。做到完全利用自然資源自主發(fā)電，為照明或動力設(shè)備提供穩(wěn)定的電能。從理論上來講，利用風光互補發(fā)電，在設(shè)計上以風電為主，光電為輔是最佳匹配方案，前提是，要做到風能和太陽能的無縫對接，要做到無縫對接轉(zhuǎn)換，也就是不停電，同時要能對抗惡劣天氣，安全性能好。并且，在設(shè)計中還要考慮應用地的氣候、日照時間、最高最低風速、噪音等一系列外部因素，優(yōu)化配置風力發(fā)電機和太陽能電池，以充分利用太陽能和風能。一方面降低發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備制造成本，另一方面，增加了利用自然能源的時間，則減少使用蓄電池的時間，提高蓄電池使用壽命。

　　目前，國外在風光互補發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計上，主要有兩種方法來確定功率：一是功率匹配法，即在不同輻射和風速下對應的太陽能電池陣列的功率和風力發(fā)電機的功率之和大于負載功率，并實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化控制。另一是能量匹配的方法，即在不同輻射和風速下對應的太陽能電池陣列的發(fā)電量和風力發(fā)電機的發(fā)電量之和大于等于負載的耗電量，主要用于系統(tǒng)功率設(shè)計。目前，國內(nèi)在風光互補發(fā)電系統(tǒng)進行研究的領(lǐng)域有：風光互補發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化匹配計算、系統(tǒng)優(yōu)化控制等