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【独家】风光互补发电系统的互补性及优势
  • 2017-05-26 15:31:23
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  • 来自:周志敏

摘要:本文简述了风能和太阳能特性,论述了风光互补发电技术的互补性,分析了风光互补发电系统的优势及构成框图。

关键词:风光互补 优势 系统框图

1.风能和太阳能特性

风能和太阳能的利用和发展已有三千多年的历史,是一门古老而又年青的科学、实用而又和生活关系密切的科学、可再生而又能保护环境的科学、现时又为可持续发展的科学、是一次投资可多年受益的产业。在众多新能源领域中,风力发电和太阳能发电的开发和利用被首当其冲优先发展,是当今国际上的一大热点,因为风能和太阳能的利用,是不用开采、不用运输、不用排放垃圾、没有环境污染的技术,是保护地球,造福子孙后代的百年大计工程。

风能和太阳能都是清洁、储量极为丰富的重要的可再生能源,由于受季节更替和天气变化的影响,风能、太阳能都是不稳定、不连续的能源,单独的风力发电或太阳能光伏发电都存在发电量不稳定的缺陷。但风能和太阳能具有天然的互补优势,即白天太阳光强,夜间风多;夏天日照好,风弱而冬春季节风大,日照弱。风光互补发电系统充分利用了风能和太阳能资源的互补性,是一种具有较高性价比的新型能源发电系统。

随着光伏发电技术、风力发电技术的日趋成熟及实用化进程中产品的不断完善,为风光互补发电系统的推广应用奠定了基础。风光互补发电系统推动了我国节能环保事业的发展,促进资源节约型和环境友好型社会的建设。随着设备材料成本的降低、科技的发展、政府扶持政策的推出,风光互补这一清洁、绿色、环保的新能源发电系统将会得到更加广泛的应用。

风能和太阳能可独立构成发电系统,也可组成风能和太阳能混合发电系统,即风光互补发电系统,采用何种发电形式,主要取决于当地的自然资源条件以及发电综合成本,在风能资源较好的地区宜采用风能发电,在日照丰富地区可采用太阳能光伏发电,一般情况下,风能发电的综合成本远低于太阳能光伏发电成本,因而在风能资源较好地区应首选风能发电系统。近年来由于风光互补发电系统具有资源互补性、供电安全性、稳定性均好于单一能源发电系统,且价格居中而得到越来越广泛地应用。

风力发电存在着无风时(尤其是夏季白天长夜间短,太阳光强季节)不发电的问题,太阳能光伏发电也存在着无阳光时(尤其是冬季白天短夜间长,北风大的季节)不发电的问题,如果合理的将风力发电、太阳能光伏发电结合在一起,可实现了365天连续不间断发电。

2.风光互补发电技术

风光互补发电技术是整合了中小型风电技术和太阳能光伏技术,综合了各种应用领域的新技术,其涉及的领域之多、应用范围之广、技术差异化之大,是各种单独技术所无法比拟的。风能和太阳能是目前全球在新能源利用方面,技术最成熟、最具规模化和已产业化发展的行业,单独的风能和单独的太阳能都有其开发的弊端,而风力发电和太阳能发电两者具有互补性,两种新能源结合可实现在自然资源的配置方面、技术方案的整合方面、性能与价格的对比方面都达到了对新能源综合利用的最合理,不但降低了满足同等需求下的单位成本,而且扩大了市场的应用范围,还提高了产品的可靠性。

所谓风光互补,简而言之,是指将风力发电和光伏发电组合起来构成发电系统。在新能源领域的研究者和投资者看来,利用太阳能电池将太阳能转换成电能的光伏发电系统,虽然清洁,但造价相对高,且受日照时间影响;而风电系统虽然系统造价低,运行维护成本低,但质量可靠性也相对较差。将两者相结合,却能互补所短,各扬所长。然而,风光互补发电技术并不是简单地将风能和太阳能相加就可以,其间还涉及一系列复杂的技术及系统的匹配设计。

在风光互补发电技术的推广应用中,竞争的关键是综合配置能力。寻找最佳匹配方案需做大量的研究工作,反复推算、演示,进行市场摸排,选配组件、组装等,已构成最佳匹配的方案,以实现风能和太阳能的无缝对接,有光照的时候通过太阳能电池将光能转换为电能,有风的时候利用风力机发电,二者均无的时候,负载可以利用蓄电池储备的电能工作。

风能、太阳能都是无污染的、取之不尽用之不竭的可再生能源,中小型风力发电和太阳能光伏发电系统在我国已得到初步应用。这两种发电方式各有其优点,但风能、太阳能都是不稳定的,不连续的能源,用于无电网地区,需要配备相当大的储能设备,或者采取多能互补的办法,以保证发电系统能够稳定的供电。太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性,我国属季风气候区,一般冬季风大,太阳辐射强度小;夏季风小,太阳辐射强度大,在季节上可以相互补充利用。白天太阳光最强时,风很小,晚上太阳落山后,光照很弱,但由于地表温差变化大而使风能加强。夜间和阴雨天无阳光时由风能发电,晴天由太阳能发电,在既有风又有太阳的情况下两者同时发挥作用,实现了全天候的发电,比单用风能和太阳能更经济、科学、实用。

风光互补发电的应用方向,不应是以联网发电为主,风光互补发电是针对边远牧区、无电户地区及海岛,在远离大电网,人烟稀少,用电负荷低且交通不便的情况下,利用本地区充裕的风能、太阳能建设的一种经济实用性发电站。风光互补发电技术是解决这些无电人口供电问题的有效手段。偏远地区一般用电负荷都不大,所以用电网送电就不经济,在当地直接发电,最常用的就是采用柴油发电机。但柴油的储运对偏远地区成本太高,所以柴油发电机只能作为一种短时的应急电源。要解决长期稳定可靠的供电问题,只能依赖当地的自然能源。

风力发电和太阳能光伏发电系统都存在由于资源的不确定性,导致了发电与用电负荷的不平衡。利用风能和太阳能具有的互补性,开发风光互补发电系统,可以弥补太阳能和风能相互之间的不足,如图1所示。太阳能和风能在时间上的互补性,使风光互补发电系统在资源上具有最佳匹配的可能性,采用风光互补技术,可以在一定程度上减少太阳能电池组件容量,并降低了发电系统的成本。价格低、性能稳定的风光互补发电系统比单一能源的太阳能或风能发电系统更加容易被用户所接受,更利于推广。

图2为某地10月份的一天中太阳能和风能资源的分布,因此,采用风光互补发电,可以弥补风能、太阳能间歇性的缺陷,从而开发一种新的性能优越的绿色能源。风光互补发电是比单独风力发电、单独太阳能光伏发电更加有效的发电方式。采用风光互补发电系统,可实现能量之间的相互补充,不仅能提供更加稳定的电能输出,还可以在一定程度上削弱风力发电系统的反调峰特性。

3风光互补发电系统优势及构成框图

(1)风光互补发电系统优势

风光互补发电系统是一种将光能和风能转化为电能的装置,由于太阳能与风能的互补性强,风光互补发电系统弥补了风能与太阳能独立发电系统在资源上的间断不平衡性、不稳定性,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,既可保证供电的可靠性,又可降低发电系统的造价,不受地域限制,既环保又节能。

风光互补发电系统按是否并入公共电网系统可分为并网风光互补发电系统和离网风光互补发电系统。离网风光互补发电系统是独立于公共电网、自发自用的发电系统,常用于为边远无电用户供电;并网风光互补发电系统是为公共电网提供电力的发电系统。通常离网风光互补发电系统容量在100W~100kW级,并网风光互补发电系统容量可达数百千瓦甚至兆瓦级。

优化配置的风光互补发电系统可保证系统供电的可靠性,又可降低发电系统的造价。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作出最优化的系统设计方案来满足用户的要求。应该说,风光互补发电系统是最合理的独立电源系统。这种合理性表现在资源配置最合理,技术方案最合理,性能价格最合理。正是这种合理性保证了风光互补发电系统的高可靠性。目前,推广风光互补发电系统的最大障碍是中小型风力发电机的可靠性问题。

综合利用了风能、太阳能的风光互补发电系统,不仅能为电网供电不便的地区,提供低成本、高可靠性的电源,而且也为解决当前的能源危机和环境污染开辟了一条新路。风光互补发电系统是科学利用自然资源的新成果,它有如下诸多优势:

1)利用风能、太阳能的互补性,弥补了独立风力发电和独立光伏发电系统的不足,可以获得比较稳定的和可靠性高的电源。

2)充分利用土地资源。风力发电设备利用高空风能,光伏发电设备则利用风力机下的地面太阳能,实现地面和高空的有效结合。

3)在保证同样供电的情况下,可大大减少储能蓄电池的容量。

4)对风光互补发电系统进行合理的设计和匹配,可实现由风光互补发电系统可靠供电,很少或基本不用启动备用电源如柴油机发电机组等,可获得较好的社会效益和经济效益。

5)由于风光互补发电系统共用一套配电设备,降低了工程造价;共用一批管理和工程技术人员,提高了劳动效率,降低了运行成本。

(2)风光互补发电系统构成框图

风光互补发电系统作为合理的独立电源系统,开创了一条综合开发风能和太阳能资源的新途径,标志着开发利用可再生能源发电进入了新的阶段。风光互补发电系统不仅适用于缺电的边远地区,因其利用可再生能源,无污染,且成本低、效率高,所以在条件具备的地方都有很好的开发应用前景。所以综合开发利用风能、太阳能,发展风光互补发电有着广阔的前景,受到了很多国家的重视。

早期的风光互补发电系统仅是简单地将风力发电系统和太阳能发电系统组合在一起,并没有考虑系统匹配、优化等问题。要进行风光互补发电系统设计、充分发挥风光互补发电的优势,首先要调查当地太阳能和风能资源状况,然后在基础资源数据的基础上,对互补系统进行优化设计,风光互补发电系统建成后,应对其进行系统匹配测试和发电量等性能参数的实际测试,并进行评价。

离网风光互补发电系统框图如图3所示,光伏发电单元采用所需规模的太阳能电池将太阳能转换为电能,风力发电单元利用中小型风力发电机将风能转换为电能,并通过智能控制中心对蓄电池充电、放电、逆变器进行统一管理,为负载提供稳定可靠的电力供应。两个发电单元在能源的采集上互相补充,同时又各具特色。风光互补发电系统可充分发挥风力发电和光伏发电各自的特性和优势,最大限度的利用好大自然赐予的风能和太阳能。对于用电量大、用电要求高,而风能资源和太阳能资源又较丰富的地区,选用风光互补发电系统无疑是一种最佳选择。

离网风光互补发电系统是由风力发电机组、太阳能光伏电池组、蓄电池、控制器/逆变器、配电系统和用电设备等组成。风光互补发电系统的控制器/逆变器上设置了风力发电机和太阳能电池两个输入接口,风力发电机和太阳能光伏电池发出的电,通过充电控制器向蓄电池组充电;然后将蓄电池储存的直流电通过逆变器转换为适合通用电器使用的交流电。

根据不同地区的风能、太阳能资源,以及不同的用电需求,用户可配置不同的风光互补发电模式。做到完全利用自然资源自主发电,为照明或动力设备提供稳定的电能。从理论上来讲,利用风光互补发电,在设计上以风电为主,光电为辅是最佳匹配方案,前提是,要做到风能和太阳能的无缝对接,要做到无缝对接转换,也就是不停电,同时要能对抗恶劣天气,安全性能好。并且,在设计中还要考虑应用地的气候、日照时间、最高最低风速、噪音等一系列外部因素,优化配置风力发电机和太阳能电池,以充分利用太阳能和风能。一方面降低发电系统设备制造成本,另一方面,增加了利用自然能源的时间,则减少使用蓄电池的时间,提高蓄电池使用寿命。

目前,国外在风光互补发电系统的设计上,主要有两种方法来确定功率:一是功率匹配法,即在不同辐射和风速下对应的太阳能电池阵列的功率和风力发电机的功率之和大于负载功率,并实现系统的优化控制。另一是能量匹配的方法,即在不同辐射和风速下对应的太阳能电池阵列的发电量和风力发电机的发电量之和大于等于负载的耗电量,主要用于系统功率设计。目前,国内在风光互补发电系统进行研究的领域有:风光互补发电系统的优化匹配计算、系统优化控制等。

【责任编辑:ada.sun】
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关键字阅读: 风光互补 太阳能发电
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