风光互补发电系统的发展与应用

孙 楠,邢德山,杜海玲

(山西大学工程学院,山西太原 030013)

风光互补发电系统的发展与应用

孙 楠,邢德山,杜海玲

(山西大学工程学院,山西太原 030013)

指出了风光互补发电系统作为独立电源系统和清洁的供电系统,有着广泛的应用,分析了风光互补发电系统在资源利用以及系统配置的合理性,概括叙述了风光互补发电系统在国内外的发展和应用情况,包括相关软件的开发、系统的优化设计和合理配置、对我国已有电站的调查分析及研究现状;提出了今后的研究方向,如特定区域气象资料的测量与统计、系统各组分的动态特性研究、应用领域的开拓等。

风能;太阳能;风光互补;发电系统

1 风光互补发电系统的合理性

1.1 资源利用的合理性

太阳能和风能是最普遍的自然资源,也是取之不尽的可再生能源。太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量,风能是太阳能在地球表面的一种表现形式,由于地球表面的不同形态(如沙土地面、植被地面和水面)对太阳光照的吸收能力不同,所以在地球表面形成温差,从而形成空气对流而产生风能。太阳能和风能在时间分布上有很强的互补性。白天太阳光最强时,风很小,到了晚上,光照很弱,但由于地表温差变化大而风能有所加强;在夏季,太阳光强度大而风小,冬季,太阳光强度弱而风大。太阳能和风能在时间上的互补性使得风光互补发电系统在资源利用上具有很好的匹配性[1]。

1.2 系统配置的合理性

风光互补发电系统是由风电系统与光电系统组成的联合供电系统。

风电系统是利用风力发电机将风能转换成电能,然后通过控制器对蓄电池充电,通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。光电系统是利用太阳电池板将太阳能转换成电能,然后通过控制器对蓄电池充电,通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。风电系统发电量较高,系统造价较低,但是可靠性较差。光电系统供电可靠性高,但成本高。两套系统一旦建成其运行维护成本均比较低[2]。

单独的风能、太阳能发电系统很难保证稳定的能量输出,从而会引起系统的供电和用电负荷的不平衡,导致蓄电池处于亏电状态或过充电状态,长期运行会降低蓄电池的使用寿命,增加系统的维护投资[3]。所以一种新型的风光互补发电系统被提出来解决单独的风能、太阳能发电系统存在的问题。

风光互补发电系统可以利用风能、太阳能的互补特性,获得比较稳定的总输出,提高发电系统的稳定性和可靠性;在供电量相同的情况下,可大大减少储能蓄电池的容量,并提高蓄电池使用寿命;通过合理的设计与匹配,可以基本上由风光互补发电系统供电,很少或基本不用启动备用电源如柴油发电机组等,节省投资[4]。

2 风光互补发电系统的研究与发展状况

1981年,丹麦的N.E.Busch和 KΦ llenbach提出了太阳能和风能混合利用的技术问题。最初的风光互补发电系统只是将风力机和光伏组件进行简单的组合[5]。随后美国的C.I.Aspliden研究了太阳能—风能混合转换系统的气象问题;前苏联的N.Aksarni等人根据概率原理,统计出近似的太阳能—风能潜力的估计值,为风光互补发电系统的研究和利用提供了科学的数据支持;1982年,我国的余华扬等提出了太阳能—风能发电机的能量转换装置,风光互补发电系统的研究从此进入实际利用阶段[6]。

随着风光互补发电系统研究的深入,产生了一批初步的研究成果。在软件方面的开发,主要有西班牙 Zaragoza大学 Rodolfo Dufo Lopez等人用C++语言开发了一套用于风光、光柴油机等互补发电系统的基于遗传算法的优化系统 (软件)[7]。Colorado State University和National Renewable Energy Laboratory(美国可再生能源实验室)合作开发了hybrid2应用软件。hybrid2本身是一个很出色的软件,它对一个风光互补系统进行非常精确的模拟运行,根据输入的混合发电系统结构、负载特性以及安装地点的风速、太阳辐射数据获得1年8 760 h的模拟运行结果[8]。

近年来,国内外对风光互补发电系统的研究主要集中在系统的优化设计和合理配置方面。在国外,加拿大Saskatchewan大学Rajesh Karki等人研究了独立小型风光发电系统的成本及可靠性,得出根据负载和风光资源条件合理配置发电系统,是降低发电成本、提高系统可靠性的重要途径,并指出互补发电系统扩容的可行性[7]。在国内,香港理工大学同中科院广州能源所、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[3]。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,找出以最小设备投资成本满足用户用电要求的系统配置。另外,合肥工业大学能源研究所提出了风光发电系统的变结构仿真模型,用户可以重构多种结构的风光复合发电系统并进行计算机仿真计算,从而能够预测系统的性能、控制策略的合理性以及系统运行的效率等[6]。华南理工大学设计了新型无刷双馈发电机,并通过权值调节方式实现太阳能逆变器最优功率传输[3]。在亚洲的其他一些国家,泰国研究人员利用T RNSYS16暂态仿真软件对风光互补发电系统进行了成本评估[9],马来西亚的研究人员采用遗传算法程序对净成本最低化和配置最优化进行了分析研究[10],孟加拉国研究人员根据拟牛顿算法对风光互补独立发电系统进行了优化配置[11]。

研究人员还对我国已有风光互补电站进行了研究分析,上海交通大学机械与动力工程学院对内蒙古自治区锡林郭勒盟苏尼特右旗牧区户用型可再生能源发电系统 (独立风能、独立太阳能和风光互补发电系统的统称)的使用情况、牧民经济条件进行调查,分析了推广户用型可再生能源发电系统过程中所存在的问题及原因,指出系统仍需进一步优化配置来提高整个系统的使用可靠性[12]。中国卫星通信集团公司对青海村村通工程中的风光互补发电系统实际运行情况进行了分析,系统经过1年的运行,完成了计划任务并显现出很好的经济效益,同时也指出系统在准确性和可靠性上仍存在一些问题[13]。

对风光互补发电系统应用领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对风光互补发电系统用于边际油田的开发做了可行性研究,分析了海上油田的特殊性,以及在工程实际应用中需要考虑的几点因素[14-15]。移动通讯方面,中国农业机械化科学研究院、福建邮科通信技术有限公司、新疆新能源股份有限公司都针对某一地区的资源条件以及移动通信建设中设备供电难的问题,给出了风光互补系统用于移动通讯的典型配置[16-18]。在监控方面,广州华南路桥实业有限公司介绍了风光互补发电系统用于我国高速公路监控摄像枪的使用现状,并提出了完善措施[19]。

3 风光互补发电的应用

在我国,风光互补发电场比较少,主要集中在青藏高原、内蒙古自治区等偏远地区,采用独立式发电。1998年和2000年,我国的长江源自然保护站分别安装了600 W/400 Wp(Wp为光伏发电功率)和1000 W/400 Wp两套独立运行的风光互补发电系统。2004年12月,华能南澳54 MW/100 kWp风光互补发电场成功并入当地10 kV电网,是我国第一个正式投入商业化运行的风光互补发电系统[20]。

在城市中,风光互补发电系统的应用主要是在城市路灯的使用上。尽管风光互补路灯初投资较高,但是不需要输电线路和开挖路面做埋管工程,不消耗电能,从长远来看,该系统有明显的经济效益[21]。风光互补照明技术在城市道路和景观照明项目上呈现蓬勃发展势头,国务院公布的21世纪发展计划中明确了发展太阳能和风能的战略,从决策上也指明了方向[22]。

风光互补发电系统还可以用在高速公路上的路灯、报警电话或信号和道路标志上;博览会场和活动会场的场外照明或景观点缀;海上的辅助电源,比如海上导航系统,既节省电网建设成本,又降低能源损耗;或是在灾难时作通信用、避难紧急指示灯的辅助电源,以及需要经常移动的野外作业的工作站等[1]。

在用电负荷比较小、用电可靠性要求不高的远离电网的农村牧区以及海岛,一般来说,采用电网供电不太现实,从整个社会经济看也是一种浪费。建立小型风光互补发电独立电源系统就可以解决一般的照明、家电产品或者提水等生活和生产用电[23]。

在我国,离网型风光互补发电系统被广泛地运用于通信系统的中继站。在西北广袤的土地上,通信系统的中继站的电源问题在过去一直存在着维护难和可靠性低的问题。小型风光互补发电独立电源系统技术的日益成熟从根本上解决了这一问题,使得通信系统中继站的无人值守和免维护成为可能,不但降低了运行成本,而且提高了系统运行的可靠性[23]。

随着风光互补发电技术的日趋完善,其应用范围也在不断地扩大。

4 建议

当前,国内外对风光互补发电的研究大多集中于互补发电系统的静态体系结构的研究、蓄能设备的配置及控制、系统仿真等[7]。为了促进风光互补发电系统的进一步发展,使其成为一种具有竞争力的清洁电源,应加强以下方面的工作。

a)进一步做好风光互补发电场的风能资源、太阳能光照资源,特别是具有风光互补发电应用潜力的小区域气象数据的勘测统计工作,为风光互补发电系统的广泛应用提供更可靠的依据。

b)研究风光互补发电系统各组成部分的动态运行特性[21],降低系统运行成本,提高发电场运行质量。

c)进一步拓展风光互补发电系统的应用领域,如开展风光互补发电系统小区域路灯照明和室内照明等方面的应用研究等。

d)积累风光互补发电的使用数据,在应用中逐步形成较完善的可再生能源技术支撑体系,为可再生能源的大规模开发和利用奠定基础。

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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

孙 楠 (1981-),女,内蒙古赤峰人,2006年毕业于爱尔兰都柏林国立大学环境工程专业,助教,研究方向为环境污染控制及新能源利用;

邢德山 (1960-),男,山西大同人,2008年毕业于华北电力大学热能工程专业,教授,研究方向为新能源利用;

白静利 (1985-),男,山西阳泉人,2008年毕业于华北电力大学热能工程专业,助教,研究方向为新能源利用。