新型太阳能和风能混合发电系统研究与应用

张岳甫

摘 要：可再生能源的综合利用可以促进我国社会的持续发展，并对我国建设环境友好型社会具有重要意义，太阳能和风能则是两种被广泛应用的可再生能源。风力和太阳能单独发电时会面临发电及供電可靠性低、造价高等问题，而采用太阳能-风能混合发电则能够实现优势互补，对于风能和太阳能的综合利用有着重要意义。该文从风能和太阳能的特点出发，对太阳能-风能混合发电系统的研究和应用进行了介绍。

关键词：太阳能 风能 混合发电 研究应用

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）01（c）-0064-02

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

风力发电可以有效减少污染，因此被世界上很多国家和地区开发和利用，像荷兰就是著明的风车王国。风力发电的发展可以分为三个阶段：第一阶段是在20世纪70年代到90年代中期，此时风力发电还处于探索阶段。第二阶段是20世纪中期到21世纪，此阶段是风力发电技术走向迅速发展的阶段。进入21世纪后是风力发电发展的第三个阶段，这个阶段越来越重视保护环境，风能等可持续利用清洁能源的发展受到政策支持，开始出现大规模、集中发展。

目前全世界有上万个村庄使用太阳能光伏发电，光伏发电被应用于通讯、照明、航空航天、公共电力等很多方面。过去的几年中世界光伏组件快速增长，平均增长率可以达到15%。日本曾经提出“阳光计划”和“新阳光计划”用以发展太阳能电光伏产业，其光伏产业也得到了快速增长。世界上很多国家都有光伏计划，光伏发电也正在走向产业化。

1.2 国内研究现状

我国土地广阔，并有2/3的地区为多风地带，风力资源丰富，在20世纪早期我国就进行过风力发电的研究和实验。为了应对世界能源危机和满足偏远地区用电需求我国开始大力发展风电产业，并于1987年建立了第一座并网运行的发电站。随着不断发展我国建立了很多风力发电站，但是风力发电总装机容量在电力网络的总容量中所占比例还比较低，还有很大发展空间。

我国光伏发电的起步慢，发展快。20世纪50年代我国开始进行光伏电源的建造，在1959年成功制作了第一块光伏电池，之后我国光伏发电快速发展，1992年在新疆某地实现了用太阳能消灭无电状况，2004年在深圳建立了当时亚洲最大的太阳能并网电站。如今，我国太阳能光伏发电发展迅速，在规模和范围上都在不断扩大，在未来有很大的发展潜力。

太阳能和风能具有普遍、无污染、储量巨大等优点，并且除购买设备和维修之外不需要额外投入，价格低廉，因此被广泛利用。但是由于这两种能源的利用容易受到天气、地形的影响，并且分散不易集中，因此，在单独利用时需要面临供电可靠性低、造价高等问题。随着太阳能和风能发电技术的发展，人们根据这两种能源在多方面的互补性，提出了太阳能-风能混合发电系统。目前在风光混合发电系统的研究上，一方面是对控制系统进行计算机仿真和优化设计；另一方面则在研究提高系统供电运行的稳定性和高效性。就目前而言，我国太阳能-风能混合发电系统的应用还不够广泛。

2 太阳能和风能相关的理论概念

2.1 风能的相关概念

风是一种常见的自然现象，其成因是太阳辐射，全球能够利用的风能约2×107 MW，这是全球可利用水能总量要大10倍左右。风能的优点体现在蕴藏量大、无污染、可再生以及分布广泛，可以在电网不能到达的就地取材，为偏远地区提供电力。风能也存在一定的缺点，如：能量密度低、不稳定、地区差异大等，容易受到地理环境的影响。

2.2 太阳能相关概念

太阳能是一种取之不尽用之不竭的能源，太阳会通过辐射的方式向地球输送大量的能量，而被地球所接受的能量中，人的利用量极少。太阳辐射的优点在于其分布的普遍性，尤其是在一些偏僻地区能够弥补电网不能到达的空缺。太阳能还具有长久性和清洁型，太阳能是可以开发的蕴藏量最大的能源，并且太阳能发电可以极大减少环境污染，对于环境的保护有重要意义。不过太阳能也存在很明显的缺点，首先太阳能具有分散性，这也导致了利用太阳能的低效率以及高成本，虽然能量总量很大，但是能流密度却比较低，使得需要大面积收集和转换装备，使得利用太阳能发电较其他能源的成本较高。太阳能另一个显著特点是间歇性，太阳能的利用会受到海拔、经纬度以及天气阴晴的影响，因此，在利用太阳能时要做好蓄能工作。

3 风能和太阳能发电原理

风力发电的基本原理是通过风车叶片旋转来驱动风力发电机工作，随着旋转速度的增加，就可以产生电能。通过对于风力发电的研究人们知道，风速超过3 km/h的时候风车就可以进行发电，风力发电是一个系统，系统中包括充电器、风力发电机和数字逆变器等设备。在风力发电机中是通过定子绕组切割磁力线来产生电能的，这是风能转化成电能的过程。由于风量时常发生变化，所以发电机会输出交流电压，其输出的功率将会通过整流器和充电器对蓄电池进行充电，这个过程电能被转化成了化学能，之后保护电路里的逆变电源将电池中的化学能再次转化成电能。目前常用的风力发电机主要有异步风力发电机、双馈异步发电机和直驱式交流永磁同步发电机等三种类型，不同的风力机组有不同的数学模型和工作原理以及分析方法，在功能上则各有优势。

4 光伏发电的基本原理

在太阳能-风能混合发电系统中，太阳能发电的基本原理是基于光生伏特效应。所谓光生伏特效应是指在光的照射下半导体产生电动势的现象，因此，当太阳光照射到硅制成的太阳能电池板上时可以在其上产生电流，从而实现太阳能到电能的转化，使太阳能电池串联或者并联就可以组成光伏方阵，可以进行发电。太阳能电池产生电流的根本原因是其吸收了光子，光子是光的组成成分，是一种具有能量的粒子，光的波长决定了其能量的大小。太阳能电池中的晶体硅吸收了光子会在PN结中产生相互配对的正负带电粒子，因为这附近的正负电荷是分离的，使得PN结区域形成了一个电场。此时在太阳能电池的面上接上负载，就会有电流从负载流过，最终电流会从太阳能电池的底端流经负载到达其顶端。

4.1 太阳能-风能混合发电系统原理和结构

4.1.1 太阳能-风能混合发电系统的基本原理

太阳能-风能混合发电可以实现太阳能光伏发电和风能发电的特性互补，从而实现昼夜发电和各个季节电能的稳定输出，这个系统比单独的太阳能和风能发电更能充分利用资源，提高了发电的可靠性和稳定性，并且让系统的持续供电性能大大提升。太阳能-风能混合发电还能够降低投资和运行成本，两种发电形式的优势互补使得对蓄电池容量的要求降低，减少了费用。太阳能-风能混合发电系统的最佳状态是在不起动外加电源的情况下实现给负载进行24 h的稳定电能输出，此时系统可以实现经济效益、社会效益的最大化。太阳能-风能混合发电的缺点在于其系统相较于风能或者太阳能单独发电更为复杂，使得对系统控制和管理的要求也变得更高，系统的维护也会更难。风光混合发电系统运行过程是：利用自然风力发电，风轮转动时吸收了风能，从而带动了风力发电机，将风能转换为电能，太阳能光伏电池将吸收的太阳光转化成电能，产生的电流经过整流、稳压和控制器，之后可以直接连接直流负载，也可以通过逆变器完成交流-直流转化后连接交流负载，产生的电能也可以在蓄电池内备用。

4.1.2 太阳能-风能混合发电系统的基本组成

太阳能-风能混合发电系统一般由风力发电机、整流器、升压变换器、光伏电池阵列、卸荷器、控制器、蓄电池组、逆变器、直流负载和交流负载构成。系统中存在能量生产、存储以及消耗等三个環节，能量生产环节由风力发电机和光伏电池完成，他们分别将风能和太阳能转化为电能。整流器负责将风力发电机发出的交流电转化为稳定的直流电。能量的储存环节则是由蓄电池承担的，它在系统中的作用是解决能量供需不平衡的情况，它既能够起到储能作用，还有稳定电压的功能。能量消耗环节则由负载构成，根据电流性质可以将负载分为直流负载和交流负载两种类型。逆变器的功能是将直流电转化为交流电，从而使产生的电能能够被负载使用。控制器是整个系统的核心，它能够保护蓄电池的充放电，控制系统的总输出功率，还能够对系统的运行进行监控，保障系统的正常运行。

风电互补发电系统一般在太阳光强时采用光伏发电，风能供电支路则处于断开状态，反之，则由风力发电机组进行供电，光伏电池支路处于断开状态。目前出现了可以两条线路同时供电的太阳能-风能混合发电系统，只要两只供电支路的输出电压大于蓄电池电压，使二极管导通就可以实现两条支路同时供电。

4.2 太阳能-风能混合系统发电的应用

太阳能-风能混合发电可以应用于无电农村地区的生活用电，半导体室外照明、航标、监控摄像机电源、通信基站、海水淡化装置和抽水蓄能电站等方面，并且随着人们不断开发绿色能源，太阳能-风能混合发电在将来可能成为人们用电的主要来源。在这些方面太阳能-风能混合发电相比普通电网供电有许多优势，以通讯基站为例，处于高原和山区的通讯基站由于其地理位置问题，架设通电线路面临高成本、难维修等问题，建设太阳能-风能混合发电则可以有效解决这些困难，节约成本，并使通信基站正常运行。

5 结语

随着国家越来越重视环境保护和节约能源，太阳能-风能混合发电还有很大发展空间。未来太阳能-风能混合发电系统将像更加稳定、经济方向发展，实现系统各部分更加合理的配置，使系统的成本和维护费用继续降低，促进太阳能-风能混合发电系统的广泛应用。

参考文献

[1] 张帅.风能和太阳能互补发电系统研究[D].河北农业大学，2014.

[2] 陈俊.风光混合独立供电系统的研究[D].内蒙古工业大学，2006.

[3] 王艳聃，苏晓琴.太阳能风能综合发电系统的应用[J].运城学院学报，2016，34（3）：39-44.