风光互补发电系统在北京郊区应用的可行性研究

郝建华

摘要：随着经济的快速发展，能源消耗的逐年增加，不可再生的常规能源面临日益枯竭的境况，迫切需要可再生的新型清洁能源。而风能与太阳能在众多新型能源中潜力最大，也最具开发价值。由于太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性。综合利用风能、太阳能的风光互补发电系统成为一种合理的能源系统。本文主要介绍了风光互补发电系统的结构和工作原理，分析了北京郊区太阳能风能资源和他们之间的互补性，总结出风光互补发电系统在郊区应用的优势性、合理性和可行性。

关键词：风光互补发电系统；互补；太阳能：蓄电池

一、风光互补发电系统在北京郊区应用的可行性研究背景

1.电已成为人们生活中最常用的动力来源，随着人们生活水平的不断提高和技术进步，人们对电的依赖越来越强，在远离电网的地区，独立供电系统就成为人们最需要的电源，近些年太阳能的应用已逐渐扩大，已广泛用于城市太阳能光伏电源系统（SHS），水情监测用太阳能电源系统，铁路的信号站，高速公路或森林的监控电源系统，屋顶光伏电源系统，公路照明等方面，偏远的郊区农民更需要低成本高可靠性的独立电源系统。

2.随着石化燃料消耗的增长，环境日益恶化，资源日益匮乏，利用可再生的清洁能源成为解决中国资源和环境问题的必由之路。其中太阳能和风能是最具代表性的可再生能源，也是目前研究开发的重点。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的匹配性。风光互补发电系统成为边远地区资源条件最好的独立电源系统，具有很好的应用前景。

3.北京农村地域广阔，除居家环境用电，更多应用于蔬菜大棚、果园、养殖业、农家院等生产生活，这些用电负荷较小而且分散，通过大电网的延伸来供电很不现实。单独太阳能发电系统，很大程度上受到时间天气和地域的约束，很难实现全天候利用自然资源。风光互补发电系统利用了风能和太阳能优势，顺应了国家节能减排的政策，也解决了电网难以覆盖的边远郊区的供电问题。

二、北京郊区风光发电的资源技术研究

1.资源的研究

一般生产用电负荷都不大，所以用电网送电“大材小用”，而只能在当地直接发电，最常用的就是采用柴油发电机，但柴油的储运对偏远郊区成本偏高，对环境的污染更难以消除，而且供给难以保障，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，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。

2.风光资源具有互补特性

根据北京郊区光能和风能资源及当地的用电负荷情况，将风能作为风光互补发电的主要指标。这主要是因为：①风能能量密度远大于太阳能密度②风力发电的成本远低于太阳能发电成本③风能的时空变化大而复杂，变率大，太阳能的时空变化规律性强，变率小。

太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性，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风能加强，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风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性，风光互补发电系统是资源条件最好的独立电源系统。

3.北京地区太阳能资源丰富。北京的纬度39.80度，斜面日均辐射量18035KJ/m2，晴天少雨。

4.技术的成熟性

光电系统是利用光电板将太阳能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统，该系统的优点是系统供电可靠性高，运行维护成本低，缺点是系统造价高。

风电系统是利用小型风力发电机，将风能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统，该系统的优点是系统发电量较高，系统造价较低，运行维护成本低，缺点是小型风力发电机可靠性低。

另外，风电和光电系统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，风电和光电系统都必须通过蓄电池储能才能稳定供电，但每天的发电量受天气的影响很大，会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态，这也是引起蓄电池组使用寿命降低的主要原因。

由于太阳能与风能的互补性强，风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷，同时风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以降低，系统成本趋于合理。

风光互补发电系统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，即可保證系统供电的可靠性，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，推广风光互补发电系统的最大障碍是小型风力发电机的可靠性问题。

几十年来，可靠性问题一直没有得到解决，长期以来出于成本上的考虑，先进的液压控制技术没有在小型风力发电机的限速保护上采用，只是根据空气动力学原理，采用简单的机械控制方式对小型风力发电机在大风状态下进行限速保护，机械限速结构的特点是小型风机的机头或某个部件处于动态支撑的状态，这种结构在风洞试验的条件下，可以反映出良好的限速特性，但在自然条件下，由于风速和风向的变化太复杂，而且自然环境恶劣，小型风力发电机的动态支撑部件不可避免的会引进振动和活动部件的损坏，从而使机组损坏。

目前最好的小型风力发电机只保留了三个运动部件，一是风轮驱动发电机主轴旋转，二是尾翼驱动风机的机头偏航，三是为大风限速保护而设的运动部件，前两个运动部件的不可缺少的，这也是风力发电机的基础，实践中这两个运动部件故障率并不高，主要是限速保护机构损坏的情况多，要彻底解决小型风力发电机的可靠性问题必须在限速方式上有最好的解决方法。

三、风光互补发电系统简介

所谓风光互补发电系统就是指将太阳能和风能联合起来、使二者优劣互补进行发电的发电系统。

1.系统结构及原理

典型风光互补发电系统主要由风力发电机组、光伏阵列、控制器、蓄电池组、泄荷器、逆变器、直流交流负载等部分组成。

（1）风力发电机组利用风力机将风能转化为机械能，然后利用风力发电机将机械能转换为电能。此时的电能为交流形式且电压不稳定，所以必须通过整流器整流。然后通过控制器给蓄电池充电，直接给直流负载供电，经过逆变器对交流负载供电。

（2）光伏阵列是由若干太阳电池板串联、并联构成，利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能。此时的电能为直流形式，可以通过控制器向蓄电池充电，并给交流、直流负载供电。

（3）蓄电池在风光互补发电系统中起着储存和调节电能的作用，由多块蓄电池组成。当日照充足或风力很大而导致产生的电能过剩时，蓄电池将剩余的电能转变成化学能储存起来；当風力、日照不佳或负荷用电量增加时，则由蓄电池向负荷补充电能，并保持供电电压的稳定。

（4）逆变器是一种把直流电转变为交流电的装置。风力发电机、太阳能电池和蓄电池输出的电能经控制器后都输出直流电。系统要想给交流负载供电，必须通过逆变器将输出的直流电转换成负载所需的交流电。此外，逆变器还具有自动稳压功能，确保风光互补发电系统的供电质量，提供稳定的电能，使负载正常运行。

（5）控制器在整个系统中起着非常重要的作用。它将系统中各个部分连接起来，并对各部分的工作进行控制。根据日照强弱、风力大小和负荷的变化，控制器不断切换和调节蓄电池的工作状态。当电能充足时，控制器将调节后的电能送往负载，并控制太阳能电池阵列和风力发电机将剩余电能以最佳的充电电流和电压快速、平稳、高效地送入蓄电池组储存，当发电量不能满足负载需要时，控制器控制蓄电池向负载供电，同时避免蓄电池过充电和过放电现象的发生。

（6）泄荷器是一种快速消耗电能的装置。当蓄电池已被充满，系统发电量大于负载用电量时，为防止蓄电池过充和确保逆变器正常工作，控制器会自动接通泄荷器，将多余的电能消耗掉。

风光互补发电系统克服光伏、风力单独发电的不足，有效利用太阳能、风能在时间和地域上的互补性，为不易用电网供电的边远地区提供低成本、高稳定性的电能。同时，它也为当前有效解决能源危机和环境污染问题翻开了崭新的一页

2.风光互补发电系统的特点

风力发电系统利用风力发电机，将风能转换成电能，然而通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对负载供电。该系统具有日发电量较高，系统造价较低，运行维护成本低等优点。缺点是小型风力发电机可靠性低，常规水平轴风力发电机对风速的要求较高。

光伏发电系统利用光电板将太阳能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对负载供电。该系统的优点是系统供电可靠性高、资源条件好、运行维护成本低，缺点是系统造价高。

发电与用电负荷的不平衡性是风电和光电系统共同存在的一个缺陷，它是由资源的不确定性造成的。风电和光电系统发出电能后都必须通过蓄电池储能才能稳定供电，但是每天的发电量受阳光、风力的影响很大，阳光、风力较弱会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态，这是引起蓄电池组使用寿命降低的主要原因。

风光互补发电系统具有以下特点：（1）风光互补发电系统弥补了风电和光电独立发电系统在资源上的缺陷，利用太阳能和风能的互补性，提供较稳定的电能；（2）在风光互补发电系统中，风电和光电系统可以共用一套蓄电池组和逆变环节，减少系统造价（3）整个系统是两种发电系统进行互补运行，因此，在保证同等供电的情况下，可大大减少储能装置的容量（4）风光互补发电系统可以根据用户需要合理配置系统容量，在不影响供电可靠性的情况下减少系统造价（5）风光互补发电系统可以根据用户所在地的季节及天气变化情况优化系统设计方案，在满足用户要求的情况下节约资源。

四、风光互补发电系统在郊区应用的优势性、合理性及可行性

1.优势性

（1）风光互补发电系统将太阳能电池阵列与风力发电机有机地配合组成一个系统，整合了太阳能和风能优势，充分发挥各自的特性，最大限度地利用好大自然赐予的风能和太阳能以应用科学来满足农业生产的需求。

（2）风光互补发电系统不需输电线路，也不需挖开路面埋管或架空线路。解决了农业生产无法供电的难题和传统供电线损耗大成本高的难题。

（3）较风能太阳能单独发电系统，风光互补发电系统利用北京风能和太阳能互补的资源优势，采用风光互补技术，有风无光时通过风力发电机发电，无风有光时通过太阳能电池阵列发电，通过蓄能装置，为用户提供稳定的电源。

（4）风光互补发电系统投资小、见效快；占地面积小，应用灵活便捷，一个家庭、一个村庄、一个区域，无论个人、集体均可采用；供电区域规模小、供电区域明确，便于维护。

（5）风光互补发电系统是把风能和光能转化为电能，直接减少了对矿物燃料的消耗，减少大气污染，保护环境，为北京的绿色蓝天节能减排开辟了新的天地。

2.合理性

（1）北京农村风能、光能资源都非常丰富，但是这些资源时空分布的不均匀性使得单独使用一种能源会出现一定时段内供能不足，甚至出现停止供能的现象。风光互补发电系统利用风能和太阳能的互补性，在资源上弥补了风能和太阳能独立发电系统的缺陷。

（2）风光互补发系统将风能和太阳能转变来的电能通过蓄电池储存起来，通过逆变器将直流电转变为交流电，比传统的家用直流微型发电机功率更大，使用时间更长。

（3）风力发电系统利用高空的风能，光伏发电设备则利用地面的太阳能，实现地面和高空的有效结合，充分利用土地资源。风光互补技术可加大利用太阳能和风能连续工作的能力，降低设备制造成本。同时，加强太阳能和风能利用时间可减少使用蓄电池的时间，提高蓄电池使用寿命。

（4）风光互补发电系统中的蓄电池组和逆变环节在风电和光电系统中在是可以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以大大降低，使系统趋于合理。

3.可行性

风光互补技术的发展，北京郊区丰富的风能太阳能资源及国家对于新能源开发利用的有利政策，使得风光互补发电系统在北京郊区的应用具有可行性。

伴随着风光互补技术的日益成熟，风光互补发电系统可以提供越来越稳定的电力供应，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采用最优化的系统设计方案来满足用户的要求。

风光互补发电系统一种新型的绿色环保发电方式，其能量来源是自然界的太阳能和风能。在太阳能以及风能充足的地区使用风光互补发系统，节约使用成本，同时节省国家能耗，符合国家节能环保政策的要求。

综上所述，风光互补发电系统可以弥补风能和太阳能发电存在的缺陷，利用风能和太阳能在时间和地域上的互补性，北京郊区最大限度地将风能和太阳能转变成电能，通过蓄电池和逆变器给用户供电。太阳能风能非常丰富，而且具有很强的互补性。在北京郊区采用风光互补发电系统为区域农业供电具有很强的优势性、合理性和可行性。