基于典型工作任务下的风光互补实训设备改造与实施

张晓栋 乌云高娃

摘要：本课题主要研究如何设计改造和利用风光互补发电机组进行实体教学。由于现有风光互补实训室设备多偏重于智能控制理论难度较高，实训内容缺少真正在牧区那种实用型简易的风光互补设备;在实训课中可以极大的培养锻炼学生的动手能力，可以做到直接服务于客户，对于小型家用的风光互补设备的推广有着极大的推动效果。

关键词：风光互补;培训;实体教学

中图分类号：G4 文献标识码：A

一、风光互补系统研究背景与意义

（一）资源利用的合理性

我国是世界上风能资源较为丰富的国家之一，主要分布在两大风能地带，内蒙古、甘肃、新疆等北部和东南沿海及附近岛屿。2017年全球累计风电装机容量排名中，中国仍位居全球第一，装机容量188392MW，累计市场份额35%。2017年中国风电增速放缓，根据初步统计中国实现19.5GW装机，而中国的减速被其他市场的增长弥补。全球市场2017年新增装机52573MW，累计装机容量达到539581MW。

特别是内蒙古锡林郭勒盟风资源丰富，总蕴藏量高达5亿KW以上，占全自治区总量约50%，占全国总量的约20%，可开发利用量超过5千KW，风能的品质好，从而成就了锡林郭勒盟风电利用的独特优势。

就内蒙古锡林郭勒盟锡林浩特市而言，地处西风带，受蒙古高气压和季风的影响，形成了风大、风多、风向稳定的气候特征，尤其春、秋两季，极地干冷空气侵袭频繁，风速大，大风日多，近3年平均风速约为3.6m/s。风能利用的有效风速为3～20m/s，属较丰富地区。

太阳能是地球上一切能源之来源。而我国处于北半球欧亚大陆的东部，地域辽阔，有着丰富的太阳能资源，但由于地理位置不同，太阳能的分布也有很大的区别，主要集中在青海、西藏、新疆、甘肃、宁夏和内蒙古等地区。特别是在内蒙古锡林郭勒盟太阳辐射年总量在515～615J/cm2，属太阳能丰富地区。

农牧民在其家中即可利用太阳能发电，以满足生活所需。同样以内蒙古锡林郭勒盟锡林浩特地区为例，阳光充足，累年平均太阳辐射总量约为541.3kJ/cm2≥10℃有效积温2500℃左右，太阳能资源比较丰富。锡林浩特地区近3年累年平均日照时数约2940.8h，累年平均日照百分率为66.5%，可见在该地区也比较适合建立光伏发电系统。风电场建设、并网发电、风电设备制造等领域成为热点，对于风电人才的需求也快速增加，

随着风电技术专业逐渐成熟，社会对专业人才的需求也在逐年递增。本着主动适应区域、行业经济和社会发展的需要，为了实现提高教学质量，切实改善实训条件，培养“双师型”教师队伍，使实训条件和实训设施的质量和数量以及师资水平充分满足教学要求，逐步形成实训内容与实际生产零距离贴近的实训模式，保证学生获得足够时间的、高质量的实际动手能力训练。

（二）紧密联系本地气候特點

小型家庭实用型风光互补设备的拆装实体教学设备在内蒙古高职院校一直是一个空缺，我们把经过改造的牧区风光互补的设备不仅可以充实风电专业实训教学设备，也可为相关企业员工或者农牧区专业水平不是很高却动手能力较强的急需学习风光互补安装运行与调试的技能的人员，提供培训条件。使他们经过培训完全可以胜任农牧区一些小型风光设备的安装与维护，并可以直接上岗，完成就业。

通过旧物利用和改造淘汰设备来开发新的实训项目供高职院校学生学习与操作。我们拟将牧区收购回来的小型风光互补设备重新进行组装，并在此基础上进行优化设计改进，可用于改善风电专业学生的实训条件，提高教学质量，还可以为农牧民进行就业培训，也可以为与我们内蒙古的邻居蒙古国人士进行培训。

二、国内外现阶段研究状况

1981年，丹麦的N.E.Busch和Kpllenbach 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。随后美国的C.IAspliden研究了太阳能一风能混合转换系统的气象问题;前苏联的N.Aksar ni等人根据概率原理， 统计出近似的太阳能一风能潜力的估计值，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一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。

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，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。

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。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。

以上的研究项目大部分都趋向于提高风光互补系统的发电效率，而对于简单化、模块化的研究项目较少。

三、地域特色的研究

通过对牧区淘汰的三套小型风光互补发电系统进行改进与重组，用于以充实风电专业教学中实训内容，开发新的实训项目。可以对风电专业的教学、培训、科研和服务等有巨大的推动作用。

主要探讨以下问题：

第一，改造后的设备如何补充现有实训项目不足之处。现有实训项目不足以满足直接对岗的工作内容，经过改进后可以补充安装与维护方面直接对岗的教学内容。

第二，改进过程如何实现设备间的兼容问题。目前三套设备老化程度、电压等级、功率大小等均不同。需要经过合理匹配和详细计算实现重新组合利用。

第三，改进后的设备如何开发针对性的新的实训项目内容。所有设备组装运行通过后，需要讨论和研究符合设备和岗位对接的针对性的新的实训项目。

（一）目标：

（1）完善风电专业“教、学、做一体化”的教学及实训功能。

（2）学生实际动手能力的培养功能。形成实训内容与实际生产零距离贴近的实训模式，保证学生获得足够时间的、高质量的实际动手能力训练。

（3）本着主动适应区域、行业经济和社会发展的需要，可为行业及区域经济发展提供人才培养服务。

（二）重点、难点及创新之处

研究重点在于选址与风光互补设备的施工建设，运行设备需要户外的太阳能与风能，选址对于能源利用率有着很大的关系。施工质量关系着以后实训和培训过程的人身安全问题，所以施工过程尤为重要。

研究难点在于整合后的风光互补系统兼容问题。三套不同型号，不同功率，不同生产厂家机型进行兼容与汇流和输出的设计。

创新之处在于淘汰旧物的重新利用，变废为宝用于风光互补理论课程及实训课程进行实体教学。实训过程中可以极大的锻炼学生的动手能力，对于小型实用的风光互补系统相关岗位锻炼有实际意义。

四、风光互补发电的实际应用

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。

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，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。

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;博覽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正作站等。

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。

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。在西北广表的土地上，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。

在内蒙古锡林郭勒盟由于草原面积广阔，架线输电的成本很高，所以风光互补设备的应用非常广泛，也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。

五、建议

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。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平民化的清洁电源，让大部分普通人像玩智能手机一样快速组装维修风光互补设备，应继续加强风光互补设备的简单明了化、集成化、通用化、地域化等特点的研究。

参考文献

[1]电力行业职业技能鉴定指导中心.风力发电运行检修员.北京：中国电力出版社，2006（04）：132-152

[2]风力发电机组控制技术.北京：中国水利水电出版社，2010（11）：59-62

[3]风力发电机组原理与应用.北京：机械工业出版社，2009（4）：9-12

[4]风力发电机组安装、运行与维护.北京：机械工业出版社，2010（7）;99-101