风光互补发电系统简述

风光互补发电系统摘要：风光互补发电系统是利用风能和太阳能资源的互补性，具有较高性价比的一种新型能源发电系统。本文通过对风光互补发电系统的动力来源-风能和太阳能资源的初步调研，分析了风光互补发电系统的优势，并总结了国内外风光互补发电系统的研究现状，对其基本的工作原理进行了阐述。最后对举例说明了风光互补发电系统的应用前景。关键词：风光互补，现状，工作原理，应用前景1.引言能源是人类社会发展和进步的物质基础，人类社会的发展和进步离不开优质能源的开发利用和先进的能源技术的不断革新。煤和石油等矿物能源的开发和利用推动了近代工业革命的发展，极大地改变了人类的生活方式。由于煤、石油、天热气等常规能源的储量是有限的，据估计，地球上煤炭最多可用300年，石油最多可维持40多年，天然气还可以维持50多年，不断爆发的能源危机严重阻碍了人类社会的发展进步。为了缓解不断加重的能源危机，世界各国相继加大了对可再生能源的研究。可再生能源是指除常规能源外的包括风能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能等能源资源。为了降低能耗和解决日益突出的环境问题，全球都投入到了可再生发展能源的热潮之中，全球可再生能源发展取得了明显成效。主要表现在：成本持续下降，市场份额不断扩大，其定位也开始由补充能源向替代常规能源的方向转化。近10年来，全球风力发电市场保持了28％的年均增长速度，太阳能光伏发电的年均增长速度超过30％[1]。进入新世纪以来，中国的可再生能源利用步入了快速发展的轨道，特别是自2006年可再生能源法实施以来，中国可再生能源已经进入快速发展时期。2009年中国可再生能源在一次性能源消费结构中所占的比例已从2008年的8％提升至9％。根据中国国家能源局制定的《新能源产业振兴发展规划》，预计到2011年，新能源在能源结构中的占到的比重达到2％(含水电为l％)，新能源发电容量占总电力装机容量的比重将会达到5％(含水电为25％)。其中风电装机容量将会达到3500万千瓦(陆地风电3000万千瓦，海上风电500万千瓦)，太阳能发电装机容量达到200万千瓦[2]。除此之外，根据(2008年中国风电发展报告》的预测，估计到2020年末，全国风电开发建设总规模有望达到1亿kW。到2020年全国可再生能源利用总量将相当于6亿吨标准煤，可再生能源的消费占一次能源消费的15％，这将对中国能源结构调整，减少温室气体排放，保护生态环境将发挥更大作用。2.风光互补发电系统的特点及优越性风光互补发电系统是由风力发电、太阳能电池发电、储能设备组成的；其系统能量输出是由风力发电机组发电和光伏发电共同提供的，即系统是以风能和太阳能作为动力源泉，系统的特点由风能与太阳能的特点决定[3]。2.1太阳能、风能优缺点近些年来，国内外大力发展风能和太阳能，优化能源结构是新世纪的趋势，与常规能源相比风能和太阳能有以下优点[4]：(1)取之不尽、用之不竭照射在地球上的太阳能非常巨大，大约40分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年能量的消费。可以说，太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。风能是地球表面大量空气流动所产生的动能。据估计，全球的风能约为2.74*109MW，其中可利用的风能为2*107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍，这相当于目前全世界每年所消耗能量的3000倍。如果能够充分利用风能，对于解决全球的能源需求将具有十分重要的意义。(2)使用方便在地球上，太阳能和风能处处皆有，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用价值。(3)环境污染小太阳能和风能是一种清洁能源，在开发利用时，不会产生废渣、废水、废气和噪音，更不会影响生态平衡，不会造成污染和公害。太阳能和风能虽然存在上述一些优点，但是也有不足之处：(1)能量密度低太阳能和风能相对于火电、水电、核电等传统能源，其能量密度偏低，对于太阳能发电需要足够的受热面积，而风力发电机如果要提高输出功率，则必须要增加风轮的尺寸和整个风场的规模，才能达到我们所需要的电量，这都需要占用大面积土地资源。(2)间歇性、不稳定性和不可控性传统能源我们可以根据需求来调节供应，而太阳能只有在晴天和白天时才能，风机只有在风力达到要求时才能发电，且根据风速的大小风机输出的电量也随时都在变化，太阳能和风能的这种间性和不稳定性直接导致了不可控性，所以要有效利用太阳能和风能，储能是必不可少的。由于这些不利的因素，太阳能或风能单独的经济可靠地使用就遇到许多技术问题。随着科学技术的发展，将太阳能和风能综合利用，组成一个互补系统成为一种实用的方式，使得我们可以更加稳定可靠经济合理地使用这无穷无尽的风光资源。2.2我国太阳能、风能资源简介根据国家气象科学院的估算，中国陆地10m高度层可利用的风能为2.53亿kW，50m高度层可利用的风能是10m高度层的2倍，陆上主要分布在内蒙古、新疆、青海、西藏等省份，占据了我国80%的风能资源。海上可利用的风能是陆地上的3倍，广东、浙江、福建、海南是我国海上风能最丰富的省份，全国近海10km资源量达到19亿kW，我国风能资源非常丰富。图1年平均风功率密度分布图在中国，传统意义上的风电开发一直以来基本是以建设大型风电场为主，近些年来获批的项目也以大型风电场居多。多位于远离用电负荷的西北、华北、东北地区。截至到2010年底，我国全年风力发电新增装机达1600万千瓦，累计装机容量达到4182.7万千瓦，首次超过美国，跃居世界第一。但是同期也仅占全国发电装机容量96219亿千瓦的4.35%。我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为50*1018kJ，全国辐射总量中值为586kJ/cm2•a。如果全部利用起来，可产生一万个三峡发电量。年日照时数大于2000小时的地区面积约占全国总面积的2/3以上，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区，主要分布在，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛等广大地区。图2太阳能资源分布图由于我国特殊的地理条件，地域辽阔，地形复杂，因此独立运行的风光互补离网发电设备得以广泛应用，成为电网无法到达或电网延伸不经济地区的重要发电手段。此举，可以节约能源，改善环境，缓解电力供应紧张状况，对转变经济增长方式，促进国民经济诸多领域的低碳模式的发展具有很重要的应用价值。2.3风光互补发电系统的优势风光互补发电系统主要由以下几部分子系统构成：风力发电机组和光伏电板组成的发电系统；蓄电池按照串并排行组成的蓄能系统；电缆、整流器、逆变器、开关等组成电量传输系统；控制器、电压电流检测器等组成的控制系统；交流电器、直流电器组成的负载系统。风光互补发电系统的实物示意图见图3。图3风光互补发电系统实物图风光互补发电系统根据风力和太阳辐射变化情况，可以在以下三种模式下运行：风力发电机组单独向负载供电；光伏发电系统单独向负载供电；风力发电机组和光伏发电系统联合向负载供电。其具有以下几方面优、缺点[5]：优点：(1)利用风能和太阳能的互补特性，对气象资源可以更加充分的利用，实现昼夜发电。在一定的气象条件下，风光系统可以提高系统供电的连续性、可靠性和稳定性。(2)风光互补发电系统的初期投资和发电成本都低于独立的光伏发电系统。如果风能和太阳能资源互补性比较好，在保证同样供电的情况下，可以大大减少用于储能的蓄电池的容量。(3)在风能和太阳能比较丰富并且互补性好的情况下，基本上完全可以由风光发电系统进行供电，很少或基本不用启动备用电源，可以获得更好的社会效益和经济效益。缺点：(1)风光互补发电系统与单一的光伏发电系统或风力发电系统相比，对系统的控制管理要求更高，系统设计比较复杂；(2)风光互补发电系统有两种类型的发电单元，与单一风力或光伏发电系统相比，增加了维护工作难度和工作量。2.3国内外研究现状1981年，丹麦的N．E．Busch等提出了利用太阳能和风力互补的技术问题。随后美国的C．I．Aspliden研究了太阳能一风力互补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、风力潜力的估计值，为风光互补发电系统研究提供了科学的数据支持[6]。国外在风光互补发电系统的研究主要集中于大型并网发电场及单独风力发电和单独太阳能光伏发电的方式，风光互补发电方面的研究比较少，特别是对风光互补发电系统的动态稳定性分析较少，但也有一些初步的研究成果。这些研究成果主要讨论的是微电网系统的稳定性问题[7-9]。目前我国进行风光互补发电系统研究的单位很多，主要有中科院广东能源所、内蒙古大学、内蒙古农业大学、合肥工业大学等。其中内蒙古大学以及内蒙古农业大学对户用型风光互补系统的研究较为深入，提出了户用系统的容量配置方法；中科院广东能源所等单位提出了一套CAD的系统设计方法；合肥工业大学在风光互补系统的控制领域较为突出和领先。综合国内外研究成果和研究方向，其中对离网型的中小型风光储互补发电系统主要内容可归纳为以下几个主要方面：1.系统的优化设计及稳定性能分析1)以风光储互补发电系统的设备投入成本作为经济优性目标，以供电系统的保证率为约束条件，对风力发电机、太阳能光伏电池以及蓄电池配置容量进行优化；2)以安装地的气象数据为基础，通过建立系统的仿真模型对已知配置系统进行仿真计算，研究已知配置下的系统运行状念；3)风光互补发电系统的经济性进行分析，以气象数据为依据，对不同系统配置下的度电成本进行分析；4)研究系统优化配置的计算方法，采用先进的智能算法加入到优化设计中，寻求更优化配置。2.最大功率跟踪技术最大功率跟踪是为了保证了太阳能光伏电池和风力发电机的输出功率为最大输出功率，使系统最大程度的利用风能和太阳能，提高互补系统的发电率，同时还具有增强系统的稳定性功能。MPPT(MaximumPowerPointTracking)对太阳能电池板与风力发电机的MPPT的跟踪方法研究有以下几种：1)定电压法：把不同同照强度和温度下的太阳能电池功率最大输出点的对应的电压认为是一条直线，电压法方法是一种近似的最大功率跟踪方法。2)扰动法和爬坡法以及电导增量方法：三种方法都需要对设定变化增量的大小，通过对本次状态输出和前一次或前两次状态的输出进行对比，从而MPPT跟踪。两种方法都存在一个相同的缺点：选用步长过小，会导致太阳能电池板长时间的滞留在低功率输出区；选用步长过大，会导致系统振动剧烈。爬坡法与扰动法在环境变化迅速时，会发生误判。3)智能控制算法：智能控制算法是随着半导体功率器件、微处理器以及数字控制器的发展，近几年出现一些新的算法，例如：滞环比较法、最优梯度法、间歇扫描法跟踪、模糊逻辑法、神经网络预测法等。智能控制通常控制算法复杂，要求微机配置高，成本费用高，应用于工程实践的案例尚未见报道。3.蓄电池充放电及能量管理蓄电池的充放电管理直接关系到蓄电池寿命，直接影响系统的维护成本，也是整个风光互补发电系统中的一个重要环节。因而针对大多系统中采用的免维护铅酸蓄电池的管理成为研究的重点。其中充放电控制和容量预测是其核心。4.风光储互补发电系统的计算机仿真国外相继开发出一些模拟光伏发电、风力发电及其互补发电系统性能的软件包，可以通过模拟不同系统的配置得到不同系统配置下的性能指标和供电成本，得到系统最佳的配置。其中科罗拉多州立大学(ColoradoStateUniversity)和美国国家可再生能源实验室(NationalRenewableEnergyLaboratory)合作开发的hybrid2应用软件[10]。并网型风光储互补发电系统的研究现状，要研究内容如下[11]：(1)大规模电池储能系统工程应用及风电、光伏发电容量配比技术研究(2)风光储互补发电系统电站智能协调监控系统和调度运行技术方案研究(3)风光储互补发电系统防雷方案与接地优化设计(4)风力发电电站、光伏电站功率预测预报技术研究(5)风光储输电站功率联合预测系统研究与开发(6)风光储输联合系统的仿真及并网后对系统安全稳定运行的影晌研究3.风光互补发电系统的工作原理独立运行风光互补发电系统主要设备有风力