1 引言

能源是國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生活必須的重要物質(zhì)基礎，在過去的200多年里，建立在煤炭、石油、天然氣等化石燃料基礎上的能源體系極大的推動了人類社會的發(fā)展。但是人類在使用化石燃料的同時，帶來了嚴重的環(huán)境污染和生態(tài)系統(tǒng)破壞。近年來，世界各國逐漸認識到能源對人類的重要性，更認識到常規(guī)能源利用過程中對環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的破壞，各國紛紛開始根據(jù)國情，治理和緩解已經(jīng)惡化的環(huán)境，并把可再生、無污染的新能源的開發(fā)利用作為可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。風光互補發(fā)電系統(tǒng)是利用風能和太陽能資源的互補性，具有較高性價比的一種新型能源發(fā)電系統(tǒng)，具有較好的應用前景。

2 風光互補發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展過程及現(xiàn)狀

最初的風光互補發(fā)電系統(tǒng)，就是將風力機和光伏組件進行簡單的組合，因為缺乏詳細的數(shù)學計算模型，同時系統(tǒng)只用于保證率低的用戶，導致使用壽命不長。

近幾年隨著風光互補發(fā)電系統(tǒng)應用范圍的不斷擴大，保證率和經(jīng)濟性要求的提高，國外相繼開發(fā)出一些模擬風力、光伏及其互補發(fā)電系統(tǒng)性能的大型工具軟件包。通過模擬不同系統(tǒng)配置的性能和供電成本可以得出最佳的系統(tǒng)配置。其中colorado state university和national renewable energy laboratory合作開發(fā)了hybrid2應用軟件。

hybrid2本身是一個很出色的軟件，它對一個風光互補系統(tǒng)進行非常精確的模擬運行，根據(jù)輸入的互補發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構、負載特性以及安裝地點的風速、太陽輻射數(shù)據(jù)獲得一年8760小時的模擬運行結(jié)果。但是hybrid2只是一個功能強大的仿真軟件，本身不具備優(yōu)化設計的功能，并且價格昂貴，需要的專業(yè)性較強。

在國外對于風光互補發(fā)電系統(tǒng)的設計主要有兩種方法進行功率的確定：一是功率匹配的方法，即在不同輻射和風速下對應的光伏陣列的功率和風機的功率和大于負載功率，只要用于系統(tǒng)的優(yōu)化控制；另一是能量匹配的方法，即在不同輻射和風速下對應的光伏陣列的發(fā)電量和風機的發(fā)電量的和大于等于負載的耗電量，主要用于系統(tǒng)功率設計。

目前國內(nèi)進行風光互補發(fā)電系統(tǒng)研究的大學，主要有中科院電工研究所、內(nèi)蒙古大學、內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學、合肥工業(yè)大學等。各科研單位主要在以下幾個方面進行研究：風光互補發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化匹配計算、系統(tǒng)控制等。目前中科院電工研究所的生物遺傳算法的優(yōu)化匹配和內(nèi)蒙古大學新能源研究中推出來的小型戶用風光互補發(fā)電系統(tǒng)匹配的計算即輔助設計，在匹配計算方面有著領先的地位，而合肥工業(yè)大學智能控制在互補發(fā)電系統(tǒng)的應用也處在前沿水平。

據(jù)國內(nèi)有關資料報道，目前運行的風光互補發(fā)電系統(tǒng)有：西藏納曲鄉(xiāng)離格村風光互補發(fā)電站、用于氣象站的風能太陽能混合發(fā)電站、太陽能風能無線電話離轉(zhuǎn)臺電源系統(tǒng)、內(nèi)蒙微型風光互補發(fā)電系統(tǒng)等。

3 風光互補發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構

風光互補發(fā)電系統(tǒng)主要由風力發(fā)電機組、太陽能光伏電池組、控制器、蓄電池、逆變器、交流直流負載等部分組成，系統(tǒng)結(jié)構圖見附圖。該系統(tǒng)是集風能、太陽能及蓄電池等多種能源發(fā)電技術及系統(tǒng)智能控制技術為一體的復合可再生能源發(fā)電系統(tǒng)。

（1）風力發(fā)電部分是利用風力機將風能轉(zhuǎn)換為機械能，通過風力發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能，再通過控制器對蓄電池充電，經(jīng)過逆變器對負載供電；

（2）光伏發(fā)電部分利用太陽能電池板的光伏效應將光能轉(zhuǎn)換為電能，然后對蓄電池充電，通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電對負載進行供電；

（3）逆變系統(tǒng)由幾臺逆變器組成，把蓄電池中的直流電變成標準的220v交流電，保證交流電負載設備的正常使用。同時還具有自動穩(wěn)壓功能，可改善風光互補發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量；

（4）控制部分根據(jù)日照強度、風力大小及負載的變化，不斷對蓄電池組的工作狀態(tài)進行切換和調(diào)節(jié)：一方面把調(diào)整后的電能直接送往直流或交流負載。另一方面把多余的電能送往蓄電池組存儲。發(fā)電量不能滿足負載需要時，控制器把蓄電池的電能送往負載，保證了整個系統(tǒng)工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性；

（5）蓄電池部分由多塊蓄電池組成，在系統(tǒng)中同時起到能量調(diào)節(jié)和平衡負載兩大作用。它將風力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能轉(zhuǎn)化為化學能儲存起來，以備供電不足時使用。

風光互補發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)風力和太陽輻射變化情況，可以在以下三種模式下運行：風力發(fā)電機組單獨向負載供電；光伏發(fā)電系統(tǒng)單獨向負載供電；風力發(fā)電機組和光伏發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合向負載供電。

風光互補發(fā)電比單獨風力發(fā)電或光伏發(fā)電有以下優(yōu)點：

利用風能、太陽能的互補性，可以獲得比較穩(wěn)定的輸出，系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性和可靠性；

在保證同樣供電的情況下，可大大減少儲能蓄電池的容量；

通過合理地設計與匹配，可以基本上由風光互補發(fā)電系統(tǒng)供電，很少或基本不用啟動備用電源如柴油機發(fā)電機組等，可獲得較好的社會效益和經(jīng)濟效益。

4 風光互補發(fā)電系統(tǒng)的應用前景

（1） 無電農(nóng)村的生活、生產(chǎn)用電

中國現(xiàn)有9億人口生活在農(nóng)村，其中5%左右目前還未能用上電。在中國無電鄉(xiāng)村往往位于風能和太陽能蘊藏量豐富的地區(qū)。因此利用風光互補發(fā)電系統(tǒng)解決用電問題的潛力很大。采用已達到標準化的風光互補發(fā)電系統(tǒng)有利于加速這些地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，提高其經(jīng)濟水平。另外，利用風光互補系統(tǒng)開發(fā)儲量豐富的可再生能源，可以為廣大邊遠地區(qū)的農(nóng)村人口提供最適宜也最便宜的電力服務，促進貧困地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

我國已經(jīng)建成了千余個可再生能源的獨立運行村落集中供電系統(tǒng)，但是這些系統(tǒng)都只提供照明和生活用電，不能或不運行使用生產(chǎn)性負載，這就使系統(tǒng)的經(jīng)濟性變得非常差?？稍偕茉椽毩⑦\行村落集中供電系統(tǒng)的出路是經(jīng)濟上的可持續(xù)運行，涉及到系統(tǒng)的所有權、管理機制、電費標準、生產(chǎn)性負載的管理、電站政府補貼資金來源、數(shù)量和分配渠道等等。但是這種可持續(xù)發(fā)展模式，對中國在內(nèi)的所有發(fā)展中國家都有深遠意義。

（2）半導體室外照明中的應用

世界上室外照明工程的耗電量占全球發(fā)電量的12%左右，在全球日趨緊張的能源和環(huán)保背景下，它的節(jié)能工作日益引起全世界的關注。

基本原理是：太陽能和風能以互補形式通過控制器向蓄電池智能化充電，到晚間根據(jù)光線強弱程度自動開啟和關閉各類led室外燈具。智能化控制器具有無線傳感網(wǎng)絡通訊功能，可以和后臺計算機實現(xiàn)三遙管理（遙測、遙訊、遙控）。智能化控制器還具有強大的人工智能功能，對整個照明工程實施先進的計算機三遙管理，重點是照明燈具的運行狀況巡檢及故障和防盜報警。

室外道路照明工程主要包括：

車行道路照明工程（快速道/主干道/次干道/支路）；

小區(qū)（廣義）道路照明工程（小區(qū)路燈/庭院燈/草坪燈/地埋燈/壁燈等）。

目前已被開發(fā)的新能源新光源室外照明工程有：風光互補led智能化路燈、風光互補led小區(qū)道路照明工程、風光互補led景觀照明工程、風光互補led智能化隧道照明工程、智能化led路燈等。

（3）航標上的應用

我國部分地區(qū)的航標已經(jīng)應用了太陽能發(fā)電，特別是燈塔樁，但是也存在著一些問題，最突出的就是在連續(xù)天氣不良狀況下太陽能發(fā)電不足，易造成電池過放，燈光熄滅，影響了電池的使用性能或損毀。冬季和春季太陽能發(fā)電不足的問題尤為嚴重。

天氣不良情況下往往是伴隨大風，也就是說，太陽能發(fā)電不理想的天氣狀況往往是風能最豐富的時候，針對這種情況，可以用以風力發(fā)電為主，光伏發(fā)電為輔的風光互補發(fā)電系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的太陽能發(fā)電系統(tǒng)。風光互補發(fā)電系統(tǒng)具有環(huán)保、無污染、免維護、安裝使用方便等特點，符合航標能源應用要求。在太陽能配置滿足春夏季能源供應的情況下，不啟動風光互補發(fā)電系統(tǒng)；在冬春季或連續(xù)天氣不良狀況、太陽能發(fā)電不良情況下，啟動風光互補發(fā)電系統(tǒng)。由此可見，風光互補發(fā)電系統(tǒng)在航標上的應用具備了季節(jié)性和氣候性的特點。事實證明，其應用可行、效果明顯。

（4）監(jiān)控攝像機電源中的應用

目前，高速公路道路攝像機通常是24小時不間斷運行，采用傳統(tǒng)的市電電源系統(tǒng)，雖然功率不大，但是因為數(shù)量多，也會消耗不少電能，采用傳統(tǒng)電源系統(tǒng)不利于節(jié)能；并且由于攝像機電源的線纜經(jīng)常被盜，損失大，造成使用維護費用大大增加，加大了高速公路經(jīng)營單位的運營成本。

應用風光互補發(fā)電系統(tǒng)為道路監(jiān)控攝像機提供電源，不僅節(jié)能，并且不需要鋪設線纜，減少了被盜了可能，有效防盜。但是我國有的地區(qū)會出現(xiàn)惡劣的天氣情況，如連續(xù)灰霾天氣，日照少，風力達不到起風風力，會出現(xiàn)不能連續(xù)供電現(xiàn)象，可以利用原有的市電線路，在太陽能和風能不足時，自動對蓄電池充電，確保系統(tǒng)可以正常工作。

（5）通信基站中的應用

目前國內(nèi)許多海島、山區(qū)等地遠離電網(wǎng)，但由于當?shù)芈糜?、漁業(yè)、航海等行業(yè)有通信需要，需要建立通信基站。這些基站用電負荷都不會很大，若采用市電供電，架桿鋪線代價很大，若采用柴油機供電，存在柴油儲運成本高，系統(tǒng)維護困難、可靠性不高的問題。

要解決長期穩(wěn)定可靠地供電問題，只能依賴當?shù)氐淖匀毁Y源。而太陽能和風能作為取之不盡的可再生資源，在海島相當豐富，此外，太陽能和風能在時間上和地域上都有很強的互補性，海島風光互補發(fā)電系統(tǒng)是可靠性、經(jīng)濟性較好的獨立電源系統(tǒng)，適合用于通信基站供電。由于基站有基站維護人員，系統(tǒng)可配置柴油發(fā)電機，以備太陽能與風能發(fā)電不足時使用。這樣可以減少系統(tǒng)中太陽電池方陣與風機的容量，從而降低系統(tǒng)成本，同時增加系統(tǒng)的可靠性。

（6）抽水蓄能電站中的應用

風光互補抽水蓄能電站是利用風能和太陽能發(fā)電，不經(jīng)蓄電池而直接帶動抽水機實行補丁時抽水蓄能，然后利用儲存的水能實現(xiàn)穩(wěn)定的發(fā)電供電。這種能源開發(fā)方式將傳統(tǒng)的水能、風能、太陽能等新能源開發(fā)相結(jié)合，利用三種能源在時空分布上的差異實現(xiàn)期間的互補開發(fā)，適用于電網(wǎng)難以覆蓋的邊遠死去，并有利于能源開發(fā)中的生態(tài)環(huán)境保護。

風光互補抽水蓄能電站的開發(fā)至少滿足以下兩個條件：

三種能源在能量轉(zhuǎn)換過程中應保持能量守恒；

抽水系統(tǒng)所構成的自循環(huán)系統(tǒng)的水量保持平衡。

雖然與水電站相比成本電價略高，但是可以解決有些地區(qū)小水電站冬季不能發(fā)電的問題，所以采用風光互補抽水蓄能電站的多能互補開發(fā)方式具有獨特的技術經(jīng)濟優(yōu)勢，可作為某些滿足條件地區(qū)的能源利用方案。

風光互補發(fā)電系統(tǒng)的應用向全社會生動展示了風能、太陽能新能源的應用意義，推動我國節(jié)能環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，促進資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的建設，具有巨大的經(jīng)濟、社會和環(huán)保效益。

5 結(jié)束語

風能和太陽能都是清潔能源，隨著光伏發(fā)電技術、風力發(fā)電技術的日趨成熟及實用化進程中產(chǎn)品的不斷完善，為風光互補發(fā)電系統(tǒng)的推廣應用奠定了基礎。風光互補發(fā)電系統(tǒng)推動了我國節(jié)能環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，促進資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的建設。

為了使風光互補發(fā)電系統(tǒng)得到更快的普及推廣，可以從以下幾方面著手：

（1）大力宣傳風光互補發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)越性，提高人們的認識；

（2）政府出臺一定的補貼政策，鼓勵建設新能源發(fā)電系統(tǒng)；

（3）建立科技攻關項目，提高設備轉(zhuǎn)換率等。

總之，相信隨著設備材料成本的降低、科技的發(fā)展、政府扶持政策的推出，該清潔、綠色、環(huán)保的新能源發(fā)電系統(tǒng)將會得到更加廣泛的應用。

(來源：工控網(wǎng))

（黃鑫編輯）