风光互补发电系统简述

1、. -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,源发电系统；本文通过对风光互补发电系统的动力来源具有较高性价比的一种新型能-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争辩现状,对其根本的工作原理进展了阐述；最终对举例说明白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开展和进步的物质根底,能源的开发利用和先进的能源技术的不断革新；人类社会的开展和进步离不开优质 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开展,极大地转变了人类的生活方式；由于煤、石油、天热气等常

2、规能源的储量是有限的,据估量,地球上煤炭最多可用 300年,石油最多可爱惜 40 多年,自然气仍可以爱惜50 多年,不断爆发的能源危机严肃阻碍了人类社会的开展进步； 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争辩； 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开展能源的热潮之中,全球可再生能源开展取得了明显成效；主要表现在：本钱连续下降,市场份额不断扩大,其定位也开场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 均增长速度超过 301；28的年均增长速

3、度,太阳能光伏发电的年进入新世纪以来, 中国的可再生能源利用步入了快速开展的轨道,特殊是自2022 年可再生能源法实施以来,中国可再生能源已经进入快速开展时期；2022年中国可再生能源在一次性能源消费构造中所占的比例已从 2022 年的 8提升至 9；依据中国国家能源局制定的.新能源产业振兴开展规划 .,估量到 2022年,- word.zl. -新能源在能源构造中的占到的比重到达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到达 5含水电为 25；其中风电装机容量将会到达 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 到达 200 万千瓦

4、 2；除此之外,依据 2022年中国风电开展报告 .的推测,估量到2022年末,全国风电开发建立总规模有望到达1 亿 kW；到 2022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,这将对中国能源构造调整,削减温室气体排放,爱惜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供应的,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准备 3；2.1太阳能、风能优缺点近些年来,国内外大力开展风能和太阳能,优化能源构造

5、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特殊巨大,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；风能是地球外表大量空气流淌所产生的动能；据估量,全球的风能约为2.74*10 9MW,其中可利用的风能为2*10 7MW,比地球上可开发利用的水能总量仍要大 10倍,这相当于目前全世界每年所消耗能量的 3000倍；假如能够充分利用风能,对于解决全球的能源需求将具有特殊重要的意义；- word.zl. -2 使用便利 在地球上,太阳能和风能处处皆有,可以就地开发利用,不

6、存在运输问题,特殊对交通不兴盛的农村、海岛和遥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,更不会影响生态平稳,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,但是也有缺乏之处：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,而风力发电机假如要提高输出功率,那么必需要增加风轮的尺寸和整个风场的规模,用大面积土地资源；2 间歇性、不稳固性和不行控性才能到达我们所需要的电量, 这都需要占传统能源我们可以依据需求来调剂供应,而太阳能只有在晴天和白天时才能,风机只有

7、在风力到达要求时才能发电,且依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固性直接导致了不行控性,所以 要有效利用太阳能和风能,储能是必不行少的；由于这些不利的因素, 太阳能或风能单独的经济牢靠地使用就遇到许多技术 问题；随着科学技术的开展, 将太阳能和风能综合利用, 组成一个互补系统成为 一种有用的方式, 使得我们可以更加稳固牢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- word.zl. -依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

8、分布在 XX 、XX、XX 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,、XX 是我国海上风能最丰富的省份,全国近海 风能资源特殊丰富；10km 资源量到达 19 亿 kW,我国图 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始终以来根本是以建立大型风电场为主,近些年来获批的工程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 2022年底,我国全年风力发电新增装机达 1600万千瓦,累计装机容量到达 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%；我国陆地外表每年承

9、担的太阳辐射能约为50*10 18kJ,全国辐射总量中值为586kJ/cm 2.a；假如全部利用起来,可产生一万个三峡发电量；年日照时数大于2022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- word.zl. -富的地区,主要分布在, 、XX 、XX 南部、XX 西部、XX 中部和西南部、 XX东南部、 XX 东南部、 XX 岛等宽敞地区；图 2 太阳能资源分布图由于我国特殊的地理条件, 地域宽敞, 地势复杂, 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长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 X 状

10、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开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局部子系统构成：风力发电机组和光伏电板组成的发电系统； 蓄电池依据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； 把握器、 电压电流检测器等组成的把握系统；沟通电器、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；- word.zl. -图 3 风光互补发电系统实物图风光互补发电系统依据风力和太阳辐射变化情形,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

11、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； 在确定的气象条件下, 风光系统可以提高系统供电的连续性、可靠性和稳固性； 2 风光互补发电系统的初期投资和发电本钱都低于独立的光伏发电系统； 假如风能和太阳能资源互补性比拟好,在保证同样供电的情形下, 可以大大削减用于储能的蓄电池的容量；3 在风能和太阳能比拟丰富并且互补性好的情形下, 根本上完全可以由风光发电系统进展供电,用电源,可以获得更好的社会效益和经济效益；缺点：很少或根本不用启动备 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,对系统的把握治理要

12、求更高, 系统设计比拟复杂； 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,增加了爱惜工作难度和工作量；2.3国内外争辩现状- word.zl. -1981年,丹麦的 NEBusch等提出了利用太阳能和风力互补的技术问题；随后美国的 CIAspliden 争辩了太阳能一风力互补转换系统的气象问题；前苏 联的 NAksarni 等人依据概率原理,统计出近似的太阳能、风力潜力的估量值,为风光互补发电系统争辩供应了科学的数据支持6；国外在风光互补发电系统的争辩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争辩比拟少, 特殊是对风光互补发

13、电系统的动态稳固性分析 较少,但也有一些初步的争辩成果； 这些争辩成果主要争辩的是微电网系统的稳 定性问题 7-9；目前我国进展风光互补发电系统争辩的单位许多,主要有中科院 XX 能源所、XX 高校、 XX 农业高校、 XX 工业高校等；其中XX 高校以及 XX 农业高校对户用型风光互补系统的争辩较为深化,提出了户用系统的容量配置方法；中科院 XX 能源所等单位提出了一套CAD 的系统设计方法； XX 工业高校在风光互补系统的把握领域较为突出和领先；综合国内外争辩成果和争辩方向, 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固性能分析 1 以风

14、光储互补发电系统的设备投入本钱作为经济优性目标,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展优化；2 以安装地的气象数据为根底,通过建立系统的仿真模型对配置系统进展仿真 运算,争辩配置下的系统运行状念；3 风光互补发电系统的经济性进展分析,以气象数据为依据,对不同系统配置 下的度电本钱进展分析；- word.zl. -4 争辩系统优化配置的运算方法,接受先进的智能算法参加到优化设计中,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

15、, 同时仍具有增强系统的稳固性功能；MPPTMaximum Power Point Tracking 对太阳能电池板与风力发电机的MPPT 的跟踪方法争辩有以下几种：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展比照,从而 MPPT 跟踪；两种方法都存在一个一样的缺点：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, 会导致系统振动猛烈； 爬坡法与扰动法在 环境变

16、化快速时,会发生误判；3智能把握算法：智能把握算法是随着半导体功率器件、微处理器以及数字把握 器的开展,近几年显现一些新的算法,例如：滞环比拟法、最优梯度法、间歇扫 描法跟踪、模糊规律法、神经网络推测法等；智能把握通常把握算法复杂,要求 微机配置高,本钱费用高,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治理蓄电池的充放电治理直接关系到蓄电池寿命,直接影响系统的爱惜本钱, 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接受的免爱惜铅酸蓄电池的治理成为争辩的重点；其中充放电把握和容量推测是其核心；- word.zl. -4. 风光储互补发电系统的运算机仿真国外相继开发出

17、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本钱,得到系统最正确的配置；其中科罗拉多州立高校Colorado State University和美国国家可再生能源试验室 National Renewable Energy Laboratory合作开发的 hybrid2 应用软件 10；并网型风光储互补发电系统的争辩现状,要争辩内容如下 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争辩 2 风光储互补发电系统电站智能和谐监控系统和调度运行技术方案争辩 3 风光储互补发电系统防雷方案与接地优化设计 4 风

18、力发电电站、光伏电站功率推测预报技术争辩 5 风光储输电站功率联合推测系统争辩与开发 6 风光储输联合系统的仿真及并网后对系统平平稳固运行的影晌争辩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发电机组,太阳能电池,蓄电池,逆变器,负载构成,系统的特性将取决于风光互补发电系统的组成设备的特性,本节将初步对系统主要设备的根本原理与特性进展介绍；3.1风力发电机组 风力发电机组是风光储互补发电系统的核心设备之一,其作用是对风能进展 吸取和转化, 最终输出电能； 从风力发电机组的构造上来看, 其主要由风力机 风 轮、发电机、塔架或塔筒组成；从能量转换的角度考虑,风力发电机由

19、风力机和发电机组成, 风力机是利用其风轮对风能的捕捉吸取,完成风能到机械能的转- word.zl. -化,发电机将风轮捕捉转化来的机械能转化电能；因此风力发电机的功率输出特性是由风力机特性和发电机特性共同准备；其中风力机对风能的捕捉或吸取利用的才能通常用风轮风能利用系数 Cp 表示；风轮风能利用系数是反映风力机对风能捕捉的才能指标,其表示为风轮捕捉的风能转化为的机械能与通过风轮截面积风能总量的比值,风轮风能利用系数求解模型通常接受不旋转的动量理论模,其型假设条件12：1 气流是不行压缩的均匀定常流； 2 风轮简化成一个桨盘； 3 桨盘上没有摩擦力； 4 风轮番动模型 简化成一个单元留管； 5

20、风轮前后远方的气流静压相等；6 轴向力沿桨盘均匀 分布；风力发电机组的输出特性是主要由两局部准备：一局部是风力发电机的风轮：另一局部是风力发电机的发电机； 风力机主要完成将风的动能转化为机械能,通过其风轮对风的动能捕捉吸取,完成机械能的转化, 机械能通过齿轮箱等增速传动系统传递给风力发电机或直接传递给发电机,由发电机将转化后的机械能转 换为电能；3.2太阳能电池 太阳能电池的分类：单晶硅太阳能电池、多晶硅电池、非晶硅太阳能电池、多元化合物太阳能电池； 其中多元化合物太阳能电池具有世界的最高水平的光电 转化效率；太阳能电池是将辐射到其外表光能转换为电能的设备,是太阳能发电的核心 器件,其工作原理

21、是光生伏效应； 太阳辐射的能量照射到太阳能电池板上外表时,电池板的 PN 结产生电子 -空穴对,在太阳能电池的内部电场力作用下,是光电 子和空穴别离, 造成太阳能电池的两端显现携带不同电量积聚的中心,即电池板- word.zl. -的两端引出电线并接如电阻,组成一个闭合电路,那么会有电流从电阻中流过,从而获得电功率的输出；太阳能电池发电功率输出是基于光生伏的效应,能辐射强度和太阳能电板组件温度一样的情形下,争辩说明发觉： 即使在太阳 电池板功率输出是一种非线性的输出,电池板既不能等同于恒流源,也非恒压源；在某一日照强度和温度下,太阳能电池输出电流 -电压-功率的特性曲线如图 对太阳能电池组件输

22、出特性有影响；4 13；温度和太阳能辐射强度都图 4 太阳能电池的电流-电压 -功率特性曲线3.3蓄电池组件 在独立运行的独立运行的风电系统多接受蓄电池蓄能的方式 14,蓄电池蓄能 有适应负荷动态变化特性好、 充放电效率高等优点； 蓄电池在系统中的作用是在 电量充裕时, 将电量储存起来, 短缺时将电量释放出来, 改善系统的供电牢靠性 的同时也起着改善供电电能质量两个方面起着重要的作用；目前市场上供应的蓄电池主要有碱性镍、蓄电池铅酸蓄电池； 其中铅酸蓄电池被誉为风力发电专用电池,也是使用最为广泛的一种蓄电池,具有容量较大、质量稳固、性能牢靠的优点；本文将接受铅酸蓄电池作为储能设备；从目前蓄电池使

23、用情形来看,普遍存在蓄电池容量下降过快,使用寿命短,甚至短短1-2 年时间蓄电池的容量只有标称容量的30-40,甚至只有10- word.zl. -20；而大局部蓄电池经过 1-4 年的运行,容量只有标称的 50左右,远远不能中意风光互补系统设计要求使用寿命；影响蓄电池使用寿命的因素很复杂,造成蓄电池失效的模式有以下几个方面：3.4逆变器正极板腐蚀、 严肃失水、热失控、硫酸化；逆变器是风光储互补发电系统的电能变换设备,是将直流电变换为沟通电的设备；其工作原理是利用半导体功率开关器件的开通与关断,实现直流电变换为沟通电的一种电力电子设备；其优点是变换效率高；缺点是变换输出波形较差,含有谐波,需要

24、进展沟通低通滤波器的滤波；逆变器技术的开展可以分为三个阶段：1956-1980年为传统开展阶段, 该阶段的逆变器, 以低速器为主, 逆变器的开关频率较低,输出电压波形改善以多重叠加法为主,体积重量大,逆变效率较低；1981-200年为高频化新技术阶段,该阶段逆变器开关器件以高速器件为主,逆变器的开关频率高,波形改善以 弦波逆变技术日益完善；PWM 为主,体积重量小,逆变效率高,以正2022-至今高效低污染阶段, 该阶段特点以逆变器的综合性能为主,低速开关 与高速开关器件并用, 多重叠加方法与 PWM 法并用,不偏向追求高速开关器件,高开关频率,高效环保的逆变器技术开场显现；4. 风光互补发电的

25、应用前景 1缺电生活；中国现有 9 亿人口生活在农村,其中 5%左右目前仍未能用上 电；在中国无电乡村往往位于风能和太阳能隐匿量丰富的地区；因此利用风光互补发电系统解决用电问题的潜力很大；接受已到达标准化的风光互补发电系统有利于加速这些地区的经济开展,提高其经济水平； 另外,利用风光互补系统开发- word.zl. -储量丰富的可再生能源, 可以为宽敞遥远地区的农村人口供应最适宜也最廉价的 电力效劳,促进贫困地区的可连续开展；我国已经建成了千余个可再生能源的独立运行村落集中供电系统,但是这些 系统都只供应照明和生活用电, 不能或不运行使用生产性负载, 这就使系统的经 济性变得特殊差； 可再生能

26、源独立运行村落集中供电系统的出路是经济上的可持 续运行,涉及到系统的全部权、治理机制、电费标准、生产性负载的治理、电站 政府补贴资金来源、 数量和支配渠道等等； 但是这种可连续开展模式, 对中国在 内的全部开展中国家都有深远意义；2室外应用； 世界上室外照明工程的耗电量占全球发电量的 12%左右,在全 球日趋紧 X 的能源和环保背景下,它的节能工作日益引起全世界的关注；根本原理是： 太阳能和风能以互补形式通过把握器向蓄电池智能化充电,到晚间依据光线强弱程度自动开启和关闭各类led室外灯具；智能化把握器具有无线传感网络通讯功能,可以和后台运算机实现三遥治理 遥测、遥讯、遥控 ；智能化把握器仍具有

27、强大的人工智能功能,对整个照明工程实施先进的运算机三遥治理,重点是照明灯具的运行状况巡检及故障和防盗报警；3道路照明；车行道路照明工程快速道 / 主干道 / 次干道 / 支路 ；小区 广义道路照明工程 小区路灯 / 庭院灯 / 草坪灯 / 地埋灯 / 壁灯等 ；目前已被开发的新能源新光源室外照明工程有：风光互补 LED 智能化路灯、风光互补 LED 小区道路照明工程、 风光互补 LED 景观照明工程、风光互补 LED 智能化隧道照明工程、智能化 LED 路灯等；4航标应用；我国局部地区的航标已经应用了太阳能发电,特殊是灯塔桩,但是也存在着一些问题,最突出的就是在连续天气不良状况下太阳能发电缺乏

28、,- word.zl. -易造成电池过放, 灯光熄灭, 影响了电池的使用性能或损毁；冬季和春季太阳能发电缺乏的问题尤为严肃；天气不良情形下往往是相伴大风,也就是说, 太阳能发电不理想的天气状况往往是风能最丰富的时候, 针对这种情形, 可以用以风力发电为主, 光伏发电为 辅的风光互补发电系统代替传统的太阳能发电系统；风光互补发电系统具有环 保、无污染、免爱惜、安装使用便利等特点,符合航标能源应用要求；在太阳能配置中意春夏季能源供应的情形下,不启动风光互补发电系统； 在冬春季或连续天气不良状况、太阳能发电不良情形下,启动风光互补发电系统；由此可见,风 光互补发电系统在航标上的应用具备了季节性和气候

29、性的特点；事实证明,其应 用可行、成效明显；5监控电源；目前,高速大路道路摄像机通常是24 小时不连续运行,接受传统的市电电源系统,虽然功率不大,但是由于数量多,也会消耗不少电能,采 用传统电源系统不利于节能； 并且由于摄像机电源的线缆经常被盗,缺失大, 造 成使用爱惜费用大大增加,加大了高速大路经营单位的运营本钱；应用风光互补发电系统为道路监控摄像机供应电源,不仅节能, 并且不需要铺设线缆, 削减了被盗了可能, 有效防盗； 但是我国有的地区会显现恶劣的天气 情形,如连续灰霾天气,日照少,风力达不到起风风力,会显现不能连续供电现 象,可以利用原有的市电线路,在太阳能和风能缺乏时,自动对蓄电池充

30、电,确 保系统可以正常工作；6通信应用；目前国内许多海岛、山区等地远离电网,但由于当地旅行、渔 业、航海等行业有通信需要, 需要建立通信基站； 这些基站用电负荷都不会很大,假设接受市电供电, 架杆铺线代价很大, 假设接受柴油机供电, 存在柴油储运本- word.zl. -钱高,系统爱惜困难、牢靠性不高的问题；要解决长期稳固牢靠地供电问题,只能依靠当地的自然资源； 而太阳能和风能作为取之不尽的可再生资源,在海岛相当丰富, 此外,太阳能和风能在时间上和地域上都有很强的互补性, 海岛风光互补发电系统是牢靠性、经济性较好的独立电源系统, 适合用于通信基站供电； 由于基站有基站爱惜人员, 系统可配置柴油发电机, 以备太阳能与风能发电缺乏时使用；这样可以削减系统中太阳电池方阵与风机的容量,从而降低系统本钱,同时增加系统的牢靠性；7电站应用； 风光互补抽水蓄能电站是利用风能和太阳能发电,不经蓄电池而直接带动抽水机实行补丁时抽水蓄能,然后利用储存的水能实现稳固的发电供电；这种能源开发方式将传统的水能、风能、太阳能等新能源开发相结合,利用三种能源在时空分布上的差异实