樊剛強(qiáng) 張曉菊 賈福榮 內(nèi)蒙古河套學(xué)院機(jī)電工程系

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風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電在河套地區(qū)的應(yīng)用分析

樊剛強(qiáng) 張曉菊 賈福榮 內(nèi)蒙古河套學(xué)院機(jī)電工程系

河套學(xué)院科研項(xiàng)目：HTXYZY13011

【文章摘要】

【關(guān)鍵詞】

風(fēng)能；太陽(yáng)能；可再生能源；風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電

引言

能源是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，在當(dāng)今快速發(fā)展的情況下，人類對(duì)能源需求不斷攀升，現(xiàn)主要的支柱能源是石油、煤炭、天然氣等不可再生的資源，但由于大量開(kāi)采，使得儲(chǔ)量越來(lái)越少，正面臨資源枯竭、價(jià)格飛漲的現(xiàn)狀。作為現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展不可替代的二次能源——電能，具有轉(zhuǎn)換和輸送方便的優(yōu)點(diǎn)，使得應(yīng)用越來(lái)越廣泛。其中綠色電能從環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展出發(fā)，受到了全世界的關(guān)注，主要有風(fēng)能、太陽(yáng)能、水電、潮汐和其他可再生能源等。

內(nèi)蒙古河套地區(qū)的風(fēng)能和太陽(yáng)能資源十分豐富，由于內(nèi)蒙古農(nóng)牧民居住特點(diǎn)較為分散，所以利用率較高，在偏遠(yuǎn)的農(nóng)牧區(qū)還未覆蓋電網(wǎng)，在生產(chǎn)和生活用電方面大多使用風(fēng)力發(fā)電設(shè)備或是太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備，風(fēng)能作為一種清潔的、儲(chǔ)量極為豐富的可再生能源，具有豐富、區(qū)域面積大、分布范圍廣、連續(xù)性好、穩(wěn)定度高的風(fēng)能品位。因此可以說(shuō)是一種取之不盡、用之不竭的能源。這非常有利于在農(nóng)牧區(qū)進(jìn)行推廣使用。

河套地區(qū)居住比較偏僻的農(nóng)牧區(qū)由于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備和太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備的價(jià)格比較昂貴，普及率不高，目前一般農(nóng)牧民還在使用小功率的發(fā)電設(shè)備，僅僅能滿足生產(chǎn)和生活上的基本用電需求，沒(méi)有成型的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電可以根據(jù)不同的天氣情況進(jìn)行發(fā)電互補(bǔ)，有效解決了因天氣原因造成的電力不充足問(wèn)題，提高了農(nóng)牧民的用電質(zhì)量。

1.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用分析

1.1河套地區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)的特點(diǎn)分析

河套地區(qū)地處內(nèi)蒙古中西部，在時(shí)間和季節(jié)上都有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，從時(shí)間上考慮：白天光照好而風(fēng)較小，晚上無(wú)光照而風(fēng)較強(qiáng)；從季節(jié)考慮：夏季太陽(yáng)光照強(qiáng)而風(fēng)小，冬季太陽(yáng)光照弱而風(fēng)大。這種風(fēng)光互補(bǔ)的特點(diǎn)使其在資源上產(chǎn)生了最佳的匹配。另外，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)在蓄電池和逆變器上也是可通用的。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可根據(jù)用戶的綜合用電負(fù)荷和自然資源條件進(jìn)行最佳的合理配置，既可保證系統(tǒng)的可靠性，又能降低發(fā)電成本，滿足用戶的綜合用電需求。

（1）風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電裝置包括并網(wǎng)運(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)行兩種方式。獨(dú)立行運(yùn)時(shí)由于風(fēng)能的不穩(wěn)定性，又沒(méi)有儲(chǔ)能或其它發(fā)電裝置的配合，風(fēng)力發(fā)電無(wú)法提供出可靠而穩(wěn)定的電能。為解決上述問(wèn)題，一是利用蓄電池儲(chǔ)能來(lái)穩(wěn)定風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電能輸出，另一個(gè)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)與光伏或柴油發(fā)電等互補(bǔ)運(yùn)行。

獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。主要部件包括。

①風(fēng)力發(fā)電機(jī)組：由風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)和控制部件等組成的發(fā)電系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱風(fēng)電機(jī)組）。

②蓄電池組：由若干臺(tái)蓄電池經(jīng)串聯(lián)組成的儲(chǔ)存電能的裝置。

③控制器：系統(tǒng)控制裝置。主要功能是對(duì)蓄電池進(jìn)行充電控制和過(guò)放電保護(hù)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)輸入輸出功率起著調(diào)節(jié)與分配作用，以及系統(tǒng)賦予的其它監(jiān)控功能。

④逆變器：將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的電力電子設(shè)備。

⑤交（直）流負(fù)載：以交（直）流電為動(dòng)力的裝置或設(shè)備。

（2）太陽(yáng)能發(fā)電

太陽(yáng)能發(fā)電光熱發(fā)電和光伏發(fā)電兩種。其中光伏發(fā)電應(yīng)用較多，主要集中在新材料、新工藝、新設(shè)計(jì)等方面。制作太陽(yáng)能電池的材料主要有單晶硅、多晶硅、非晶硅以及其它新型化合物半導(dǎo)體材料。許多國(guó)家在太陽(yáng)能電池研制方面都取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，但由于現(xiàn)有理論的局限，要取得進(jìn)一步的技術(shù)突破，還要走一段摸索的道路。光伏發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)是應(yīng)用新的原理，研究新型材料，充分提高電池的轉(zhuǎn)換效率和降低他的成本。目前，在世界上已建成多個(gè)兆瓦級(jí)的聯(lián)網(wǎng)光伏電站，總裝機(jī)容量約1000MW。我國(guó)太陽(yáng)能電池技術(shù)是在借鑒國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，現(xiàn)已取得了很大的進(jìn)展。我國(guó)已建成的容量最大的光伏電站是100KW的西藏安多電站。

光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主要部件包括：太陽(yáng)能電池、蓄電池組、控制器、逆變器、交（直）流負(fù)載。

圖1　風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)示意圖

圖2　太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)示意圖

1.2風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在河套地區(qū)的應(yīng)用現(xiàn)狀

在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)提出了風(fēng)光互補(bǔ)的發(fā)展理念，雖然河套地區(qū)引入較晚，但因地方政策的支持，發(fā)展卻較快。要提高偏遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)牧民的生活質(zhì)量，就要利用自然資源，大力發(fā)展風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，爭(zhēng)取覆蓋率達(dá)到100%。

2.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成和特點(diǎn)

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)解決了風(fēng)能發(fā)電和光伏發(fā)電的缺陷，應(yīng)用前景非常廣闊，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)成主要由太陽(yáng)能光電板、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、系統(tǒng)蓄電池組、控制器和逆變器等幾部分組成，其中，太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電都可以利用蓄電池儲(chǔ)電，輸出直流電源通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，向?fù)載提供穩(wěn)定的電能，滿足用戶的需求。

2.1發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)包括獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)電系統(tǒng)和光電系統(tǒng)。風(fēng)電系統(tǒng)是借助小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能，再通過(guò)控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，最后通過(guò)逆變器對(duì)綜合用電負(fù)荷供電。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)有功功率較高，造價(jià)和維護(hù)運(yùn)行成本低；缺點(diǎn)是小型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可靠性較低。光電系統(tǒng)是利用光電極板將吸收的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，再通過(guò)控制器對(duì)蓄電池充電，最后通過(guò)逆變器對(duì)綜合用電負(fù)荷供電。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是供電可靠性較高，運(yùn)行維護(hù)成本低；缺點(diǎn)是系統(tǒng)造價(jià)較高。另外，風(fēng)電和光電系統(tǒng)都存在一個(gè)共同的缺點(diǎn)，就是能源的不穩(wěn)定導(dǎo)致發(fā)電與綜合用電負(fù)荷的不平衡，風(fēng)電和光電系統(tǒng)都必須要利用蓄電池儲(chǔ)能設(shè)備供電，但每天的發(fā)電量受時(shí)間、天氣和季節(jié)的影響很大，會(huì)導(dǎo)致蓄電池組長(zhǎng)期處于虧電狀態(tài)。而風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)彌補(bǔ)了風(fēng)電和光電系統(tǒng)在能源上的缺陷，同時(shí)，風(fēng)電和光電系統(tǒng)在蓄電池組和逆變環(huán)節(jié)是可以通用的，可有效降低風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的造價(jià)，提高發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。

2.2蓄電池控制器

蓄電池控制器的基本功能主要用于防止蓄電池被太陽(yáng)能電池方陣過(guò)充電和被負(fù)載過(guò)放電。太陽(yáng)能充放電控制器是太陽(yáng)能光伏電站的控制核心，其可靠性直接影響到整個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。一個(gè)好的控制器能夠有效地防止蓄電池過(guò)充電和深度放電，并使其使用達(dá)到最佳狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中它發(fā)生故障的機(jī)率較高。在選擇時(shí)，首先，額定電壓根據(jù)蓄電池組的額定電壓確定，額定電流根據(jù)太陽(yáng)能方陣每路輸入電流確定，額定電流必須大于各路輸入的總電流。其次，參數(shù)根據(jù)蓄電池生產(chǎn)廠提供的參數(shù)，對(duì)控制器原有的出廠設(shè)定必須進(jìn)行相應(yīng)的修改調(diào)整，以滿足不同廠的蓄電池性能要求，使其運(yùn)行在最佳狀態(tài)。

2.3逆變器

逆變器是根據(jù)用戶負(fù)載電源類型的不同，通過(guò)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的設(shè)備，可以滿足不同用戶的需求。逆變器是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的核心部件之一，系統(tǒng)對(duì)其具有很高的要求，同時(shí)逆變器還具有自動(dòng)穩(wěn)壓的功能，可有效地改善風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。

3.河套地區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展方向

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)目前在河套地區(qū)的應(yīng)用范圍有限，但是隨著河套地區(qū)風(fēng)能和太陽(yáng)能等環(huán)保可再生能源利用的加大，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)將顯現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)和益處。針對(duì)電網(wǎng)暫時(shí)覆蓋不到的農(nóng)牧區(qū)邊遠(yuǎn)地區(qū)，要通過(guò)政策的相關(guān)扶持加快推進(jìn)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，解決偏遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)牧民生產(chǎn)和生活上的難題，進(jìn)一步提高河套地區(qū)的電能質(zhì)量，更好的促進(jìn)邊遠(yuǎn)地區(qū)的發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

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風(fēng)能和太陽(yáng)能是綠色、環(huán)保的可再生能源，取之不盡，用之不竭。通過(guò)對(duì)河套地區(qū)地形特點(diǎn)的分析，提出風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電已成為新能源發(fā)展的趨勢(shì)。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)就是將發(fā)電機(jī)組和光伏發(fā)電組合起來(lái)構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)，主要由發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池控制器、逆變器等部分組成。闡述了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成及其各部分特點(diǎn)，提出了河套地區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展方向。

【作者簡(jiǎn)介】

樊剛強(qiáng)（1984— ），碩士，男，講師，主要研究機(jī)械設(shè)計(jì)、水凈化設(shè)備等。