风光伏互补发电系统的认知

风光伏互补发电系统的认知任务导入太阳能和风能在时间和地域上都很强的互补性，阳光最强时一般风很小；而在晚上没有阳光时，由于温差比较大，空气的流动导致风的形成。在晴天太阳比较充足而风会相对较少，在阴雨天气的时候，阳光很弱但是阴雨天气会伴随着大风，风资源相对较多。两者之间具有较强的风光的互补特性，利用此特性设计的风光互补发电系统，实现了无缝隙供电。一、相关知识学习情境1风光互补系统概述（一）风能和太阳能 风能和太阳能的利用和发展已有三千多年的历史，是一门古老而又年青的科学、实用而又和生活关系密切的科学、可再生而又能保护环境的科学、现时又为可持续发展的科学、一次投资可多年受益的产业。在众多新能源领域中，风力发电和太阳能发电的开发和利用被首当其冲优先发展，是当今国际上的一大热点，因为风能和光能的利用，是不用开采、不用运输、不用排放垃圾、没有环境污染的技术，是保护地球、造福子孙后代的百年大计工程。 风能和太阳能都是清洁、储量极为丰富的可再生能源。我国幅员辽阔，风能资源丰富，据估算，我国陆地可开发风能储量约为2.5l08 kW，海上风力资源量更大，可开发风能储量约为7.5l08kW。太阳每年投射到地面上的辐射能高达1.05 xl018kWh，相当于1.3106亿吨标准煤。中国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年1.7l04亿吨标准煤，大多数地区年平均日辐射量在4kWh/m2以上。风能和太阳能的应用方式多种多样，其中用于发电是最常见也是最重要的形式之一。 风能、太阳能都是无污染的、取之不尽用之不竭的可再生能源，小型风力发电系统和太阳能光电系统在我国已得到初步应用。这两种发电方式各有其优点，但风能、太阳能都是不稳定的，不连续的能源，用于无电网地区，需要配备相当大的储能设备，或者采取多能互补的办法，以保证基本稳定的供电。太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性，我国属季风气候区，一般冬季风大，太阳辐射强度小；夏季风小，太阳辐射强度大，在季节上可以相互补充利用。白天太阳光最强时，风很小，晚上太阳落山后，光照很弱，但由于地表温差变化大而使风能加强。夜间和阴雨天无阳光时由风能发电，晴天由太阳能发电，在既有风又有太阳的情况下两者同时发挥作用，实现了全天候的发电，比单用风能和太阳能更经济、科学、实用。风能和太阳能各有优劣，除去地理自然环境限制之外，就成本而言，风机制造成本只是太阳能电池的15，二者结合，可以适当互补，太阳能和风能在时间上和季节上的互补性，使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性，风光互补发电系统是一种高性能的独立电源系统。 图3-1风光互补发电系统风能和太阳能可独立构成发电系统，也可组成风能和太阳能混合发电系统，如图3-1，即风光互补发电系统，采用何种发电形式，主要取决于当地的自然资源条件以及发电综合成本，在风能资源较好的地区宜采用风能发电，在日照丰富地区可采用太阳能光伏发电，一般情况下，风能发电的综合成本远低于太阳能光伏发电，因而在风能资源较好地区首选风能发电系统。近年来由于风光互补发电系统具有资源互补性、供电安全性、稳定性均好于单一能源发电系统，且价格居中而得到越来越广泛地应用。（二）风光互补发电技术 所谓风光互补，简而言之，是指将风力发电和光伏发电组合起来构成发电系统。在新能源领域的研究者和投资者看来，利用太阳能电池将太阳能转换成电能的光伏发电系统，虽然清洁，但造价相对高，且受日照时间影响；而风电系统虽然系统造价低，运行维护成本低，但质量可靠性也相对较差。将两者相结合，却能互补所短，各扬所长。然而，风光互补发电技术并不是简单地将风能和太阳能相加就可以，其间还涉及一系列复杂的技术数据与工艺流程。在风光互补发电技术的推广应用中，竞争的关键是综合配置能力。寻找最佳匹配方案需做大量的研究工作，反复推算、演示，进行市场摸排，选配组件、组装等，以构成最佳匹配的方案，实现风能和太阳能的无缝对接，有光照的时候通过太阳能电池将光能转换为电能，有风的时候利用风机发电，二者均无的时候，负载可以利用蓄电池储备的电能工作。风光互补发电技术整合了中小型风电技术和太阳能光伏技术，综合了各种应用领域的新技术，其涉及的领域之多、应用范围之广、技术差异化之大，是各种单独技术所无法比拟的。风能和太阳能是目前全球在新能源利用方面，技术最成熟、最具规模化和已产业化发展的行业，单独的风能和单独的太阳能都有其开发的弊端，而风力发电和太阳能发电两者具有互补性，两种新能源结合可实现在自然资源的配置方面、技术方案的整合方面、性能与价格的对比方面达到对新能源综合利用的最合理，不但降低了满足同等需求下的单位成本，而且扩大了市场的应用范围，提高了产品的可靠性。风电和光电系统都存在由于资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡问题，风电和光电系统都必须通过蓄电池储能才能稳定供电，但每天的发电量受天气的影响很大，会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态，这也是引起蓄电池组使用寿命降低的主要原因。利用风能和太阳能具有的互补性，开发风光互补发电系统，可以弥补太阳能和风能相互之间的不足，如图3-2所示。太阳能和风能在时间上的互补性使风光互补友电系统在资源上具有成为最佳匹配的可能性，采用风光互补技术，可以在一定程度上减少太阳能电池组件容量，并降低了发电系统的成本。价格低、性能稳定的风光互补发电系统比单一能源的太阳能或风能发电更加容易被用户所接受，更利于推广。 图3-2 年发电量图 图3-3某地10月份典型日太阳能和风能资源分布如图3-3所示为某地10月份典型日太阳能和风能资源的分布，因此，采用风光互补发电，可以弥补风能和太阳能间歇性的缺陷，从而开发一种新的性能优越的绿色能源。风光互补发电是比单独风力发电、单独太阳能光伏发电更加有效的发电方式。采用风光互补发电系统，可实现能量之间的相互补充，不仅能提供更加稳定的电能输出，还可以在一定程度上削弱风电的反调峰特性。综合利用了风能、光能的风光互补独立电源系统是一种低成本、高可靠性的电源，而且也为解决当前的能源危机和环境污染开辟了一条新路。风光互补发电系统是科学利用自然资源的新成果。风光互补发电系统的光伏发电单元采用所需规模的太阳能电池将太阳能转换为电能，风力发电单元利用小型风力发电机将风能转换为电能，并通过智能管理单元对蓄电池充电、放电进行统一管理，为负载提供稳定可靠的电力供应。两个发电单元在能源的采集上互相补充，同时又各具特色。目前，在国内外市场上，常见的风光互补系统主要有两种用途，一种是风光互补发电独立系统，大都应用在远离电网或不利于铺设供电线路的地区，这种绿色环保的电能给这一地区人们的生产和生活水平带来很大的提高。另一种是风光互补LED路灯，在这些灯具上大多采用泄荷电阻进行单一的制动刹车，风力过大时通过在风力发电机的输出端接入泄荷电阻，以减小风力发电机风轮的转速来达到控制飞车的目的。这样的被动刹车效果不稳定，控制器或泄荷电阻一旦出现故障，就不能达到刹车制动的目的。学习情境2风光互补系统的应用前景 由于独立的风电和光电在无风和阴雨天等气候条件下无法保证电能的连续供应，对于无电网的边远地区，单独使用风电或光电需配备相当大容量的储能设备，因此，采用风光互补发电技术后，通过对太阳能电池、风力发电机和蓄电池的有效组合，可以有效解决单一发电不连续问题，保证基本稳定的供电。风光互补发电技术在我国主要应用在以下领域。1 无电农村的生活、生产用电中国现有8亿人口生活在农村，其中5%左右目前还未能用上电。在中国，无电乡村往往位于风能和太阳能蕴藏量丰富的地区，因此利用风光互补发电系统解决用电问题的潜力很大。采用已达到标准化的风光互补发电系统，有利于加速这些地区的经济发展，提高其经济水平。另外，利用风光互补系统开发储量丰富的可再生能源，可以为广大边远地区的农村人口提供最适宜也最便宜的电力服务，促进边远地区的可持续发展。我国已经建成的利用可再生能源独立运行的集中供电系统，只提供照明和生活用电，不能或不运行生产性负载，使得系统运行的经济性差。要使可再生能源独立运行的集中供电系统在经济上可持续运行， 涉及系统的所有权、管理机制、电费标准、生产性负载的管理及政府补贴资金的来源、数量和分配渠道等。但是这种可持续 图3-4风光互补家用系统发展模式，对中国在内的所有发展中国家具有深远意义。 图3-4风光互补家用系统发展模式2LED室外照明中的应用 图3-5风光互补路灯供电照明 世界上室外照明工程的耗电量占全球发电量的12%左右，在全球日趋紧张的能源和环保背景下，风光互补LED照明技术的节能工作日益引起全世界的关注。风光互补LED照明系统的基本原理是：太阳能和风能以互补形式通过控制器向蓄电池智能化充电，到晚间根据光线强弱程度自动开启和关闭各类LED室外照明灯具。智能化控制器具有无线网络通信功能，可以和后台计算机实现三遥管理（遥测、遥信、遥控）。智能化控制器还具有强大的人工智能功能，可对整个照明工程实施先进的计算机三遥管理（照明灯具的运行状况巡检及故障和防盗报警）。如图3-5风光互补路灯供电照明，LED室外照明工程主要包括：(1)车行道路照明工程（快速道、主干道、次干道、支路）。(2)城镇小区照明工程（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。3航标上的应用我国部分地区的航标已经应用了太阳能光伏发电系统，特别是灯塔，但是也存在一些问题，最突出的就是在连续天气不良状况下太阳能发电不足，易造成蓄电池过放，灯光熄灭，影响蓄电池的使用性能。 图3-6风光互补发电系统航标上的应用 天气不良情况下往往伴随大风，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，针对这种情况，可以采用以风力发电为主、光伏发电为辅的风光互补发电系统来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、免维护、安装使用方便等特点，符合航标能源应用要求。如图3-6风光互补发电系统航标上的应用，在太阳能配置满足春夏季能源供应的情况下，不启动风光互补发电系统；在冬春季或连续阴雨天气、太阳能发电不良情况下，启动风光互补发电系统。4高速公路监控设备电源 图3-7风光互补监控系统 目前，高速公路道路摄像机通常是24h不间断运行，采用传统的市电电源系统，虽然功率不大，但是因为数量多，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，损失大，造成使用维护费用大大增加，加大了高速公路经营单位的运营成本。 由于高速公路监控系统点多线长，采用传统的公用电网供电，不仅施工困难，而且配套成本高昂。目前，太阳能光伏发电成本较高，风能的成本相对较低，二者之间的互补对于像高速公路监控系统这种点多线长的用电场合和离电网较远的缺电场所，具有它独特的优势。如图3-7为风光互补监控系统，应用风光互补发电系统为道路监控摄像机提供电源，不仅节能，并且不需要铺设线缆，减少了被盗可能。但是我国有的地区会出现恶劣的天气情况，如连续阴雨天气，日照少，风力达不到风力发电机启动风力，会出现不能连续供电现象，这时可以利用原有的市电线路，在太阳能和风能不足时自动对蓄电池充电，确保系统正常工作。因每一个监控点为一个独立的供电系统，即使某一个监控点发生供电故障，也不会影响系统中其他监控点的正常工作。5 通信基站中的应用目前国内许多海岛、山区等地远离电网，但由于当地