風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)述

1、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)摘要：風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是利用風(fēng)能和太陽能資源的互補(bǔ)性，具有較高性價(jià)比的一種新型能 源發(fā)電系統(tǒng)。本文通過對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)力來源-風(fēng)能和太陽能資源的初步調(diào)研，分 析了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，并總結(jié)了國內(nèi)外風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，對(duì)其基本的 工作原理進(jìn)行了闡述。最后對(duì)舉例說明了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：風(fēng)光互補(bǔ)，現(xiàn)狀，工作原理，應(yīng)用前景引言能源是人類社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)，人類社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步離不開優(yōu)質(zhì) 能源的開發(fā)利用和先進(jìn)的能源技術(shù)的不斷革新。煤和石油等礦物能源的開發(fā)和利 用推動(dòng)了近代工業(yè)革命的發(fā)展，極大地改變了人類的生活方式。由于煤、石油、 天熱氣等常規(guī)能源

2、的儲(chǔ)量是有限的，據(jù)估計(jì)，地球上煤炭最多可用300年，石油 最多可維持40多年，天然氣還可以維持50多年，不斷爆發(fā)的能源危機(jī)嚴(yán)重阻礙 了人類社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步。為了緩解不斷加重的能源危機(jī)，世界各國相繼加大了對(duì) 可再生能源的研究?？稍偕茉词侵赋Ｒ?guī)能源外的包括風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì) 能、地?zé)崮?、海洋能等能源資源。為了降低能耗和解決日益突出的環(huán)境問題，全球都投入到了可再生發(fā)展能源 的熱潮之中，全球可再生能源發(fā)展取得了明顯成效。主要表現(xiàn)在：成本持續(xù)下降， 市場(chǎng)份額不斷擴(kuò)大，其定位也開始由補(bǔ)充能源向替代常規(guī)能源的方向轉(zhuǎn)化。近 10年來，全球風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)保持了 28%的年均增長(zhǎng)速度，太陽能光伏發(fā)電的年 均增長(zhǎng)

3、速度超過30%1。進(jìn)入新世紀(jì)以來，中國的可再生能源利用步入了快速發(fā)展的軌道，特別是自 2006年可再生能源法實(shí)施以來，中國可再生能源已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。2009 年中國可再生能源在一次性能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占的比例已從2008年的8%提升 至9%。根據(jù)中國國家能源局制定的新能源產(chǎn)業(yè)振興發(fā)展規(guī)劃，預(yù)計(jì)到2011 年，新能源在能源結(jié)構(gòu)中的占到的比重達(dá)到2%（含水電為l%），新能源發(fā)電容量 占總電力裝機(jī)容量的比重將會(huì)達(dá)到5%（含水電為25%）。其中風(fēng)電裝機(jī)容量將會(huì) 達(dá)到3500萬千瓦（陸地風(fēng)電3000萬千瓦，海上風(fēng)電500萬千瓦），太陽能發(fā)電裝 機(jī)容量達(dá)到200萬千瓦。除此之外，根據(jù)（2008年中國風(fēng)

4、電發(fā)展報(bào)告的預(yù)測(cè)， 估計(jì)到2020年末，全國風(fēng)電開發(fā)建設(shè)總規(guī)模有望達(dá)到1億kW。到2020年全國 可再生能源利用總量將相當(dāng)于6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，可再生能源的消費(fèi)占一次能源消費(fèi) 的15%，這將對(duì)中國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，減少溫室氣體排放，保護(hù)生態(tài)環(huán)境將發(fā)揮 更大作用。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)及優(yōu)越性風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是由風(fēng)力發(fā)電、太陽能電池發(fā)電、儲(chǔ)能設(shè)備組成的；其系 統(tǒng)能量輸出是由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電和光伏發(fā)電共同提供的，即系統(tǒng)是以風(fēng)能和太 陽能作為動(dòng)力源泉，系統(tǒng)的特點(diǎn)由風(fēng)能與太陽能的特點(diǎn)決定3。2.1太陽能、風(fēng)能優(yōu)缺點(diǎn)近些年來，國內(nèi)外大力發(fā)展風(fēng)能和太陽能，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)是新世紀(jì)的趨勢(shì)， 與常規(guī)能源相比風(fēng)能和太陽能有以

5、下優(yōu)點(diǎn)囹：取之不盡、用之不竭照射在地球上的太陽能非常巨大，大約40分鐘照射在地球上的太陽能，便 足以供全球人類一年能量的消費(fèi)?？梢哉f，太陽能是真正取之不盡、用之不竭的 能源。風(fēng)能是地球表面大量空氣流動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能。據(jù)估計(jì)，全球的風(fēng)能約為 2.74*109MW，其中可利用的風(fēng)能為2*107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量 還要大10倍，這相當(dāng)于目前全世界每年所消耗能量的3000倍。如果能夠充分利 用風(fēng)能，對(duì)于解決全球的能源需求將具有十分重要的意義。使用方便在地球上，太陽能和風(fēng)能處處皆有，可以就地開發(fā)利用，不存在運(yùn)輸問題， 尤其對(duì)交通不發(fā)達(dá)的農(nóng)村、海島和邊遠(yuǎn)地區(qū)更具有利用價(jià)值。環(huán)境污染小太陽能和

6、風(fēng)能是一種清潔能源，在開發(fā)利用時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣 和噪音，更不會(huì)影響生態(tài)平衡，不會(huì)造成污染和公害。太陽能和風(fēng)能雖然存在上述一些優(yōu)點(diǎn)，但是也有不足之處：(1)能量密度低太陽能和風(fēng)能相對(duì)于火電、水電、核電等傳統(tǒng)能源，其能量密度偏低，對(duì)于 太陽能發(fā)電需要足夠的受熱面積，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)如果要提高輸出功率，則必須要 增加風(fēng)輪的尺寸和整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的規(guī)模，才能達(dá)到我們所需要的電量，這都需要占用 大面積土地資源。間歇性、不穩(wěn)定性和不可控性傳統(tǒng)能源我們可以根據(jù)需求來調(diào)節(jié)供應(yīng)，而太陽能只有在晴天和白天時(shí)才 能，風(fēng)機(jī)只有在風(fēng)力達(dá)到要求時(shí)才能發(fā)電，且根據(jù)風(fēng)速的大小風(fēng)機(jī)輸出的電量也 隨時(shí)都在變化，太陽能和風(fēng)能的這種

7、間性和不穩(wěn)定性直接導(dǎo)致了不可控性，所以 要有效利用太陽能和風(fēng)能，儲(chǔ)能是必不可少的。由于這些不利的因素，太陽能或風(fēng)能單獨(dú)的經(jīng)濟(jì)可靠地使用就遇到許多技術(shù) 問題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將太陽能和風(fēng)能綜合利用，組成一個(gè)互補(bǔ)系統(tǒng)成為 一種實(shí)用的方式，使得我們可以更加穩(wěn)定可靠經(jīng)濟(jì)合理地使用這無窮無盡的風(fēng)光 資源。2.2我國太陽能、風(fēng)能資源簡(jiǎn)介根據(jù)國家氣象科學(xué)院的估算，中國陸地10m高度層可利用的風(fēng)能為2.53億 kW，50m高度層可利用的風(fēng)能是10m高度層的2倍，陸上主要分布在內(nèi)蒙古、 新疆、青海、西藏等省份，占據(jù)了我國80%的風(fēng)能資源。海上可利用的風(fēng)能是陸 地上的3倍，廣東、浙江、福建、海南是我國海上風(fēng)能

8、最豐富的省份，全國近海 10km資源量達(dá)到19億kW，我國風(fēng)能資源非常豐富。圖1年平均風(fēng)功率密度分布圖在中國，傳統(tǒng)意義上的風(fēng)電開發(fā)一直以來基本是以建設(shè)大型風(fēng)電場(chǎng)為主，近 些年來獲批的項(xiàng)目也以大型風(fēng)電場(chǎng)居多。多位于遠(yuǎn)離用電負(fù)荷的西北、華北、東 北地區(qū)。截至到2010年底，我國全年風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)達(dá)1600萬千瓦，累計(jì)裝 機(jī)容量達(dá)到4182.7萬千瓦，首次超過美國，躍居世界第一。但是同期也僅占全 國發(fā)電裝機(jī)容量96219億千瓦的4.35%。我國陸地表面每年接受的太陽輻射能約為50*1018kJ，全國輻射總量中值為 586kJ/cm2a。如果全部利用起來，可產(chǎn)生一萬個(gè)三峽發(fā)電量。年日照時(shí)數(shù)大于 20

9、00小時(shí)的地區(qū)面積約占全國總面積的2/3以上，是我國太陽能資源豐富或較豐 富的地區(qū)，主要分布在，西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古南部、河北、山東、遼寧、 吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島等廣大地區(qū)。圖2太陽能資源分布圖由于我國特殊的地理?xiàng)l件，地域遼闊，地形復(fù)雜，因此獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)光互補(bǔ) 離網(wǎng)發(fā)電設(shè)備得以廣泛應(yīng)用，成為電網(wǎng)無法到達(dá)或電網(wǎng)延伸不經(jīng)濟(jì)地區(qū)的重要發(fā) 電手段。此舉，可以節(jié)約能源，改善環(huán)境，緩解電力供應(yīng)緊張狀況，對(duì)轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì) 增長(zhǎng)方式，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)諸多領(lǐng)域的低碳模式的發(fā)展具有很重要的應(yīng)用價(jià)值。2.3風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要由以下幾部分子系統(tǒng)構(gòu)成：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

10、和光伏電板 組成的發(fā)電系統(tǒng)；蓄電池按照串并排行組成的蓄能系統(tǒng)；電纜、整流器、逆變器、 開關(guān)等組成電量傳輸系統(tǒng)；控制器、電壓電流檢測(cè)器等組成的控制系統(tǒng)；交流電 器、直流電器組成的負(fù)載系統(tǒng)。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)物示意圖見圖3。蓄龜池組lyl卻坊生巽1直流負(fù)載風(fēng)機(jī)圖3風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)實(shí)物圖風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)力和太陽輻射變化情況，可以在以下三種模式下運(yùn) 行：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單獨(dú)向負(fù)載供電；光伏發(fā)電系統(tǒng)單獨(dú)向負(fù)載供電；風(fēng)力發(fā)電機(jī) 組和光伏發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合向負(fù)載供電。其具有以下幾方面優(yōu)、缺點(diǎn)5：優(yōu)點(diǎn)：（1）利用風(fēng)能和太陽能的互補(bǔ)特性，對(duì)氣象資源可以更加充分的利 用，實(shí)現(xiàn)晝夜發(fā)電。在一定的氣象條件下，風(fēng)光系統(tǒng)可

11、以提高系統(tǒng)供電的連續(xù)性、 可靠性和穩(wěn)定性。（2）風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的初期投資和發(fā)電成本都低于獨(dú)立的光 伏發(fā)電系統(tǒng)。如果風(fēng)能和太陽能資源互補(bǔ)性比較好，在保證同樣供電的情況下， 可以大大減少用于儲(chǔ)能的蓄電池的容量。（3）在風(fēng)能和太陽能比較豐富并且互補(bǔ) 性好的情況下，基本上完全可以由風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行供電，很少或基本不用啟動(dòng) 備用電源，可以獲得更好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。缺點(diǎn)：（1）風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系 統(tǒng)與單一的光伏發(fā)電系統(tǒng)或風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，對(duì)系統(tǒng)的控制管理要求更高，系 統(tǒng)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜；（2）風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)有兩種類型的發(fā)電單元，與單一風(fēng)力或 光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，增加了維護(hù)工作難度和工作量。2.3國內(nèi)外研究現(xiàn)

12、狀1981年，丹麥的N. E. Busch等提出了利用太陽能和風(fēng)力互補(bǔ)的技術(shù)問題。 隨后美國的C. I. Aspliden研究了太陽能一風(fēng)力互補(bǔ)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的氣象問題；前 蘇聯(lián)的N. Aksarni等人根據(jù)概率原理，統(tǒng)計(jì)出近似的太陽能、風(fēng)力潛力的估計(jì) 值，為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)研究提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)支持6。國外在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系 統(tǒng)的研究主要集中于大型并網(wǎng)發(fā)電場(chǎng)及單獨(dú)風(fēng)力發(fā)電和單獨(dú)太陽能光伏發(fā)電的 方式，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電方面的研究比較少，特別是對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定 性分析較少，但也有一些初步的研究成果。這些研究成果主要討論的是微電網(wǎng)系 統(tǒng)的穩(wěn)定性問題7-9。目前我國進(jìn)行風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)研究的單位很多，

13、主要有中科院廣東能源 所、內(nèi)蒙古大學(xué)、內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等。其中內(nèi)蒙古大學(xué)以及內(nèi)蒙 古農(nóng)業(yè)大學(xué)對(duì)戶用型風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的研究較為深入，提出了戶用系統(tǒng)的容量配置 方法；中科院廣東能源所等單位提出了一套CAD的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法；合肥工業(yè)大 學(xué)在風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的控制領(lǐng)域較為突出和領(lǐng)先。綜合國內(nèi)外研究成果和研究方向，其中對(duì)離網(wǎng)型的中小型風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)發(fā)電系 統(tǒng)主要內(nèi)容可歸納為以下幾個(gè)主要方面：系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性能分析1）以風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)備投入成本作為經(jīng)濟(jì)優(yōu)性目標(biāo)，以供電系統(tǒng)的保 證率為約束條件，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能光伏電池以及蓄電池配置容量進(jìn)行優(yōu)化；2）以安裝地的氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過建立系統(tǒng)的

14、仿真模型對(duì)已知配置系統(tǒng)進(jìn)行 仿真計(jì)算，研究已知配置下的系統(tǒng)運(yùn)行狀念；3）風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，以氣象數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)不同系統(tǒng)配置 下的度電成本進(jìn)行分析；4）研究系統(tǒng)優(yōu)化配置的計(jì)算方法，采用先進(jìn)的智能算法加入到優(yōu)化設(shè)計(jì)中，尋 求更優(yōu)化配置。最大功率跟蹤技術(shù)最大功率跟蹤是為了保證了太陽能光伏電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率為最 大輸出功率，使系統(tǒng)最大程度的利用風(fēng)能和太陽能，提高互補(bǔ)系統(tǒng)的發(fā)電率，同 時(shí)還具有增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性功能。MPPT（Maximum Power Point Tracking）對(duì)太陽能電池板與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的MPPT的跟蹤方法研究有以下幾種：1）定電壓法：把不同同照強(qiáng)度和溫度下的

15、太陽能電池功率最大輸出點(diǎn)的對(duì)應(yīng)的電 壓認(rèn)為是一條直線，電壓法方法是一種近似的最大功率跟蹤方法。擾動(dòng)法和爬坡法以及電導(dǎo)增量方法：三種方法都需要對(duì)設(shè)定變化增量的大小， 通過對(duì)本次狀態(tài)輸出和前一次或前兩次狀態(tài)的輸出進(jìn)行對(duì)比，從而MPPT跟蹤。 兩種方法都存在一個(gè)相同的缺點(diǎn)：選用步長(zhǎng)過小，會(huì)導(dǎo)致太陽能電池板長(zhǎng)時(shí)間的 滯留在低功率輸出區(qū)；選用步長(zhǎng)過大，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)振動(dòng)劇烈。爬坡法與擾動(dòng)法在 環(huán)境變化迅速時(shí)，會(huì)發(fā)生誤判。智能控制算法：智能控制算法是隨著半導(dǎo)體功率器件、微處理器以及數(shù)字控制 器的發(fā)展，近幾年出現(xiàn)一些新的算法，例如：滯環(huán)比較法、最優(yōu)梯度法、間歇掃 描法跟蹤、模糊邏輯法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法等。智能控制

16、通?？刂扑惴◤?fù)雜，要求 微機(jī)配置高，成本費(fèi)用高，應(yīng)用于工程實(shí)踐的案例尚未見報(bào)道。蓄電池充放電及能量管理蓄電池的充放電管理直接關(guān)系到蓄電池壽命，直接影響系統(tǒng)的維護(hù)成本，也 是整個(gè)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。因而針對(duì)大多系統(tǒng)中采用的免維護(hù) 鉛酸蓄電池的管理成為研究的重點(diǎn)。其中充放電控制和容量預(yù)測(cè)是其核心。風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真國外相繼開發(fā)出一些模擬光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電及其互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)性能的軟件 包，可以通過模擬不同系統(tǒng)的配置得到不同系統(tǒng)配置下的性能指標(biāo)和供電成本， 得到系統(tǒng)最佳的配置。其中科羅拉多州立大學(xué)(Colorado State University )和美國國 家可再生能源實(shí)驗(yàn)

17、室(National Renewable Energy Laboratory)合作開發(fā)的hybrid2 應(yīng)用軟件10。并網(wǎng)型風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，要研究?jī)?nèi)容如下11：大規(guī)模電池儲(chǔ)能系統(tǒng)工程應(yīng)用及風(fēng)電、光伏發(fā)電容量配比技術(shù)研究風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)電站智能協(xié)調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)和調(diào)度運(yùn)行技術(shù)方案研究風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)防雷方案與接地優(yōu)化設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電電站、光伏電站功率預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)研究風(fēng)光儲(chǔ)輸電站功率聯(lián)合預(yù)測(cè)系統(tǒng)研究與開發(fā)風(fēng)光儲(chǔ)輸聯(lián)合系統(tǒng)的仿真及并網(wǎng)后對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影晌研究風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的工作原理獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要設(shè)備有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，太陽能電池，蓄電池， 逆變器，負(fù)載構(gòu)成，系統(tǒng)的特性將取決

18、于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的組成設(shè)備的特性，本節(jié)將初步對(duì)系統(tǒng)主要設(shè)備的基本原理與特性進(jìn)行介紹。3.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，其作用是對(duì)風(fēng)能進(jìn)行 吸收和轉(zhuǎn)化，最終輸出電能。從風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)上來看，其主要由風(fēng)力機(jī)（風(fēng) 輪）、發(fā)電機(jī)、塔架或塔筒組成；從能量轉(zhuǎn)換的角度考慮，風(fēng)力發(fā)電機(jī)由風(fēng)力機(jī) 和發(fā)電機(jī)組成，風(fēng)力機(jī)是利用其風(fēng)輪對(duì)風(fēng)能的捕捉吸收，完成風(fēng)能到機(jī)械能的轉(zhuǎn) 化，發(fā)電機(jī)將風(fēng)輪捕捉轉(zhuǎn)化來的機(jī)械能轉(zhuǎn)化電能。因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率輸出特 性是由風(fēng)力機(jī)特性和發(fā)電機(jī)特性共同決定；其中風(fēng)力機(jī)對(duì)風(fēng)能的捕捉或吸收利用 的能力通常用風(fēng)輪風(fēng)能利用系數(shù)Cp表示。風(fēng)輪風(fēng)能利用系數(shù)是反映風(fēng)力機(jī)

19、對(duì)風(fēng)能捕捉的能力指標(biāo)，其表示為風(fēng)輪捕捉 的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為的機(jī)械能與通過風(fēng)輪截面積風(fēng)能總量的比值，風(fēng)輪風(fēng)能利用系數(shù)求 解模型通常采用不旋轉(zhuǎn)的動(dòng)量理論模，其型假設(shè)條件12： 1）氣流是不可壓縮的 均勻定常流；2）風(fēng)輪簡(jiǎn)化成一個(gè)槳盤；3）槳盤上沒有摩擦力；4）風(fēng)輪流動(dòng)模型 簡(jiǎn)化成一個(gè)單元留管；5）風(fēng)輪前后遠(yuǎn)方的氣流靜壓相等；6）軸向力沿槳盤均勻 分布。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出特性是主要由兩部分決定：一部分是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng) 輪:另一部分是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)。風(fēng)力機(jī)主要完成將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能， 通過其風(fēng)輪對(duì)風(fēng)的動(dòng)能捕捉吸收，完成機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，機(jī)械能通過齒輪箱等增速 傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞給風(fēng)力發(fā)電機(jī)或直接傳遞給發(fā)電機(jī)，

20、由發(fā)電機(jī)將轉(zhuǎn)化后的機(jī)械能轉(zhuǎn) 換為電能。3.2太陽能電池太陽能電池的分類：?jiǎn)尉Ч杼柲茈姵?、多晶硅電池、非晶硅太陽能電池?多元化合物太陽能電池。其中多元化合物太陽能電池具有世界的最高水平的光電 轉(zhuǎn)化效率。太陽能電池是將輻射到其表面光能轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備，是太陽能發(fā)電的核心 器件，其工作原理是光生伏效應(yīng)。太陽輻射的能量照射到太陽能電池板上表面時(shí)， 電池板的PN結(jié)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在太陽能電池的內(nèi)部電場(chǎng)力作用下，是光電 子和空穴分離，造成太陽能電池的兩端出現(xiàn)攜帶不同電量積聚的中心，即電池板的兩端引出電線并接如電阻，組成一個(gè)閉合電路，則會(huì)有電流從電阻中流過，從 而獲得電功率的輸出。太陽能電池發(fā)電功率輸

21、出是基于光生伏的效應(yīng)，研究表明發(fā)現(xiàn)：即使在太陽 能輻射強(qiáng)度和太陽能電板組件溫度一致的情況下，電池板功率輸出是一種非線性 的輸出，電池板既不能等同于恒流源，也非恒壓源。在某一日照強(qiáng)度和溫度下， 太陽能電池輸出電流-電壓-功率的特性曲線如圖413。溫度和太陽能輻射強(qiáng)度都 對(duì)太陽能電池組件輸出特性有影響。圖4太陽能電池的電流-電壓-功率特性曲線VP3.3蓄電池組件在獨(dú)立運(yùn)行的獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)電系統(tǒng)多采用蓄電池蓄能的方式14，蓄電池蓄 能有適應(yīng)負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化特性好、充放電效率高等優(yōu)點(diǎn)。蓄電池在系統(tǒng)中的作用是 在電量富余時(shí)，將電量?jī)?chǔ)存起來，短缺時(shí)將電量釋放出來，改善系統(tǒng)的供電可靠 性的同時(shí)也起著改善供電電能質(zhì)

22、量?jī)蓚€(gè)方面起著重要的作用。目前市場(chǎng)上供應(yīng)的蓄電池主要有堿性鎳、蓄電池鉛酸蓄電池。其中鉛酸蓄電 池被譽(yù)為風(fēng)力發(fā)電專用電池，也是使用最為廣泛的一種蓄電池，具有容量較大、 質(zhì)量穩(wěn)定、性能可靠的優(yōu)點(diǎn)。本文將采用鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能設(shè)備。從目前蓄電池使用情況來看，普遍存在蓄電池容量下降過快，使用壽命短， 甚至短短1-2年時(shí)間蓄電池的容量只有標(biāo)稱容量的30%-40%，甚至只有10% -20%。而大部分蓄電池經(jīng)過1-4年的運(yùn)行，容量只有標(biāo)稱的50%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不 能滿足風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求使用壽命。影響蓄電池使用壽命的因素很復(fù)雜，造 成蓄電池失效的模式有以下幾個(gè)方面：正極板腐蝕、嚴(yán)重失水、熱失控、硫酸化。3.4

23、逆變器逆變器是風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的電能變換設(shè)備，是將直流電變換為交流電的 設(shè)備。其工作原理是利用半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的開通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)直流電變換為 交流電的一種電力電子設(shè)備。其優(yōu)點(diǎn)是變換效率高；缺點(diǎn)是變換輸出波形較差， 含有諧波，需要進(jìn)行交流低通濾波器的濾波。逆變器技術(shù)的發(fā)展可以分為三個(gè)階段：1956-1980年為傳統(tǒng)發(fā)展階段，該階段的逆變器，以低速器為主，逆變器的 開關(guān)頻率較低，輸出電壓波形改善以多重疊加法為主，體積重量大，逆變效率較 低。1981-200年為高頻化新技術(shù)階段，該階段逆變器開關(guān)器件以高速器件為主， 逆變器的開關(guān)頻率高，波形改善以PWM為主，體積重量小，逆變效率高，以正 弦波逆變

24、技術(shù)日益完善。2000-至今高效低污染階段，該階段特點(diǎn)以逆變器的綜合性能為主，低速開關(guān) 與高速開關(guān)器件并用，多重疊加方法與PWM法并用，不偏向追求高速開關(guān)器件， 高開關(guān)頻率，高效環(huán)保的逆變器技術(shù)開始出現(xiàn)。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的應(yīng)用前景缺電生活。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(fēng)能和太陽能蘊(yùn)藏量豐富的地區(qū)。因此利用風(fēng)光互 補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)解決用電問題的潛力很大。采用已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)有 利于加速這些地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高其經(jīng)濟(jì)水平。另外，利用風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)開發(fā) 儲(chǔ)量豐富的可再生能源，可以為廣大邊遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)村人口提供最適宜也最便宜的 電力服務(wù)，促進(jìn)貧困地

25、區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。我國已經(jīng)建成了千余個(gè)可再生能源的獨(dú)立運(yùn)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(yùn)行使用生產(chǎn)性負(fù)載，這就使系統(tǒng)的經(jīng) 濟(jì)性變得非常差。可再生能源獨(dú)立運(yùn)行村落集中供電系統(tǒng)的出路是經(jīng)濟(jì)上的可持 續(xù)運(yùn)行，涉及到系統(tǒng)的所有權(quán)、管理機(jī)制、電費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)性負(fù)載的管理、電站 政府補(bǔ)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(duì)中國在 內(nèi)的所有發(fā)展中國家都有深遠(yuǎn)意義。室外應(yīng)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(guān)注?；驹硎牵禾柲芎惋L(fēng)能以互補(bǔ)形式通過控制器向蓄電池智能化充電，

26、到 晚間根據(jù)光線強(qiáng)弱程度自動(dòng)開啟和關(guān)閉各類led室外燈具。智能化控制器具有無 線傳感網(wǎng)絡(luò)通訊功能，可以和后臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)三遙管理（遙測(cè)、遙訊、遙控）。智 能化控制器還具有強(qiáng)大的人工智能功能，對(duì)整個(gè)照明工程實(shí)施先進(jìn)的計(jì)算機(jī)三遙 管理，重點(diǎn)是照明燈具的運(yùn)行狀況巡檢及故障和防盜報(bào)警。（3）道路照明。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(fēng)光互補(bǔ)LED智能化路燈、 風(fēng)光互補(bǔ)LED小區(qū)道路照明工程、風(fēng)光互補(bǔ)LED景觀照明工程、風(fēng)光互補(bǔ)LED 智能化隧道照明工程、智能化LED路燈等。

27、（4）航標(biāo)應(yīng)用。我國部分地區(qū)的航標(biāo)已經(jīng)應(yīng)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(yán)重。天氣不良情況下往往是伴隨大風(fēng)，也就是說，太陽能發(fā)電不理想的天氣狀況 往往是風(fēng)能最豐富的時(shí)候，針對(duì)這種情況，可以用以風(fēng)力發(fā)電為主，光伏發(fā)電為 輔的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的太陽能發(fā)電系統(tǒng)。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)具有環(huán) 保、無污染、免維護(hù)、安裝使用方便等特點(diǎn)，符合航標(biāo)能源應(yīng)用要求。在太陽能 配置滿足春夏季能源供應(yīng)的情況下，不啟動(dòng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)；在冬春季或連續(xù) 天氣不

28、良狀況、太陽能發(fā)電不良情況下，啟動(dòng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。由此可見，風(fēng) 光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在航標(biāo)上的應(yīng)用具備了季節(jié)性和氣候性的特點(diǎn)。事實(shí)證明，其應(yīng) 用可行、效果明顯。（5）監(jiān)控電源。目前，高速公路道路攝像機(jī)通常是24小時(shí)不間斷運(yùn)行，采用 傳統(tǒng)的市電電源系統(tǒng)，雖然功率不大，但是因?yàn)閿?shù)量多，也會(huì)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(jī)電源的線纜經(jīng)常被盜，損失大，造 成使用維護(hù)費(fèi)用大大增加，加大了高速公路經(jīng)營單位的運(yùn)營成本。應(yīng)用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)為道路監(jiān)控?cái)z像機(jī)提供電源，不僅節(jié)能，并且不需要 鋪設(shè)線纜，減少了被盜了可能，有效防盜。但是我國有的地區(qū)會(huì)出現(xiàn)惡劣的天氣 情況，如連續(xù)灰霾天氣，日照少，

29、風(fēng)力達(dá)不到起風(fēng)風(fēng)力，會(huì)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(fēng)能不足時(shí)，自動(dòng)對(duì)蓄電池充電，確 保系統(tǒng)可以正常工作。通信應(yīng)用。目前國內(nèi)許多海島、山區(qū)等地遠(yuǎn)離電網(wǎng)，但由于當(dāng)?shù)芈糜巍O 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(fù)荷都不會(huì)很大， 若采用市電供電，架桿鋪線代價(jià)很大，若采用柴油機(jī)供電，存在柴油儲(chǔ)運(yùn)成本高， 系統(tǒng)維護(hù)困難、可靠性不高的問題。要解決長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地供電問題，只能依賴當(dāng)?shù)氐淖匀毁Y源。而太陽能和風(fēng) 能作為取之不盡的可再生資源，在海島相當(dāng)豐富，此外，太陽能和風(fēng)能在時(shí)間上 和地域上都有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，海島風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是可靠性、經(jīng)濟(jì)性較好的獨(dú) 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(hù)人員，系統(tǒng)可配置柴 油發(fā)電機(jī)，以備太陽能與風(fēng)能發(fā)電不足時(shí)使用。這樣可以減少系統(tǒng)中太陽電池方 陣與風(fēng)機(jī)的容量，從而降低系統(tǒng)成本，同時(shí)增加系統(tǒng)的可靠性。電站應(yīng)用。風(fēng)光互補(bǔ)抽水蓄能電站是利用風(fēng)能和太陽能發(fā)電，不經(jīng)蓄電池 而直接帶動(dòng)抽水機(jī)實(shí)行補(bǔ)丁時(shí)抽水蓄能，然后利用儲(chǔ)存的水能實(shí)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(fēng)能、太陽能等新能源開發(fā)相結(jié)合，利用 三種能源在時(shí)空分布上的差異實(shí)現(xiàn)期間的互補(bǔ)開發(fā)，適用于電網(wǎng)難以覆蓋的邊遠(yuǎn) 死區(qū)，并有利于能源開發(fā)中的生態(tài)