樊剛強 張曉菊 賈福榮 內(nèi)蒙古河套學院機電工程系

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風光互補發(fā)電在河套地區(qū)的應用分析

樊剛強 張曉菊 賈福榮 內(nèi)蒙古河套學院機電工程系

河套學院科研項目：HTXYZY13011

【文章摘要】

【關鍵詞】

風能；太陽能；可再生能源；風光互補發(fā)電

引言

能源是人類生存和發(fā)展的基礎，在當今快速發(fā)展的情況下，人類對能源需求不斷攀升，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，但由于大量開采，使得儲量越來越少，正面臨資源枯竭、價格飛漲的現(xiàn)狀。作為現(xiàn)代社會發(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，使得應用越來越廣泛。其中綠色電能從環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展出發(fā)，受到了全世界的關注，主要有風能、太陽能、水電、潮汐和其他可再生能源等。

內(nèi)蒙古河套地區(qū)的風能和太陽能資源十分豐富，由于內(nèi)蒙古農(nóng)牧民居住特點較為分散，所以利用率較高，在偏遠的農(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力發(fā)電設備或是太陽能發(fā)電設備，風能作為一種清潔的、儲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)定度高的風能品位。因此可以說是一種取之不盡、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)由于風力發(fā)電設備和太陽能發(fā)電設備的價格比較昂貴，普及率不高，目前一般農(nóng)牧民還在使用小功率的發(fā)電設備，僅僅能滿足生產(chǎn)和生活上的基本用電需求，沒有成型的風光互補發(fā)電系統(tǒng)。風光互補發(fā)電可以根據(jù)不同的天氣情況進行發(fā)電互補，有效解決了因天氣原因造成的電力不充足問題，提高了農(nóng)牧民的用電質(zhì)量。

1.風光互補發(fā)電系統(tǒng)應用分析

1.1河套地區(qū)風光互補的特點分析

河套地區(qū)地處內(nèi)蒙古中西部，在時間和季節(jié)上都有很強的互補性，從時間上考慮：白天光照好而風較小，晚上無光照而風較強；從季節(jié)考慮：夏季太陽光照強而風小，冬季太陽光照弱而風大。這種風光互補的特點使其在資源上產(chǎn)生了最佳的匹配。另外，風力發(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。風光互補發(fā)電系統(tǒng)可根據(jù)用戶的綜合用電負荷和自然資源條件進行最佳的合理配置，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）風力發(fā)電

風力發(fā)電裝置包括并網(wǎng)運行和獨立運行兩種方式。獨立行運時由于風能的不穩(wěn)定性，又沒有儲能或其它發(fā)電裝置的配合，風力發(fā)電無法提供出可靠而穩(wěn)定的電能。為解決上述問題，一是利用蓄電池儲能來穩(wěn)定風力發(fā)電機的電能輸出，另一個是風力發(fā)電機與光伏或柴油發(fā)電等互補運行。

獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。主要部件包括。

①風力發(fā)電機組：由風力機、發(fā)電機和控制部件等組成的發(fā)電系統(tǒng)（簡稱風電機組）。

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

③控制器：系統(tǒng)控制裝置。主要功能是對蓄電池進行充電控制和過放電保護，同時對系統(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備。

⑤交（直）流負載：以交（直）流電為動力的裝置或設備。

（2）太陽能發(fā)電

太陽能發(fā)電光熱發(fā)電和光伏發(fā)電兩種。其中光伏發(fā)電應用較多，主要集中在新材料、新工藝、新設計等方面。制作太陽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體材料。許多國家在太陽能電池研制方面都取得了實質(zhì)性的進展，但由于現(xiàn)有理論的局限，要取得進一步的技術突破，還要走一段摸索的道路。光伏發(fā)電的關鍵技術是應用新的原理，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兆瓦級的聯(lián)網(wǎng)光伏電站，總裝機容量約1000MW。我國太陽能電池技術是在借鑒國外技術的基礎上發(fā)展起來的，進行了大量的實驗研究，現(xiàn)已取得了很大的進展。我國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：太陽能電池、蓄電池組、控制器、逆變器、交（直）流負載。

圖1　風力發(fā)電系統(tǒng)示意圖

圖2　太陽能發(fā)電系統(tǒng)示意圖

1.2風光互補發(fā)電系統(tǒng)在河套地區(qū)的應用現(xiàn)狀

在20世紀80年代就已經(jīng)提出了風光互補的發(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)展風光互補發(fā)電系統(tǒng)，爭取覆蓋率達到100%。

2.風光互補發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成和特點

風光互補發(fā)電系統(tǒng)解決了風能發(fā)電和光伏發(fā)電的缺陷，應用前景非常廣闊，風光互補發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)成主要由太陽能光電板、小型風力發(fā)電機組、系統(tǒng)蓄電池組、控制器和逆變器等幾部分組成，其中，太陽能發(fā)電和風力發(fā)電都可以利用蓄電池儲電，輸出直流電源通過逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡蜇撦d提供穩(wěn)定的電能，滿足用戶的需求。

2.1發(fā)電系統(tǒng)

風光互補發(fā)電系統(tǒng)包括獨立運行的風電系統(tǒng)和光電系統(tǒng)。風電系統(tǒng)是借助小型風力發(fā)電機，將風能轉(zhuǎn)換成電能，再通過控制器對蓄電池進行充電，最后通過逆變器對綜合用電負荷供電。該系統(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)有功功率較高，造價和維護運行成本低；缺點是小型的風力發(fā)電機可靠性較低。光電系統(tǒng)是利用光電極板將吸收的太陽能轉(zhuǎn)換成電能，再通過控制器對蓄電池充電，最后通過逆變器對綜合用電負荷供電。該系統(tǒng)的優(yōu)點是供電可靠性較高，運行維護成本低；缺點是系統(tǒng)造價較高。另外，風電和光電系統(tǒng)都存在一個共同的缺點，就是能源的不穩(wěn)定導致發(fā)電與綜合用電負荷的不平衡，風電和光電系統(tǒng)都必須要利用蓄電池儲能設備供電，但每天的發(fā)電量受時間、天氣和季節(jié)的影響很大，會導致蓄電池組長期處于虧電狀態(tài)。而風光互補發(fā)電系統(tǒng)彌補了風電和光電系統(tǒng)在能源上的缺陷，同時，風電和光電系統(tǒng)在蓄電池組和逆變環(huán)節(jié)是可以通用的，可有效降低風光互補發(fā)電系統(tǒng)的造價，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能電池方陣過充電和被負載過放電。太陽能充放電控制器是太陽能光伏電站的控制核心，其可靠性直接影響到整個太陽能發(fā)電系統(tǒng)。一個好的控制器能夠有效地防止蓄電池過充電和深度放電，并使其使用達到最佳狀態(tài)。在實際應用過程中它發(fā)生故障的機率較高。在選擇時，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)，對控制器原有的出廠設定必須進行相應的修改調(diào)整，以滿足不同廠的蓄電池性能要求，使其運行在最佳狀態(tài)。

2.3逆變器

逆變器是根據(jù)用戶負載電源類型的不同，通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的設備，可以滿足不同用戶的需求。逆變器是風光互補發(fā)電系統(tǒng)的核心部件之一，系統(tǒng)對其具有很高的要求，同時逆變器還具有自動穩(wěn)壓的功能，可有效地改善風光互補發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。

3.河套地區(qū)風光互補發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展方向

風光互補發(fā)電系統(tǒng)目前在河套地區(qū)的應用范圍有限，但是隨著河套地區(qū)風能和太陽能等環(huán)?？稍偕茉蠢玫募哟?，風光互補發(fā)電系統(tǒng)將顯現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢和益處。針對電網(wǎng)暫時覆蓋不到的農(nóng)牧區(qū)邊遠地區(qū)，要通過政策的相關扶持加快推進風光互補發(fā)電系統(tǒng)，解決偏遠地區(qū)農(nóng)牧民生產(chǎn)和生活上的難題，進一步提高河套地區(qū)的電能質(zhì)量，更好的促進邊遠地區(qū)的發(fā)展。

【參考文獻】

［1］楊峻凱.風光互補發(fā)電系統(tǒng)在邊遠地區(qū)的應用研究［J］.能源·電力，2014，06

［2］蘇龍嘎.錫盟地區(qū)戶用風光互補發(fā)電系統(tǒng)的推廣實效分析［J］.農(nóng)村牧區(qū)機械化，2013（5）

［3］李濤，孫韻琳，杜曉榮.風光互補發(fā)電系統(tǒng)應用分析［J］.青海師范大學學報（自然科學版），2011，03

［4］江明穎，魯寶春，姜丕杰.風光互補發(fā)電系統(tǒng)研究綜述［J］電氣傳動自動化，2013，35（6）:11～13.

風能和太陽能是綠色、環(huán)保的可再生能源，取之不盡，用之不竭。通過對河套地區(qū)地形特點的分析，提出風光互補發(fā)電已成為新能源發(fā)展的趨勢。風光互補發(fā)電系統(tǒng)就是將發(fā)電機組和光伏發(fā)電組合起來構(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。闡述了風光互補發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成及其各部分特點，提出了河套地區(qū)風光互補發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展方向。

【作者簡介】

樊剛強（1984— ），碩士，男，講師，主要研究機械設計、水凈化設備等。