李海波+李海燕

摘 要：通過對風光互補發(fā)電系統(tǒng)的研究，提出一種針對港口供電照明系統(tǒng)中小電源負荷更為節(jié)能環(huán)保的供電方式，不僅能夠在設(shè)計方案上有了一定的優(yōu)化和特點，更加適應(yīng)業(yè)主的需求和市場的先進化。文章首先介紹了風能、太陽能互補特性，詳細分析了風光互補發(fā)電的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，給出了各部分工作原理，并結(jié)合傳統(tǒng)的港口供電照明系統(tǒng)方案進行了優(yōu)化，提出新的方案。

關(guān)鍵詞：風光互補發(fā)電系統(tǒng)；節(jié)能環(huán)保；供電照明方案

引言

隨著不可再生資源的日漸減少及緊張形勢，可再生資源領(lǐng)域的深入研究、發(fā)展和應(yīng)用已經(jīng)成為了當前科技發(fā)展的必然趨勢。當前，中國的能源情況并不樂觀，因此我們對新能源的深入研究及應(yīng)用發(fā)展顯得刻不容緩。太陽能、風能發(fā)電系統(tǒng)日漸可靠化、獨立化、成熟化，作為本領(lǐng)域內(nèi)風生水起的兩大新生力量，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到全球的很多行業(yè)，例如家用型風力發(fā)電系統(tǒng)、家用型太陽能發(fā)電系統(tǒng)等，它們有著綠色環(huán)保、能源豐富、節(jié)能減排、經(jīng)濟適用等特點，但受其能源密度低、穩(wěn)定性差、不連續(xù)性等因素，往往被認為效率低。中國處于北半球的季風氣候區(qū)域，春季秋季兩個時節(jié)的風能源與太陽輻射適中，夏季時節(jié)的風能源小太陽輻射大，冬季時節(jié)的風能源大太陽輻射小，結(jié)合此情況，正好可利用風能與太陽能時間、空間的互補來實現(xiàn)穩(wěn)定的能源輸出，由此風光互補發(fā)電系統(tǒng)順勢而生。

傳統(tǒng)的港口供電照明系統(tǒng)主要由場區(qū)高桿燈照明、棧橋及轉(zhuǎn)運站照明系統(tǒng)構(gòu)成，它們的電源一般直接取自于變電所或相應(yīng)的饋線回路，大部分變電所均采用雙母線分段運行三合二形式，可以保證供電的持續(xù)性，但長期運行從節(jié)能減排、經(jīng)濟適用方面考慮并不劃算，況且如果變電站主站出現(xiàn)問題或者外部供電線路出現(xiàn)問題，將無法保證場區(qū)所必須的供電照明等。引入風電互補系統(tǒng)能夠有效地解決此類問題，能充分利用海邊的自然能源進而得以實現(xiàn)節(jié)能減排、綠色環(huán)保、經(jīng)濟適用的目的。本文通過對風光互補發(fā)電系統(tǒng)的深入研究，從而實現(xiàn)將它融入到港口照明供電系統(tǒng)的方案中，并且證明本方案的可行性。

1風光互補發(fā)電系統(tǒng)

1.1 風光互補發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

常見的風光互補發(fā)電系統(tǒng)由六大部分組成：

1）風力發(fā)電部分：通過風力機裝置將外界的風能轉(zhuǎn)換為自身的機械能，再通過內(nèi)置發(fā)電機將機械能合理地轉(zhuǎn)換為質(zhì)量較高的交流電，通過電力電子整流器轉(zhuǎn)化為直流電，再通過控制器的控制策略做出選擇，直接給直流負載供電，對蓄電池進行充電，通過電力電子逆變器輸出交流電對負載供電；

2）光伏發(fā)電部分：通過太陽能電池板光伏陣列的光生伏打效應(yīng)將光能合理地轉(zhuǎn)換為質(zhì)量較高的直流電，然后通過電力電子DC/DC變換器后輸出，再通過再通過控制器的控制策略做出選擇，直接給直流負載供電，對蓄電池進行充電，通過電力電子逆變器輸出交流電對負載供電；

3）逆變系統(tǒng)：由電力電子逆變器組成，可將輸入的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足要求的交流電，從而輸出給交流電負載設(shè)備正常使用，該系統(tǒng)同時具有穩(wěn)壓功能，大大的改善了輸出電能的供電質(zhì)量；

4）控制器部分：該部分為整個系統(tǒng)的大腦中樞，投運哪套發(fā)電系統(tǒng)由它決定，輸出決策也由它決定，同時它還負責各部分的功率跟蹤、蓄電池的充放電控制、保護顯示等。它可以根據(jù)環(huán)境的陽光輻射強度、風能源的大小及負載的需求變化，通過內(nèi)部的控制策略，不斷調(diào)整蓄電池組的工作狀態(tài)，在對直流或交流負載供電的同時，把多余的電能輸入到蓄電池組以便存儲。當周圍環(huán)境不佳的情況下，發(fā)電量不能滿足用電負載的需求，此時控制器會通過控制策略判斷，從而調(diào)整蓄電池的狀態(tài)，將儲存的電能送往負載，從而保證了整個系統(tǒng)工作的可靠性、穩(wěn)定性、連續(xù)性和安全性；

5）蓄電池組部分：作為該系統(tǒng)的備用電源倉庫，由多塊蓄電池串聯(lián)組成，在本發(fā)電系統(tǒng)中起到能量儲存、能量調(diào)節(jié)、能量供給、平衡負載等作用。

6）負載：作為用電的終端，包括直流負載、交流負載、泄荷負載等。

風光互補發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理如圖1所示。

1.2 風力發(fā)電部分

風能的特點主要有能量密度低、不穩(wěn)定性、分布不均勻、可再生、須在有風地帶、無污染、分布廣泛、可分散利用、另外不須能源運輸、可和其它能源相互轉(zhuǎn)換等[1]。

小型風力發(fā)電機組一般由下列幾部分組成：風輪、發(fā)電機、調(diào)速和調(diào)向機構(gòu)、停車機構(gòu)、塔架及拉索等[2]。

（1）風輪

小型風電機組的風輪一般由2到3片葉片構(gòu)成，它是將外界的風能轉(zhuǎn)化為機械能的關(guān)鍵部件，材質(zhì)主要由復合材料構(gòu)成。

（2）發(fā)電機

發(fā)電機通常采用永磁式交流發(fā)電機，此部位是將機械能轉(zhuǎn)化為電能的重要部件。

（3）調(diào)向機構(gòu)

為了更好的獲得風能，風機需要及時根據(jù)風況調(diào)整迎風方向，小型風電機組一般采用尾翼結(jié)構(gòu)來調(diào)整方向。

（4）調(diào)速機構(gòu)

風輪轉(zhuǎn)動并非越快越好，轉(zhuǎn)動過快會造成飛車現(xiàn)象從而損壞各個部件，合理的調(diào)整轉(zhuǎn)速才能使系統(tǒng)穩(wěn)定而合理地輸出機械能，小型風電機組一般采用側(cè)偏式風輪調(diào)整；

（5）停車機構(gòu)

風速較大時，小型風電機組需停機，目前常采用側(cè)偏停機機構(gòu)停機，一般在尾翼機構(gòu)固定一根軟繩。

1.3 光伏發(fā)電部分

光伏陣列能夠有效地、穩(wěn)定地將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，一般由多個太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)并聯(lián)組合構(gòu)成。太陽能電池是光伏發(fā)電的最基本單元，種類有三種：單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池和非晶硅太陽電池[3]。單晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換率最高，但成本也最高；相比較，多晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換率較高，價格便宜，是現(xiàn)在最常見的材料；而非晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率最低，生產(chǎn)工藝較為簡單。目前，以晶硅材料為基礎(chǔ)的高效電池和薄膜電池是基礎(chǔ)研究工作的熱點課題[2]。原理是電池板利用光伏效應(yīng)（光生伏打效應(yīng)）將太陽能高效地、穩(wěn)定地轉(zhuǎn)換成電能。光生伏打效應(yīng)是半導體在吸收光能后， P-N結(jié)上會產(chǎn)生相應(yīng)電動勢的現(xiàn)象。

1.4 逆變系統(tǒng)

逆變系統(tǒng)是將直流電轉(zhuǎn)化為交流電的系統(tǒng)，它的轉(zhuǎn)換效率直接體現(xiàn)了負載的使用效率，從而在可行性、穩(wěn)定性、安全性、經(jīng)濟性影響了整個系統(tǒng)。逆變系統(tǒng)通常由數(shù)臺逆變器構(gòu)成，將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榉弦蟮慕涣麟?，為負載設(shè)備提供正常的電能，同時還具備自動穩(wěn)壓等保護功能，由此可大大改善該系統(tǒng)的效率。

1.5 控制器部分

控制器部分主要由主電路板、控制電路板、外圍電路構(gòu)成，是整個系統(tǒng)的中心部位。

主電路板通常由整流器、變換器、防反充二極管等構(gòu)成?？刂齐娐钒遄鳛檎麄€系統(tǒng)的大腦中樞，多為單片機。外圍電路通常由驅(qū)動電路、通訊電路、保護電路、電流采樣電路、電壓采樣電路、輔助電源電路等構(gòu)成。

發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能經(jīng)過整流器整流和穩(wěn)壓電容、控制系統(tǒng)處理后給蓄電池充電。風速過高時，輸出電壓往往大于蓄電池電壓，控制系統(tǒng)一般會通過輸出脈沖（PWM）來控制電路通斷，從而使多余的能量轉(zhuǎn)移到卸荷電阻，從而實現(xiàn)對蓄電池的保護。為確保太陽能電池板的單向?qū)щ娦?，防止發(fā)電系統(tǒng)輸出的整流電壓和蓄電池電壓對光伏陣列反向灌充，控制系統(tǒng)一般裝設(shè)防反充二極管?？刂葡到y(tǒng)中的二極管、保險絲構(gòu)成了短路回路，蓄電池接反時，會燒毀保險絲，從而切斷電路以實現(xiàn)保護系統(tǒng)的作用。為抑制mosfet管因過壓、過流產(chǎn)生的開關(guān)損耗，控制系統(tǒng)主電路通常由兩個具有緩沖電路的輸出并聯(lián)的變換器。主電路是由光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路和風力發(fā)電系統(tǒng)主電路兩個互相獨立輸出端并聯(lián)的buck電路組成。電路中通常會存在分布電感、感性負載等，當mosfet管關(guān)斷時，將會產(chǎn)生較大的浪涌電壓，因此采用緩沖電路來預(yù)防浪涌電壓。

1.6 蓄電池部分

蓄電池是整個系統(tǒng)的能量倉庫，是系統(tǒng)正常工作的能源基地。風能、光能充沛情況下，可以儲存多余的電能，在欠缺的情況下，可以為負載提供充足的電能，同時作為兩大發(fā)電系統(tǒng)的“中樞”可以合理地調(diào)配以實現(xiàn)互補作用。蓄電池的濾波作用能構(gòu)使系統(tǒng)輸出的電能更加平穩(wěn)。目前市面上本系統(tǒng)采用的蓄電池主要有鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池和堿性鎳蓄電池。隨著科學技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，儲能方式多元化，超導儲能、超級電容儲能、燃料電池等新技術(shù)已經(jīng)日漸成熟。綜合經(jīng)濟型、便捷性、維護性、穩(wěn)定性等條件，目前本系統(tǒng)采用鉛酸蓄電池比較常見。

1.7 風光互補發(fā)電系統(tǒng)的特點

風光互補發(fā)電系統(tǒng)能夠很好地克服風能、太陽能的隨機性和間歇性的缺點，實現(xiàn)不間斷發(fā)電供電，與單獨的風電系統(tǒng)、光電系統(tǒng)相比有明顯的優(yōu)勢[4]。系統(tǒng)的主要特點如下：

1.兩種能源較為豐富，良好的互補性能夠輸出穩(wěn)定的、可靠的、合格的電能供負載使用。

2.通過兩大系統(tǒng)互補，可以減少原有單個系統(tǒng)的配置容量，從而大大縮減了投入成本。

3.合理利用可再生資源可以減少火電、核電供給的電量，在環(huán)保節(jié)能方面做出重大貢獻。

4.可以合理地規(guī)避由于市電故障導致的供電問題。

1.8 結(jié)合港口供電照明系統(tǒng)的分析

現(xiàn)港口供電照明系統(tǒng)中能夠引入風光互補發(fā)電系統(tǒng)的主要為小負荷回路，具體體現(xiàn)在普通照明、應(yīng)急照明、維修電源等，我們可以根據(jù)現(xiàn)有的港口進行如下分析：

1、成本分析

現(xiàn)某港口配備500盞400w高壓鈉燈，500盞250w高壓鈉燈，現(xiàn)將400w、250w高壓鈉燈分別替換為150w、100w LED燈具，并引入風光互補發(fā)電系統(tǒng)，每年大概可以節(jié)省350萬度電，雖然在前期引入此套設(shè)備增加了投入成本，但隨著此類產(chǎn)品的成熟化、穩(wěn)定性，幾年內(nèi)就可通過節(jié)省市電的使用來實現(xiàn)更大的經(jīng)濟效益。

2、方案難點分析

由于港口領(lǐng)域還未引入過風光互補發(fā)電系統(tǒng)，所以從初期設(shè)計階段就要結(jié)合以下方面進行詳細的計算和選型：

1）蓄電池容量的計算

2）不同高度和不同地點的風速儀選型

3）風力發(fā)電量

4）光伏發(fā)電量

5）控制策略的搭建

2結(jié)論

通過前面的闡述和分析，可以看出風光互補發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)日漸成熟，它在港口工業(yè)領(lǐng)域的引入可以減少不可再生資源的消耗，同時提高可再生資源的利用率，減少對環(huán)境的污染，大大保證了港口供電照明的持續(xù)照明問題，提高了運營的經(jīng)濟型、安全性、穩(wěn)定性?？傊?，隨著工業(yè)發(fā)展的需求、時代腳步的前進、國家新能源政策的號召，風光互補發(fā)電系統(tǒng)必將引入到港口工業(yè)領(lǐng)域的供電照明系統(tǒng)內(nèi)，并且成為一道靚麗的風景。

參考文獻：

[1]黃素逸.能源與節(jié)能技術(shù)，北京：北京中國電力出版社，2004.4

[2]李俊峰.風力12在中國，北京：北京化學工業(yè)出版社，2005.5

[3]李學金.太陽電池及其電源系統(tǒng)設(shè)計，北京：節(jié)能，1999. 29-31

[4]李爽.風/光互補混合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，中國科學院電工研究所碩士學位論文，2001.42-43