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風光互補發電系統的互補性及優勢

來源: 發布日期:2020-06-11 16:13:55 總瀏覽:4679
1.風能和太陽能特性

風能和太陽能的利用和發展已有三千多年的歷史,是一門古老而又年青的科學、實用而又和生活關系密切的科學、可再生而又能保護環境的科學、現時又為可持續發展的科學、是一次投資可多年受益的產業。在眾多新能源領域中,風力發電和太陽能發電的開發和利用被首當其沖優先發展,是當今國際上的一大熱點,因為風能和太陽能的利用,是不用開采、不用運輸、不用排放垃圾、沒有環境污染的技術,是保護地球,造福子孫后代的百年大計工程。

風能和太陽能都是清潔、儲量極為豐富的重要的可再生能源,由于受季節更替和天氣變化的影響,風能、太陽能都是不穩定、不連續的能源,單獨的風力發電或太陽能光伏發電都存在發電量不穩定的缺陷。但風能和太陽能具有天然的互補優勢,即白天太陽光強,夜間風多;夏天日照好,風弱而冬春季節風大,日照弱。風光互補發電系統充分利用了風能和太陽能資源的互補性,是一種具有較高性價比的新型能源發電系統。

隨著光伏發電技術、風力發電技術的日趨成熟及實用化進程中產品的不斷完善,為風光互補發電系統的推廣應用奠定了基礎。風光互補發電系統推動了我國節能環保事業的發展,促進資源節約型和環境友好型社會的建設。隨著設備材料成本的降低、科技的發展、政府扶持政策的推出,風光互補這一清潔、綠色、環保的新能源發電系統將會得到更加廣泛的應用。

風能和太陽能可獨立構成發電系統,也可組成風能和太陽能混合發電系統,即風光互補發電系統,采用何種發電形式,主要取決于當地的自然資源條件以及發電綜合成本,在風能資源較好的地區宜采用風能發電,在日照豐富地區可采用太陽能光伏發電,一般情況下,風能發電的綜合成本遠低于太陽能光伏發電成本,因而在風能資源較好地區應首選風能發電系統。近年來由于風光互補發電系統具有資源互補性、供電安全性、穩定性均好于單一能源發電系統,且價格居中而得到越來越廣泛地應用。

風力發電存在著無風時(尤其是夏季白天長夜間短,太陽光強季節)不發電的問題,太陽能光伏發電也存在著無陽光時(尤其是冬季白天短夜間長,北風大的季節)不發電的問題,如果合理的將風力發電、太陽能光伏發電結合在一起,可實現了365天連續不間斷發電。


2.風光互補發電技術

風光互補發電技術是整合了中小型風電技術和太陽能光伏技術,綜合了各種應用領域的新技術,其涉及的領域之多、應用范圍之廣、技術差異化之大,是各種單獨技術所無法比擬的。風能和太陽能是目前全球在新能源利用方面,技術最成熟、最具規?;鸵旬a業化發展的行業,單獨的風能和單獨的太陽能都有其開發的弊端,而風力發電和太陽能發電兩者具有互補性,兩種新能源結合可實現在自然資源的配置方面、技術方案的整合方面、性能與價格的對比方面都達到了對新能源綜合利用的最合理,不但降低了滿足同等需求下的單位成本,而且擴大了市場的應用范圍,還提高了產品的可靠性。


所謂風光互補,簡而言之,是指將風力發電和光伏發電組合起來構成發電系統。在新能源領域的研究者和投資者看來,利用太陽能電池將太陽能轉換成電能的光伏發電系統,雖然清潔,但造價相對高,且受日照時間影響;而風電系統雖然系統造價低,運行維護成本低,但質量可靠性也相對較差。將兩者相結合,卻能互補所短,各揚所長。然而,風光互補發電技術并不是簡單地將風能和太陽能相加就可以,其間還涉及一系列復雜的技術及系統的匹配設計。

在風光互補發電技術的推廣應用中,競爭的關鍵是綜合配置能力。尋找最佳匹配方案需做大量的研究工作,反復推算、演示,進行市場摸排,選配組件、組裝等,已構成最佳匹配的方案,以實現風能和太陽能的無縫對接,有光照的時候通過太陽能電池將光能轉換為電能,有風的時候利用風力機發電,二者均無的時候,負載可以利用蓄電池儲備的電能工作。

風能、太陽能都是無污染的、取之不盡用之不竭的可再生能源,中小型風力發電和太陽能光伏發電系統在我國已得到初步應用。這兩種發電方式各有其優點,但風能、太陽能都是不穩定的,不連續的能源,用于無電網地區,需要配備相當大的儲能設備,或者采取多能互補的辦法,以保證發電系統能夠穩定的供電。太陽能與風能在時間上和地域上都有很強的互補性,我國屬季風氣候區,一般冬季風大,太陽輻射強度小;夏季風小,太陽輻射強度大,在季節上可以相互補充利用。白天太陽光最強時,風很小,晚上太陽落山后,光照很弱,但由于地表溫差變化大而使風能加強。夜間和陰雨天無陽光時由風能發電,晴天由太陽能發電,在既有風又有太陽的情況下兩者同時發揮作用,實現了全天候的發電,比單用風能和太陽能更經濟、科學、實用。


風光互補發電的應用方向,不應是以聯網發電為主,風光互補發電是針對邊遠牧區、無電戶地區及海島,在遠離大電網,人煙稀少,用電負荷低且交通不便的情況下,利用本地區充裕的風能、太陽能建設的一種經濟實用性發電站。風光互補發電技術是解決這些無電人口供電問題的有效手段。偏遠地區一般用電負荷都不大,所以用電網送電就不經濟,在當地直接發電,最常用的就是采用柴油發電機。但柴油的儲運對偏遠地區成本太高,所以柴油發電機只能作為一種短時的應急電源。要解決長期穩定可靠的供電問題,只能依賴當地的自然能源。



風力發電和太陽能光伏發電系統都存在由于資源的不確定性,導致了發電與用電負荷的不平衡。利用風能和太陽能具有的互補性,開發風光互補發電系統,可以彌補太陽能和風能相互之間的不足,如圖1所示。太陽能和風能在時間上的互補性,使風光互補發電系統在資源上具有最佳匹配的可能性,采用風光互補技術,可以在一定程度上減少太陽能電池組件容量,并降低了發電系統的成本。價格低、性能穩定的風光互補發電系統比單一能源的太陽能或風能發電系統更加容易被用戶所接受,更利于推廣。



圖2為某地10月份的一天中太陽能和風能資源的分布,因此,采用風光互補發電,可以彌補風能、太陽能間歇性的缺陷,從而開發一種新的性能優越的綠色能源。風光互補發電是比單獨風力發電、單獨太陽能光伏發電更加有效的發電方式。采用風光互補發電系統,可實現能量之間的相互補充,不僅能提供更加穩定的電能輸出,還可以在一定程度上削弱風力發電系統的反調峰特性。

3.風光互補發電系統優勢及構成框圖

(1)風光互補發電系統優勢

風光互補發電系統是一種將光能和風能轉化為電能的裝置,由于太陽能與風能的互補性強,風光互補發電系統彌補了風能與太陽能獨立發電系統在資源上的間斷不平衡性、不穩定性,可以根據用戶的用電負荷情況和資源條件進行系統容量的合理配置,既可保證供電的可靠性,又可降低發電系統的造價,不受地域限制,既環保又節能。

風光互補發電系統按是否并入公共電網系統可分為并網風光互補發電系統和離網風光互補發電系統。離網風光互補發電系統是獨立于公共電網、自發自用的發電系統,常用于為邊遠無電用戶供電;并網風光互補發電系統是為公共電網提供電力的發電系統。通常離網風光互補發電系統容量在100W~100kW級,并網風光互補發電系統容量可達數百千瓦甚至兆瓦級。

優化配置的風光互補發電系統可保證系統供電的可靠性,又可降低發電系統的造價。無論是怎樣的環境和怎樣的用電要求,風光互補發電系統都可作出最優化的系統設計方案來滿足用戶的要求。應該說,風光互補發電系統是最合理的獨立電源系統。這種合理性表現在資源配置最合理,技術方案最合理,性能價格最合理。正是這種合理性保證了風光互補發電系統的高可靠性。目前,推廣風光互補發電系統的最大障礙是中小型風力發電機的可靠性問題。

綜合利用了風能、太陽能的風光互補發電系統,不僅能為電網供電不便的地區,提供低成本、高可靠性的電源,而且也為解決當前的能源危機和環境污染開辟了一條新路。風光互補發電系統是科學利用自然資源的新成果,它有如下諸多優勢:

1)利用風能、太陽能的互補性,彌補了獨立風力發電和獨立光伏發電系統的不足,可以獲得比較穩定的和可靠性高的電源。

2)充分利用土地資源。風力發電設備利用高空風能,光伏發電設備則利用風力機下的地面太陽能,實現地面和高空的有效結合。

3)在保證同樣供電的情況下,可大大減少儲能蓄電池的容量。

4)對風光互補發電系統進行合理的設計和匹配,可實現由風光互補發電系統可靠供電,很少或基本不用啟動備用電源如柴油機發電機組等,可獲得較好的社會效益和經濟效益。

5)由于風光互補發電系統共用一套配電設備,降低了工程造價;共用一批管理和工程技術人員,提高了勞動效率,降低了運行成本。

(2)風光互補發電系統構成框圖

風光互補發電系統作為合理的獨立電源系統,開創了一條綜合開發風能和太陽能資源的新途徑,標志著開發利用可再生能源發電進入了新的階段。風光互補發電系統不僅適用于缺電的邊遠地區,因其利用可再生能源,無污染,且成本低、效率高,所以在條件具備的地方都有很好的開發應用前景。所以綜合開發利用風能、太陽能,發展風光互補發電有著廣闊的前景,受到了很多國家的重視。

早期的風光互補發電系統僅是簡單地將風力發電系統和太陽能發電系統組合在一起,并沒有考慮系統匹配、優化等問題。要進行風光互補發電系統設計、充分發揮風光互補發電的優勢,首先要調查當地太陽能和風能資源狀況,然后在基礎資源數據的基礎上,對互補系統進行優化設計,風光互補發電系統建成后,應對其進行系統匹配測試和發電量等性能參數的實際測試,并進行評價。


離網風光互補發電系統框圖如圖3所示,光伏發電單元采用所需規模的太陽能電池將太陽能轉換為電能,風力發電單元利用中小型風力發電機將風能轉換為電能,并通過智能控制中心對蓄電池充電、放電、逆變器進行統一管理,為負載提供穩定可靠的電力供應。兩個發電單元在能源的采集上互相補充,同時又各具特色。風光互補發電系統可充分發揮風力發電和光伏發電各自的特性和優勢,最大限度的利用好大自然賜予的風能和太陽能。對于用電量大、用電要求高,而風能資源和太陽能資源又較豐富的地區,選用風光互補發電系統無疑是一種最佳選擇。

離網風光互補發電系統是由風力發電機組、太陽能光伏電池組、蓄電池、控制器/逆變器、配電系統和用電設備等組成。風光互補發電系統的控制器/逆變器上設置了風力發電機和太陽能電池兩個輸入接口,風力發電機和太陽能光伏電池發出的電,通過充電控制器向蓄電池組充電;然后將蓄電池儲存的直流電通過逆變器轉換為適合通用電器使用的交流電。


根據不同地區的風能、太陽能資源,以及不同的用電需求,用戶可配置不同的風光互補發電模式。做到完全利用自然資源自主發電,為照明或動力設備提供穩定的電能。從理論上來講,利用風光互補發電,在設計上以風電為主,光電為輔是最佳匹配方案,前提是,要做到風能和太陽能的無縫對接,要做到無縫對接轉換,也就是不停電,同時要能對抗惡劣天氣,安全性能好。并且,在設計中還要考慮應用地的氣候、日照時間、最高最低風速、噪音等一系列外部因素,優化配置風力發電機和太陽能電池,以充分利用太陽能和風能。一方面降低發電系統設備制造成本,另一方面,增加了利用自然能源的時間,則減少使用蓄電池的時間,提高蓄電池使用壽命。

目前,國外在風光互補發電系統的設計上,主要有兩種方法來確定功率:一是功率匹配法,即在不同輻射和風速下對應的太陽能電池陣列的功率和風力發電機的功率之和大于負載功率,并實現系統的優化控制。另一是能量匹配的方法,即在不同輻射和風速下對應的太陽能電池陣列的發電量和風力發電機的發電量之和大于等于負載的耗電量,主要用于系統功率設計。目前,國內在風光互補發電系統進行研究的領域有:風光互補發電系統的優化匹配計算、系統優化控制等

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