風(fēng)能和太陽(yáng)能的利用和發(fā)展已有三千多年的歷史，是一門古老而又年青的科學(xué)、實(shí)用而又和生活關(guān)系密切的科學(xué)、可再生而又能保護(hù)環(huán)境的科學(xué)、現(xiàn)時(shí)又為可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)、是一次投資可多年受益的產(chǎn)業(yè)。在眾多新能源領(lǐng)域中，風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電的開發(fā)和利用被首當(dāng)其沖優(yōu)先發(fā)展，是當(dāng)今國(guó)際上的一大熱點(diǎn)，因?yàn)轱L(fēng)能和太陽(yáng)能的利用，是不用開采、不用運(yùn)輸、不用排放垃圾、沒(méi)有環(huán)境污染的技術(shù)，是保護(hù)地球，造福子孫后代的百年大計(jì)工程。
風(fēng)能和太陽(yáng)能都是清潔、儲(chǔ)量極為豐富的重要的可再生能源，由于受季節(jié)更替和天氣變化的影響，風(fēng)能、太陽(yáng)能都是不穩(wěn)定、不連續(xù)的能源，單獨(dú)的風(fēng)力發(fā)電或太陽(yáng)能光伏發(fā)電都存在發(fā)電量不穩(wěn)定的缺陷。但風(fēng)能和太陽(yáng)能具有天然的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，即白天太陽(yáng)光強(qiáng)，夜間風(fēng)多;夏天日照好，風(fēng)弱而冬春季節(jié)風(fēng)大，日照弱。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)充分利用了風(fēng)能和太陽(yáng)能資源的互補(bǔ)性，是一種具有較高性價(jià)比的新型能源發(fā)電系統(tǒng)。
隨著光伏發(fā)電技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日趨成熟及實(shí)用化進(jìn)程中產(chǎn)品的不斷完善，為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)推動(dòng)了我國(guó)節(jié)能環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的建設(shè)。隨著設(shè)備材料成本的降低、科技的發(fā)展、政府扶持政策的推出，風(fēng)光互補(bǔ)這一清潔、綠色、環(huán)保的新能源發(fā)電系統(tǒng)將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。
風(fēng)能和太陽(yáng)能可獨(dú)立構(gòu)成發(fā)電系統(tǒng)，也可組成風(fēng)能和太陽(yáng)能混合發(fā)電系統(tǒng)，即風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，采用何種發(fā)電形式，主要取決于當(dāng)?shù)氐淖匀毁Y源條件以及發(fā)電綜合成本，在風(fēng)能資源較好的地區(qū)宜采用風(fēng)能發(fā)電，在日照豐富地區(qū)可采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電，一般情況下，風(fēng)能發(fā)電的綜合成本遠(yuǎn)低于太陽(yáng)能光伏發(fā)電成本，因而在風(fēng)能資源較好地區(qū)應(yīng)首選風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)。近年來(lái)由于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)具有資源互補(bǔ)性、供電安全性、穩(wěn)定性均好于單一能源發(fā)電系統(tǒng)，且價(jià)格居中而得到越來(lái)越廣泛地應(yīng)用。
風(fēng)力發(fā)電存在著無(wú)風(fēng)時(shí)(尤其是夏季白天長(zhǎng)夜間短，太陽(yáng)光強(qiáng)季節(jié))不發(fā)電的問(wèn)題，太陽(yáng)能光伏發(fā)電也存在著無(wú)陽(yáng)光時(shí)(尤其是冬季白天短夜間長(zhǎng)，北風(fēng)大的季節(jié))不發(fā)電的問(wèn)題，如果合理的將風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電結(jié)合在一起，可實(shí)現(xiàn)了365天連續(xù)不間斷發(fā)電。
2.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)
風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)是整合了中小型風(fēng)電技術(shù)和太陽(yáng)能光伏技術(shù)，綜合了各種應(yīng)用領(lǐng)域的新技術(shù)，其涉及的領(lǐng)域之多、應(yīng)用范圍之廣、技術(shù)差異化之大，是各種單獨(dú)技術(shù)所無(wú)法比擬的。風(fēng)能和太陽(yáng)能是目前全球在新能源利用方面，技術(shù)最成熟、最具規(guī)?；鸵旬a(chǎn)業(yè)化發(fā)展的行業(yè)，單獨(dú)的風(fēng)能和單獨(dú)的太陽(yáng)能都有其開發(fā)的弊端，而風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電兩者具有互補(bǔ)性，兩種新能源結(jié)合可實(shí)現(xiàn)在自然資源的配置方面、技術(shù)方案的整合方面、性能與價(jià)格的對(duì)比方面都達(dá)到了對(duì)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(kuò)大了市場(chǎng)的應(yīng)用范圍，還提高了產(chǎn)品的可靠性。
所謂風(fēng)光互補(bǔ)，簡(jiǎn)而言之，是指將風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電組合起來(lái)構(gòu)成發(fā)電系統(tǒng)。在新能源領(lǐng)域的研究者和投資者看來(lái)，利用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的光伏發(fā)電系統(tǒng)，雖然清潔，但造價(jià)相對(duì)高，且受日照時(shí)間影響;而風(fēng)電系統(tǒng)雖然系統(tǒng)造價(jià)低，運(yùn)行維護(hù)成本低，但質(zhì)量可靠性也相對(duì)較差。將兩者相結(jié)合，卻能互補(bǔ)所短，各揚(yáng)所長(zhǎng)。然而，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)并不是簡(jiǎn)單地將風(fēng)能和太陽(yáng)能相加就可以，其間還涉及一系列復(fù)雜的技術(shù)及系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)。
在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)的推廣應(yīng)用中，競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)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(fù)推算、演示，進(jìn)行市場(chǎng)摸排，選配組件、組裝等，已構(gòu)成最佳匹配的方案，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)能和太陽(yáng)能的無(wú)縫對(duì)接，有光照的時(shí)候通過(guò)太陽(yáng)能電池將光能轉(zhuǎn)換為電能，有風(fēng)的時(shí)候利用風(fēng)力機(jī)發(fā)電，二者均無(wú)的時(shí)候，負(fù)載可以利用蓄電池儲(chǔ)備的電能工作。
風(fēng)能、太陽(yáng)能都是無(wú)污染的、取之不盡用之不竭的可再生能源，中小型風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在我國(guó)已得到初步應(yīng)用。這兩種發(fā)電方式各有其優(yōu)點(diǎn)，但風(fēng)能、太陽(yáng)能都是不穩(wěn)定的，不連續(xù)的能源，用于無(wú)電網(wǎng)地區(qū)，需要配備相當(dāng)大的儲(chǔ)能設(shè)備，或者采取多能互補(bǔ)的辦法，以保證發(fā)電系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的供電。太陽(yáng)能與風(fēng)能在時(shí)間上和地域上都有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，我國(guó)屬季風(fēng)氣候區(qū)，一般冬季風(fēng)大，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度小;夏季風(fēng)小，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大，在季節(jié)上可以相互補(bǔ)充利用。白天太陽(yáng)光最強(qiáng)時(shí)，風(fēng)很小，晚上太陽(yáng)落山后，光照很弱，但由于地表溫差變化大而使風(fēng)能加強(qiáng)。夜間和陰雨天無(wú)陽(yáng)光時(shí)由風(fēng)能發(fā)電，晴天由太陽(yáng)能發(fā)電，在既有風(fēng)又有太陽(yáng)的情況下兩者同時(shí)發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)了全天候的發(fā)電，比單用風(fēng)能和太陽(yáng)能更經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、實(shí)用。
風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的應(yīng)用方向，不應(yīng)是以聯(lián)網(wǎng)發(fā)電為主，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電是針對(duì)邊遠(yuǎn)牧區(qū)、無(wú)電戶地區(qū)及海島，在遠(yuǎn)離大電網(wǎng)，人煙稀少，用電負(fù)荷低且交通不便的情況下，利用本地區(qū)充裕的風(fēng)能、太陽(yáng)能建設(shè)的一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用性發(fā)電站。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)是解決這些無(wú)電人口供電問(wèn)題的有效手段。偏遠(yuǎn)地區(qū)一般用電負(fù)荷都不大，所以用電網(wǎng)送電就不經(jīng)濟(jì)，在當(dāng)?shù)刂苯影l(fā)電，最常用的就是采用柴油發(fā)電機(jī)。但柴油的儲(chǔ)運(yùn)對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)成本太高，所以柴油發(fā)電機(jī)只能作為一種短時(shí)的應(yīng)急電源。要解決長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠的供電問(wèn)題，只能依賴當(dāng)?shù)氐淖匀荒茉础?/p>
風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)都存在由于資源的不確定性，導(dǎo)致了發(fā)電與用電負(fù)荷的不平衡。利用風(fēng)能和太陽(yáng)能具有的互補(bǔ)性，開發(fā)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，可以彌補(bǔ)太陽(yáng)能和風(fēng)能相互之間的不足，如圖1所示。太陽(yáng)能和風(fēng)能在時(shí)間上的互補(bǔ)性，使風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有最佳匹配的可能性，采用風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)，可以在一定程度上減少太陽(yáng)能電池組件容量，并降低了發(fā)電系統(tǒng)的成本。價(jià)格低、性能穩(wěn)定的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)比單一能源的太陽(yáng)能或風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)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(yáng)能和風(fēng)能資源的分布，因此，采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電，可以彌補(bǔ)風(fēng)能、太陽(yáng)能間歇性的缺陷，從而開發(fā)一種新的性能優(yōu)越的綠色能源。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電是比單獨(dú)風(fēng)力發(fā)電、單獨(dú)太陽(yáng)能光伏發(fā)電更加有效的發(fā)電方式。采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)能量之間的相互補(bǔ)充，不僅能提供更加穩(wěn)定的電能輸出，還可以在一定程度上削弱風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的反調(diào)峰特性。
3風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)及構(gòu)成框圖
(1)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)
風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是一種將光能和風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，由于太陽(yáng)能與風(fēng)能的互補(bǔ)性強(qiáng)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)彌補(bǔ)了風(fēng)能與太陽(yáng)能獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)在資源上的間斷不平衡性、不穩(wěn)定性，可以根據(jù)用戶的用電負(fù)荷情況和資源條件進(jìn)行系統(tǒng)容量的合理配置，既可保證供電的可靠性，又可降低發(fā)電系統(tǒng)的造價(jià)，不受地域限制，既環(huán)保又節(jié)能。
風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)按是否并入公共電網(wǎng)系統(tǒng)可分為并網(wǎng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)和離網(wǎng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。離網(wǎng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是獨(dú)立于公共電網(wǎng)、自發(fā)自用的發(fā)電系統(tǒng)，常用于為邊遠(yuǎn)無(wú)電用戶供電;并網(wǎng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是為公共電網(wǎng)提供電力的發(fā)電系統(tǒng)。通常離網(wǎng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)容量在100W～100kW級(jí)，并網(wǎng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)容量可達(dá)數(shù)百千瓦甚至兆瓦級(jí)。
優(yōu)化配置的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可保證系統(tǒng)供電的可靠性，又可降低發(fā)電系統(tǒng)的造價(jià)。無(wú)論是怎樣的環(huán)境和怎樣的用電要求，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)都可作出最優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案來(lái)滿足用戶的要求。應(yīng)該說(shuō)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是最合理的獨(dú)立電源系統(tǒng)。這種合理性表現(xiàn)在資源配置最合理，技術(shù)方案最合理，性能價(jià)格最合理。正是這種合理性保證了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的高可靠性。目前，推廣風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的最大障礙是中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可靠性問(wèn)題。
綜合利用了風(fēng)能、太陽(yáng)能的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，不僅能為電網(wǎng)供電不便的地區(qū)，提供低成本、高可靠性的電源，而且也為解決當(dāng)前的能源危機(jī)和環(huán)境污染開辟了一條新路。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是科學(xué)利用自然資源的新成果，它有如下諸多優(yōu)勢(shì)：
1)利用風(fēng)能、太陽(yáng)能的互補(bǔ)性，彌補(bǔ)了獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電和獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的不足，可以獲得比較穩(wěn)定的和可靠性高的電源。
2)充分利用土地資源。風(fēng)力發(fā)電設(shè)備利用高空風(fēng)能，光伏發(fā)電設(shè)備則利用風(fēng)力機(jī)下的地面太陽(yáng)能，實(shí)現(xiàn)地面和高空的有效結(jié)合。
3)在保證同樣供電的情況下，可大大減少儲(chǔ)能蓄電池的容量。
4)對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和匹配，可實(shí)現(xiàn)由風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可靠供電，很少或基本不用啟動(dòng)備用電源如柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組等，可獲得較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
5)由于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)共用一套配電設(shè)備，降低了工程造價(jià);共用一批管理和工程技術(shù)人員，提高了勞動(dòng)效率，降低了運(yùn)行成本。
(2)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成框圖
風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)作為合理的獨(dú)立電源系統(tǒng)，開創(chuàng)了一條綜合開發(fā)風(fēng)能和太陽(yáng)能資源的新途徑，標(biāo)志著開發(fā)利用可再生能源發(fā)電進(jìn)入了新的階段。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)不僅適用于缺電的邊遠(yuǎn)地區(qū)，因其利用可再生能源，無(wú)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(fā)應(yīng)用前景。所以綜合開發(fā)利用風(fēng)能、太陽(yáng)能，發(fā)展風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電有著廣闊的前景，受到了很多國(guó)家的重視。
早期的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)僅是簡(jiǎn)單地將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)組合在一起，并沒(méi)有考慮系統(tǒng)匹配、優(yōu)化等問(wèn)題。要進(jìn)行風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、充分發(fā)揮風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的優(yōu)勢(shì)，首先要調(diào)查當(dāng)?shù)靥?yáng)能和風(fēng)能資源狀況，然后在基礎(chǔ)資源數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)互補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)建成后，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)匹配測(cè)試和發(fā)電量等性能參數(shù)的實(shí)際測(cè)試，并進(jìn)行評(píng)價(jià)。
離網(wǎng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)框圖如圖3所示，光伏發(fā)電單元采用所需規(guī)模的太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，風(fēng)力發(fā)電單元利用中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，并通過(guò)智能控制中心對(duì)蓄電池充電、放電、逆變器進(jìn)行統(tǒng)一管理，為負(fù)載提供穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)。兩個(gè)發(fā)電單元在能源的采集上互相補(bǔ)充，同時(shí)又各具特色。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可充分發(fā)揮風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電各自的特性和優(yōu)勢(shì)，最大限度的利用好大自然賜予的風(fēng)能和太陽(yáng)能。對(duì)于用電量大、用電要求高，而風(fēng)能資源和太陽(yáng)能資源又較豐富的地區(qū)，選用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)無(wú)疑是一種最佳選擇。
離網(wǎng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽(yáng)能光伏電池組、蓄電池、控制器/逆變器、配電系統(tǒng)和用電設(shè)備等組成。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的控制器/逆變器上設(shè)置了風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池兩個(gè)輸入接口，風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能光伏電池發(fā)出的電，通過(guò)充電控制器向蓄電池組充電;然后將蓄電池儲(chǔ)存的直流電通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換為適合通用電器使用的交流電。
根據(jù)不同地區(qū)的風(fēng)能、太陽(yáng)能資源，以及不同的用電需求，用戶可配置不同的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電模式。做到完全利用自然資源自主發(fā)電，為照明或動(dòng)力設(shè)備提供穩(wěn)定的電能。從理論上來(lái)講，利用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電，在設(shè)計(jì)上以風(fēng)電為主，光電為輔是最佳匹配方案，前提是，要做到風(fēng)能和太陽(yáng)能的無(wú)縫對(duì)接，要做到無(wú)縫對(duì)接轉(zhuǎn)換，也就是不停電，同時(shí)要能對(duì)抗惡劣天氣，安全性能好。并且，在設(shè)計(jì)中還要考慮應(yīng)用地的氣候、日照時(shí)間、最高最低風(fēng)速、噪音等一系列外部因素，優(yōu)化配置風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池，以充分利用太陽(yáng)能和風(fēng)能。一方面降低發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備制造成本，另一方面，增加了利用自然能源的時(shí)間，則減少使用蓄電池的時(shí)間，提高蓄電池使用壽命。
目前，國(guó)外在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，主要有兩種方法來(lái)確定功率：一是功率匹配法，即在不同輻射和風(fēng)速下對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能電池陣列的功率和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率之和大于負(fù)載功率，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化控制。另一是能量匹配的方法，即在不同輻射和風(fēng)速下對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能電池陣列的發(fā)電量和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電量之和大于等于負(fù)載的耗電量，主要用于系統(tǒng)功率設(shè)計(jì)。目前，國(guó)內(nèi)在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行研究的領(lǐng)域有：風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化匹配計(jì)算、系統(tǒng)優(yōu)化控制等
評(píng)論