风光互补发电系统在牧区应用的可行性分析论文_风光互补发电系统论文
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风光互补发电系统在牧区应用的可行性分析
0 摘要
随着经济的快速发展，能源消耗的逐年增加，不可再生的常规能源面临日益枯竭的境况，迫切需要可再生的新型清洁能源。而风能与太阳能在众多新型能源中潜力最大，也最具开发价值。由于太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性，综合利用风能、太阳能的风光互补发电系统成为一种合理的能源系统。本文主要介绍了风光互补发电系统的结构和工作原理，分析了内蒙古自治区的太阳能风能资源和他们之间的互补性,总结出风光互补发电系统在牧区应用的优势性、合理性和可行性。1 引言
能源是人类社会生存与发展的物质基础，也是国民经济发展的重要基础。在过去的200多年里，以非可再生能源为基础的能源体系极大地推动了人类社会的发展。但是，随着石化燃料消耗的飞速增长，环境日益恶化，资源日益匮乏，利用可再生的清洁能源成为解决中国资源和环境问题的必由之路。其中太阳能和风能是最具代表性的可再生能源，也是目前研究开发的重点。太阳能和风能在时间上的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性。风光互补发电系统成为边远地区资源条件最好的独立电源系统，具有很好的应用前景。
内蒙古地域广阔，至今还有很多地方不通电，尤其是边境、草原和沙漠地区。牧区用电负荷较小而且分散，通过大电网的延伸来供电很不现实。单独的风能或太阳能发电系统，很大程度上受到时间和地域的约束，很难实现全天候利用自然资源。风光互补发电系统利用了风能和太阳能优势，顺应了国家节能减排的政策，也解决了电网难以覆盖的边远牧区的供电问题。风光互补发电系统简介
所谓风光互补发电系统就是指将太阳能和风能联合起来、使二者优劣互补进行发电的发电系统。
2.1 系统结构及原理
典型风光互补发电系统主要由风力发电机组、光伏阵列、控制器、蓄电池组、泄荷器、逆变器、直流交流负载等部分组成。系统结构图如图1所示。
（1）风力发电机组利用风力机将风能转化为机械能，然后利用风力发电机将机械能转换为电能。此时的电能为交流形式且电压不稳定，所以必须通过整流器整流。然后通过控制器给蓄电池充电，直接给直流负载供电，经过逆变器对交流负载供电。
（2）光伏阵列是由若干太阳电池板串联和并联构成，利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能。此时的电能为直流形式，可以通过控制器向蓄电池充电，并给交流、直流负载供电。
（3）蓄电池在风光互补发电系统中起着储存和调节电能的作用，由多块蓄电池组成。当日照充足或风力很大而导致产生的电能过剩时，蓄电池将剩余的电能转变成化学能储存起来；当风力、日照不佳或负荷用电量增加时，则由蓄电池向负荷补充电能，并保持供电电压的稳定。
（4）逆变器是一种把直流电转变为交流电的装置。风力发电机、太阳能电池和蓄电池输出的电能经控制器后都输出直流电。系统要想给交流负载供电，必须通过逆变器将输出的直流电转换成负载所需的交流电。此外，逆变器还具有自动稳压功能，确保风光互补发电系统的供电质量，提供稳定的电能，使负载正常运行。（5）控制器在整个系统中起着非常重要的作用。它将系统中各个部分连接起来，并对各部分的工作进行控制。根据日照强弱、风力大小和负荷的变化，控制器不断切换和调节蓄电池的工作状态。当电能充足时，控制器将调节后的电能送往负载，并控制太阳能电池阵列和风力发电机将剩余电能以最佳的充电电流和电压快速、平稳、高效地送入蓄电池组储存；当发电量不能满足负载需要时，控制器控制蓄电池向负载供电，同时避免蓄电池过充电和过放电现象的发生。
（6）泄荷器是一种快速消耗电能的装置。当蓄电池已被充满，系统发电量大于负载用电量时，为防止蓄电池过充和确保逆变器正常工作，控制器会自动接通泄荷器，将多余的电能消耗掉。
风光互补发电系统克服光伏、风力单独发电的不足，有效利用太阳能、风能在时间和地域上的互补性，为不易用电网供电的边远地区提供低成本、高稳定性的电能。同时，它也为当前有效解决能源危机和环境污染问题翻开了崭新的一页。2.2 风光互补发电系统的特点
风力发电系统利用风力发电机，将风能转换成电能，然而通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对负载供电。该系统具有日发电量较高，系统造价较低，运行维护成本低等优点。缺点是小型风力发电机可靠性低，常规水平轴风力发电机对风速的要求较高。
光伏发电系统利用光电板将太阳能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对负载供电。该系统的优点是系统供电可靠性高、资源条件好、运行维护成本低，缺点是系统造价高。
发电与用电负荷的不平衡性是风电和光电系统共同存在的一个缺陷，它是由资源的不确定性造成的。风电和光电系统发出电能后都必须通过蓄电池储能才能稳定供电，但是每天的发电量受阳光、风力的影响很大，阳光、风力较弱会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态，这是引起蓄电池组使用寿命降低的主要原因。
较风电和光电独立系统，风光互补发电系统具有以下特点：（1）风光互补发电系统弥补了风电和光电独立发电系统在资源上的缺陷，利用太阳能和风能的互补性，提供较稳定的电能；（2）在风光互补发电系统中，风电和光电系统可以共用一套蓄电池组和逆变环节，减少系统造价；（3）整个系统是两种发电系统进行互补运行，因此，在保证同等供电的情况下，可大大减少储能装置的容量；（4）风光互补发电系统可以根据用户需要合理配置系统容量，在不影响供电可靠性的情况下减少系统造价；（5）风光互补发电系统可以根据用户所在地的季节及天气变化情况优化系统设计方案，在满足用户要求的情况下节约资源。3 风能、太阳能资源 3.1 风能资源
内蒙古具有得天独厚的地理优势和气候优势。全区风能丰富区和较丰富区面积大、分布范围广，占全区总面积的80%，风能稳定度高、连续性好。这为内蒙古利用风能资源提供了有利的条件。
内蒙古位于祖国的北部边疆，地域辽阔，横跨东北、华北、西北三大区域。东西长2400公里，南北宽1700公里，面积118.3万平方公里，约占全国总面积的1/8。它基本上是一个高平原地区，海拔高度多在1000～1500米之间。境内，大兴安岭呈东北-西南贯穿本区东部，阴山山脉东西横亘于西部，形成坦荡而辽阔的高原风貌，为内蒙古利用风能提供了地理优势。
内蒙古大部分地区属温带大陆性季风气候，它处于北半球盛行西风带。大风和多风天气主要分布在春、秋、冬三季，特别是秋末至来年春初。冷空气活动和寒潮天气过程较为频繁，是造成内蒙古风大多风的根本原因。在大风寒潮的影响下，形成冬半季内蒙古中西部地区丰富的风能资源。
全区理论可开发风能储量为78690万千瓦，可开发风能储量为6180万千瓦，占全国总风能储量的24.4%，居全国各省区第一位。中部和西部地区的理论可开发风能储量为64376万千瓦，技术可开发风能储量为5056万千瓦；北部地区的理论可开发风能储量为14313万千瓦，技术可开发风能储量为1124万千瓦。10米高度可开发利用的风能储量为1.01亿kW，占全国相应风能总储量的40%；50米高度可开发利用的风能储量为2.02亿kW，也占全国相应风能总储量的40%。一年中有5 000h～6 000h风速大于3m/s，年最长连续无效风速小时数低于100小时。
3.2 太阳能资源
内蒙古不仅有储量巨大风力资源，太阳能资源也很丰富。内蒙古海拔较高，日照充足，干旱少云，光辐射强，日照时数也较多。辐射量为每平方米4800-6400兆焦耳，年日照时数为2600-3200小时，是全国的高值地区之一。全区年总辐射量在每平方米5500兆焦耳以上的太阳能丰富地区和年总辐射量在每平方米5000-5500兆焦耳之间的太阳能较丰富地区所占面积为72万平方公里，约占全区总面积的61%。
全区太阳能资源的分布自东部向西南增多，以巴彦淖尔市西部及阿拉善盟最多，太阳能总辐射量高达6490～6992兆焦耳/平方米，仅次于青藏高原，处我国的第二位。3.3 风光资源互补特性
根据内蒙古地区光能和风能资源及当地的用电负荷情况，我区将风能作为风光互补发电的主要指标。这主要是因为：①风能能量密度远大于太阳能密度；②风力发电的成本远低于太阳能发电成本；③风能的时空变化大而复杂，变率大，太阳能的时空变化规律性强，变率小。
根据内蒙古气象科学研究所对内蒙古风能、太阳能资源互补性的分析，全区各地的风能资源可以分为春夏强冬秋弱型、春季强夏秋冬弱型、春季强夏季弱型、春季强冬季弱型、和冬季强夏季弱型。从互补性强弱来看，冬强夏弱型为互补性最强；春强夏弱型较强；春季强夏秋冬弱型互补性一般；春季强夏季弱型较差；春强冬弱型无互补性。4 风光互补发电系统在牧区应用的优势性、合理性及可行性 4.1 优势性
1）风光互补发电系统将太阳能电池阵列与风力发电机有机地配合组成一个系统，整合了太阳能和风能优势，充分发挥各自的特性，最大限度地利用好大自然赐予的风能和太阳能以应用科学来满足农牧民需求，为内蒙古的发展翻开了崭新的一页。
（2）风光互补发电系统不需输电线路，也不需挖开路面埋管或架空线路。其独特的优势在边远广袤的内蒙古大草原十分突出，解决了偏远牧区无法供电的难题和传统供电线损耗大成本高的难题。
（3）较风能太阳能单独发电系统，风光互补发电系统利用内蒙古风能和太阳能互补的资源优势，采用风光互补技术，有风无光时通过风力发电机发电，无风有光时通过太阳能电池阵列发电，二者皆有时同时发电，通过蓄能装置，为用户提供稳定的电源。
（4）风光互补发电系统投资小、见效快；占地面积小，应用灵活便捷，一个家庭、一个村庄、一个区域，无论个人、集体均可采用；供电区域规模小、供电区域明确，便于维护。
（5）风光互补发电系统是把风能和光能转化为电能，直接减少了对矿物燃料的消耗，减少大气污染，保护环境，为节能减排开辟了新的天地。4.2 合理性
1）内蒙古风能、光能资源都非常丰富，但是这些资源时空分布的不均匀性使得单独使用一种能源会出现一定时段内供能不足，甚至出现停止供能的现象。风光互补发电系统利用风能和太阳能的互补性，在资源上弥补了风能和太阳能独立发电系统的缺陷。
（2）风光互补发系统将风能和太阳能转变来的电能通过蓄电池储存起来，通过逆变器将直流电转变为交流电，比传统的家用直流微型发电机功率更大，使用时间更长。
（3）风力发电系统利用高空的风能，光伏发电设备则利用地面的太阳能，实现地面和高空的有效结合，充分利用土地资源。风光互补技术可加大利用太阳能和风能连续工作的能力，降低设备制造成本。同时，加强太阳能和风能利用时间可减少使用蓄电池的时间，提高蓄电池使用寿命。
（4）风光互补发电系统中的蓄电池组和逆变环节在风电和光电系统中在是可以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以大大降低，使系统趋于合理。4.3 可行性
风光互补技术的发展，内蒙古丰富的风能太阳能资源及国家对于新能源开发利用的有利政策，使得风光互补发电系统在内蒙古牧区的应用具有可行性。
伴随着风光互补技术的日益成熟，风光互补发电系统可以提供越来越稳定的电力供应，可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置，既可保证系统供电的可靠性，又可降低发电系统的造价。无论是怎样的环境和怎样的用电要求，风光互补发电系统都可采用最优化的系统设计方案来满足用户的要求。
风光互补发电系统一种新型的绿色环保发电方式，其能量来源是自然界的太阳能和风能。在太阳能以及风能充足的地区使用风光互补发系统，节约使用成本，同时节省国家能耗，符合国家节能环保政策的要求。
风光互补发电系统在牧区的应用受到国家相关政策的扶助。国家推行了一系列关于利用风能太阳能等新能源的项目，落实在边远地区使用风能太阳能发电等惠民政策。这为风光互补发电系统在牧区应用提供了有利的政策支持。5 结语
风光互补发电系统可以弥补风能和太阳能发电存在的缺陷，利用风能和太阳能在时间和地域上的互补性，最大限度地将风能和太阳能转变成电能，通过蓄电池和逆变器给用户供电。内蒙古牧区太阳能风能非常丰富，而且具有很强的互补性。在地处边远的内蒙古牧区采用风光互补发电系统为牧民供电具有很强的优势性、合理性和可行性。参考文献：
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