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5第五章风光互补发电系统

第五章风光互补发电系统

1引言

太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应所产生的能量，既是一次能源也是可再生能源。

太阳能发电具有清洁，无污染及取之不尽、用之不竭的特点。

地球轨道上的平均太阳辐射强度为1367kW/m2。

尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.75×1026W）的22亿分之一，但地球获得的能量高达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。

人类依赖这些能量维持生存，而且地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能。

中国属于太阳能资源丰富的国家，全国2/3以上地区年日照时数都大于2000小时，太阳能理论储量达17000亿吨标准煤/年。

其中，西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古等地的总辐射量和日照时数为全国最高，特别是西藏西部地区，年太阳最高辐射量居世界第二，仅次于撒哈拉大沙漠。

狭义的太阳能利用限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换，而广义的太阳能所包括的范围非常大。

风能是太阳能在地球表面的另外一种表现形式，由于地球表面的不同形态（如沙土地面、植被地面和水面）对太阳光照的吸热系数不同，在地球表面形成温差，地表空气的温度不同形成空气对流而产生风能。

近年来，世界可再生能源工业以年均30%速度增长，能源界的专家预测利用太阳能发电将在二十一世纪中期超过核电成为重要的能源，发展前景十分广阔。

2太阳能利用的发展历史

人类对太阳能的利用有着悠久的历史。

我国早在两千多年前的战国时期就知道利用钢制四面镜聚焦太阳光来点火；利用太阳能来干燥农副产品。

发展到现代，太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热转换，太阳能的光电转换和太阳能的光化学转换等。

1839年，法国物理学家A·E·贝克勒尔（Becqurel）意外地发现，用2片金属浸入溶液构成的伏打电池，光照时产生额外的伏打电势，他把这种现象称为“光伏效应”（Photovoltaiceffect）。

1883年，有人在半导体硒和金属接触处发现了固体光伏效应。

以后人们即把能够产生光伏效应的器件称为“光伏器件”。

半导体PN结器件在阳光下的光电转换效率最高。

1930年朗格首次提出用“光伏效应”制造“太阳能电池”，使太阳能变成电能。

1954年恰宾（Charbin）等人在美国贝尔实验室第一次做出了光电转换效率为6%的实用单晶硅太阳能电池，开创了光伏发电的新纪元。

　　1957年硅太阳能电池效率达8%。

1959年第一个多晶硅太阳能电池问世，效率达5%。

1960年硅太阳能电池首次实现并网进行。

1974年COMSAT研究所提出无反射绒面电池，硅太阳能电池效率达18%。

1975年非晶硅太阳能电池问世。

同年，带硅电池效率达6%～10%。

1976年多晶硅太阳能电池效率达10%。

1980年单晶硅太阳能电池效率达20%，多晶硅电池达14.5%。

1998年单晶硅光伏电池效率达25%。

　　自1996年以来，世界光伏发电高速发展。

表现在几种主要太阳能电池效率不断提高，总产量年增幅保持在30%～40%，1998年已达200MWp/a，应用范围越来越广，光伏发电展现了无限光明的前途。

3光伏发电的基本原理

3.1光电转换的种类

“光伏发电”，是直接将太阳的光能变换成电能的太阳能利用方式。

把照射到光伏电池上的光能直接变换成电能输出是光伏发电的主要形式，其它还有“光感应发电”、“光化学发电”、“光生物发电”等。

　　“光感应发电”是利用某些有机高分子团，吸收光能后变成“光极化偶极子”，把积聚在“光极化偶极子”两端的电荷引出，即得到光电流。

寻找合适的光感应高分子材料，使其分子团有序排列，并在高分子上安装极为精细的电极等技术难度很大，这项技术目前还处在原理性实验阶段。

　　“光化学发电”是指浸泡在溶液中的电极，受到光照后电极上有电流输出的现象。

光化学发电分为3种：

“液结光化电池”、“光电解电池”和“光催化电池”。

“液结光化电池”：

电解液中只含有1种氧化还原物质，电池反应为正、负极间进行的氧化还原可逆反应。

光照后，半导体电极与溶液间存在界面势垒（“液体结”），分离光生电子、空穴对，并向外界提供电能，电解液主体不发生变化，其自由能变化等于零。

“光电解电池”：

电解液中存在2种氧化还原离子，光照后发生化学变化，其净反应的自由能变化为正，使光能转换为化学能。

“光催化电池”：

光照后电解液发生化学变化，其净反应的自由能变化为负，光能提供了化学反应所需的活化能。

“光化学发电”具有液相组分，容易制成直接储能的太阳能光化蓄电池。

目前，以多孔氧化钛类半导体作电极的“液结光化电池”，光电转换效率已高达10%以上，具有成本低廉、工艺简单等许多优点，但工作稳定性等问题需要解决。

　　“光生物发电”是指“叶绿素电池”的发电。

叶绿素在光照作用下能产生电流，这是最普遍的生物现象之一，但因叶绿素细胞的新陈代谢，要做成稳定的“叶绿素电池”目前还很困难。

有人参考光合作用过程，将多种染料涂在多孔氧化钛类半导体上，构成固态“仿生物光合作用电池”，也得到了近10%的光电转换效率。

这种电池有低成本、高效率的优点，但有较严重的光老化等问题需要解决。

3.2　太阳能电池的分类

　　光伏发电是最主要的光电转换模式，而太阳能电池是重要环节。

迄今为止，人们已研究了100多种不同材料、不同结构、不同用途和不同形式的太阳能电池，最常见的分类如下。

3.2.1　同质结太阳能电池

由同1种半导体材料1个或多个P-n结构成的太阳能电池，如P-n结砷化镓太阳能电池等。

3.2.2　异质结太阳能电池

由2种不同半导体材料在相接界面上构成异质结太阳能电池，如氧化锡-硅、硫化镉-硫化亚铜、砷化镓-硅异质结太阳能电池等。

若构成异质结的2种材料的晶格匹配比较好，则称为异质面太阳能电池，如砷化镓-砷化铝镓异质面太阳能电池等。

3.2.3　肖特基结太阳能电池

由金属和半导体接触形成肖特基势垒的电池，简称MS电池。

已发展成金属-氧化物-半导体（MOS）、金属-绝缘体-半导体（MIS）太阳能电池等。

3.2.4　复合结太阳能电池

由2个或多个结形成的太阳能电池。

如由1个（MIS）太阳能电池和一个P-n结硅电池叠合而形成高效MISNP复合结硅太阳能电池，其效率已达22%。

复合结太阳能电池往往做成级联型，把宽禁带材料放在顶区，吸收阳光中的高能光子，用窄禁带材料吸收低能光子，使整个电池的光谱响应范围拓宽。

砷化铝镓-砷化镓-硅太阳能电池的效率高达31%。

3.2.5　平板太阳能电池

即非聚光电池，指在1倍阳光下工作的太阳能电池。

3.2.6　聚光太阳能电池

指在大于1倍阳光下工作的太阳能电池。

1~10倍为低倍聚光，10~100倍为中倍聚光，大于是100倍的为高倍聚光。

聚光需要考虑高温散热和大电流输出等特殊设计，容易组成光电、光热综合利用的复合系统。

与聚光电池相配的聚光器和跟踪器，会增加系统的复杂性。

但用廉价的聚光材料来代替昂贵的半导体材料搜集太阳能，可能降低太阳能电池发电系统的成本。

3.2.7　空间太阳能电池

用于人造卫星和空间飞行器上的太阳能电池。

空间电池要求有较高的功率质量比，耐高低温冲击，抗高能粒子辐射的能力强，制作精细，其价格较高。

3.2.8　地面太阳能电池

用于地面光伏发电系统的太阳能电池。

要求耐风霜雨雪的侵袭，有较高的功率价格比，具有大规模生产的工艺可行性和材料来源。

3.2.9　有机半导体太阳能电池

利用具有半导体性质的萘、茵等有机材料进行掺杂后制成的P-n结太阳能电池。

离子掺杂也能使一些塑料薄膜变成半导体。

由于这些材料抗光老化的能力不理想，目前处于实验阶段。

4风力发电的基本原理

风力发电的原理是：

利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机提升旋转的速度，以促使发电机发电。

大约每秒三米的微风便可以使风机开始发电。

风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。

小型风力发电系统效率很高，由风力发电机、控制器和逆变器（直流-直流变换设备）组成，风力发电机由叶片、机头、尾翼、转体组成。

各部分功能为：

叶片用来接受风力；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能。

（框图）

风力发电机因风量不稳定，故其输出的是（13～25）V之间变化的交流电，经控制器整流再对蓄电池充电，使风力发电机产生的电能转变成化学能。

逆变器或直流-直流变换设备把蓄电池贮存的化学能转变成220V交流电或48V/24V直流电，才能保证稳定供电。

风力发电机均具有大风限速保护功能，其目的是，在某一风速下，风力机输入的能量大于系统当时所能消耗的能量以及系统所能储存的能量总和即过功率时，能有效地减小风力机吸收风能，使风力机不致超速运行。

目前，全球各型风力机的限速保护方案大致可以归为两类：

采用简单的机械控制方式在大风状态下使风轮偏离风向，减小风轮迎风面积，从而减小风能的吸收；以某种机构利用风轮叶片的离心力改变桨距，降低风轮的风能利用率，从而达到减小风能的吸收。

这些机械限速保护装置之所以可靠性不高，除了设计不当的人为因素以外，其原理就存在弊端。

机械限速结构的特点是小型风机的机头或某个部件处于动态支撑的状态，这种结构在风洞试验的条件下，可以反映出良好的限速特性，但自然界的风况是十分复杂的，紊流是主状态，同时，风速风向的变化频繁而又迅捷，任何机械装置都不可能瞬时响应实际风况的变化，加上长期运行导致的机械磨损会使装置的配合间隙增大。

所有这些均会导致保护滞后、失效以及剧烈的震动，引发风力机飞车、过载和剧烈震动，导致机组损坏。

一种全新的磁电限速保护，其技术要点在于当风力机处于"过功率"状态时给发电机一个反向磁阻力距，大幅增加发电机所消耗的功率，使之大于风轮输出的功率，从而使风轮转速下降，风轮转速的下降，使风轮的叶尖速比减小，从而降低定桨距风轮的风能利用率，减小风轮吸收的风能，从而进一步减低风轮转速……如此连锁作用所产生的实际效果是减速而不是限速，而磁电响应的过程，使保护动作十分安全可靠。

对于小型风力发电机来说，运动部件越少可靠性越高。

磁电限速保护舍弃了机械限速结构，使小型风力发电机仅保留了二个必须的运行部件，一是风轮驱动发电机主轴旋转，二是尾翼驱动风机的机头偏航，排除了限速机构的机械故障隐患，机组的结构稳定性和可靠性大大提高。

由于不受机械限速结构的限制，机组的造型可以做得更美观，更多样化。

电控限速可采用的手段多，可靠性高，而且可以实现多级控制，也可根据不同的风资源情况设定不同的有效工作风速范围，提高了供电系统的可靠性。

5风光互补发电系统的工作原理

光电系统是利用太阳能电池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（直流-直流变换设备）供电的一套系统。

该系统的优点是系统供电可靠性高，运行维护成本低，缺点是系统造价高。

风电系统是利用小型风力发电机，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（直流-直流变换设备）供电的一套系统。

该系统的优点是系统发电量较高，系统造价较低，运行维护成本低。

缺点是小型风力发电机可靠性低。

另外，风电和光电系统都存在一个共同的缺陷，就是资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡，风电和光电系统都必须通过蓄电池贮能才能稳定供电，但每天的发电量受天气的影响很大，会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态，这也是引起蓄电池组使用寿命降低的主要原因。

风光互补发电系统是由太阳能电池与风力发电机发电，在蓄电池贮能，经逆变器或直流-直流变换设备给负载供电的一种新型电源，分布在我国两种完全不同类型的地区——东南沿海的海岛地区和西北省份的偏远地区，广泛应用于微波通讯、基站、电台、野外活动、高速公路、无电地区的供电。

太阳能电池组件与风力发电机有机地配组成一个系统，可充分发挥各自的特性和优势，最大限度的利用大自然赐予的风能和太阳能。

对于风能资源和太阳能资源较丰富的地区，风光互补供电无疑是一种最佳选择。

由于太阳能与风能的互补性强，风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。

同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以降低。

风光互补发电系统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作出最优化的系统设计方案来满足用户的要求。

通过各种形式的风光互补发电系统对丰富的可再生能源加以利用并为边远地区通信局站供电，是成本最低廉、效果最好、最合理的独立电源系统。

在中国进行风光互补项目建设的潜力是巨大的，因为现代能源服务尚不能达到的地方往往是蕴藏着丰富风能和太阳能资源的地方。

目前，推广风光互补发电系统的最大障碍是小型风力发电机的可靠性问题。

6风光互补发电系统的应用

6.1系统的组成

风光互补发电系统由太阳能电池板、小型风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器（直流-直流变换设备）等几部分组成，适合偏远地区的小基站、直放站、微波中继站等的供电，可实现无人值守。

随着系统价格的下降和器件效率的提高，风光互补系统在通信行业的应用愈来愈广，其市场也愈来愈大。

无电地区大多比较偏远，如西藏、新疆、内蒙、甘肃、青海、云南、四川西部等地。

偏远地区一般用电负荷都不大，所以用电网送电就不经济，而只能在当地直接发电，最常用的就是采用柴油发电机。

但柴油的储运对偏远地区成本太高，而且难以保障。

所以柴油发电机只能作为一种短时的应急电源。

要解决长期稳定可靠的供电问题，只能依赖当地的自然能源，而那里的阳光资源和风能资源却十分丰富，也是取之不尽的可再生能源。

而且，太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性。

白天太阳光最强时，风很小，晚上太阳落山后，光照很弱，但由于地表温差变化大而风能加强。

在夏季，太阳光强度大而风小，冬季，太阳光强度弱而风大。

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，风光互补发电系统是资源条件最好的独立电源系统。

当地年平均风速大于3.5m/s，同时年度太阳能辐射总量不小于5000MJ/㎡是风光互补发电系统推荐使用区。

风光互补供电系统在下列条件下应能连续、可靠的工作：

室外温度在－25℃～+45℃之间；室内温度在0℃～＋40℃之间；空气相对湿度不大于90％（25℃±5℃）；海拔不超过1000m。

在有电池房的条件下，可以工作在-40℃～+40℃、湿度为（0～95）%RH的气候中，瞬间承受风力达12级。

当超出以上条件或在盐雾或沙尘严重地区，应由生产厂家和用户共同商定技术要求和使用条件。

风光互补发电系统各部分容量的合理配置对保证发电系统的可靠性非常重要。

一般来说，系统配置应考虑以下几方面因素：

1、用电负荷的特征

发电系统是为满足用户的用电要求而设计的，要为用户提供可靠的电力，就必须认真分析用户的用电负荷特征。

主要是了解通信局站的最大用电负荷和平均日用电量。

最大用电负荷是选择系统逆变器（直流-直流变换设备）容量的依据，而平均日发电量则是选择风机及太阳能电池板容量和蓄电池组容量的依据。

2、风机安装现场的条件

风机要尽量装在四周无障碍物的高处，但如果离用户很远会增加线路损耗和降低系统效率。

3、太阳能和风能的资源状况

当地的太阳能和风能的资源状况是系统光电板和风机容量选择的另一个依据，一般根据资源状况来确定太阳能电池板和风机的容量系数，在按用户的日用电量确定容量的前提下再考虑容量系数，最后考虑太阳能电池板和风机的容量。

风能资源情况，这主要通过风能利用系数K体现：

——I类地区的年平均风速为（4.5～5.5）m/s（10米高），系数K=0.26；——II类地区的年平均风速为（5.5～6.5）m/s（10米高），系数K=0.30；

——III类地区的年平均风速为6.6m/s（10米高）以上，系数K=0.33。

简单地测算系统容量，可参照以下公式：

Q

系统容量P=

——————

24Kη（1-δ）

其中，Q为用户平均日用电量（kWh）；

K为风能利用系数；

η为系统效率

δ为线损率。

但需要说明的是，风力发电的功率完全由风力发电机的功率决定，这是不正确的。

目前的风力发电机只是给蓄电池充电，而由蓄电池把电能贮存起来，人们最终使用功率的大小与蓄电池大小有更密切的关系。

功率的大小更主要取决于风量的大小，而不仅是机头功率的大小。

在内地，小的风力发电机会比大的更合适。

因为它更容易被小风量带动而发电，持续不断的小风，会比一时狂风更能供给较大的能量。

当无风时人们还可以正常使用风力带来的电能，也就是说一台200W风力发电机也可以通过大容量蓄电池与逆变器（直流-直流变换器）的配合使用，获得500W甚至1000W乃至更大的功率输出。

6.2系统的优点

6.2.1安装运输容易，建设周期短

太阳能资源丰富，既可免费使用，又无需运输。

只要把太阳能电池支撑起来并使之面向太阳即可发电，1个6.5MW的太阳能电池发电站，不足10个月即可建成发电。

6.2.2容易起动，维护简单，使用方便

配备有蓄电池的太阳能电池发电系统，其输出电压和功率都比较稳定。

在设计优良的太阳光伏系统中，蓄电池往往处于浮充状态，无论白天、晚上都可供电，所消耗的电能由太阳能电池自动补充。

起动和维护十分简单，一般只需在遇到连续风雨天最长的季节前后去检查太阳能电池表面是否被沾污、接线是否可靠、蓄电池电压是否正常等。

大型光伏电站用计算机控制运行，运行费用很低。

6.2.3结构简单，体积小，质量轻

能独立供电的太阳能电池组件和方阵结构都比较简单，输出（45～50）W的晶体硅太阳能电池组件，体积为450mm×985mm×45mm，质量为7kg。

空间用太阳能电池重视功率质量比，一般为（60～100）W/kg。

美国ECD公司用有机薄膜为衬底制造的非晶硅太阳能电池，功率质量比可达5kW/kg。

容量为40kW的薄膜太阳能电池可卷绕成高40cm、直径60cm的1个带盘，质量约8kg，而1台40kW柴油发电机组质量约2，000kg。

6.2.4清洁，安全，无噪声

光伏发电本身并不消耗工质，不向外界排放废物，对环境无任何污染，无机械噪声，是一种理想的清洁安全能源。

密封阀控式铅酸蓄电池在充放电时释放的H2、O2和酸雾量极微。

6.2.5　可靠性高，寿命长

太阳能电池组件，都严格通过高低温、振动冲击以及其它各种环境试验。

晶体硅太阳能电池寿命可长达（20～35）年。

6.2.6　应用范围广

太阳能几乎无处不在。

中国大部分地区平均每天每m2水平面上的太阳辐射（4～6）kW·h。

太阳能电池在-45℃～+80℃范围内都能作为独立的电源。

6.3　系统的主要缺点

6.3.1　能量分散，占地面积大

地表上能够直接获得的太阳辐照度最大的地区之一是西藏高原，约1.2W/m2，而绝大多数地区的太阳能能流密度低，能够获得的太阳辐照度无法满足电力需要。

6.3.2　间歇性大，区域性强

除了昼夜这种周期变化外，光伏发电还常常受云层变化的影响，其强度受各种因素（季节、地点、气候等）的影响不能维持常量，因地而异、因时而变，控制运行比较复杂。

地理位置不同，气候不同，使各地区日照资源各异，因而功率相同的太阳能电池组件，在各地的实际发电量是不同的。

理想的光伏发电系统均要因地制宜地进行设计，否则将大大限制了太阳能的有效利用。

6.4系统示例

风光互补供电系统的示例如下图所示，是由风力发电机组、太阳能电池组件（方阵）、风光互补控制器、逆变器、蓄电池和泄荷器等构成的独立供电系统。

安装方便，一次性投资，免交电费，无人值守，维护量少，无污染，搬迁方便。

图5-2系统组成示意图

风力发电机组具有特别适合内陆地区低风速时发电特性好、发电量大的特点。

具有机械、电子刹车装置，可以确保在高风速时，风机转速稳定控制在安全可靠的范围内，使最高输出电压成为安全可控的电压。

太阳能电池板采用转换效率高达15%的单晶硅太阳能电池板。

具有抗风、防潮、工作稳定、无需维护等特点。

智能型控制器具有短路保护、欠压保护、过热保护、过压保护、防反接保护等功能。

当外部电路异常或短路时，系统自动关闭输出；当蓄电池电压低于额定值的85%时，为防止蓄电池过放电将自动关闭输出电路；当用电量过大或通风散热不良，使逆变器过热时，将自动关机；当电压超过额定值的17%时，机器将自动开启泄荷旁路。

表5-1参数表

系统参数

系统输入电压

DC48V

系统输出电压

AC220V/DC48V

系统输出功率

0.2k～10kW

系统混合输入功率

0.2k～10kW

逆变控制器

额定容量（kVA）

0.2～10

输入额定电压（Vdc）

48

输入电压范围（Vdc）

43.2～60

最大输入电流（A）

10～1000

额定电压（Vac）

220

额定电流（A）

7.5

额定频率（Hz）

50

过载能力

120%60秒

电压稳定精度（Vac）

220（1±3%）

频率稳定精度

50±0.05

功率因数（PF）

0.85

运行状态

连续

使用环境温度

-10～+50

环境湿度

85%（不结露）

使用海拔（m）

2000

安装形式

标准机架

重量（kg）

12.5

风机

启动风速

3.5m/s

切入风速

3m/s

额定风速

8.0m/s

额定功率

500W

偏航风速

12m

最大风速

50m/s

风轮直径

3m

过速保护

自动

温度范围

-40～+50

发电机形式

永磁发电机

输出形式

直流

输出电压

56V

整机重量

150kg

安装结构

塔架

太阳能电池板

额定功率（WP）

75

额定电压（V）

16.8

额定电流（A）

4.46

开路电压（V）

21.4

短路电流（A）

4.69

长度（mm）

1176

宽度（mm）

528

厚度（mm）

45

重量（kg）

8

7风光互补发电系统的发展趋势

   2030年之后，器件的转换效率将进一步提高。

最终，光伏器件的能源转换率将达到30%～50%，从而可以在可应用的地方高效地使用。

安装在阳光充足地区的1平方米最高效的光伏器件每年将发电1000kW•h。

   到2030年，光伏系统组件将发展成建筑物通用的部件，从而可以实现大规模的标准化的具体应用。

几乎所有新建筑都将安装光伏阵列，许多建筑物将成为电力生产者。

   2030年，传统能源仍将是主要的能源来源，但可再生技术的使用将不断增加。

高度集中的发电系统将转变成一个更加多样化的系统，可再生能源将在其中发挥重要作用。

光伏发电、风能、生物质能、太阳能、水电和地热能将以补充的形式配合供应需求和适应不同的地理位置。