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摘要：随着能源危机与环境污染的加剧，可再生能源的开发和利用越来越受到人们的重视。在当前可利用的几种可再生能源中，太阳能和风能是应用比较广泛的两种。太阳能、风能在资源条件和技术应用上都有很好的互补特性，综合考虑太阳能和风能在多方面的互补特性而建立起来的风光互补发电系统是一种经济合理的供电方式。
关键词：高原地区；风光互补；发电系统；探讨
一、青藏高原地区光伏风力互补发电系统的必要性及优点
风能主要来自于太阳能的转化，其转换过程受到季节、地理位置及外界天气等多种因素的影响。太阳能及风能在时间及地域上都具备极强的互补性，在白天太阳光最强的时候，风力通常很小，而晚上的光照条件很差，但是地表温差较大而导致风力加强。在夏天的时候，光照的强度大时风力较小，冬季的时候光照的强度较弱而风力较大。因此通过互相配合利用太阳能及风能，有利于扬长避短，最大限度的发挥二者的功效。受地域条件所限，在大多数的偏远地区，地广人稀，电网的覆盖面有限，且偏远地区的人们日常生活及工作用电需求量不是很大，因此利用电网输送电力不够经济合理。所以在偏远地区，例如青藏高原地区，人们的用电需求来源主要依靠独立供电系统，目前常用的供电方案主要是利用柴油发电机。然而受偏远地区交通运输条件的限制，利用柴油发电机储运的成本相对较高，且难以确保持续的供电需求，只能依靠当地的自然能源。而太阳能及风能资源是高原地区的最为普遍的自然资源，且取之不尽，二者在时间的变化分布上具备极强的互补性能。综合风能及太阳能的特点，利用风力发电和太阳能光伏发电技术而建立起来的风光互补发电系统无疑是解决高原地区独立供电的最佳方案。
风光互补发电系统相比较于独立的风力发电或者光伏发电具有以下优点：第一，综合运用太阳能及风能的互补性质，能够实现较为稳定的总电能输出，确保供电系统的可靠性及稳定性；第二，在保障同样供电需求的状态下，能够有效降低储能蓄电池的容量；第三，合理设计并匹配混合发电系统，能够基本上由风光互补系统直接供电或者基本上无需使用备用电源，例如柴油发电机等，能够实现较好的社会效益和经济效益。
二、青藏高原地区光伏风力发电系统设计应注意的事项
（一）光伏、风力互补发电原理
光伏、风力互补发电系统原理：太阳电池方阵（风力发电机组）→控制器（耗能负载、蓄电池组）→逆变器→交流负载；→直流负载。
（二）站址的确定
建设场地需要具备较为丰富的太阳能及风能资源，根据当地的气候条件，正确标设太阳方阵的位置及合适的倾角。例如在青海省区域，依据当地的气象资料进行分析，太阳能资源的年变化规律主要为：夏季（3月至9月份）各个月份的太阳辐射均大约月平均辐射值，最高月份的辐射值能比月平均值高大约30%左右；在冬季（12月至2月份）期间，各个月份的太阳辐射值均比年平均值小大约30%左右。所以在设计太阳能电池的方阵倾角的时候，应综合考虑提高光伏电站在冬季时段的发电量。太阳能资源的日变化规律为中午时分太阳辐射强度最大，早晚的辐射强度相对较小，在秋冬季的时候，上午8：00至下午16：00的时候，太阳辐射量越占据日辐射量的90%以上，而在下午4点之后，太阳的辐射强度逐步降低。所以应依据冬至日下午4点时的不遮挡距离作为太阳能电池方阵间距设计依据。此外应合理选择风力机场地及安装的位置，利用风力发电机组最大程度利用当地的风力资源。例如在青海省，依据风能资源相关资料显示，风能资源的总储量值大约为4.119亿千瓦，绝大部分区域属于风能可利用区，玉树、柴达木盆地西北部以及青海湖地区是我省风能资源相对丰富地区，估算风能资源技术可开发量约0.121亿千瓦。
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（三）电站规模的确定
负载的需求量直接关系到电站的容量设计，合理精准的负荷调查结果是极为重要的设计依据，负荷的结果直接关系到电站容量的最终确定。所以需准确测算负荷需求。光伏电站装机容量由下式决定：H≤0.2778WQbR。
H代表用户用电量，单位为kWh；W表示电站装机容量计算值，单位为kWp；Qb表示太阳能年总辐射量，单位为MJ/m2，R表示方阵表面接收到的太阳能年总辐射量于水平面年总辐射量比值；表示系统总效率风力机输出功率；Cp表示风能利用系数；Pw表示通过风轮面积的风力功率，单位为KW。
（四）蓄电池容量设计
蓄电池主要用以储存及调节电能，如果日照条件充分，且风力较大导致电能过剩的时候，蓄电池能够储存多余的电能。反之，当系统的发电量不够或者负载用电量过大时，蓄电池能够补充负载一定的电能，确保电压的稳定。在互补系统中，蓄电池具备光伏及风力两个充电电源，能够进行备用，可在一定程度上降低蓄电池组的备用容量。在设计蓄电池组容量的时候，应考虑到负载的用电情况，还要考虑连续阴雨天、无风天气蓄电池可支持天数、蓄电池充放电效率、逆变器效率、交流配电线路损失，另外，蓄电池室温较低将会影响充放电效率。因此进行蓄电池容量设计时要考虑使用环境的温度，蓄电池组容量由下式确定：C=E0DK/（U）
在该公式中，E0代表平均每天负载用电量，kwh；D表示依据实际供电的需求，在连续阴雨天或者无风蓄电池供电可以支持的天数；U表示蓄电池允许的放电深度，依据实际经验，通常取值为0.6-0.8；表示逆变器的效率，高效率逆变器一般取值0.92；表示蓄电池冲发电效率，高海拔及高寒地区一般取值0.85；K表示蓄电池使用环境的温度系数，一般设计修正取值为1.2。
（五）控制器、逆变器的选型设计
设备具有较完善的测量和保护功控制器是电站的主要设备之一，作用是对充放电进行控制、监测，要能。逆变器容量由下式确定：P=LNB/SM。在该公式中，L表示负荷功率，KW；N表示用电同时率；B表示逆变器负荷率；S表示负荷功率因数；M表示各相负荷不平衡系数。
（六）设计的基本原则
最大限度的发挥出光伏及风力发电互补优势是设计光伏及风力互补发电系统的基本原则。在该系统中，具备太阳能电池方阵及风力发电机组两个不同性质的发电单元，其中，风力发电机组的运行状况极为复杂，输出功率的变化随机性也比较强。加之混合光伏及风力发电两种方式，更加增加了系统运行的复杂程度。光伏及风力互补发电系统的运行效率及经济特性不仅和当地的太阳能及风能资源有关，而且还和二者的互补性能有关。所以，通过弥补单一能源的不足或者降低单一光伏发电的高成本，是设计光风互补发电系统的主要宗旨。
光风互补系统的使用效果及经济效益依赖于当地地区的气象条件，如果在当地太阳能及风能资源互补性能良好，则合理的光风互补设计能够有效降低供电系统的初期投资成本及发电成本，提高负载供电的可靠率。如果在太阳能及风能资源互补性能较差的地区，可采取适当提高系统的发电能力来改善资源不足季节或者时段内的负载供电保障率。此外由于风能的变化工况极为复杂，应合理安排季节性负载和昼夜负载，进而提高系统的功效。
总之，在太阳能及风能资源较为丰富，且互补性能良好的状态下，通过优化设计系统部件的内部配置、运行模式及负荷调度方法等，系统负载只需要依靠光伏、风力互补发电便可以获得连续而且稳定的供电。尤其是在青藏高原地区，无电的地域分布较广且分散，海拔高度一般都在4000m以上，常规电网难以到达偏远的乡村，加之当地自然条件恶劣，冬季气候条件寒冷，交通不便，人员文化素质相对较低，维护能力相对较差。所以在优化设计方案时，应主要考虑光伏及风力电站的可靠性、操作便捷性、性价比及高海拔适应性等角度综合考虑。
参考文献：
[1]陆虎瑜，马胜红.光伏/风力及互补发电村落系统[M].北京：中国电力出版社2005
[2]贾传圣，李龙康.风光互补发电的研究[J].通信电源技术，2012，05
论文作者:杨占东1,董桂亮2
论文发表刊物:《基层建设》2015年12期
论文发表时间:2016/11/17
标签：风能论文; 风力论文; 蓄电池论文; 太阳能论文; 系统论文; 光伏论文; 负载论文; 《基层建设》2015年12期论文;