风光互补照明系统的发展与研究

李冰 朱佳伟 郭丰杰 应赫锋 吴晗 尹航仁 张伦

【摘    要】本文通过介绍风光互补照明系统的国内外发展状况和小型风光互补照明系统结构原理，阐明了风光互补照明系统的科学性、经济性和实用性。

【关键词】风光互补照明 风力发电  光伏  DC/DC  蓄电池

中图分类号：G4    文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2015.12.210

一、风光互补照明系统的国内外发展状况研究

随着科技的进步、社会的发展，人类对能源的需求不断增大。伴随着煤炭、石油等传统能源的持续开发与使用，能源危机、气候变迁已经严重的影响了人们的生产生活，各国政府不断出台节能减排的方案措施。清洁可再生新能源受到了人们的普遍重视。风能和太阳能都属于清洁可再生新能源，而且潜力巨大。单单是太阳光就可以满足全世界2850倍的能源需求;风能可满足全世界200倍的能源需求，可现实情况是清洁可再生能源实际利用率很低，还需要人们继续研究开发。

近年来，世界各国关于风光互补技术的研究方兴未艾。加拿大的Rajesh Karki（University of Saskatchewan）等人指出根据负载和风/光资源条件合理配置发电系统是降低发电成本、提高系统可靠性的重要途径。希腊的E.Koutroulis（TechnicaUniversity of Crete）等人提出风/光互补发电比单独风力发电或单独光伏发电更经济有效。澳大利亚B.D.Shakya（Universityof Melbourne）等人设计了一种采用压缩氢气储能的风光互补发电系统，并对该系统的技术可行性和经济性作了分析。

目前，我国风光互补照明系统主要应用于城市亮化工程中，特别是风光互补路灯的大量安装使用。和传统的路灯相比，风光互补照明系统具有明显优势：节能减排，节约环保，无后期大量电费支出;免除电缆铺线工程，无需大量供电设施建设;个别损坏不影响全局，不受大面积停电影响;节约大量电缆开销，更免受电缆被盗的损失;智能控制，免除人工操作，施工简单，维护方便。在新能源照明市场欣欣向荣的局面下，还是有一些亟待解决的问题：故障率高、灯光亮度低、人为损坏严重、维修不及时等，有些客户甚至提出以后再也不敢用新能源路灯了。如果这些问题得不到及时解决，势必影响到整个市场的健康发展。

二、风光互补照明系统的优越性

风的大小和方向瞬息万变，因此风的脉动、日变化、季节性变化都十分明显，波动很大，风能具有不稳定的特点。太阳能受昼夜、季节、天气状况影响较大，属于不连续非稳定性能源。我国北方地区风能源“冬季大夏季小，夜间大白天小”，太阳能正与之相反，所以有效利用风能和太阳能的互补性，能提高系统的稳定性。也正是由于太阳能和风能具有这样的特点，风光互补照明系统比单一利用其中一种能源的照明系统更科学、更经济、更实用。

三、小型风光互补照明系统原理与研究

风光互补发电系统由风力发电机、整流器、光伏阵列、DC/DC功率变换器、蓄电池、超级电容、逆变器、控制器及交直流多用户负载等组成，如图3.1所示。

图3.1  风光互补照明系统结构图

运行机理如下：风轮将风能通过空气动力学原理转换成机械能，驱动永磁式交流发电机发出与风速成一定关系的交流电，经整流变成直流电，并经DC/DC变换器实现最大功率跟踪;光伏阵列将太阳能通过光生伏特效应转换成直流电，通过DC/DC变换器实现最大功率跟踪。二者皆通过控制器控制而接入直流母线上，给蓄电池供电;蓄电池连接在直流母线上，当风力发电机和光伏阵列输出的电能除供给负载还有剩余时，蓄电池将这些电能储存;当风力发电机和光伏电池输出电能不足以满足负载要求时，则由蓄电池向其供电。控制器实现最大功率跟踪、蓄电池的充放电及保护显示等功能。从能量角度看，整个系统包括能量产生、存储、消耗三个环节。

四、风光互补照明系统发展展望

研究高效风光互补照明系统从短期来看虽然增加了照明系统的成本，但其性能大大提高了;从长期来看对我国能源结构的改善有着积极的作用。目前我国能源消费结构中，煤炭消费仍然占到70%，风能和太阳能绿色环保可再生，是未来的发展趋势，应该大力提倡。而且随着该领域研究的深入，高效风光互补照明系统的性价比会越来越高，用户的认可度也会逐步提高。综上，鉴于目前国家政策的大力扶持和广阔的市场前景，适时开展研究，抢占先机，其未来的社会效益和经济效益是无法估量的。

参考文献

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