1、1 绪论 1.1 能源状况 能源是人类赖以生存的五大元素之一， 是国民经济和社会发展的重要战略物 质，是经济发展的“火车头” ，能源已成为制约国民经济发展的重要因素。当前 在生产和生活中起重要作用的能源主要有五大类：煤炭、石油，天然气水和核 裂变能。这些能源被称为常规能源，目前世界上能源的消耗几乎全靠这五大能源 来供应。随着世界经济的深入发展和国际工业化的进程，世界各国对能源的需求 越来越大。虽然，人类的技术进步旨在提高能源的利用效率、减少能源的消耗， 但现今的能源生产量依然满足不了人类发展的需求， 全球范围内的能源危机也日 益突出。经过第一次世界范围内“石油危机”的冲击，人类认识到地球蕴藏的
2、矿 物资源是有限的，总有一天会被耗尽，现实也告诫人们，要生存就必须寻求开发 新能源。 和常规能源相比，可再生资源不污染环境，更不会破坏生态，取之不尽，用 之不竭。为了缓解能源危机，随着环境保护的呼声不断高涨，世界各国政府都在 从社会经济发展的战略角度对能源结构进行调整。纷纷制定自己的能源政策，除 了充分利用现有的传统能源外，都在大力研究开发新能源，给新能源开发以特殊 优惠政策和政府税收补贴，从而使风能、太阳能、潮汐能、地热能等的开发利用 得以迅速发展。 在众多的可再生能源中， 光伏发电及风力发电是最有发展前景的两种能源技 术。 这是基于太阳能和风能的五个优点： (1)取之不尽， 用之不竭； (
3、2)就地取材， 不需运输：(3)分布广泛，分散使用；(4)不污染环境，不破坏生态：(5)周而复 始， 可以再生。 太刚能是地球上一切能源的来源， 太阳照射着地球的每一片土地。 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。 1.2 风、光发电的发展状况 1.2.1 风力发电和太阳能发电的特点 光电系统是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， 最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。该系统的优点是系统可靠性高，运 行维护成本低，缺点是系
4、统造价高。风电系统是利用风力发电机，将风能转换成 电能，然而通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系 统。该系统的优点是系统日发电量大，造价低，运行维护成本低。但是风电和光 伏发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储能才能稳定供电，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。 1.2.2 风光互补发电的提出 上述分析了风能、太阳能的特点，作为可利用的自然可再生能源，二者在转 换过程中都受季节、地理和天气气候等多种因素的制约。但是，二
5、者的变化趋势 基本相反，扬其两者各自之长，补其各自之短，相互配合利用，因地制宜，能发 挥出各自最大的作用。在以电能为主要的能源消耗方式的当今社会，人们对电的 依赖越来越强。特别是在远离电网的地区，独立供电系统成为人们最需要的动力 源。结合风能、太阳能的特点，综合利用风力发电和太阳能光伏发电技术而建立 的风光互补发电系统无疑是解决这一重大问题的最佳方案。 对于偏远地区生活和工作的人们而言，一般情况下用电负荷不大，所以采用 电网输送电力就不合理，应当选择在当地直接发电，现在常用的供电方案就是采 用柴油发电机，但是柴油的储运相对于偏远地区来讲成本太高，而且难以保障持 续供电。所以柴油发电机只能作为一
6、种短时的应急电源，要解决长期稳定可靠的 供电问题，只能依靠当地的自然资源。太阳能和风能是最普遍的自然资源，也是 取之不尽的可再生能源，而且两者在时间变化分布上有很强的互补性。白天太阳 光最强时，风很小，到了晚上，光照很弱，但由于地表温差变化大而风能有所加 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得风光互补发电系统在资源分布上具有很好的匹配性。 光伏组件 风机 光伏 控制 器 风机 控制 器 蓄 电 池 组 逆变 器 直流负载 交流负载 图 1.1 风光互补发电系统 在风能、太阳能单独用于发电的系统中，由于风能、太刚能的稳定性较差， 为了能够提供连续稳定的能量输出， 无论是光伏发电系统还是风力发电系统都要 引入能量储存环节用以调节系统的能量供求平衡。能量储存的方式有很多种，如 机械储能、化学储能和热储能等，其中，最适合的，也是应用最为广泛的是利用 蓄电池的化学储能方式。虽然，目前风电和光电系统通过引入蓄电池储能设备后 能够稳定供电，但是系统每天的发电量受天气的影响很大，会引起系统的供电和 用电负荷的不平衡，从而导致蓄电池处于亏电状态或过
