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摘要：近年来，人们对于清洁能源的追求逐渐成为关注热点，其中风能和太阳能不仅具有资源丰富的优点，而且能满足发供电系统在不同时间不同季节对清洁能源的需求，进而实现不间断发供电目标。因此，作为目前设计最为合理的独立电源系统，风光互补发电具有很好的应用全景。
关键词：风光互补；分布式；发供电
1、引言
在人类历史的发展进程中，能源对于社会经济的高效运转起着至关重要的作用。随着工业化的步伐不断加快，工业化的程度越来越高，也因此，人们对于能源尤其是传统的石油、煤炭等化石燃料的依赖程度越来越高。造成的后果，一方面已探明的可开采的化石能源储备越来越少，另一方面，碳硫化合物的过量排放导致生态环境日益恶化。面对着日益紧缺的能源储备以及日渐恶化的生态环境等趋势，国际社会转而采取了开发可再生清洁能源的战略，并增加可再生能源在社会能源利用结构中的比例。众多可再生能源中，太阳能和风能是最优质的两种能源，一方面这二者均是清洁无污染的能源；另一方面资源存量丰富，分布广泛，不受地域的限制，能源获取及转化技术应用较为成熟，已经成为当今世界各国利用程度最高的可再生能源。
针对可再生能源的开发和利用能够缓解日益紧缺的化石燃料危机，保护广大民众的生活居住环境，实现经济、社会、生态协同发展。因此，开发和利用可再生清洁能源，逐渐提高其在总体能源结构中的利用比例，已经成为世界各国的普遍共识和能源发展的必然方向。
2、风光互补发电系统的提出
风光互补发电是一种最新的能源供电方式，有效地将风能和太阳能结合起来，有效弥补了二者单独发电所造成的能源损耗，提高能源转化利用率，并且带来更加稳定的电压输出。风能之所以产生的基础在于太阳的照射对地表产生了一定的压力差，进而形成了气流，具体分析来看，风能及太阳能的势能大小是互补的。首先是季节上的互补性，对于北半球来说，夏季太阳能辐射非常强烈，导致了气压非常低，也就造成了风能较小；而冬季正好反过来，太阳能辐射小而风能较高。此外，同一个季节，早晚的风能和太阳能也存在互补性，但这种差异性较小，一般晚上无太阳能，而风能较高，白天太能能较强而风能较弱。因此，可以充分结合太能能及风能这种季节性、早晚的天然互补性特点，设计风光互补发电系统，该系统可以快速的切换两种能源的利用模式，消除了单独能源发电的间歇性缺陷，保障了更加稳定的电力能源供应。
风光互补发电系统通常是由并网型或离网型来实现的。由于需要保证发电系统所输出的电流与电网的正弦交流电是相同的，所以对于并网型发电系统来说，需要通过与公共电网的连接，将风能和太阳能所发出的电能经过整流逆变后才能输出。但同时，并网也会因此而削弱以新能源为主的分布式能源电网的安全性与稳定性，甚至会降低电能质量。而离网型发电系统恰好避开了这一问题的出现，该系统能直接将风能和太阳能转换成电能，满足负载电能供给的同时能将发电系统产生的多余电能储存在蓄电池中，达到同时满足平衡负载与能量调节的目的。因此，对于现在的电网来说，离网型发电系统是更常规的选择。
分布式发电由于其具有分散性和模块化特点，能根据不同用电需求改变并网或独立运行模式，这就要求该发电系统充分利用分散在其周围的各种可用能源实现发电供能。能源的来源不仅包括本地化石燃料，还包括具有环保、清洁特性的太阳能、水能、风能等可再生能源，可见，分布式发电具有灵活、经济、环保等优点。因此，为鼓励分布式发供电相关技术的发展，我国也通过了一系列项目计划对相关基础研究工作提供支持，例如，中国国家科技部于2009年通过的“973”计划项目。
3、风光互补发电系统的国内外研究现状
自1990年起，我国研究者开展了对风光互补发电技术的研究，对其研究成果进行归纳总结后发现研究者的研究方向主要包括风光互补发电系统模型中部件的设计、根据实际应用改进模型设计、在系统中融合计算机技术以及系统的实际功能检测优化几个方面，在当时的研究中，由于经验等条件的限制，研究者处于尝试阶段，使得相关问题的研究并不深入，还停留在比较浅显的层面。但随着时间的发展，越来越多的研究者致力于从事此领域的研究工作，其中，天津大学团队在2004年将微型计算机控制技术与风光互补发电技术相融合，将系统优化升级，成功研发出了具有监测和控制功能的风光互补发电系统，并在实际工作环境下对其功能进行检验，结果表明该系统运行状况非常稳定。文献[1]中学者使用计算机技术中的仿真方法优化独立光伏系统，引入人机交互动态决策方法设计风光互补发电模型，利用这种方法的以小时为单位进行匹配计算的特点，得到更为精确的数据，提升监控的准确性。
杨金焕等学者以系统中最小的能量损失为目标进行系统设计，优化了光伏系统中的数学模型，进而使发电系统在运行过程中效率达到最高。文献[2]设计出一个数据模型，该模型可以实现从描述组件特性到气象数据转换，并在风光互补发电系统中融合CAD（计算机辅助设计）技术达到系统优化的目的，优化原则上遵循可靠性和经济性，达到满足用户用电需求与较低的系统配置成本相结合的目标。此外，文献[3]改进了小型户用风光互补发电系统，他们简化了计算机编程过程，直接匹配太阳能光伏组件和风力发电机月发电量的数值后再进行计算。谈蓓月、杨金焕等人在系统设计过程中考虑到光照强度与光照分布等因素，他们提出可以根据不同月份的光照强度和分布改进太阳能组件的倾斜角，使得能源得以更为高效的利用，达到系统优化的目标。此外，文献[4]中提出在优化设计过程，由于混合发电系统具有非线性特征，为了有效优化系统功能，他们将遗传算法融合到混合发电系统设计过程中，最终，研发出了系统优化设计软件。遗传算法通过模拟自然进化过程寻找最优解，这种方法固然可以逐代演化出日益鲁棒的近似解，但其随机性也是使近似解不准确的主要原因之一。因此张东风、艾斌等人应用具体的实例，借鉴理论基础，从经济可行性的角度对风光互补发电系统进行深入分析。
十九世纪七十年代国外开始对太阳能技术展开研究，八十年代对相关的风光互补发电系统相继展开研究，研究方向主要集中在风光互补发电系统的整体设计，涉及相关系统配置模型、匹配优化、计算机仿真计算及实例研究。M.M.H.Bunyan从实际应用角度出发，将太阳能光伏发电系统和风能发电系统并行，单独将太阳能光伏发电系统应用在用户用电中，同时考虑经济适用性及用电安全性，重新配置发电系统的太阳能电池和蓄电池电池组的容量组合。基于此项研究，何小龙[5]等人明确额定负载量及系统造成的能量损失率后，将太阳能电池组件串并联数和蓄电池串并联数进行优化，同时保证的经济最优选择。进入二十世纪后，S.M.Pietruszko等人对整个市的用电情况进行监测，时长为一年，明确太阳能光伏发电系统的运行状况及结果，以此证明该系统能够为对太阳能光伏发电系统的推广应用起到积极的示范作用。陈丹[6]受上文研究启发，利用风能和太阳能两种资源的季节互补特性，构建风光互补发电系统各配置的模型，最大限度利用太阳能和风能，力图保证一年四季均衡供电。丛雨[7]等人创新性地将投资回收期和生命周期机余的设计概念融入风光互补发电系统项目中，从经济适用性角度对Xinthi市风光互补发电项目进行分析。A.N.Celik分别对风能发电、太阳能发电及风光互补发电统计分析，对比三者差异及各自优势，通过指标体系最终确定风光互补发电具有更强的优势，在新能源发电发展中更具有前瞻性。MarkvartT[8]利用遗传算法，确定问题域中三种发电方式的适应度，通过仿真实验研究证实了在三种发电方式中，风光互补发电方式比独立太阳能发电和独立风能发电更符合新能源开发的要求，发展前景更为广阔。
4、风光互补发电系统应用前景及存在的问题
我国的光能、风能资源相对较为丰富且没有地域限制，这些典型特点促使了风光互补发电系统与远离电网覆盖范围且用电量相对较小的偏远地区天然适配。同时，风光互补发电系统在提高居民生活质量和促进当地经济发展等方面能起到较为明显的积极作用。风光互补发电技术应优先投入到满足偏远地区居民生活和工业生产用电需求上。我国中西部偏远地区的人口基数较高，经济发展相对滞后，不能用电的人数占比较大。考虑到现实经济投入因素，全部靠电网供电是不现实的。但是，中西部偏远地区拥有丰富的太阳能、风能等可再生能源。充分开发利用这些可再生能源，能够有效解决当地的用电难题。其次，风光互补发电技术也可应用到路灯照明系统。当前，全球发电量的12%被用于满足室外视觉工作需要。应用了风光互补发电技术的路灯照明系统依靠太阳能、风能等再生能源供电，无需增设传统电力线路，不接入当地电网，有着广阔的应用前景。最后，风光互补发电技术能够用来为高速公路设备提供电力供应。以高速公路的道路监控摄像机为例，道路监控摄像机一般用来监控交通状况，必须全天24小时保持工作状态，需要消耗的电能较大，线缆费用高且易被偷盗。风光互补发电技术利用太阳能、风能等再生能源，能够全天对高速公路设备进行供电且无需铺设传统线缆，既满足了高速公路设备的电力需求，还解决了线缆被盗等的问题。
尽管风光互补系统由于清洁环保、能源丰富等优势而具有较大的应用前景，但是限于技术发展和自然条件等情况，风光互补系统也存在一些问题，主要有：
（1）风能和太阳能是从自然界获取的一次能源，在采集方面受气象条件影响较大，而且能源加工转换效率并不理想；
（2）风光互补系统工作状态较差时，会严重损耗蓄电池的使用寿命，导致系统故障，增加成本；
（3）需要对独立电源功率进行调整时，该系统容量的调节过程较为复杂，不便操作。
参考文献：
[1]王超.独立运行光伏发电系统控制器的研究与设计[D].浙江大学，2004.
[2]HFNouanegue，LRAlandji，EBilgen.Numericalstudyofsolar-windtowersystemsforventilationofdwellings.Renewableenergy，2008，33（3）：434-443.
[3]孟克，贾大江，土利平等.风光互补控制器的智能化设计[J].太阳能学报，2005，6（2）：192-195.
[4]谢静，李永超，刘满禄.风光互补智能白动充电器的设计[J].通信电源技术，2012，29（4）：61-65.
[5]何小龙，杨树涛，土侃等.小型风光互补反渗透海水淡化装置研制[J].水处理技术，2012，38（7）：92-94.
[6]陈丹，田作华.一种可适时监控的风光互补用逆变器研究与设计.实验室研究与探索，2011，30（4）：39-42.
[7]丛雨，关勇，刘海涛等.风光互补发电系统方案设计及控制策略优化分析[J].内蒙古电力技术，2012，30（1）：10-13.
[8]MarkvartT.SizingofHybridPhotovoltaic-WindEnergySystems.Solarenergy，1996，57（4）：277-281.