太阳能风光互补发电系统
1.问题的提出
如何解决能源危机问题，已经成为全球关注的热点。节能和环保已成为当今世界的两大
主题。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。风光互补
发电控制系统是为了弥补传统电力的不足而设计的独立发电设备。它是由太阳能电池组件与
风力发电机配合而成的一个系统，通过微型计算机的远程控制，并实现了免维护的功能。
2.风光互补发电系统的现状
最初的风光互补发电系统，就是将风力机和光伏组件进行简单的组合，因为缺乏详细的
数学计算模型，同时系统只用于保证率低的用户，导致使用寿命不长。
近几年随着风光互补发电系统应用范围的不断扩大，保证率和经济性要求的提高，国外
相继开发出一些模拟风力、光伏及其互补发电系统性能的大型工具软件包。通过模拟不同系
统配置的性能和供电成本可以得出最佳的系统配置。
在国外对于风光互补发电系统的设计主要有两种方法进行功率的确定：一是功率匹配的
方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的功率和风机的功率和大于负载功率，只要用
于系统的优化控制；另一是能量匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的发电
量和风机的发电量的和大于等于负载的耗电量，主要用于系统功率设计。
目前国内进行风光互补发电系统研究的大学，主要有中科院电工研究所、内蒙古大学、
内蒙古农业大学、合肥工业大学等。各科研单位主要在以下几个方面进行研究：风光互补发
电系统的优化匹配计算、系统控制等。目前中科院电工研究所的生物遗传算法的优化匹配和
内蒙古大学新能源研究中推出来的小型户用风光互补发电系统匹配的计算即辅助设计，在匹
配计算方面有着领先的地位，而合肥工业大学智能控制在互补发电系统的应用也处在前沿水
平。
3.一个设计好的太阳能风光互补发电的设计框图结构
该系统是集风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复
合可再生能源发电系统。
它的主要组成设备有：
风力发电机：风机采用具有特别适合大多内陆地区低风速、时发电特性好、发电量大的
特点。具有机械、电子刹车装臵，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[2]。采用12V/150W风力发电机，当风力≥3m/s
工作，10m/s风速时达到额定150W功率。
太阳能光电池板：采用100W/14V，0.6㎡的硅光电池，它能将太阳能转化为电能，属
于一种半导体元件，它的特点：它是转换效率高达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。
铅酸蓄电池：蓄电池的选择要求：重量轻、体积小、能量转换率高、自放电慢、充放电
循次数多（即使用寿命长）等。其次，还有些特殊要求如低温时能大电流放电、维护简单或
无需维护、自放电（析氢）特别慢等。
微机控制系统：微机控制系统是整个设计的核心内容。它是整个系统安全运行的基本保
证。另外本系统受应用环境的要求，本身就要求实现免维护。所以无论从硬件系统还是软件
系统都要对系统有保护作用。例如在本系统硬件设计中有蓄电池电压控制，因为直流充电的
蓄电池，要求电压控制在10～12～16V之间，才能安全使用，不至于被烧坏。所以电压控
制用来保证其既不过充又不过放；继电器工作要求是：在接受到指令后，要按指令要求来动
作。而且一旦出错就要有报警显示。为了实现继电器正常工作，系统设有继电器动作检测，
并对故障状态设有报警显示；为了保证整个系统工作的正常，执行动作正确，系统对
ADC0809的转换也设有转换结果正确与否的检测，并在ADC0809不正常工作时报警显示；
整个系统是一个严密完整的智能化系统，使用起来方便。
逆变器：逆变系统是把蓄电池中的直流电变成标准的220V交流电，保证交流电在设备
的正常使用。同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量；在逆变器的电路结构形式上，主要是工频变压器和高频变压器两种形式。对一个风光发电系统而言，逆
变器是一种电力电子设备，抗过载，抗冲击的能力要相对弱一些，是最易出故障的单元。
4.可能会存在的干扰问题
所谓干扰，是指由于某种干扰源产生，并通过一定途径，侵入电器装备或调节控制系统，
对装备或系统的正常工作造成某种程度影响的一些动态瞬变讯号或误差讯号。在计算机控制
系统中，产生干扰的途径和方式比较多。本系统产生干扰的原因主要有：继电器动作中电火
花产生造成的干扰，电源扰动产生的干扰，还有就是外部信号瞬间波动或错误信号也可能给
系统带来一定的干扰。在系统设计中，我们采用了光电耦合器就是考虑到抗干扰问题，这
是由光电耦合器结构和自身的特点决定的：
光电耦合器的信号传递采用电-光-电的形式，发光部分和受光部分不接触，因此具有很
高的绝缘电阻，可以达到1010欧姆以上。并能承受2000伏以上的高压，因而被耦合的两
个部分可以自成系统，也不需要“共地”。绝缘和输出性能较好，能够避免输出端对输
入端可能产生的反馈和干扰。
光电耦合器作为开关应用时，具有耐用，可靠性高和速度快等优点。响应时间一般为数
µｓ以内，高速型光电耦合器的响应时间有的甚至小于10µｓ。所以光电耦合器的使用是抗
干扰问题的很好解决方案。
5.风光互补太阳能发电系统的特点及优缺点
太阳能发电系统的特点：
风光互补发电系统由太阳能光电板、小型风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变
器等几部分组成，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。
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，系统成本趋于合理。
风光互补发电站是针对通信基站、微波站、边防哨所、边远牧区、无电户地区及海岛，
在远离大电网，处于无电状态、人烟稀少，用电负荷低且交通不便的情况下，利用本地区充
裕的风能、太阳能建设的一种经济实用性发电站。风光互补的优点：
昼夜互补——中午太阳能发电，夜晚风能发电。季节互补——夏季日照强烈，冬季风
能强盛。稳定性高——利用风光的天然。互补性，大大提高系统供电稳定性。
太阳能发电系统缺点：
节性障碍无法克服；供电不稳定；公用设施供电不适宜。
6.结论
风光互补发电系统由太阳能光电板，风力发电机，控制系统，蓄电池等几部分组成。发
电系统各部分容量的合理配臵对保证发电系统的可靠性非常重要。光电系统是利用光电板
将太阳能转换成电能，然后通过控制系统对蓄电池充电，最后用电负荷供电的一套系统。该
系统的优点是供电可靠性高，运行维护成本低，缺点是系统造价高。
风电系统是利用风力发电机将风能转换成电能，然后通过控制系统对蓄电池充电。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发电量较高，造价较低，运行
维护成本低。缺点是风力发电机可靠性低。
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和逆变环节是可以通用的。
从能源上来说，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，而且太阳能和风能都是洁净能源，对环境无污染。所以
风光互补发电系统是资源条件最好的独立系统。