CN212726909U

CN212726909U - 风光互补发电系统

Info

Publication number: CN212726909U
Application number: CN202020796801.4U
Authority: CN
Inventors: 杨宗军; 苏娜; 张彦虎; 邹绍琨
Original assignee: Hefei Sungrow New Energy Technology Co Ltd
Current assignee: Sungrow Renewables Development Co Ltd
Priority date: 2020-05-13
Filing date: 2020-05-13
Publication date: 2021-03-16
Anticipated expiration: 2030-05-13

Abstract

本实用新型提供了一种风光互补发电系统，该系统包括风力发电子系统和光伏发电子系统。将风机在地面上形成的阴影遮挡区域以风机为圆心，风机的半径方向上的两条射线划分为三个区间，分别为第一阴影区间、第二阴影区间和第三阴影区间，其中，第二阴影区间位于中间，即第一阴影区间和第三阴影区间是早晚形成的阴影区域，第二阴影区间是中午形成的阴影区域。因此，第二阴影区间的发电量明显低于第一阴影区间和第三阴影区间的发电量，而三个区间的初始投资成本相差不多，可见第二阴影区间的价值度最低。因此，仅在第一阴影区间和第三阴影区间铺设光伏阵列，在提高对风场区域的土地利用率的同时，使风机阴影区域的发电收益最大化。

Description

风光互补发电系统

技术领域

本实用新型涉及新能源发电技术领域，尤其涉及风光互补发电系统。

背景技术

光能和风能都是我国重点发展的绿色电力能源。鉴于风能和光能的地域差别性，光伏电站和风力发电场都是独立建设和运行的。然而，风能和光能都存在间歇性的特点，如夜晚或者阴天时，光能不发电，或者发电量低，而此时可能风速很大，有利于风力发电；当天气晴朗时，光伏发电迅猛，但风力发电不一定强劲，因此，风光两种资源在发电量角度存在一定程度的互补性，将风能和光能互补起来应用对电网稳定性具有价值。

另一方面，为了充分发挥风光资源，我国的光伏电站和风电场多建立在西北部地区。由于风机是点征用地，风机间的间隙和周边区域空闲，如果上面为风机，下面为光伏组件，将二者在空间上结合起来，则同样的土地面积可以建设更多的发电单元，提高了土地利用率。鉴于此，将风电和光伏空间上就近互补应用具有经济价值。

风机塔筒很高，当太阳照射风机时，会在地面上形成风机的阴影，而且，从早到晚形成的阴影动态变化，一天中形成的所有阴影构成的阴影包络区间即阴影遮挡区域。如果在阴影遮挡区域铺设光伏阵列，势必产生阴影遮挡问题，因此，当前的典型方案是计算出阴影遮挡区域的大小，然后，避开阴影遮挡区域铺设光伏阵列，但是，此种方案对土地利用率较低。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种风光互补发电系统，以解决目前的风光互补发电系统仅在无阴影遮挡的区域铺设光伏阵列导致的土地利用率低的技术问题，具体的技术方案如下：

第一方面,本实用新型提供了一种风光互补发电系统，包括：风力发电子系统和光伏发电子系统；

所述风力发电子系统包括风机，每个风机在地面形成阴影遮挡区域，且所述阴影遮挡区域包括以所述风机为圆心且沿所述风机的半径方向延伸的两条射线划分得到的第一阴影区间、第二阴影区间和第三阴影区间；

所述光伏发电子系统包括光伏阵列，且所述光伏阵列仅设置在所述第一阴影区间和所述第三阴影区间内。

可选地，所述阴影遮挡区域内除去以所述风机为中心以预设距离为半径的中心区域外的区域，在垂直于风机半径方向上依次划分得到第一阴影区间、第二阴影区间和第三阴影区间。

可选地，所述两条射线关于所述风机的最短阴影所在直线对称。

可选地，在所述第一阴影区间和所述第三阴影区间内，不同的光伏阵列分别以所述风机为中心放射状排布，且同一光伏阵列内的光伏组件沿所述风机的半径方向上布置。

可选地，对于布置在所述第一阴影区间和所述第二阴影区间的光伏阵列，连接具有优化器或最大功率点追踪的逆变器。

可选地，所述第二阴影区间作为设备运维通道。

可选地，在所述第二阴影区间内设置除所述光伏阵列之外的电气设备。

可选地，所述电气设备包括逆变器和升压变压器。

可选地，所述系统还包括:在风场区的无阴影区域内按照常规方式铺设的光伏阵列。

可选地，划分阴影遮挡区域的所述两条射线之间的夹角为预设角度，该预设角度根据度电成本或投资收益计算得到。

本实用新型提供了一种风光互补发电系统，该系统包括风力发电子系统和光伏发电子系统。其中，风力发电子系统包括风机，且将风机在地面上形成的阴影遮挡区域以风机为圆心，风机的半径方向上的两条射线划分为三个区间，分别为第一阴影区间、第二阴影区间和第三阴影区间，其中，第二阴影区间位于中间，即第一阴影区间和第三阴影区间是早晚形成的阴影区域，第二阴影区间是中午形成的阴影区域。光伏阵列仅布置在第一阴影区间和第三阴影区间内。第二阴影区间内不铺设光伏阵列。由于一天中早、晚时段，太阳光照较弱，地面接收到的光照较弱，光伏组件的发电量较低；而中午太阳光照很强，此时光伏组件的发电量最高。第一阴影区间能够获得中午和傍晚的全部发电量，同理，第三阴影区间能够获得中午和早晨的全部发电量。而第二阴影区间只能获得早、晚的发电量。可见，第二阴影区间的发电量明显低于第一阴影区间和第三阴影区间，而三个区间的初始投资成本相差不多，可见第二阴影区间的价值度最低。因此，仅在第一阴影区间和第三阴影区间铺设光伏阵列，在提高对风场区域的土地利用率的同时，使风机阴影区域的发电收益最大化。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是一种典型的风机塔筒的阴影遮挡区域的示意图；

图2是本申请实施例提供的一种风光互补发电系统的示意图；

图3是本申请实施例提供的另一种风光互补发电系统的示意图；

图4是本申请实施例提供的一种划分阴影遮挡区域的示意图；

图5是本申请实施例提供的一种阴影遮挡区域划分方法的流程图；

图6是本申请实施例提供的光伏电站的LCOE值随θ变化的曲线图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参见图1，示出了一种典型的风机塔筒的阴影遮挡区域示意图。

冬至日建筑物的阴影长度最长，此时的阴影区域为全年最大的阴影遮挡区域。因此，根据风机安装地区冬至日有太阳光照的时段内不同时刻下的太阳高度角、太阳方位角计算得到该风机塔筒的阴影长度，并将不同时刻的阴影长度相互叠加得到该风机的阴影面积，即阴影遮挡区域。

而且，早、晚时段太阳高度较低，地面上物体的阴影很长，而中午太阳高度较高，地面上物体的阴影很短，因此，图1所示的阴影遮挡区域两边区域的边缘距风机的距离较长，中间区域的边缘距风机的距离较短。

请参见图2，示出了本申请提供的一种风光互补发电系统的示意图，该图主要用于示意光伏阵列的排布方式。

本申请提供的风光互补系统包括风力发电子系统和光伏发电子系统，风力发电子系统的核心发电设备是风机110。光伏发电子系统中的核心发电设备是光伏阵列120。

为了提高风场区的土地利用率，本申请在风机的阴影遮挡区域也部署有光伏阵列，进一步地，为了提高风机阴影遮挡区域内部署的光伏阵列的发电收益，本申请还提供了如图2所示的光伏阵列排布方式。

如图2所示，利用以风机110为圆心且沿风机110的半径方向延伸的两条射线，将风机110在地面上形成的阴影遮挡区域依次划分为A区间(即，第一阴影区间)、B区间(即，第二阴影区间)和C区间(即，第三阴影区间)，B区间位于阴影遮挡区域的中间。而且，两条射线之间的夹角为预设角度，即B区间的角度为预设角度，该预设角度是该风光互补发电系统的度电成本最低时对应的角度，其中，度电成本即项目生命周期内的成本和发电量先进行平准化，再计算得到的发电成本，即生命周期内的成本现值与生命周期发电量现值的比值。

此外，对于无阴影区域，可以按照常规方式铺设光伏阵列，而且，不限于固定支架或跟踪支架安装方式。

由于一天中早、晚时段的太阳光照较弱，地面接收到的光照较弱，因此，光伏组件的发电量较低；而中午的太阳光照很强，地面接收到的光照很强，因此，光伏组件的发电量最高。从这个角度出发，A区间可获得中午和傍晚的全部发电量，C区间可获得中午和早晨的全部发电量；而中午太阳光照最强的时段，B区间光伏阵列受风机的阴影的影响无法正常发电，因此B区间只能获得早晨和傍晚的发电量。假设三个区间的光伏容量相同，则A区间、B区间和C区间的初始投资成本基本相同，而B区间的发电量明显低于A区间和C区间的发电量，因此，B区间的发电收益最低。

另一方面，由于太阳高度角的影响，B区间的有效面积相对于A、C区间较小，即可利用的土地面积有限，在此区域铺设光伏阵列的发电收益较低，因此，不在B区间铺设光伏阵列，仅在A、C区间铺设光伏阵列，减少光伏组件的投资成本，使得风机阴影区域内的光伏发电收益最大化。

在本申请的一个实施例中，对于A、C区间，可以按照常规方式铺设光伏组件，且不限于固定支架或跟踪支架安装方式。

本实用新型提供的风光互补发电系统，将风机在地面上形成的阴影遮挡区域以风机为圆心，风机的半径方向上的两条射线划分为三个区间，分别为A 区间、B区间和C区间，其中，B区间位于中间。即A区间和C区间是早晚形成的阴影区域，B区间是中午形成的阴影区域。B区间的发电量明显低于A、 C区间，而三个区间的初始投资成本相差不多，可见B区间的价值度最低。因此，仅在A、C区间铺设光伏阵列，在提高对风场区域的土地利用率的同时，使风机阴影区域的发电收益最大化。

在本申请的另一个实施例中，对于A、C区间，不同的光伏阵列分别以风机为中心放射状排布，且同一光伏阵列内的光伏组件沿风机的半径方向布置。如图2所示，光伏阵列均布置在以风机为中心以风机半径的射线方向上，而且，同一光伏阵列内的不同光伏组件布置在同一条射线上。当太阳从升起到落下的过程中，每一时刻仅有受遮挡的光伏组串无法工作，而其他组串不受影响，从而减小光伏阵列受风机阴影遮挡的影响，即减少阴影对光伏阵列的失配影响。

在本申请的一个实施例中，考虑到风机的尺寸远远大于光伏组件的尺寸，当需要维修风机时，通常需要大型的机械设备进入风场区进行辅助，因此，可以将B区间作为风机的运维通道，以便大型机械设备进入风场区；当然，还可以作为光伏组件等的运维通道，作为巡检检修通道。

在本申请的另一个实施例中，考虑到光伏发电子系统中需要逆变器、升压变压器等设备，如果将这些设备部署在光伏阵列位置，需要占用一定的土地，因此，为了提高阴影遮挡区域的土地利用率，可以将逆变器、升压变压器等部署在B区间，以减少对光伏阵列的占地，提高土地的有效利用率及系统的整体发电收益。此外，将逆变器、升压变压器等电气设备部署在B区间，在中午光照最强的时段，能够有效避免阳光直射设备，从而有效避免这些电气设备的温度升高，减缓设备内元器件老化，延长设备的使用寿命。

在本申请的又一个实施例中，考虑到特殊天气的因素，例如温度接近零摄氏度又伴有高湿度，风机叶片容易覆冰。而且，在重力和风机叶片旋转产生的机械力的作用下，风机叶片上的覆冰会从叶片上脱离掉落在风机底部的区域内，如果该区域设置有光伏组件或其它设备，落冰很容易损伤该区域的设备。因此，如图3所示，为了减少落冰对其它设备造成的损伤，阴影遮挡区域内以风机为中心，半径为R的圆弧的区域作为空白区域，称为D区间，不设置任何设备。换言之，在风机的阴影遮挡区域内除D区间之外的区域划分为三个区间，即，A、B、C区间。

在本申请的另一个实施例中，考虑到A、C区间内的光伏阵列会有短暂时间受风机阴影影响，阴影的产生将直接导致光伏阵列的输出功率失配现象。因此，为了减少由于阴影导致的输出功率失配的影响，针对A、C区间铺设的光伏阵列使用具有优化器或最大功率点追踪功能的逆变器。

下面将详细说明阴影遮挡区域的划分过程：

如图4所示，以风机为圆心，且沿风机的半径的两条射线L1、L2，将该阴影遮挡区域划分为三个区间，分别为A、B、C区间，且L1和L2之间形成夹角θ。

如图5所示，阴影遮挡区域的划分方法包括以下步骤：

S1，计算某一θ下，A、C区间建设光伏电站的投资成本。

S2，根据当地全年光照和阴影遮挡情况，计算A、C区间的发电量；

S3，计算A、C区间建设的光伏电站的度电成本(Levelized Cost of Energy，LCOE)。

具体计算过程中，θ的取值范围由风机塔筒的阴影遮挡区域的角度范围决定，例如，θ∈(0，150°)。θ从该角度范围的最小值开始，并以1°为步长增大θ，计算每个θ对应的LCOE值。将这些LCOE值绘制成如图6所示的曲线，其中，图6中的横坐标为θ，纵坐标为LCOE值。

如图6所示，当θ为0°时，即没有B区间，此时B区间的发电收益影响了整个阴影遮挡区域的发电收益，此时的度电成本最高。随着θ增大，B 区间形成，B区间的投资成本逐步被扣除，即光伏电站的投资成本逐步降低，因此，整个阴影区域的度电成本不断下降。当θ达到一定值后，再扩大θ带来的度电成本降低力度有限，趋于平滑，因为受制于A、C区间的发电量，这部分没有改进的空间。如果预先设置了一个LCOE目标值，当达到这个目标值时，此时的θ即划分不同区间的优选夹角。如果再增大θ。虽然系统单位成本在降低，但是装机容量也在不断减少，发电收益必然受到影响。

需要说明的是，本实施例中，为了简化计算，B区间沿风机的最短阴影所在直线(称为Y轴)对称，即，L1和L2与Y轴之间的夹角均相同，均为θ/2。当然，也可以对L1和L2分别与Y轴之间的夹角不同为例进行计算，此处不再赘述。

在本申请的另一个实施例中，还可以从投资回报率IRR的角度计算最优的θ，计算过程与上述的以度电成本的计算方法相同，此处不再赘述。

此外，上述的寻优目标均是围绕风机阴影区域的光伏系统，考虑到实际应用场景，无阴影区域的光伏组件的数量多于阴影遮挡区域的光伏组件的数量，而且，整个风场区的光伏电站作为整体投资设计。因此，可以将阴影遮挡区域部分的LCOE或IRR与无阴影区域的LCOE一起寻找最优的LCOE值，即以风场区的光伏发电子系统的整体LCOE值为优化对象。或者，可以将风场区域内的光伏发电子系统与风力发电子系统的整体LCOE或IRR作为优化对象。

本实施例提供的阴影遮挡区域的划分过程，对于B区间的夹角从0°开始按照预设步长增大直到增大的最大角度(如，150)，并计算每个角度所对应的LCOE值或投资收益值，并从各个夹角对应的LCOE值或投资收益值中达到目标值的夹角作为B区间的夹角。利用该划分过程能够得到的区间角度不在B区间铺设光伏阵列，只在A、C区间铺设光伏阵列使得整个光伏发电子系统或者整个风光互补发电系统的LCOE比较低且投资收益较高。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例记载的技术特征可以相互替代或组合，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种风光互补发电系统，其特征在于，包括：风力发电子系统和光伏发电子系统；

2.根据权利要求1所述的风光互补发电系统，其特征在于，所述阴影遮挡区域内除去以所述风机为中心以预设距离为半径的中心区域外的区域，在垂直于风机半径方向上依次划分得到第一阴影区间、第二阴影区间和第三阴影区间。

3.根据权利要求1或2所述的风光互补发电系统，其特征在于，所述两条射线关于所述风机的最短阴影所在直线对称。

4.根据权利要求1或2所述的风光互补发电系统，其特征在于，在所述第一阴影区间和所述第三阴影区间内，不同的光伏阵列分别以所述风机为中心放射状排布，且同一光伏阵列内的光伏组件沿所述风机的半径方向上布置。

5.根据权利要求1或2所述的风光互补发电系统，其特征在于，对于布置在所述第一阴影区间和所述第二阴影区间的光伏阵列，连接具有优化器或最大功率点追踪的逆变器。

6.根据权利要求1所述的风光互补发电系统，其特征在于，所述第二阴影区间作为设备运维通道。

7.根据权利要求1所述的风光互补发电系统，其特征在于，在所述第二阴影区间内设置除所述光伏阵列之外的电气设备。

8.根据权利要求7所述的风光互补发电系统，其特征在于，所述电气设备包括逆变器和升压变压器。

9.根据权利要求1所述的风光互补发电系统，其特征在于，所述系统还包括:在风场区的无阴影区域内铺设的光伏阵列。

10.根据权利要求1所述的风光互补发电系统，其特征在于，划分阴影遮挡区域的所述两条射线之间的夹角为预设角度，该预设角度根据度电成本或投资收益计算得到。