风光互补技术及应用新进展
第 24 卷 第 5 期
2008 年 11 月
电网与清洁能源
Power System and Clean Energy
Vol.24 No.5
Nov.2008
文章编号：1674- 0009（ 2008） 05- 0040- 06 中图分类号：TM614；TM615 文献标志码：A
风光互补技术及应用新进展
王志新，刘立群，张华强
（上海交通大学电气工程系，上海 200240）
New Development of Wind and PV Hybrid Technology and Application
WANG Zhi-xin, LIU Li-qun, ZHANG Hua-qiang
（Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240）
ABSTRACT： This paper briefly introduces wind power and PV
technology and application, and by combining with wind and PV
hybrid system application, analyses LED lighting system,
intelligent controller design, distributed supply power, water pump
system. This paper also analyses the principle of bio-mass, wind
and PV hybrid stage power system, and key technologies related.
Research results show wind and PV must be developed with low
cost, and they have a bright future for application.
KEY WORDS: wind power generation; photovoltaic; wind and
PV hybrid technology; distributed power generation; inverter
technology; BIPV
摘要： 简要回顾国内外风电、光伏技术与应用发展态势，结合
风光互补系统应用， 分析、 介绍了风光互补LED路灯照明系
统、智能控制器设计、分布式供电电源、风光互补水泵系统，
并着重分析生物质能、风能和太阳能互补分布式能源梯级系
统原理，涉及的技术关键等。 研究表明，风能、光伏发电应用
需要实现低成本、规模化，风光互补技术应用前景广阔。
关键词： 风力发电；光伏发电；风光互补技术；分布式发电；逆
变技术；建筑一体化光伏应用
0 引言
风能、太阳能等可再生能源清洁，使用无污染，
分布广泛，用之不竭，但也存在不稳定、易受到季节
性影响而变化大、成本高等不足。 低成本、规模化利
用风能、太阳能等可再生能源，是解决能源危机和
环境问题的有效手段之一， 已成为发达国家的共
识，世界各国政府予以高度重视。 随着我国改革开
放、经济社会的快速发展，社会对石油、天然气、煤
炭和其他自然资源的需求越来越大。 据国家发展改
革委员会统计，在2007年，我国石油消费量为3.50×
108 t，在全世界排名第二，仅仅落后于美国，其中进
口量达到1.60×108 t；煤炭消费量为2.523×109 t，在全
世界排名第一；SO2排放超过2.00×107 t，在全世界排
名第一。 能源的大量进口和消耗不仅对国家能源安
全有巨大威胁，而且带来了一系列环境问题，如空
气污染、土壤污染、酸雨等。 主要根源在于不合理的
能源消费结构和较低的能源使用效率，我国对一次
能源的依赖非常高，可再生能源的比例较低。2006年，
我国对煤炭的依赖度达到69.4%， 石油占20.4%；天
然气占3.0%；其它能源，包括核能和可再生的水能、
太阳能和风能一共占7.2%。
近几年，我国风能、太阳能利用有所发展，但在
整个能源结构中比例仍较低。 我国风能资源丰富，
据统计，在10 m高度风能储量为3.2 TW，可利用的
超过1.0 TW[1]。 根据不同的风速全国被分成了5个区
域，其中可利用的区域超过了整个国土面积的75%，
1年当中风速超过3 m/s的时间超过2 000 h。 风能最
丰富的地区位于三北和东南沿海地区，占国土面积
的8%； 较丰富地区和可利用地区分别占到18%和
50%；较为匮乏的地区，包括四川、贵州和云南省，占
国土面积的24%左右。 我国风能利用可追溯到几千
年前，当时，风能被用来替代人力劳动，如灌溉、椿
米的风车和航海的帆船。 现在，独立小型风力发电
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基金项目：上海市博士后基金（08R214134）；教育部留学回国科
研 基 金 ( 教 外 司 [2007]1108 号 )； 上海市白玉兰科技人 才 基 金
（2007B073）。
清洁能源
Clean Energy
第 24 卷 第 5 期 电网与清洁能源第 24 卷 第 5 期 电网与清洁能源
机、 风泵和风力磨坊已被应用于偏远乡村的供电。
政府对大型风机的开发利用非常重视，近10年来我
国大型风机装机容量不断增长。 2007年年底，我国
风电总装机容量达6 050 MW，2008年7月，装机超过
7 000 MW，到2008年底累计装机将达到10 000 MW。
我国大部分 地区日照比 日本和欧洲 要好 ，其
中，西藏、青藏高原地区日照强度最大，可以和撒哈
拉沙漠相媲美。 在我国，太阳能资源较丰富地区达
到了国土面积的67%， 可利用年平均日照小时达到
2 000 h以上，年日照强度达到6×109 MJ/m2，相当于
1.7×1012 t标准煤。 我国太阳能电池的使用可追溯到
1971年中国首颗人造卫星“东方红”供电系统。 在过
去的30年，太阳能已经被用于许多领域，如光伏建
筑、光伏水泵、太阳能热水器、太阳能空调等。 在中
国应用最为广泛的太阳能热水器，其使用、生产量
排在世界第一位，2007年产量达到2×107 m2， 全国累
计安装1.2×107 m2，年产能力为200余亿元人民币，成
为全世界最大的太阳能热水器生产、 销售和保有
国。 光伏生产也从无到有，从弱变强，2007年我国光
伏产量达到1 200 MW，占到世界总产量的36.4%（其
中，大陆27.2%，台湾9.2%），排世界第一位。 但是，我
国光伏产品应用量非常小，截止到2007年底，总光
伏装机容量不过110 MW，超过99%的光伏产品出口
发达国家[2-4]。
1 风光互补系统应用
我国具有丰富的太阳能、风能资源，并已经应
用于许多领域。 但不可回避，不管是太阳能还是风
能，其能量密度都非常低，独立的太阳能和风能供
电系统都不能提供可靠的电能供应。 风能和太阳能
具有非常好的互补性能（在白天，日照强度高风小；
晚上，风大），这一特性可以使独立的太阳能和风能
结合起来组成风光互补混合供电系统，提高供电系
统的可靠性。 当前一些混合的供电方式已经被应用
到西部地区，如风-柴、光-柴和风-光等，这对提高
当地居民生产和生活水平，提高当地经济发展起到
了重要作用。 但是面对西部脆弱的生态环境，大量
使用柴油不仅污染环境， 而且随着油价不断攀升，
柴油高昂的价格也不能被群众广泛接受。 广大西部
地区不仅有丰富的矿藏资源， 而且具有丰富的风
能、太阳能资源，所以风光互补供电系统应该是未
来西部地区独立供电的主要方式。
图1为典型的风光互补供电系统示意图。 当前
已经有许多风光互补系统应用示范，如风光互补路
灯、风光互补独立供电电源、风光互补通信站、风光
互补水泵、 风光互补建筑和风光互补日用产品等。
目前风光互补系统的进一步发展受以下关键技术
的制约，如：风能和太阳能的最大功率跟踪算法、最
大功率控制方法、DC/DC和DC/AC电路拓扑及输出
效率、 风光互补系统的功率匹配和蓄电池管理等。
风光互补系统典型应用如下[5-9]。
（1） 日用产品。 如风光互补路灯照明系统、风光
互补供暖（如图2所示）、风光互补充电电源、风光互
补野营灯和独立电源等。
（2） 建筑行业。 北京奥运会已经将风力发电机
和太阳能集热管安装进了奥运村。 风光互补系统还
用于光伏一体化建筑BIPV、屋顶风力发电机、风光
互补锅炉和风光互补并网等。
（3） 并网发电。 在发达国家，光伏产品的80%用
于并网发电，而我国几乎为0，未来风能和太阳能发
电的大规模并网势在必行。 一平方千米的沙漠可装
100 MW光伏，若将1%的中国沙漠装上光伏，总容量
将达到1.31×109 kW，而截止到2007年底我国总的装
机容量不过7.13×108 kW。 所以，未来我国可再生能
源发展具有广阔的发展前景。
（4） 沙漠治理。 随着我国经济的发展，国家逐渐
有财力对沙漠进行治理， 沙漠公路已经开通了数
条，改善了当地自然生态和居民的生活条件。 沙漠
治理不仅需要大量的水资源， 也需要大量的电能。
在西部广大地区，风光互补水泵、光伏水泵和风能
水泵都有广阔的市场。
图1 风光互补供电系统示意图
清洁能源
Clean Energy
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图2 风光互补供暖系统示意图
2 典型风光互补系统应用技术
（1） 风光互补LED路灯照明系统
伴随我国城市现代化建设的突飞猛进，城市道
路照明快速发展，许多城市的照明系统采用传统灯
具，耗能巨大，成为当地政府的沉重负担。 据有关资
料显示，城市路灯照明在我国照明耗电中占30%，其
年用电量约占全国总发电量的4%～5%，而且电能的
使用效率不足70%，在每年800亿元的政府机构电力
能耗中， 城市路灯照明部分能源支出达到200多亿
元。现有路灯70%以上使用的都是高压钠灯，其设计
寿命为24 000 h。 但是， 由于我国城市电网技术落
后，造成线路的电压波动大大超过额定电压的15%，
特别是在后半夜，由于用电负荷减少,使得电网电压
有时接近245 V， 致使路灯灯泡的实际使用寿命平
均不到1年。 总体来说，我国城市路灯照明主要存在
两大弊端。
a. 所有城市道路、高速公路、工业区、生活区道
路，路灯从傍晚开灯后，就一直亮到清晨6点，这不
仅缩短了照明灯具的使用寿命， 还浪费大量的电
能，给政府财政造成了沉重的负担。
b. 供电电网的特点是当负荷增大时，电压相对
较低；负荷减少时，电压相对较高，对于路灯这类气
体放电设备，在前半夜行人车辆较多时适逢用电高
峰期，电压较低，亮度较暗。 而进入午夜，电网负荷
下降，电压剧升导致其照度异常明亮，甚至出现眩
光，不仅造成不必要的电能浪费，而且使灯具的使
用寿命大大降低。
对此， 一些城市开始用高性能的LED灯具替换
传统灯具，并采用了风能、太阳能或风光互补系统
进行供电。 当然，初期投资比传统照明系统要大（增
加50%左右），但是据统计，经过3年的使用，风光互
补LED路灯照明系统的成本就可以和传统照明系统
的成本相持平，在20年的使用寿命中，风光互补系
统总成本反而较低，其不仅具有景观效应，而且保
护了环境。 除此之外，风光互补庭院灯、草坪灯、景
观灯等，改善了群众的生活质量和品质。
图3所示太阳能路灯相当于非并网的小型独立
电站，采取免维护密封铅酸蓄电池组件贮能，由太
阳能电池组件、蓄电池组件、智能控制器、高效节能
直流灯、灯架、安装材料等组成。 在智能控制器的控
制下，白天太阳能电池组件向蓄电池组件充电,晚上
蓄电池组件提供电力给直流灯负载， 相应接线如
图4所示。 直流控制器在任何条件下（阳光充足或长
期阴雨天）都能确保蓄电池组件不因过充或过放而
被损坏，同时具备光控、时控、声控、温度补偿及防
雷、反极性保护等功能。 控制器采用无触点控制技
术，具有先进的光控功能，晚上自动点亮，白天关
灯，也可以定时关灯，而且具有夜间自动切换负载
的功能，特别适合路灯和光伏电源控制，并且具有
多种保护功能。 控制器负责监视电池组件的充电状
态，管理充电过程，包括负载的开与关，使电池组件
能量充分利用，并延长使用寿命。 采取的保护措施：
电池组件———限制充电电压防止过充，关闭负载防
止过放；控制器———防止电流过大、温度过高，可自
动开/关负载或组件； 负载———在过电压的情况下，
关闭负载；系统电压自动检测（12 V/24 V）。
图3 太阳能路灯原理图
（2） 风光互补LED路灯智能控制器[10]
图5所示为采用C8051F410微控制器的路灯智
能控制系统外围电路。 微控制器将检测电路的输入
信号进行处理，根据预设的程序和外部指令输出控
制信号，驱动主电路中的功率器件进行工作，实现
风电单元、 光伏单元和蓄电池组的智能化控制，其
控制策略如下。
清洁能源
Clean Energy
王志新等：风光互补技术及应用新进展 Vol.24 No.542
第 24 卷 第 5 期 电网与清洁能源第 24 卷 第 5 期 电网与清洁能源
a. 风力发电控制：当低于额定风速（电压）时，
控制器依功率控制方式跟踪风力机的功率变化；高
于额定风速（电压）时，通过机械结构限制风机转
速，使之接近恒功率运行，当蓄电池足压时，驱动卸
荷电路对风机进行卸载，以防止风机飞车。
b. 光伏发电控制：针对较为流行的MPPT（Maximum
Power Point Tracking ）控制，本系统从工程实用的角
度出发对MPPT进行了简化。 由于光伏电池的V-I输
出特性曲线的最大功率点几乎分布于一条垂直线
的两侧，可以假定阵列的最大功率输出点大致对应
于某个恒定电压，实际上是把MPPT控制简化为稳压
控制。
c. 蓄电池控制：充电控制采用先恒流、再恒压、
最后浮充充电的控制方法。 在控制策略中加入蓄电
池电流反馈，以实现恒流、恒压充电控制的转换。 在
初始充电时，通过调整斩波电路的输出电压，控制
蓄电池充电的电流，实现恒流充电。 充电电流降低
到一定值时（本系统中为2×0.03 A），转入恒压充电
状态。 最后，进行浮充充电（本系统中为13.5 V）。 蓄
电池的放电控制主要是进行过放保护，当蓄电池电
压低于规定值时，停止放电。 充放电过程中，要根据
温度不断调整浮充电压等参数。
（3） 分布式供电电源
2008年对于亿万中国人来说是一个难忘的年
度，29届奥运会在北京举办， 还有就是二次大的自
然灾害———年初的 大雪灾和5月12日的汶川 大地
震，受灾人口上千万。 在灾难中，许多人的生活被打
乱，许多工厂停产，许多社会公共设施被毁，其中停
水、停电、停气所带来的不便最使人难熬。 多年以
来，大型、超大型电厂和电力网络的建立，使人们的
生活水平得以提高，工厂得以生产，但是同时也带
来了一个重大的隐患，那就是一旦电网或电厂出现
故障，受到影响的将是数百万人的正常生活和数千
家工厂的生产。 而风能和太阳能基本不受灾害的影
响，不管是有风还是有太阳，就可以提供电能，因此
风光互补供电电源是一种可靠的供电系统，当然当
作备用供电系统也可以。 现在风光互补供电电源已
经应用到一些领域，如偏远地区的户用供电系统和
村用供电系统、渔船上的供电系统、通讯站雷达站
的独立供电系统等。
（4） 风光互补水泵系统
我国广阔的西部地区存在巨大的沙漠，据统计
截至到2007年，中国的沙漠，包括戈壁及半干旱地
区的沙地在内，总面积达1.308×106 km2，约占全国土
地总面积的18%，而且每年扩展2 460 km2，相当于一
个县的面积，影响着近4亿人口的生产和生活，每年
由沙化造成的直接经济损失超过540亿元人民币。
而与此同时， 西部地区存在丰富的地下水资源，如
果抽上地表，就可以改善当地生态环境。 当前光伏
水泵已被用于塔里木沙漠公路两侧绿化、草原灌溉
和牲畜饮水等方面，但是独立式光伏水泵受天气影
响大，如果更换成风光互补水泵就可以大大提高工
作效率，更好的改善西部环境，变沙漠为绿洲。
3 生物质能、风能和太阳能互补分布
式能源梯级系统技术
目前，我国各类新能源的利用率还很低，由新
能源造成的二次污染问题也成为制约新能源发展
的主要障碍。 根据各地具体能源构成方式，合理采
用风能、太阳能和生物质能等可再生能源，构成多
图4 太阳能路灯接线图
图5 微控制器的外围电路
清洁能源
Clean Energy
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种能源互补的供能系统，实现电、热、冷联供，合理
地将供能系统与乡镇当地农业相结合，既能充分利
用资源，提高能源利用率，又可以减少单一能源供
电的劣势，达到零排放、零污染的生态循环经济链，
缓解能源消耗给环境造成的压力，同时也是解决农
村能源供应问题， 提高农民生活水平的重要手段。
图6为生物质能、 风能和太阳能互补的混合发电系
统，特点为：不需要蓄电池及定期更换，减少了投资
和维护费用；由于存在稳定的生物能，所以其可以
保证电能的稳定供应，并充分利用风能和太阳能的
互补特性实现系统的最佳性价比；利用了当地已有
生物质能，如养殖场产生的生物能，减少了环境污
染，实现了可循环经济，提高了整个系统的经济效
益；系统运行的可靠性高，在充分利用混合发电系
统发出的电能的基础上，如遇到恶劣天气可部分利
用来自电网的电能； 采用BIPV， 最大限度地节约
土地[11-13]。
图6 生物质能、风能和太阳能互补混合发电系统示意图
对生物质能、风能和太阳能等可再生能源进行
多能源互补技术、能源梯级利用技术和生态循环型
供能技术的研究，可实现生态循环型的分布式电热
冷联供技术及其工程示范。 其涉及技术关键如下。
（1） 多种可再生能源离网及组成微网供能关键
技术；
（2） 供能系统与当地农业构成循环经济性产
业链；
（3） 离网独立运行风力发电系统的频率、电压
控制技术；
（4） 离网独立运行生物质中小型发电系统控制
技术及低温余热的利用技术；
（5） 基 于 能 量 梯 级 利 用 技 术 的 电 热 冷 联 供
技术；
（6） 风力发电机组、太阳能发电和生物质发电
机组联合（或并联）运行控制技术；
（7） 由风能和生物质能电热（冷）联供系统以及
太阳能供电（热）系统高效组合，构成多种再生能源
互补供能系统，提高能源利用率的研究。
4 结论
（1） 风能、光伏发电应用需要实现低成本、规模
化，风光互补技术应用前景广阔。
（2） 分布式能源可能取代集中式能源，成为未
来能源工业发展的主力军之一。
（3） 风光互补路灯照明市场看好。
（4） 风光互补关键技术亟需突破，其涉及高效
低成本光伏电池组件、低速高效率风机、高效高亮
度光源（如LED灯）、低成本高效率复合控制系统和
逆变器，“环保”、“高效”、“安全”、“长寿命”、“低成
本”储能装置，如胶体电池、锂离子电池等。
（5） 我国风光互补技术存在困惑，缺乏核心技
术，生产规模小，生产设备落后，国家投入少，相关
政策及鼓励措施不完善等。
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———————————————————
收稿日期：2008-09-16。
作者简介：
王志新（1964—），男，博士，教授、博士生导师，系副主任，从事
风力发电、风光互补技术应用、高压变频技术研究工作。
（编辑 冯 露）
风光互补
随着能源危机日益临近，新能源已经成为今后世界上的主要能源之一。 新能源主要有：太阳能、风能、地热能、生物质能
等。 生物质能在经过了几十年的探索后，国内外许多专家都表示这种能源方式不能大力发展，它不但会抢夺人类赖以生存
的土地资源，更将会导致社会不健康发展；地热能的开发和空调的使用具有同样特性，如大规模开发必将导致区域地面表
层土壤环境遭到破坏，必将引起再一次生态环境变化；而风能和太阳能对于地球来讲是取之不尽、用之不竭的健康能源，他
们必将成为今后替代能源主流。
太阳能发电具有布置简便以及维护方便等特点，应用面较广，现在全球装机总容量已经开始追赶传统风力发电，在德
国甚至接近全国发电总量的5%~8%，但是太阳能发电的时间局限性导致了其对电网的冲击，如何解决这一问题成为能源界
的一大困惑。
风力发电在19世纪末就开始登上历史的舞台，由于它造价相对低廉，成了各个国家争相发展的新能源首选。 然而，随着
大型风电场的不断增多，占用的土地也日益扩大，产生的社会矛盾日益突出，如何解决这一难题，又成了一大困惑。
早在2001年，MUCE就为了开拓稳定的海岛通信电源而开展一项研究，经过6年多研究和实践，终于将一种成熟的新型
应用方式MUCE风光互补系统向社会推广，这种系统采用了我国自主研制的新型垂直轴风力发电机（H型）和太阳能发电进
行10∶3结合，形成了相对稳定的电力输出。 在建筑、野外、通信基站、路灯、海岛均进行了实际应用，获得了大量可靠的使用数
据。 这一系统的研究成果将为我国乃至世界的新能源发展带来了新的动力。
新型垂直轴风力发电机（H型）突破了传统的水平轴风力发电机启动风速高、噪音大、抗风能力差、受风向影响等缺点，
采取了完全不同的设计理论，采用了新型结构和材料，达到微风启动、无噪音、抗12级以上台风、不受风向影响等性能，可大
量用于别墅、多层及高层建筑、路灯等中小型应用场合。 以它为主建立的风光互补发电系统，具有电力输出稳定、经济性高、
对环境影响小等优点，也解决了太阳能发展中对电网冲击等影响。
科 普 链 接
清洁能源
Clean Energy
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