牧區(qū)戶用家電、提水、取暖風力機的研發(fā)與應用

高庭智

(內蒙古草原勘察設計院,內蒙古 呼和浩特 010051)

1 技術來源

該系統(tǒng)為內蒙古草原勘察設計院、呼市草原河山能源開發(fā)有限責任公司聯(lián)合研制開發(fā),并率先在內蒙古各牧區(qū)示范推廣,應用于牧戶家用電器、飲水灌溉、取暖3種功能為一體的清潔能源創(chuàng)新產(chǎn)品。

2 產(chǎn)品開發(fā)目的與意義

風能太陽能等清潔可再生能源產(chǎn)品的應用,是21世紀新農(nóng)村新牧區(qū)建設的發(fā)展方向。

在內蒙古草原地帶生活著的牧民,很多都面臨著生產(chǎn)和生活上的諸多困難。一種能夠同時解決牧民生活用電、人畜飲水、飼料地灌溉、棚圈取暖的多功能系統(tǒng)解決方案對于提高牧民生產(chǎn)生活質量將起到重要作用。

目前國內利用風能提水的裝置分為2種技術類型:一種是風輪直接拖動機械裝置提水的風力機,另一種是先由風力發(fā)電機發(fā)電,經(jīng)鎮(zhèn)流逆變后由蓄電池組驅動單項水泵提水。

一般機械式的風力提水機屬低轉速大扭矩風車,只能提水,不能發(fā)電。機械結構故障率偏高,但其明顯優(yōu)點是提水揚程大,夏季啟動風速低,3～4m/s即可啟動工作。

風力發(fā)電提水則需要儲存較多電能用于電泵提水,所以蓄電池要加大容量,造成價格升高。同時逆變器提水時,水泵的功率不能大于逆變器功率的20%,使用戶逆變器的功率比使用家用電器的逆變器功率要大3～5倍。例如驅動1KW 的電泵,至少要配4KW的逆變器,而供彩電和照明使用的逆變器的功率僅需0.6～1KW。故風力發(fā)電提水方式,大功率的水泵使蓄電池放電電流大,使用壽命短,推廣普及受到制約。

3 技術線路

鑒于上述原因,為了能最大效率的發(fā)揮太陽能、風能產(chǎn)品的應用,盡量降低牧戶使用成本,我們歸納了 2種應用技術路線,以適應不同的使用要求。

3.1 戶用光伏發(fā)電、提水兩用系統(tǒng)。

3.2 戶用風力提水、風光互補發(fā)電及輔助取暖三用系統(tǒng)。

4 各技術路線的設計方案及參數(shù)配置

4.1 戶用光伏發(fā)電、提水兩用系統(tǒng)。

本系統(tǒng)主機為1000W太陽能光伏電池為主,輔助以500W風力發(fā)電機。配套設備包括2000W風光互補逆變控制器、DC48V200Ah膠體免維護蓄電池組、QDX3-18-0.55單相交流潛水泵。是以前牧戶普遍使用的100W、200W 及300W 傳統(tǒng)風力發(fā)電機的替代方案。可帶動除照明外的大功率家用電器使用,如冰箱冰柜。并能夠實現(xiàn)高效率的風光互補。系統(tǒng)配套參數(shù)及設備價格如下:

?1000wp太陽能光伏電池組件,1塊,價格16000元；

?500W輸出為三相48V的風力發(fā)電機組,1臺,價格3600元；

?2000W 風光互補逆變控制器,1臺,價格3400元；

?DC48V200Ah膠體免維護蓄電池組,2塊,價格3800元；

?QDX3-18-0.55潛水泵 1臺,揚程 18M,流量3m3/h,功率0.55KW,價格800元；

?附屬設備,1套,價格1600元；

?稅金利潤,3800元；

?合計33000元。(運輸安裝另計)

本系統(tǒng)的功率參數(shù)可以根據(jù)用戶的使用要求做相應調整,如灌溉控制面積較大時,可以增大光伏電池板數(shù)量,則逆變器和蓄電池也相應增加。其缺點是更換蓄電池造價較高。

4.2 戶用風力提水、風光互補發(fā)電及輔助取暖三用系統(tǒng)。

本系統(tǒng)以FD2000型風力發(fā)電提水機為核心,輔助配套450wp太陽電池組件。

大功率風力機可以不通過蓄電池而直接驅動水泵和發(fā)熱器工作,明顯降低了用戶使用成本。同時再從2000W的風機功率中抽取500W,與太陽能光伏電池聯(lián)網(wǎng)組成風光互補系統(tǒng),用于帶動家用電器。在滿足戶用家電的前提下,逆變器和蓄電池的投資降到了最低。

本系統(tǒng)的最大優(yōu)勢在于通過電腦模塊智能控制系統(tǒng)直接將專用發(fā)電機與專用交流變頻潛水泵匹配組成了風力發(fā)電提水機。解決了長期以來由于水泵與風輪扭矩特性差異大、功率不能在一個區(qū)間吻合的難題,使機組從啟動到額定風速之間基本能夠在高效工況下工作,實現(xiàn)了水泵從柔性啟動到最大功率之間的平穩(wěn)工作。該機性能特點可以概括描述為“具有能夠脫開蓄電池并使用交流潛水電泵變速提水功能的智能型發(fā)電、提水及取暖多用系統(tǒng)”。系統(tǒng)配套參數(shù)及設備價格如下:

?2000W輸出為三相380V的風力發(fā)電機組,1臺,價格14500元；

?300wp太陽能光伏電池組件,1套,價格4800元；

?2000W 提水智能控制系統(tǒng),1臺,價格2000元；

?2000W 自動卸荷保護器1臺,價格500元；

?600W單相逆變器,1臺,價格1800元；

?DC48V200Ah膠體免維護蓄電池,2塊,價格3800元；

?QD3-18-0.55潛水電泵 1臺。揚程18M,流量3m3/h,功率0.55KW,價格800元；

?2000W 發(fā)熱壁畫1塊,價格1200元；

?附屬設備,1套,價格1800元；

?稅金利潤,3800元；

?合計35000元。(運輸安裝另計)

5 戶用風力提水、風光互補發(fā)電及輔助取暖三用系統(tǒng)功能及使用范圍

?直接提水功能:

由于本機組發(fā)電機的輸出是380V的三相交流電,輸出頻率為35～55HZ,因此本機組的發(fā)電機可以不經(jīng)過中間環(huán)節(jié)直接驅動三相異步電動機的潛水電泵、離心電泵提水,且提水量大。當風速達到5M/S時,智能控制器自動異通潛水泵提水電路；達到12M/S最大風速時,卸荷保護與機械偏尾同時起作用,有效的保護了風力機。?發(fā)電與供電功能:

人工關閉“風力提水控制箱“里的提水電路,開啟充電電路,則風力發(fā)電機組發(fā)出的380V電流經(jīng)過三相小功率變壓器將電壓降低到48V后向蓄電池充電,而太陽電池組件則始終直接向蓄電池充電。這樣風機、太陽電池組件通過智能化控制器與蓄電池、逆變器就共同組成獨立運行的離網(wǎng)型風光互補電發(fā)電系統(tǒng)。輸出50HZ的單相220VA交流電,供彩電和照明等日常使用。由于家用電器負載總功率較小,可以明顯的提高蓄電池的使用壽命。?輔助取暖功能:

本系統(tǒng)采用FD2000型大功率專用風力發(fā)電機配套若干組遠紅外電暖壁畫構成。發(fā)電機在8M/S風速時的額定功率為2000W,在12M/S風速時的最大功率25000W,配套發(fā)熱器的額定功率為1500W。能滿足牧區(qū)家庭、棚圈的輔助取暖。

遠紅外電暖壁畫是一種環(huán)保、舒適、節(jié)能的新型取暖器具,采用國際上新型高科技碳纖維發(fā)熱材料,電熱轉換率高達98%。升溫快,通電后短時間內表面溫度可恒定在80度左右,使用壽命在10年以上。傳熱方式為紅外線輻射出熱。經(jīng)過特殊處理后的絕緣強度可達到 3750V,泄漏電流＜0.25mA,使用安全可靠。

6 戶用風力提水、風光互補發(fā)電及輔助取暖三用系統(tǒng)的主要創(chuàng)新點

本系統(tǒng)利用智能化控制器,將風力發(fā)電提水機、取暖機及小型風光互補發(fā)電系統(tǒng)科學的配成一機三用系統(tǒng)由于將蓄電變?yōu)閮Υ嫠?大大減少了蓄電池容量和逆變器的功率,就同樣功率的機型來說,成本價遠低于逆變器提水型多用系統(tǒng),也遠低于使用提水與發(fā)電兩套系統(tǒng)。

風力機和太陽能光伏發(fā)電結合組成混合供電系統(tǒng),提高了供電系統(tǒng)的可靠性。風能和太陽能在時間上、季節(jié)上都有很強的互補性,風力機和太陽能電池組成混合獨立供電系統(tǒng)更有效地利用自然資源(太陽能、風能),可達到提高系統(tǒng)供電可靠性的目的。在太陽能電池的獨立供電系統(tǒng)中,蓄電池的壽命問題一直制約著太陽能的應用。系統(tǒng)并入風力機后可改善蓄電池的充電特性,提高蓄電池的壽命。

風力機的千瓦單位成本只是光伏發(fā)電的1/4左右,風力機同太陽能電池組成混合供電系統(tǒng)后,系統(tǒng)成本可大幅降低,使供電系統(tǒng)更具有很好的市場推廣價值。