風光互補發(fā)電系統(tǒng)在農村的推廣應用*

沈從舉，賈首星，湯智輝，孟祥金，劉 威

(新疆農墾科學院機械裝備研究所，新疆 石河子 832000)

1 引言

風能和太陽能是取之不盡、用之不竭的可再生能源，被稱為新能源或非常規(guī)能源，是農村可利用能源的重要組成部分，具有廣闊的開發(fā)前景。風能和太陽能在時間和季節(jié)上都有很強的互補性，風力發(fā)電機和太陽能電池組成混合的獨立供電系統(tǒng)，可有效利用自然資源提高供電系統(tǒng)的可靠性。風光互補發(fā)電系統(tǒng)一般作為離網型中小型獨立供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)適用于風、光充足而遠離電網的缺電或無電的農村、牧區(qū)、野外工作站等［1］。在我國廣大的農村推廣應用風光互補發(fā)電技術，能充分利用風能和太陽能資源在時間、季節(jié)上的互補性，可有效地給當?shù)鼐用裆a、生活供電，同時不會產生燃料消耗和環(huán)境污染，一般可用于農村路燈、牧區(qū)照明，也可用于功率為幾十瓦到幾百瓦的家用電器，在我國西部有廣泛的應用前景。

2 風光互補發(fā)電系統(tǒng)及技術特點

2.1 系統(tǒng)組成

風光互補發(fā)電系統(tǒng)是一種將風能和太陽能轉化為電能的裝置，是由風力發(fā)電機與太陽能電池組成的聯(lián)合供電系統(tǒng)。風光互補供電系統(tǒng)主要由風力發(fā)電機組、太陽能光伏板、控制器、蓄電池、逆變器、卸荷器、交流(直流)負載等部分組成。該系統(tǒng)是集風能、太陽能及蓄電池等多種能源發(fā)電技術及系統(tǒng)智能控制技術為一體的復合可再生能源發(fā)電系統(tǒng)［2］。風光互補發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 風光互補發(fā)電系統(tǒng)示意圖

2.2 工作原理及過程

風光互補系統(tǒng)的工作原理是風力發(fā)電原理和太陽能光伏發(fā)電原理的結合。風力發(fā)電原理是利用自然風作為動力，風輪吸收風的能量帶動風力發(fā)電機旋轉，將風能轉化為電能，經控制器的整流，穩(wěn)壓作用，把交流電轉換為直流電，向蓄電池組充電并儲存電能;太陽能光伏發(fā)電原理是利用光伏效應將太陽能直接轉化為直流電，供負載使用或貯存于蓄電池內備用。根據風力和太陽輻射的變化情況，風光互補發(fā)電系統(tǒng)可分為以下三種運行模式:①風力發(fā)電機組獨自向負載供電;②太陽能光伏系統(tǒng)獨自向負載供電;③風力發(fā)電機組和太陽能光伏系統(tǒng)聯(lián)合向負載供電。

在不同的氣候條件下，風光互補發(fā)電系統(tǒng)有以下四種工作狀態(tài):①晴天時太陽能光伏板工作，產生電能;②風力夠強時，風力發(fā)電機工作，產生電能;③有風的晴天，風力發(fā)電機和太陽能光伏板同時工作，產生電能;④當碰上即無風又無陽光的天氣，該系統(tǒng)則使用蓄電池內原來已經儲存下來的電能。

2.3 技術特點

風光互補供電系統(tǒng)可很好地克服太陽能和風能提供能量的隨機性和間歇性這一缺點，實現(xiàn)不間斷供電。風光互補發(fā)電技術及系統(tǒng)具有如下特點［4］。

(1)風力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在蓄電池組和逆變環(huán)節(jié)可通用，使成本大大降低。同時可設計逆變系統(tǒng)具有自動穩(wěn)壓功能，改善供電質量。

(2)風光互補發(fā)電系統(tǒng)關鍵的控制部分要根據日照強度、風力大小及負載的變化不斷對蓄電池組的工作狀態(tài)進行切換和調節(jié)。在發(fā)電量充足時將一部分電量供給負載，另一部分電能則存入蓄電池組中;當發(fā)電量不足時，由蓄電池組提供部分負載所需電能，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

(3)由于風光互補發(fā)電系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性和保證率較高，可以設計較低的光電陣列容量和蓄電池容量，從而使整個系統(tǒng)的成本下降。

風力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電在我國已得到初步應用。這兩種發(fā)電方式各有優(yōu)點，但風力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電分別在無風和陰雨天等氣候條件下，無法保證電能的連續(xù)供應，對于無電網的邊遠地區(qū)，單獨使用風電或光電需配備相當大的儲能設備。采用風力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電互補技術后，可有效解決單一發(fā)電不連續(xù)的問題，保證基本穩(wěn)定供電。

風光互補發(fā)電與單獨風力發(fā)電或太陽能光伏發(fā)電相比具有以下優(yōu)點［2］。

(1)利用風能、太陽能的互補特性，可以獲得比較穩(wěn)定的總輸出，系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性和可靠性。

(2)如果太陽能與風能資源互補性好，在保證同樣供電的情況下，可大大減少蓄電池的容量。

(3)通過合理的設計與匹配，可基本上由風光互補發(fā)電系統(tǒng)供電，很少或基本不用啟動備用電源如柴油發(fā)電機組等，可獲得較好的經濟和社會效益。

3 推廣應用現(xiàn)狀與前景

中國農村人口數(shù)量眾多，我國至今仍有個別地理位置較為偏遠的農村至今未能用上電，但偏遠農村若靠電網供電，則需架設很長的輸電線路，其經濟性很差，也不現(xiàn)實。在這些地方其風能和太陽能蘊藏量比較豐富，若采用太陽能、風能這些可再生能源進行發(fā)電，則可基本滿足偏遠農村的生活及照明用電。因此，利用風光互補發(fā)電系統(tǒng)可有效解決生產生活用電問題。目前我國已經建成了千余個可再生能源的獨立運行村落集中供電系統(tǒng)［3］，但是這些系統(tǒng)都只提供照明和生活用電，不能或不運行使用生產性負載［2］。

風光互補發(fā)電技術在通信基站中的應用逐漸由最初的城市內建設向城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村發(fā)展。無論移動通信、微波、廣播和電視轉發(fā)，還是衛(wèi)星通信，都各自在全國建立了一定數(shù)量的通信基站。今后將更多地向不發(fā)達的西部地區(qū)、偏遠農村地區(qū)發(fā)展。這些基站負荷較小，若采用市電供電，架設輸電線路代價很大。而采用風光互補發(fā)電系統(tǒng)可很好解決供電問題，可利用當?shù)厍鍧嵞茉磳崿F(xiàn)用電自給自足。在重要的基站，則可配備備用的柴油發(fā)電機，形成風光柴油混合發(fā)電系統(tǒng)，提高供電可靠性，保證實時通信。

目前，環(huán)境的惡化和資源的日益匱乏已經嚴重制約了人類的生存發(fā)展。以科學發(fā)展觀為指導，大力開發(fā)風能、太陽能等清潔能源，充分利用風能和太陽能的互補性，將二者進行有效地結合，以此達到資源最優(yōu)化配置，是當前科技應用領域的熱門話題。風光互補發(fā)電系統(tǒng)正是二者的完美結合體。利用太陽能和風能在不同季節(jié)和時間上互補特點發(fā)展起來的風光互補發(fā)照明技術已日臻完善，且正迅速在全國推廣應用?？梢灶A測，風光互補發(fā)電系統(tǒng)將成為未來電力世界大規(guī)模應用的發(fā)電模式之一。我國廣大農村具有豐富的風能和太陽能資源，絕大多數(shù)地區(qū)的平均風速在3 m/s以上。在農村地區(qū)發(fā)展風光互補發(fā)電是滿足農村生產和農民生活用電的有效方式和途徑，其推廣應用前景廣闊。

4 存在的問題

雖然風光互補發(fā)電系統(tǒng)自身具備諸多優(yōu)勢，但其在研發(fā)和推廣應用中也存在一些不容忽視的問題。主要表現(xiàn)在以下幾點。

(1)蓄電池投資成本較高，其使用壽命需進一步提高。由于風光互補發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量與負載用電量不可能一直保持一致，因此在發(fā)電量不足時，必須由蓄電池提供足夠電量，以維持負載的正常運行。若運行狀況和條件不利，則會使蓄電池的壽命大大降低，更換蓄電池必然會提高運行成本。

(2)風光互補發(fā)電系統(tǒng)易受氣象條件影響，需解決其管理和控制問題。對于某一地區(qū)風光互補發(fā)電系統(tǒng)是以風力發(fā)電為主，光伏發(fā)電為輔;還是以光伏發(fā)電為主，風力發(fā)電為輔;要充分調研該地區(qū)的風能和光能資源及用戶負荷情況，選擇最佳的容量配比，從而使系統(tǒng)綜合造價和投資趨于最小。

(3)小型風力發(fā)電機的可靠性問題是風光互補發(fā)電系統(tǒng)的最大障礙，也是制約中小型風力發(fā)電及風光互補新能源產業(yè)發(fā)展的核心問題［5］。對于大型風力發(fā)電機組，對風速要求高，一般用于風力資源豐富的地區(qū)。而對于適用于更廣泛圍的風光互補發(fā)電系統(tǒng)，須選用適合的小型風力發(fā)電機。小型風力發(fā)電機可分為水平軸發(fā)電機和垂直軸發(fā)電機。垂直軸風力發(fā)電機在結構簡化、維修保養(yǎng)、啟動風速、抗風強度等方面相對水平軸風力發(fā)電機具有一定優(yōu)勢。然而，垂直軸風力發(fā)電機多在北美運行，我國市場上水平軸風力發(fā)電機占絕大多數(shù)［4］。

(4)風電產品的價值和價格嚴重背離限制了行業(yè)的發(fā)展。長期以來，我國小型風力發(fā)電機的定位是面向偏遠貧困地區(qū)的農牧民，要使他們買得起，所以價格要低。這種指導思想嚴重制約了行業(yè)的發(fā)展［5］。太陽能熱水器、太陽能光伏開始都是先走高價位，隨著產業(yè)規(guī)模的擴大、生產成本降低、技術進步，才使得價格大幅度下降。而中小風機一開始就定在低價位，產品沒有利潤，企業(yè)沒有發(fā)展后勁。國家資金支持一直向大風電和科研傾斜而沒有鼓勵中小風機及風光互補產業(yè)的發(fā)展，中小風機及風光互補產業(yè)甚至一度被遺忘在角落。近年來，隨著“綠色照明”、“節(jié)能、減排”等相關政策的出臺，才給該行業(yè)帶來了新的生機。

(5)風光互補發(fā)電系統(tǒng)在農村地區(qū)推廣應用緩慢，農民接受能力不強。近年來，業(yè)內人士普遍認為［6］，制約我國風光互補離網型供電產業(yè)發(fā)展的根本原因是國家層面重視程度不夠、認識不足、政策不到位，沒能把風光互補離網型供電產業(yè)作為一個新能源產業(yè)的重要組成部分與大型風電、光伏并網發(fā)電同等對待。雖然偏遠農村地區(qū)很需要電，但收入偏低的農民對于成本相對較高的風力、太陽能發(fā)電產品的購買力低下，此外國家和政府部門尚未全面落實有關風電產品的優(yōu)惠補貼政策，僅依靠農民個人購買能力，難以實現(xiàn)風電產品在農村地區(qū)的大規(guī)模推廣應用。

(6)風電產品升級換代和進一步研發(fā)的能力需要進一步提高，產品質量檢測體系和售后服務體系建設需進一步加強，市場監(jiān)督機制需進一步完善。

5 對策及建議

針對以上風光互補發(fā)電技術發(fā)展和推廣應用中存在的問題，提出如下對策及建議。

(1)產品企業(yè)聯(lián)合推廣地區(qū)相關部門做好風光互補發(fā)電技術推廣應用地區(qū)的風能、太陽能資源氣象數(shù)據的勘測統(tǒng)計工作，為風光互補發(fā)電系統(tǒng)的廣泛應用提供更可靠的依據。

(2)積累風光互補發(fā)電的使用數(shù)據，在應用中逐步形成較完善的可再生能源技術支撐體系，為可再生能源的大規(guī)模開發(fā)和利用奠定基礎［7］。

(3)為促進風光互補發(fā)電技術的推廣引用，減輕產品生產企業(yè)的負擔，建議各地方政府和相關職能機構對生產企業(yè)實行稅收優(yōu)惠政策。

(4)產品企業(yè)要加快風電產品升級換代和進一步提高研發(fā)能力，不斷提高產品質量，降低產品生產成本，提高用戶的積極性。

(5)加強企業(yè)的售后服務質量，加強售后人員的技術培訓，及時有效解決用戶在使用產品過程中出現(xiàn)的問題，提升企業(yè)形象和產品知名度，以及產品推廣應用空間。

(6)建立完善的產品質量監(jiān)督體系，嚴格保證風電產品的質量，杜絕劣質產品充斥市場，為風電產業(yè)營造一個公平競爭、健康發(fā)展的環(huán)境。

(7)對于經濟條件相對落后，農民收入相對較低的農村，政府要給予適當財政補貼及其它相關優(yōu)惠。

(8)將風光互補發(fā)電系統(tǒng)納入國家“送電到鄉(xiāng)”工程，以促進風光互補發(fā)電技術在農村的推廣應用。

6 結語

世界性的能源危機和全球變暖，已使新能源發(fā)電成為能源領域的一個歷史發(fā)展趨勢，得到各國政府的支持，并得到了快速發(fā)展。在我國廣大的農村地區(qū)，風光互補發(fā)電技術能有效利用風能和太陽能進行發(fā)電，其推廣應用空間和市場潛力大。隨著風光互補發(fā)電技術的不斷成熟以及產品的不斷升級換代，產品質量和售后服務的不斷提高，同時在政府部門的關注重視和政策扶持下，風光互補發(fā)電技術將在我國新農村建設中發(fā)揮重要作用。

［1］沈從舉，賈首星，湯智輝，等.小型風光互補發(fā)電系統(tǒng)在兵團的應用前景［J］.新疆農機化，2012(4):5 －7.

［2］扁旭濤.風光互補供電系統(tǒng)的運行與應用分析［J］.城市建設理論研究，2012(5):32－34.

［3］陸虎瑜，馬勝紅.光伏－風力及互補發(fā)電村落系統(tǒng)［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［4］普子恒，倪 浩，黃楊玨.淺析風光互補發(fā)電系統(tǒng)及其應用前景［J］.科協(xié)論壇(下半月)，2009(6):82 －83.

［5］杜尚斌.中小型風力發(fā)電及風光互補新能源產業(yè)發(fā)展歷程［J］.電源技術應用，2009(3):70－71.

［6］易 斐.風光互補離網供電系統(tǒng)應成為新能源領域一個重要增長極［N］.中國聯(lián)合商報，2012－3－19.

［7］孫 楠，邢德山，杜海玲.風光互補發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展與應用［J］.山西電力，2010(4):54 －56，72.