農(nóng)村家庭使用風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

楊 怡

（西昌學(xué)院，四川 西昌 615000）

據(jù)世界氣象組織和中國氣象局氣象科學(xué)研究院分析，地球上可利用的風(fēng)能資源為200億kW，是地球上可利用水能資源的20倍。隨著世界工業(yè)化的迅速發(fā)展，不可再生能源消耗量不斷增加，有害物質(zhì)的排放量日益增長，當(dāng)今世界面臨能源與環(huán)境兩大重要問題［1］。為了有效緩解能源危機(jī)以及所引發(fā)的環(huán)境問題，人們越來越認(rèn)識到發(fā)展清潔可再生能源的重要性。所以，風(fēng)力發(fā)電的研究及普及使用對整個世界都是十分重要且具有現(xiàn)實(shí)意義的。不僅在國家層面上需要大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)，在風(fēng)能發(fā)達(dá)的地區(qū)修建風(fēng)力發(fā)電站，而且可以以家庭為單位，建立小型風(fēng)力發(fā)電塔供部分家庭用電器使用，以達(dá)到合理利用資源、開發(fā)清潔能源的目的。

1 設(shè)計(jì)選址

本設(shè)計(jì)選擇了一個位于美國新墨西哥州的名為克萊頓的小城市（新墨西哥州聯(lián)合縣克萊頓，郵編88415），可以得到這個城市從2017年1月1日至12月31日每天的風(fēng)速，如表1所示。

表1 2017年克萊頓城每月的風(fēng)速

2 風(fēng)力系統(tǒng)

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

本設(shè)計(jì)是適用于供部分家用電器使用的小型發(fā)電機(jī)，所以選擇了2種適合家用的價格適中的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。表2為2種風(fēng)力發(fā)電機(jī)的具體產(chǎn)品參數(shù)。

表2 2種風(fēng)機(jī)產(chǎn)品參數(shù)

2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.2.1 預(yù)計(jì)算。根據(jù)網(wǎng)站提供數(shù)據(jù)可以得到2017年每天的風(fēng)速，本設(shè)計(jì)需要計(jì)算每個月的平均風(fēng)速。假設(shè)在Rayleigh分布和標(biāo)準(zhǔn)條件下，可以知道每臺風(fēng)機(jī)的切入風(fēng)速和切出風(fēng)速。使用MATLAB代碼計(jì)算2017年每個風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總工作時間TWH。

SF-600-3 型風(fēng)機(jī)，vin=3.500 m/s，vout=14.998 m/s，TWH1=6379.1 h。

GH-700W 型風(fēng)機(jī)，vin=2.499 m/s，vout=24.998 m/s，TWH2=7444.6 h。

2.2.2 容量系數(shù)CF。風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量系數(shù)CF為一年內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)預(yù)測輸出能量與其按照額定功率運(yùn)行輸出的能量的比值。由于本設(shè)計(jì)是供家庭使用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，所以采用簡單公式來進(jìn)行容量系數(shù)結(jié)果的估算［2，3］。

2.2.3 年發(fā)電量PAED。PAED=WH×PR×CF，SF-600-3型風(fēng)機(jī)PAED1=571 kW·h，GH-700W2型風(fēng)機(jī)PAED2=1527kW·h。

2.2.4 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)成本。一個完整的家用風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、發(fā)電塔、逆變器組成。本設(shè)計(jì)選用的2個風(fēng)力發(fā)電機(jī)都附帶有一個控制器，因此還需要一個逆變器、一個發(fā)電塔和一個蓄電池。

2.2.4.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)成本W(wǎng)TC。SF-600-3型風(fēng)機(jī)WTC1=$320，GH-700W型風(fēng)機(jī)WTC2=$471。

2.2.4.2 發(fā)電塔成本TC。本設(shè)計(jì)選擇不銹鋼管作為風(fēng)力發(fā)電塔?？紤]到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，管子的質(zhì)量至少應(yīng)為渦輪機(jī)質(zhì)量的1/2。不銹鋼管價格為2$/kg。

SF-600-3型風(fēng)機(jī)，mturbine=8.5 kg，mtower=5 kg，發(fā)電塔成本為TC1=5×2=$10。

GH-700W型風(fēng)機(jī)，mturbine=14.5 kg，mtower=8 kg，發(fā)電塔成本為TC2=8×2=$16。

2.2.4.3 蓄電池成本BC。SF-600-3型風(fēng)機(jī)，選擇S00251型鉛酸蓄電池BC1=$194；GH-700W型風(fēng)機(jī)，選擇SLR125型鉛酸蓄電池，BC2=$260。

2.2.4.4 逆變器成本IC。SF-600-3型風(fēng)機(jī)的額定功率為400 W，選擇600 W的S－600G型號逆變器，IC1=$177。GH-700W型風(fēng)機(jī)的額定功率為700 W，選擇1 kW的型號為S－1000G的逆變器，IC2=$258。

2.2.4.5 資本成本CC。本設(shè)計(jì)中的家庭風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的資本成本由風(fēng)力發(fā)電機(jī)成本、發(fā)電塔成本、蓄電池成本及逆變器成本構(gòu)成［4］，CC=WTC+TC+BC+IC。SF-600-3型風(fēng)機(jī)CC1=$701，GH-700W型風(fēng)機(jī)CC2=$1005。

2.2.4.6 年度資本成本ACC。年度資本成本ACC=CC×CRF，其中CRF=［i×（i+1）n］/［（i+1）n-1］。對于一個家用風(fēng)力發(fā)電機(jī)，式中i=1158，n=10，所以CRF=［0.1158×（0.1158+1）10］/［（0.1158+1）10-1］=0.174。SF-600-3型ACC1=$121.97，GH-700W型ACC2=$174.87。

2.2.5 運(yùn)行維護(hù)成本O&MC。O&MC=$0.007×PAED，SF-600-3型風(fēng)機(jī)O&MC=$4.00，GH-700W型風(fēng)機(jī)O&MC=$10.69。

2.2.6 年平均化能源成本LCOE。年平均化能源成本LCOE=（ACC+O&MC）/PAED［5］，對于SF-600-3型風(fēng)機(jī)LCOE1=0.221$/kW·h，GH-700W型風(fēng)機(jī)LCOE1=0.122$/kW·h。

通過之前的計(jì)算可以得出SF-600-3型風(fēng)機(jī)的平均化能源成本高于GH-700W2型風(fēng)機(jī)，所以本設(shè)計(jì)將會選擇GH-700W作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)供居民生產(chǎn)家庭部分電力使用。

3 結(jié)語

隨著不可再生化石能源的減少以及日益凸顯的環(huán)境氣候變化問題，世界各國都在大力進(jìn)行風(fēng)力、光能等新能源的開發(fā)。我國的傳統(tǒng)電網(wǎng)也正在逐漸向新能源電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，除了在風(fēng)力資源豐富的地區(qū)大力建造風(fēng)力發(fā)電廠外，還可以為部分家庭特別是農(nóng)村家庭安裝小型發(fā)電機(jī)以供家庭部分用電器使用。如果在風(fēng)力資源豐富的農(nóng)村地區(qū)大力發(fā)展家用風(fēng)力發(fā)電裝置，不僅可以減輕電網(wǎng)的供電負(fù)擔(dān)，而且可以為居民降低生活花銷。