風光互補發電系統在農村的推廣應用*

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能源，是農村可利用能源的重要組成部分，具有廣闊的開發前景。風能和太陽能在時間和季節上都有很強的互補性，風力發電機和太陽能電池組成混合的獨立供電系統，可有效利用自然資源提高供電系統的可靠性。風光互補發電系統一般作為離網型中小型獨立供電系統。該系統適用于風、光充足而遠離電網的缺電或無電的農村、牧區、野外工作站等［1］。在我國廣大的農村推廣應用風光互補發電技術，能充分利用風能和太陽能資源在時間、季節上的互補性，可有效地給當地居民生產、生活供電，同時不會產生燃料消耗和環境污染，一般可用于農村路燈、牧區照明，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 風光互補發電系統及技術特點

2.1 系統組成

風光互補發電系統是一種將風能和太陽能轉化為電能的裝置，是由風力發電機與太陽能電池組成的聯合供電系統。風光互補供電系統主要由風力發電機組、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。該系統是集風能、太陽能及蓄電池等多種能源發電技術及系統智能控制技術為一體的復合可再生能源發電系統［2］。風光互補發電系統如圖1所示。

圖1 風光互補發電系統示意圖

2.2 工作原理及過程

風光互補系統的工作原理是風力發電原理和太陽能光伏發電原理的結合。風力發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電機旋轉，將風能轉化為電能，經控制器的整流，穩壓作用，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，風光互補發電系統可分為以下三種運行模式:①風力發電機組獨自向負載供電;②太陽能光伏系統獨自向負載供電;③風力發電機組和太陽能光伏系統聯合向負載供電。

在不同的氣候條件下，風光互補發電系統有以下四種工作狀態:①晴天時太陽能光伏板工作，產生電能;②風力夠強時，風力發電機工作，產生電能;③有風的晴天，風力發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，實現不間斷供電。風光互補發電技術及系統具有如下特點［4］。

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

(2)風光互補發電系統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進行切換和調節。在發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，從而保證系統的穩定性與可靠性。

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

風力發電和太陽能光伏發電在我國已得到初步應用。這兩種發電方式各有優點，但風力發電和太陽能光伏發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供應，對于無電網的邊遠地區，單獨使用風電或光電需配備相當大的儲能設備。采用風力發電和太陽能光伏發電互補技術后，可有效解決單一發電不連續的問題，保證基本穩定供電。

風光互補發電與單獨風力發電或太陽能光伏發電相比具有以下優點［2］。

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

(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電系統供電，很少或基本不用啟動備用電源如柴油發電機組等，可獲得較好的經濟和社會效益。

3 推廣應用現狀與前景

中國農村人口數量眾多，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，利用風光互補發電系統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［3］，但是這些系統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鄉村發展。無論移動通信、微波、廣播和電視轉發，還是衛星通信，都各自在全國建立了一定數量的通信基站。今后將更多地向不發達的西部地區、偏遠農村地區發展。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。而采用風光互補發電系統可很好解決供電問題，可利用當地清潔能源實現用電自給自足。在重要的基站，則可配備備用的柴油發電機，形成風光柴油混合發電系統，提高供電可靠性，保證實時通信。

目前，環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展。以科學發展觀為指導，大力開發風能、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，以此達到資源最優化配置，是當前科技應用領域的熱門話題。風光互補發電系統正是二者的完美結合體。利用太陽能和風能在不同季節和時間上互補特點發展起來的風光互補發照明技術已日臻完善，且正迅速在全國推廣應用。可以預測，風光互補發電系統將成為未來電力世界大規模應用的發電模式之一。我國廣大農村具有豐富的風能和太陽能資源，絕大多數地區的平均風速在3 m/s以上。在農村地區發展風光互補發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

雖然風光互補發電系統自身具備諸多優勢，但其在研發和推廣應用中也存在一些不容忽視的問題。主要表現在以下幾點。

(1)蓄電池投資成本較高，其使用壽命需進一步提高。由于風光互補發電系統的發電量與負載用電量不可能一直保持一致，因此在發電量不足時，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)風光互補發電系統易受氣象條件影響，需解決其管理和控制問題。對于某一地區風光互補發電系統是以風力發電為主，光伏發電為輔;還是以光伏發電為主，風力發電為輔;要充分調研該地區的風能和光能資源及用戶負荷情況，選擇最佳的容量配比，從而使系統綜合造價和投資趨于最小。

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

(4)風電產品的價值和價格嚴重背離限制了行業的發展。長期以來，我國小型風力發電機的定位是面向偏遠貧困地區的農牧民，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的發展［5］。太陽能熱水器、太陽能光伏開始都是先走高價位，隨著產業規模的擴大、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，企業沒有發展后勁。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的發展，中小風機及風光互補產業甚至一度被遺忘在角落。近年來，隨著“綠色照明”、“節能、減排”等相關政策的出臺，才給該行業帶來了新的生機。

(5)風光互補發電系統在農村地區推廣應用緩慢，農民接受能力不強。近年來，業內人士普遍認為［6］，制約我國風光互補離網型供電產業發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作為一個新能源產業的重要組成部分與大型風電、光伏并網發電同等對待。雖然偏遠農村地區很需要電，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惠補貼政策，僅依靠農民個人購買能力，難以實現風電產品在農村地區的大規模推廣應用。

(6)風電產品升級換代和進一步研發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，市場監督機制需進一步完善。

5 對策及建議

針對以上風光互補發電技術發展和推廣應用中存在的問題，提出如下對策及建議。

(1)產品企業聯合推廣地區相關部門做好風光互補發電技術推廣應用地區的風能、太陽能資源氣象數據的勘測統計工作，為風光互補發電系統的廣泛應用提供更可靠的依據。

(2)積累風光互補發電的使用數據，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模開發和利用奠定基礎［7］。

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

(4)產品企業要加快風電產品升級換代和進一步提高研發能力，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的問題，提升企業形象和產品知名度，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，為風電產業營造一個公平競爭、健康發展的環境。

(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惠。

(8)將風光互補發電系統納入國家“送電到鄉”工程，以促進風光互補發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，已使新能源發電成為能源領域的一個歷史發展趨勢，得到各國政府的支持，并得到了快速發展。在我國廣大的農村地區，風光互補發電技術能有效利用風能和太陽能進行發電，其推廣應用空間和市場潛力大。隨著風光互補發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，風光互補發電技術將在我國新農村建設中發揮重要作用。

［1］沈從舉，賈首星，湯智輝，等.小型風光互補發電系統在兵團的應用前景［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－風力及互補發電村落系統［M］.北京:中國電力出版社，2004.

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

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

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

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