小型獨立風力發(fā)電系統(tǒng)在偏遠農(nóng)村的應用效益分析

摘要：風能作為一種無污染、低成本且取之不盡用之不竭的自然能源越來越受到青睞。以風能資源豐富的遼北某邊遠農(nóng)村為例，設(shè)計了一小型獨立風力發(fā)電系統(tǒng)，并將其與常規(guī)的發(fā)電方式做比較。利用數(shù)據(jù)計算分析其效益，結(jié)果顯示此種離網(wǎng)小型風力發(fā)電系統(tǒng)作為新型能源，不僅有巨大的經(jīng)濟和環(huán)保效益，并且為解決缺電、高成本、高損耗地區(qū)的用電問題提供了途徑。

關(guān)鍵詞：風能；獨立風力發(fā)電系統(tǒng)；農(nóng)村；新能源

作者簡介：許郁（1985-），女，河北衡水人，國網(wǎng)長治供電公司；李博（1985-），男，山西長治人，國網(wǎng)長治供電公司。（山西 長治

046011）

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）27-0223-02

風能作為一種新型的可再生清潔能源，優(yōu)越性日漸明顯。目前，在邊遠地區(qū)的農(nóng)區(qū)、牧區(qū)、邊防連隊、哨所、海島駐軍、漁民、地處野外高山的微波站、電視轉(zhuǎn)臺站、氣象站、公路和鐵路無電小站，森林中的瞭望站，石油、天然氣輸油管道、近海灘涂養(yǎng)殖業(yè)及沿海島嶼等多數(shù)地方使用柴油或汽油發(fā)電機組供電。供電成本相當高，有些地方高達3元/kW·h，并且這些發(fā)供電方式嚴重污染環(huán)境。而這些地方絕大部分處在風力資源豐富地區(qū)。[1]在這些地區(qū)建立離網(wǎng)小型風力發(fā)電系統(tǒng)不僅能保證連續(xù)的供電，而且節(jié)約燃料和資金，同時還減少了對環(huán)境的污染，可謂一舉三得。

小型風力發(fā)電機（100W-5kW）因其安裝方便、機動性高等優(yōu)點已被廣泛應用于風力資源較豐富的地區(qū)。在年平均風速在3m/s以上，全年3-20m/s有效風速累計時數(shù)3000小時以上，全年3-20m/s平均有效風能密度100W/m2以上這三個條件中，滿足其一即可應用。[2]

本文所設(shè)計小型獨立風力發(fā)電系統(tǒng)位于遼北地區(qū)某農(nóng)村，地處偏遠，處于電網(wǎng)末端，電壓不穩(wěn)，經(jīng)常停電，同時也屬于高損耗地區(qū)，造成當?shù)厝嗣裆a(chǎn)和生活非常不方便。但是此地屬于風能資源比較豐富的地區(qū)之一，風速大，風向穩(wěn)定，而且大部分地區(qū)地勢開闊。該地區(qū)風能大多集中在春秋兩季，此時也恰為年用電高峰期，風力發(fā)電在該地區(qū)具有較好的發(fā)展前景。

一、該農(nóng)村境況介紹

本文給該地區(qū)某農(nóng)村設(shè)計一離網(wǎng)小型風力發(fā)電系統(tǒng)。該村屬于丘陵地形，地勢高，在50.8-70米之間，該村的離網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)地點選在最高70米處。風電場地區(qū)處于季風型大陸性氣候區(qū)，四季分明，風多雨少，日照充足，無霜期長。由該地某勘測設(shè)計院統(tǒng)計得到該處的各月平均風速和平均風功率密度如表1、表2。

表1 小型風電系統(tǒng)所在處的各月平均風速

月份123456789101112

70m高度5.48.28.27.57.36.76.16.35.97.26.85.9

表2 小型風電系統(tǒng)所在處的各月平均風功率密度

月份123456789101112

70m高度185.0678.2604.7438.4443.9297.3232.5232.7201.7413.6335.3221.1

此小型風電系統(tǒng)所在的70m高度處的年平均風速為6.8m/s，年平均風功率密度為354.8W/m2，4～24m/s的風速年有效風力小時數(shù)為6892小時。50～70m高度處7～14m/s風速能量偏大，這個風速區(qū)間的能量占總能量的63%左右，其中，9～10m/s風速能量最大。該風電場主導風向為SW風，測風塔70m高度處其出現(xiàn)頻率占22.6%，SW風的能量最大。風電場的風能資源達到了3級標準，風能資源較豐富、穩(wěn)定，具有較好的開發(fā)條件。風電場各高度處均以2～5月、10～11月風速和風功率密度偏大，其中，2、3月是風能最好的月份。1、9、12月風速和風功率密度偏小，說明春秋季是風電場發(fā)電的好季節(jié)。

本村的用電主要集中在家用電器和農(nóng)田灌溉方面。家用電器包括照明燈、電視機、電風扇、電冰箱、洗衣機、電磁爐等。村居住220戶人家，平均每戶有農(nóng)田10.5畝。其中家用電器用電情況見表3。

表3 各種家用電器的用電情況

家電名稱功率（W）每戶的數(shù)量平均每天工作小時數(shù)此種電器日用電量（kWh）

照明燈10560.3

電視機150140.6

電風扇502101.5

電冰箱（100L）110180.88

洗衣機50010.30.15

合計820 3.43

這樣，除了電風扇是季節(jié)性電器，只有在夏季6、7月使用外，其他電器都是全年使用的。那么每戶全年家用電器的總共用電為：

3.43×30×2+1.93×30×10=784.8 kW·h

灌溉情況用電統(tǒng)計：每畝農(nóng)田平均每年灌溉15次，每畝每次耗電15kWh，因此每戶灌溉的全年用電為：

10.5×15×15=2362.5 kW·h

全村的年總用電量為：

（784.8+2362.5）×220=69.2406萬kW·h

通過以上計算可得知，該村的平均耗電功率為80.13958kW。

考慮到用電負荷的同時性，該村的用電同時率為0.8，則實際的平均耗電功率為：64.11166kW。

二、小型風電系統(tǒng)的風機選型

該小型獨立風電系統(tǒng)場址選在村外1千米的丘陵最高處，此處風向穩(wěn)定，風速最大，可以提高發(fā)電效率，且風電場的噪聲不會影響居民的正常生活。

根據(jù)用戶對負荷耗電量的需求、該處的風資源特點、風機的輸出功率特性，選用5kW的小型風機。從表1知，此風電系統(tǒng)所在處的月平均風速分布比較均勻，最小值出現(xiàn)在1月，其值為5.4 m/s，最大值出現(xiàn)在2、3月，其值為8.2 m/s，所選風機在月平均風速所處的區(qū)間，輸出的功率在0.7kW～2.5kW范圍內(nèi)，為使在風速最小時滿足用單負荷的需求，則需要該型風機95臺，其中裕留量約為6kW，使用壽命20年。由安徽蜂鳥電機有限公司提供的5kW風力發(fā)電機的特性參數(shù)如表4。

表4 5kW風機風力參數(shù)

風輪直徑： 6米 額定轉(zhuǎn)速：220轉(zhuǎn)/分鐘

額定風速：10m/s額定功率：5kW

最大功率：7kW 輸出電壓DC：220V

啟動風速：3米/秒 工作風速：3-25米

安全風速：40米/秒 塔架高：9米

頂部質(zhì)量：250kG 塔架類型：159鋼管

輸出控制系統(tǒng)：充電控制器，逆變器

建議配套蓄電池容量： 12V100AH 18塊

5kW風力發(fā)電機價格：30000元

一塊12V 100Ah蓄電池價格：450元

建設(shè)整個風電場風力發(fā)電機組的費用：30000×95+450×18

×95=361.95萬元。按照規(guī)定風力發(fā)電機組設(shè)備約占總投資的70%，其他費用如安裝、維護等約占30%，這樣推算總投資約為517.07143萬元。

所選用的5kW風力發(fā)電機輸出功率特性曲線圖如圖1所示。可以看出，當風速區(qū)間在7～14m/s時，風機的輸出功率持續(xù)增大，在14m/s時，達到最大功率。通過前面的分析知，此風電場所在高度處，7～14m/s風速能量偏大，這個風速區(qū)間的能量占總能量的63%左右。從而說明此風機的選型科學、合理，能充分利用此處的風力資源，并且風機的發(fā)電效率也得到充分發(fā)揮。

三、建成前后效益分析

風能是一種清潔的、可再生的一次能源，風機所發(fā)出電能屬于二次能源，風力發(fā)電是一種利用當?shù)刈匀伙L能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，再將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程，生產(chǎn)過程中不排放任何有害氣體，不污染環(huán)境、不消耗礦物質(zhì)能源、建設(shè)周期短、建設(shè)規(guī)模靈活，具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

與燃煤的火電相比，按單位度電標煤煤耗350g/kW·h，燃煤火電廠的設(shè)計用水量約28.8萬t/億kW·h，火力發(fā)電排放到大氣中的二氧化硫 0.1970g/kW·h ，二氧化碳 852.79g/kW.h，氮氧化物0.4963g/kW·h ，一氧化碳2.1784g/kW·h，碳氫化合物0.1609g/kW·h，煙塵0.0052kg/kW·h，爐渣0.0166kg/kW·h。[3]建成前此地所用的網(wǎng)電價格（含稅）為0.792元/kW·h，按風機壽命20年來計算，各方面的效益比較見表5。

從表中可以看出，小型獨立風電系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的火電，并且本農(nóng)村處于東北電網(wǎng)末端，電壓不穩(wěn)定，還經(jīng)常斷電，村民的生產(chǎn)和生活因此受到影響。而使用柴油或汽油發(fā)電機組供電雖然穩(wěn)定性和可靠性提高了，但其成本比火電還要高很多。

從另外一方面講：家用電器由低壓供電，功率小，數(shù)量多，大多數(shù)家用電器都是非線性負荷，功率因數(shù)一般在0.7左右，如彩電的功率因數(shù)在0.4左右，洗衣機的功率因數(shù)僅為0.3左右，而現(xiàn)在推廣使用的節(jié)能燈功率因數(shù)也只有0.4左右。[4]這些家用電器耗電量非常小，但功率因數(shù)卻很低，產(chǎn)生的很大的奇次諧波可以匯集成為較大的諧波電流饋入電網(wǎng)，使電網(wǎng)的諧波升高。諧波不僅對電網(wǎng)的供電可靠性、供電質(zhì)量會產(chǎn)生嚴重影響，而且也會引起電容器和其他一些用電設(shè)備的損壞，諧波已成為電網(wǎng)的公害。離網(wǎng)小型風力發(fā)電系統(tǒng)建成以后，一方面可以避免了本村所有家用電器所產(chǎn)生的諧波對原來電網(wǎng)的污染，另一方面，也可以延長所用家用電器的使用壽命。

除此之外，風電場建成后，將成為一處風力發(fā)電機群。在藍天白云下面白色的機群迎風旋轉(zhuǎn)，形成了一幅蔚為壯觀的動態(tài)風景畫，將成為當?shù)氐囊粋€高科技、綠色能源基地，成為一道獨具特色的風景。

綜上所述，選用小型獨立風力發(fā)電系統(tǒng)是該村最佳選擇。

四、結(jié)論

本文以一設(shè)計的實例分析介紹了一小型獨立風力發(fā)電系統(tǒng)，并通過數(shù)字計算，證明小型獨立風電系統(tǒng)在偏遠農(nóng)村的可行性和優(yōu)越性。采用小型獨立風力發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和社會效益通過文中的數(shù)字一目了然，利用這種發(fā)供電方式不僅可以緩解常規(guī)能源枯竭的趨勢，而且可以遏制正在急劇惡化的環(huán)境。此外，處于我國西北、華北、東北、青藏高原和沿海的地區(qū)風能資源豐富，而我國無電地區(qū)也基本分布在這些地區(qū)內(nèi)，這些地區(qū)交通不便、人口居住分散、用電量低；另外，還有一些邊遠地區(qū)地處電網(wǎng)末端，電壓不穩(wěn)，經(jīng)常停電，由此給當?shù)厝嗣駧砩a(chǎn)和生活的不便，而小型風力發(fā)電系統(tǒng)恰為解決這些地區(qū)的發(fā)供電難題提供了有利途徑。

參考文獻：

[1]李德孚.戶用小型風力發(fā)電系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展（上）[J].節(jié)能與環(huán)保，2005，（6）：14-16.

[2]付文華，田俊梅.小型風力發(fā)電機組的應用[J].太陽能，2005，

（5）：47-49.

[3]黃智賢，吳燕翔.天然氣發(fā)電的環(huán)境效益分析[J].福州大學學報（自然科學版），2009，（1）：148-150.

[4]佘建軍.家用電器中的諧波源[J].農(nóng)村電氣化，2007，（2）：16-17.