微風電與光伏相結合的分布式發電系統

王建甌 魏立東

（1浙江蒼南縣農村能源辦公室，浙江 溫州 325800；2浙江迪飛辛農業開發有限公司，浙江 杭州310021。）

1 引 言

風能和太陽能是人類取之不竭、用之不盡的能源資源，是最具推廣前景的環保潔凈的可再生能源，受到世界各國的重視，在發達國家逐漸取代傳統能源，在我國對風能和太陽能的開發才剛剛開始。

由于風能和太陽能在時間上、地域上和經濟上都有一定的互補性，風能和太陽能近年越來越多的用于互補發電。但常規水平軸風能和太陽能都具有能量密度低、穩定性差的弱點，并受到地理分布、季節變化、晝夜交替等影響，而基于微風和太陽能的分布式發電系統就不存在這樣的缺陷，可實現晝夜不間斷發電，如果把該系統應用到無電人口地區，效果將非常顯著，特別是因距離遠、電網架設成本高、遷移頻繁、線路易被盜、防火等各種原因，在林場、海島、哨所、草原、沙漠、山區、鄉村等無電地區，還有大量小型企業、家庭用戶生活在無電狀態，使從業人員長期無法享受電視、音響、信息、娛樂等現代文明的生活。

2 發電系統的組成和原理

微風發電與太陽能光伏發電相結合的供電系統。主要由微風發電機、太陽能電池陣列、蓄電池組、充電控制器、逆變器、監控系統等組成。微風發電機及太陽能電池陣列發出的電流通過控制器貯存在蓄電池中。當負載用于直流電時，通過控制器將直流電直接輸送給負載；當負載用于交流電時，則需要經逆變器將直流電轉變為交流電再輸送給負載。

2.1 微風發電系統

微風發電系統是與傳統風輪水平風力發電機完全不同的新型垂直軸風力發電設備[1]。這種創新型風力發電機就是根據帆船在海上航行利用風能的原理，將風帆安裝于發電機轉子同軸的鼠籠上，利用風能對風帆的壓力，推動風帆轉動，從而帶動發電機轉子轉動，實現風能轉化成機械能再轉換成電能的過程。其結構簡單，安裝方便，故障率低，維護簡便。由于適應低風速運行，發電又不受風力影響（360度自由旋轉），只要有風，24小時發電，風力發電效率高達90%以上。由于在風帆上增設離心式機械自動恒速裝置，省去了復雜自動調速、調壓系統，同時采用升力及阻力相結合的運轉方式、既能在風速1.5m/s時發電，又能抗最大風速60m/s環境中照常運行發電。

2.2 太陽能光伏發電系統

太陽電池的發電原理是利用光入射于半導體時所引起的光電效應，光伏電池的基本特性 和二極管類似，可以用簡單的PN結來說明，當具有適當能量的光子入射于半導體時，光與構成半導體的材料相互作用產生電子和空穴(因失去電子而帶正的電荷)，如半導體中存在PN結，則電子向N型半導體擴散，空穴向P型半導體擴散，并分別聚集于兩個電極部分，即負電荷和正電荷聚集于兩端，如用導線連接這兩個電極，就有電荷流動產生電能。利用這一原理，可將光能轉化為電能儲存起來，通過調節與控制技術，將電能變換為各種需要的標準，以滿足不同負載的需要。

3 技術創新

1）優化設計微風發電機結構，采用風帆片，水平旋轉發電，微風（1.5級風）即可啟動發電，充分利用風動力，提高風能利用率，年發電量多。在微風發電基礎上配置光伏組件，構成微風電和光伏相結合的分布式發電系統，可根據用戶和使用地區不同需求進行定制。

2）改常規螺旋槳水平軸風向為風帆片垂直軸風向，無需調向對向結構，提高風機使用安全系數，降低用戶架設費用。

3）優化設計風機抗強風能力。發電機在低速運轉時，風葉呈下垂 10 度角準水平運轉；當在強風狀況下，因加速離心的原理，風葉可自動呈水平狀態旋轉，使同心度達到最佳狀態，阻力小；同時控制電路根據風力情況能自動保護，故風再大，也不會造成過充電損機事故。優化微風發電機結構設計，在 1.5級風狀況下發電機可啟動工作，達到微風發電的目的；在強風狀況下，發電機可自動保護到不發電的狀況，確保發電機安全不損壞。

4）優化設計系統配套風光互補型正弦波控制逆變器，改善負載適應性，并具有過壓、欠壓、過載、短路、反接、防雷等自動保護功能，聲光指示報警。

5）發電系統結構簡單，安裝方便，故障率低，維護簡便，占地省，由于風葉水平運轉，發電工作時無電子波產生，故可方便地安裝于屋頂、平臺、立桿和地面上，一般架高4m以上即可。

6）風機外殼和風葉，設計采用玻璃鋼和抗老化優質塑料制成，內部重要構件采用鋁合金成型，故輕便、牢固、耐用、美觀，使用壽命達15年以上。

4 系統配置方案

該系統由于配置了太陽能光伏發電，設計發電時間為10小時（如風速達到1.5m/s則24小時供電），依據無電人口地區規模大小進行如下配置：

4.1 配置1

15000W微風發電機+5000W太陽能電池組件+充電控制器+10KW數控逆變電源，12V 200Ah免維護蓄電池30只。

可滿足20戶農村家庭全天24小時正常使用彩電、冰箱、VCD、電腦、照明、衛星接收機、電風扇、電飯煲及道路夜間照明。每天可用電量：200KWh。

4.2 配置2

45000W微風發電機+5000W太陽能電池組件+充電控制器+20KW數控逆變電源，12V200Ah免維護蓄電池75只。

可滿足50戶農村家庭全天24小時正常使用彩電、冰箱、VCD、電腦、照明、衛星接收機、電風扇、電飯煲及道路夜間照明。每天可用電量：500KWh。

4.3 配置3

90000W微風發電機+10000W太陽能電池組件+充電控制器+50KW數控逆變電源，12V200Ah免維護蓄電池150只。

可滿足100戶農村家庭全天24小時正常使用彩電、冰箱、VCD、電腦、照明、衛星接收機、電風扇、電飯煲及道路夜間照明。每天可用電量：1000KWh。

5 結 語

本文闡述的微風電和光伏發電相結合的分布式發電系統，為風力資源屬于低風速的區域提供了一種電源新技術，實現了全天候“風光互補”，是可再生能源利用的新技術，推廣應用前景廣闊。

[1]嚴強,蔣超奇.垂直軸風力發電機的發展趨勢和應用[J].上海電力.2007.2:166-167

[2]范正萍,王心塵,杜華夏,王亞軍.小型家用垂直軸風力發電系統的設計[J].能源技術.2007,28(5).279-283

[3]王立喬,孫孝峰.分布式發電系統的光伏發電技術[M].北京:機械工業出版社，2010.8-10.