農村家庭使用風力發電系統設計研究

楊 怡

（西昌學院，四川 西昌 615000）

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

1 設計選址

本設計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日每天的風速，如表1所示。

表1 2017年克萊頓城每月的風速

2 風力系統

2.1 風力發電機

本設計是適用于供部分家用電器使用的小型發電機，所以選擇了2種適合家用的價格適中的小型風力發電機。表2為2種風力發電機的具體產品參數。

表2 2種風機產品參數

2.2 風力發電機設計計算

2.2.1 預計算。根據網站提供數據可以得到2017年每天的風速，本設計需要計算每個月的平均風速。假設在Rayleigh分布和標準條件下，可以知道每臺風機的切入風速和切出風速。使用MATLAB代碼計算2017年每個風力發電機的總工作時間TWH。

SF-600-3 型風機，vin=3.500 m/s，vout=14.998 m/s，TWH1=6379.1 h。

GH-700W 型風機，vin=2.499 m/s，vout=24.998 m/s，TWH2=7444.6 h。

2.2.2 容量系數CF。風力發電機容量系數CF為一年內風力發電機預測輸出能量與其按照額定功率運行輸出的能量的比值。由于本設計是供家庭使用的風力發電機，所以采用簡單公式來進行容量系數結果的估算［2，3］。

2.2.3 年發電量PAED。PAED=WH×PR×CF，SF-600-3型風機PAED1=571 kW·h，GH-700W2型風機PAED2=1527kW·h。

2.2.4 風力發電系統成本。一個完整的家用風力發電系統由風力發電機、發電塔、逆變器組成。本設計選用的2個風力發電機都附帶有一個控制器，因此還需要一個逆變器、一個發電塔和一個蓄電池。

2.2.4.1 風力發電機成本WTC。SF-600-3型風機WTC1=$320，GH-700W型風機WTC2=$471。

2.2.4.2 發電塔成本TC。本設計選擇不銹鋼管作為風力發電塔。考慮到系統的穩定性，管子的質量至少應為渦輪機質量的1/2。不銹鋼管價格為2$/kg。

SF-600-3型風機，mturbine=8.5 kg，mtower=5 kg，發電塔成本為TC1=5×2=$10。

GH-700W型風機，mturbine=14.5 kg，mtower=8 kg，發電塔成本為TC2=8×2=$16。

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

2.2.4.4 逆變器成本IC。SF-600-3型風機的額定功率為400 W，選擇600 W的S－600G型號逆變器，IC1=$177。GH-700W型風機的額定功率為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。本設計中的家庭風力發電設備的資本成本由風力發電機成本、發電塔成本、蓄電池成本及逆變器成本構成［4］，CC=WTC+TC+BC+IC。SF-600-3型風機CC1=$701，GH-700W型風機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］。對于一個家用風力發電機，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 運行維護成本O&MC。O&MC=$0.007×PAED，SF-600-3型風機O&MC=$4.00，GH-700W型風機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型風機LCOE1=0.221$/kW·h，GH-700W型風機LCOE1=0.122$/kW·h。

通過之前的計算可以得出SF-600-3型風機的平均化能源成本高于GH-700W2型風機，所以本設計將會選擇GH-700W作為風力發電機供居民生產家庭部分電力使用。

3 結語

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