沈從舉，賈首星，湯智輝，孟祥金，劉 威

(新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆 石河子 832000)

1 引言

風(fēng)能和太陽(yáng)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(guī)能源，是農(nóng)村可利用能源的重要組成部分，具有廣闊的開(kāi)發(fā)前景。風(fēng)能和太陽(yáng)能在時(shí)間和季節(jié)上都有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池組成混合的獨(dú)立供電系統(tǒng)，可有效利用自然資源提高供電系統(tǒng)的可靠性。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)一般作為離網(wǎng)型中小型獨(dú)立供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)適用于風(fēng)、光充足而遠(yuǎn)離電網(wǎng)的缺電或無(wú)電的農(nóng)村、牧區(qū)、野外工作站等［1］。在我國(guó)廣大的農(nóng)村推廣應(yīng)用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)，能充分利用風(fēng)能和太陽(yáng)能資源在時(shí)間、季節(jié)上的互補(bǔ)性，可有效地給當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)、生活供電，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生燃料消耗和環(huán)境污染，一般可用于農(nóng)村路燈、牧區(qū)照明，也可用于功率為幾十瓦到幾百瓦的家用電器，在我國(guó)西部有廣泛的應(yīng)用前景。

2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)及技術(shù)特點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)組成

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是一種將風(fēng)能和太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，是由風(fēng)力發(fā)電機(jī)與太陽(yáng)能電池組成的聯(lián)合供電系統(tǒng)。風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽(yáng)能光伏板、控制器、蓄電池、逆變器、卸荷器、交流(直流)負(fù)載等部分組成。該系統(tǒng)是集風(fēng)能、太陽(yáng)能及蓄電池等多種能源發(fā)電技術(shù)及系統(tǒng)智能控制技術(shù)為一體的復(fù)合可再生能源發(fā)電系統(tǒng)［2］。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)示意圖

2.2 工作原理及過(guò)程

風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的工作原理是風(fēng)力發(fā)電原理和太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理的結(jié)合。風(fēng)力發(fā)電原理是利用自然風(fēng)作為動(dòng)力，風(fēng)輪吸收風(fēng)的能量帶動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)控制器的整流，穩(wěn)壓作用，把交流電轉(zhuǎn)換為直流電，向蓄電池組充電并儲(chǔ)存電能;太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理是利用光伏效應(yīng)將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為直流電，供負(fù)載使用或貯存于蓄電池內(nèi)備用。根據(jù)風(fēng)力和太陽(yáng)輻射的變化情況，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可分為以下三種運(yùn)行模式:①風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獨(dú)自向負(fù)載供電;②太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)獨(dú)自向負(fù)載供電;③風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)聯(lián)合向負(fù)載供電。

在不同的氣候條件下，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)有以下四種工作狀態(tài):①晴天時(shí)太陽(yáng)能光伏板工作，產(chǎn)生電能;②風(fēng)力夠強(qiáng)時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作，產(chǎn)生電能;③有風(fēng)的晴天，風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能光伏板同時(shí)工作，產(chǎn)生電能;④當(dāng)碰上即無(wú)風(fēng)又無(wú)陽(yáng)光的天氣，該系統(tǒng)則使用蓄電池內(nèi)原來(lái)已經(jīng)儲(chǔ)存下來(lái)的電能。

2.3 技術(shù)特點(diǎn)

風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)可很好地克服太陽(yáng)能和風(fēng)能提供能量的隨機(jī)性和間歇性這一缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)不間斷供電。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)及系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)［4］。

(1)風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在蓄電池組和逆變環(huán)節(jié)可通用，使成本大大降低。同時(shí)可設(shè)計(jì)逆變系統(tǒng)具有自動(dòng)穩(wěn)壓功能，改善供電質(zhì)量。

(2)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵的控制部分要根據(jù)日照強(qiáng)度、風(fēng)力大小及負(fù)載的變化不斷對(duì)蓄電池組的工作狀態(tài)進(jìn)行切換和調(diào)節(jié)。在發(fā)電量充足時(shí)將一部分電量供給負(fù)載，另一部分電能則存入蓄電池組中;當(dāng)發(fā)電量不足時(shí)，由蓄電池組提供部分負(fù)載所需電能，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

(3)由于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性和保證率較高，可以設(shè)計(jì)較低的光電陣列容量和蓄電池容量，從而使整個(gè)系統(tǒng)的成本下降。

風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電在我國(guó)已得到初步應(yīng)用。這兩種發(fā)電方式各有優(yōu)點(diǎn)，但風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電分別在無(wú)風(fēng)和陰雨天等氣候條件下，無(wú)法保證電能的連續(xù)供應(yīng)，對(duì)于無(wú)電網(wǎng)的邊遠(yuǎn)地區(qū)，單獨(dú)使用風(fēng)電或光電需配備相當(dāng)大的儲(chǔ)能設(shè)備。采用風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電互補(bǔ)技術(shù)后，可有效解決單一發(fā)電不連續(xù)的問(wèn)題，保證基本穩(wěn)定供電。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電與單獨(dú)風(fēng)力發(fā)電或太陽(yáng)能光伏發(fā)電相比具有以下優(yōu)點(diǎn)［2］。

(1)利用風(fēng)能、太陽(yáng)能的互補(bǔ)特性，可以獲得比較穩(wěn)定的總輸出，系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性和可靠性。

(2)如果太陽(yáng)能與風(fēng)能資源互補(bǔ)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(guò)合理的設(shè)計(jì)與匹配，可基本上由風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)供電，很少或基本不用啟動(dòng)備用電源如柴油發(fā)電機(jī)組等，可獲得較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

3 推廣應(yīng)用現(xiàn)狀與前景

中國(guó)農(nóng)村人口數(shù)量眾多，我國(guó)至今仍有個(gè)別地理位置較為偏遠(yuǎn)的農(nóng)村至今未能用上電，但偏遠(yuǎn)農(nóng)村若靠電網(wǎng)供電，則需架設(shè)很長(zhǎng)的輸電線路，其經(jīng)濟(jì)性很差，也不現(xiàn)實(shí)。在這些地方其風(fēng)能和太陽(yáng)能蘊(yùn)藏量比較豐富，若采用太陽(yáng)能、風(fēng)能這些可再生能源進(jìn)行發(fā)電，則可基本滿足偏遠(yuǎn)農(nóng)村的生活及照明用電。因此，利用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可有效解決生產(chǎn)生活用電問(wèn)題。目前我國(guó)已經(jīng)建成了千余個(gè)可再生能源的獨(dú)立運(yùn)行村落集中供電系統(tǒng)［3］，但是這些系統(tǒng)都只提供照明和生活用電，不能或不運(yùn)行使用生產(chǎn)性負(fù)載［2］。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)在通信基站中的應(yīng)用逐漸由最初的城市內(nèi)建設(shè)向城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村發(fā)展。無(wú)論移動(dòng)通信、微波、廣播和電視轉(zhuǎn)發(fā)，還是衛(wèi)星通信，都各自在全國(guó)建立了一定數(shù)量的通信基站。今后將更多地向不發(fā)達(dá)的西部地區(qū)、偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)發(fā)展。這些基站負(fù)荷較小，若采用市電供電，架設(shè)輸電線路代價(jià)很大。而采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可很好解決供電問(wèn)題，可利用當(dāng)?shù)厍鍧嵞茉磳?shí)現(xiàn)用電自給自足。在重要的基站，則可配備備用的柴油發(fā)電機(jī)，形成風(fēng)光柴油混合發(fā)電系統(tǒng)，提高供電可靠性，保證實(shí)時(shí)通信。

目前，環(huán)境的惡化和資源的日益匱乏已經(jīng)嚴(yán)重制約了人類的生存發(fā)展。以科學(xué)發(fā)展觀為指導(dǎo)，大力開(kāi)發(fā)風(fēng)能、太陽(yáng)能等清潔能源，充分利用風(fēng)能和太陽(yáng)能的互補(bǔ)性，將二者進(jìn)行有效地結(jié)合，以此達(dá)到資源最優(yōu)化配置，是當(dāng)前科技應(yīng)用領(lǐng)域的熱門話題。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)正是二者的完美結(jié)合體。利用太陽(yáng)能和風(fēng)能在不同季節(jié)和時(shí)間上互補(bǔ)特點(diǎn)發(fā)展起來(lái)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)照明技術(shù)已日臻完善，且正迅速在全國(guó)推廣應(yīng)用。可以預(yù)測(cè)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)將成為未來(lái)電力世界大規(guī)模應(yīng)用的發(fā)電模式之一。我國(guó)廣大農(nóng)村具有豐富的風(fēng)能和太陽(yáng)能資源，絕大多數(shù)地區(qū)的平均風(fēng)速在3 m/s以上。在農(nóng)村地區(qū)發(fā)展風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電是滿足農(nóng)村生產(chǎn)和農(nóng)民生活用電的有效方式和途徑，其推廣應(yīng)用前景廣闊。

4 存在的問(wèn)題

雖然風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)自身具備諸多優(yōu)勢(shì)，但其在研發(fā)和推廣應(yīng)用中也存在一些不容忽視的問(wèn)題。主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

(1)蓄電池投資成本較高，其使用壽命需進(jìn)一步提高。由于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量與負(fù)載用電量不可能一直保持一致，因此在發(fā)電量不足時(shí)，必須由蓄電池提供足夠電量，以維持負(fù)載的正常運(yùn)行。若運(yùn)行狀況和條件不利，則會(huì)使蓄電池的壽命大大降低，更換蓄電池必然會(huì)提高運(yùn)行成本。

(2)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)易受氣象條件影響，需解決其管理和控制問(wèn)題。對(duì)于某一地區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是以風(fēng)力發(fā)電為主，光伏發(fā)電為輔;還是以光伏發(fā)電為主，風(fēng)力發(fā)電為輔;要充分調(diào)研該地區(qū)的風(fēng)能和光能資源及用戶負(fù)荷情況，選擇最佳的容量配比，從而使系統(tǒng)綜合造價(jià)和投資趨于最小。

(3)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可靠性問(wèn)題是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的最大障礙，也是制約中小型風(fēng)力發(fā)電及風(fēng)光互補(bǔ)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心問(wèn)題［5］。對(duì)于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，對(duì)風(fēng)速要求高，一般用于風(fēng)力資源豐富的地區(qū)。而對(duì)于適用于更廣泛圍的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，須選用適合的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)可分為水平軸發(fā)電機(jī)和垂直軸發(fā)電機(jī)。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、維修保養(yǎng)、啟動(dòng)風(fēng)速、抗風(fēng)強(qiáng)度等方面相對(duì)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有一定優(yōu)勢(shì)。然而，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)多在北美運(yùn)行，我國(guó)市場(chǎng)上水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)占絕大多數(shù)［4］。

(4)風(fēng)電產(chǎn)品的價(jià)值和價(jià)格嚴(yán)重背離限制了行業(yè)的發(fā)展。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定位是面向偏遠(yuǎn)貧困地區(qū)的農(nóng)牧民，要使他們買得起，所以價(jià)格要低。這種指導(dǎo)思想嚴(yán)重制約了行業(yè)的發(fā)展［5］。太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能光伏開(kāi)始都是先走高價(jià)位，隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大、生產(chǎn)成本降低、技術(shù)進(jìn)步，才使得價(jià)格大幅度下降。而中小風(fēng)機(jī)一開(kāi)始就定在低價(jià)位，產(chǎn)品沒(méi)有利潤(rùn)，企業(yè)沒(méi)有發(fā)展后勁。國(guó)家資金支持一直向大風(fēng)電和科研傾斜而沒(méi)有鼓勵(lì)中小風(fēng)機(jī)及風(fēng)光互補(bǔ)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，中小風(fēng)機(jī)及風(fēng)光互補(bǔ)產(chǎn)業(yè)甚至一度被遺忘在角落。近年來(lái)，隨著“綠色照明”、“節(jié)能、減排”等相關(guān)政策的出臺(tái)，才給該行業(yè)帶來(lái)了新的生機(jī)。

(5)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在農(nóng)村地區(qū)推廣應(yīng)用緩慢，農(nóng)民接受能力不強(qiáng)。近年來(lái)，業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為［6］，制約我國(guó)風(fēng)光互補(bǔ)離網(wǎng)型供電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的根本原因是國(guó)家層面重視程度不夠、認(rèn)識(shí)不足、政策不到位，沒(méi)能把風(fēng)光互補(bǔ)離網(wǎng)型供電產(chǎn)業(yè)作為一個(gè)新能源產(chǎn)業(yè)的重要組成部分與大型風(fēng)電、光伏并網(wǎng)發(fā)電同等對(duì)待。雖然偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)很需要電，但收入偏低的農(nóng)民對(duì)于成本相對(duì)較高的風(fēng)力、太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)品的購(gòu)買力低下，此外國(guó)家和政府部門尚未全面落實(shí)有關(guān)風(fēng)電產(chǎn)品的優(yōu)惠補(bǔ)貼政策，僅依靠農(nóng)民個(gè)人購(gòu)買能力，難以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電產(chǎn)品在農(nóng)村地區(qū)的大規(guī)模推廣應(yīng)用。

(6)風(fēng)電產(chǎn)品升級(jí)換代和進(jìn)一步研發(fā)的能力需要進(jìn)一步提高，產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)體系和售后服務(wù)體系建設(shè)需進(jìn)一步加強(qiáng)，市場(chǎng)監(jiān)督機(jī)制需進(jìn)一步完善。

5 對(duì)策及建議

針對(duì)以上風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)發(fā)展和推廣應(yīng)用中存在的問(wèn)題，提出如下對(duì)策及建議。

(1)產(chǎn)品企業(yè)聯(lián)合推廣地區(qū)相關(guān)部門做好風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)推廣應(yīng)用地區(qū)的風(fēng)能、太陽(yáng)能資源氣象數(shù)據(jù)的勘測(cè)統(tǒng)計(jì)工作，為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用提供更可靠的依據(jù)。

(2)積累風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的使用數(shù)據(jù)，在應(yīng)用中逐步形成較完善的可再生能源技術(shù)支撐體系，為可再生能源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)和利用奠定基礎(chǔ)［7］。

(3)為促進(jìn)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)的推廣引用，減輕產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)的負(fù)擔(dān)，建議各地方政府和相關(guān)職能機(jī)構(gòu)對(duì)生產(chǎn)企業(yè)實(shí)行稅收優(yōu)惠政策。

(4)產(chǎn)品企業(yè)要加快風(fēng)電產(chǎn)品升級(jí)換代和進(jìn)一步提高研發(fā)能力，不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本，提高用戶的積極性。

(5)加強(qiáng)企業(yè)的售后服務(wù)質(zhì)量，加強(qiáng)售后人員的技術(shù)培訓(xùn)，及時(shí)有效解決用戶在使用產(chǎn)品過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，提升企業(yè)形象和產(chǎn)品知名度，以及產(chǎn)品推廣應(yīng)用空間。

(6)建立完善的產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督體系，嚴(yán)格保證風(fēng)電產(chǎn)品的質(zhì)量，杜絕劣質(zhì)產(chǎn)品充斥市場(chǎng)，為風(fēng)電產(chǎn)業(yè)營(yíng)造一個(gè)公平競(jìng)爭(zhēng)、健康發(fā)展的環(huán)境。

(7)對(duì)于經(jīng)濟(jì)條件相對(duì)落后，農(nóng)民收入相對(duì)較低的農(nóng)村，政府要給予適當(dāng)財(cái)政補(bǔ)貼及其它相關(guān)優(yōu)惠。

(8)將風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)納入國(guó)家“送電到鄉(xiāng)”工程，以促進(jìn)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)在農(nóng)村的推廣應(yīng)用。

6 結(jié)語(yǔ)

世界性的能源危機(jī)和全球變暖，已使新能源發(fā)電成為能源領(lǐng)域的一個(gè)歷史發(fā)展趨勢(shì)，得到各國(guó)政府的支持，并得到了快速發(fā)展。在我國(guó)廣大的農(nóng)村地區(qū)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)能有效利用風(fēng)能和太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電，其推廣應(yīng)用空間和市場(chǎng)潛力大。隨著風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)的不斷成熟以及產(chǎn)品的不斷升級(jí)換代，產(chǎn)品質(zhì)量和售后服務(wù)的不斷提高，同時(shí)在政府部門的關(guān)注重視和政策扶持下，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)將在我國(guó)新農(nóng)村建設(shè)中發(fā)揮重要作用。

［1］沈從舉，賈首星，湯智輝，等.小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在兵團(tuán)的應(yīng)用前景［J］.新疆農(nóng)機(jī)化，2012(4):5 －7.

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