王建甌 魏立東

（1浙江蒼南縣農(nóng)村能源辦公室，浙江 溫州 325800；2浙江迪飛辛農(nóng)業(yè)開發(fā)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(huán)保潔凈的可再生能源，受到世界各國的重視，在發(fā)達國家逐漸取代傳統(tǒng)能源，在我國對風能和太陽能的開發(fā)才剛剛開始。

由于風能和太陽能在時間上、地域上和經(jīng)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(fā)電。但常規(guī)水平軸風能和太陽能都具有能量密度低、穩(wěn)定性差的弱點，并受到地理分布、季節(jié)變化、晝夜交替等影響，而基于微風和太陽能的分布式發(fā)電系統(tǒng)就不存在這樣的缺陷，可實現(xiàn)晝夜不間斷發(fā)電，如果把該系統(tǒng)應(yīng)用到無電人口地區(qū)，效果將非常顯著，特別是因距離遠、電網(wǎng)架設(shè)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(qū)、鄉(xiāng)村等無電地區(qū)，還有大量小型企業(yè)、家庭用戶生活在無電狀態(tài)，使從業(yè)人員長期無法享受電視、音響、信息、娛樂等現(xiàn)代文明的生活。

2 發(fā)電系統(tǒng)的組成和原理

微風發(fā)電與太陽能光伏發(fā)電相結(jié)合的供電系統(tǒng)。主要由微風發(fā)電機、太陽能電池陣列、蓄電池組、充電控制器、逆變器、監(jiān)控系統(tǒng)等組成。微風發(fā)電機及太陽能電池陣列發(fā)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(jīng)逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娫佥斔徒o負載。

2.1 微風發(fā)電系統(tǒng)

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

2.2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

太陽電池的發(fā)電原理是利用光入射于半導體時所引起的光電效應(yīng)，光伏電池的基本特性 和二極管類似，可以用簡單的PN結(jié)來說明，當具有適當能量的光子入射于半導體時，光與構(gòu)成半導體的材料相互作用產(chǎn)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(jié)，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(chǎn)生電能。利用這一原理，可將光能轉(zhuǎn)化為電能儲存起來，通過調(diào)節(jié)與控制技術(shù)，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(shù)創(chuàng)新

1）優(yōu)化設(shè)計微風發(fā)電機結(jié)構(gòu)，采用風帆片，水平旋轉(zhuǎn)發(fā)電，微風（1.5級風）即可啟動發(fā)電，充分利用風動力，提高風能利用率，年發(fā)電量多。在微風發(fā)電基礎(chǔ)上配置光伏組件，構(gòu)成微風電和光伏相結(jié)合的分布式發(fā)電系統(tǒng)，可根據(jù)用戶和使用地區(qū)不同需求進行定制。

2）改常規(guī)螺旋槳水平軸風向為風帆片垂直軸風向，無需調(diào)向?qū)ο蚪Y(jié)構(gòu)，提高風機使用安全系數(shù)，降低用戶架設(shè)費用。

3）優(yōu)化設(shè)計風機抗強風能力。發(fā)電機在低速運轉(zhuǎn)時，風葉呈下垂 10 度角準水平運轉(zhuǎn)；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(tài)旋轉(zhuǎn)，使同心度達到最佳狀態(tài)，阻力??；同時控制電路根據(jù)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(yōu)化微風發(fā)電機結(jié)構(gòu)設(shè)計，在 1.5級風狀況下發(fā)電機可啟動工作，達到微風發(fā)電的目的；在強風狀況下，發(fā)電機可自動保護到不發(fā)電的狀況，確保發(fā)電機安全不損壞。

4）優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)配套風光互補型正弦波控制逆變器，改善負載適應(yīng)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(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)，發(fā)電工作時無電子波產(chǎn)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(shè)計采用玻璃鋼和抗老化優(yōu)質(zhì)塑料制成，內(nèi)部重要構(gòu)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(tǒng)配置方案

該系統(tǒng)由于配置了太陽能光伏發(fā)電，設(shè)計發(fā)電時間為10小時（如風速達到1.5m/s則24小時供電），依據(jù)無電人口地區(qū)規(guī)模大小進行如下配置：

4.1 配置1

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

可滿足20戶農(nóng)村家庭全天24小時正常使用彩電、冰箱、VCD、電腦、照明、衛(wèi)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(fā)電機+5000W太陽能電池組件+充電控制器+20KW數(shù)控逆變電源，12V200Ah免維護蓄電池75只。

可滿足50戶農(nóng)村家庭全天24小時正常使用彩電、冰箱、VCD、電腦、照明、衛(wèi)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(fā)電機+10000W太陽能電池組件+充電控制器+50KW數(shù)控逆變電源，12V200Ah免維護蓄電池150只。

可滿足100戶農(nóng)村家庭全天24小時正常使用彩電、冰箱、VCD、電腦、照明、衛(wèi)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(jié) 語

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

[1]嚴強,蔣超奇.垂直軸風力發(fā)電機的發(fā)展趨勢和應(yīng)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(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計[J].能源技術(shù).2007,28(5).279-283

[3]王立喬,孫孝峰.分布式發(fā)電系統(tǒng)的光伏發(fā)電技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2010.8-10.