风光互补发电系统在农村的推广应用*

沈从举，贾首星，汤智辉，孟祥金，刘 威

(新疆农垦科学院机械装备研究所，新疆 石河子 832000)

1 引言

风能和太阳能是取之不尽、用之不竭的可再生能源，被称为新能源或非常规能源，是农村可利用能源的重要组成部分，具有广阔的开发前景。风能和太阳能在时间和季节上都有很强的互补性，风力发电机和太阳能电池组成混合的独立供电系统，可有效利用自然资源提高供电系统的可靠性。风光互补发电系统一般作为离网型中小型独立供电系统。该系统适用于风、光充足而远离电网的缺电或无电的农村、牧区、野外工作站等［1］。在我国广大的农村推广应用风光互补发电技术，能充分利用风能和太阳能资源在时间、季节上的互补性，可有效地给当地居民生产、生活供电，同时不会产生燃料消耗和环境污染，一般可用于农村路灯、牧区照明，也可用于功率为几十瓦到几百瓦的家用电器，在我国西部有广泛的应用前景。

2 风光互补发电系统及技术特点

2.1 系统组成

风光互补发电系统是一种将风能和太阳能转化为电能的装置，是由风力发电机与太阳能电池组成的联合供电系统。风光互补供电系统主要由风力发电机组、太阳能光伏板、控制器、蓄电池、逆变器、卸荷器、交流(直流)负载等部分组成。该系统是集风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统［2］。风光互补发电系统如图1所示。

图1 风光互补发电系统示意图

2.2 工作原理及过程

风光互补系统的工作原理是风力发电原理和太阳能光伏发电原理的结合。风力发电原理是利用自然风作为动力，风轮吸收风的能量带动风力发电机旋转，将风能转化为电能，经控制器的整流，稳压作用，把交流电转换为直流电，向蓄电池组充电并储存电能;太阳能光伏发电原理是利用光伏效应将太阳能直接转化为直流电，供负载使用或贮存于蓄电池内备用。根据风力和太阳辐射的变化情况，风光互补发电系统可分为以下三种运行模式:①风力发电机组独自向负载供电;②太阳能光伏系统独自向负载供电;③风力发电机组和太阳能光伏系统联合向负载供电。

在不同的气候条件下，风光互补发电系统有以下四种工作状态:①晴天时太阳能光伏板工作，产生电能;②风力够强时，风力发电机工作，产生电能;③有风的晴天，风力发电机和太阳能光伏板同时工作，产生电能;④当碰上即无风又无阳光的天气，该系统则使用蓄电池内原来已经储存下来的电能。

2.3 技术特点

风光互补供电系统可很好地克服太阳能和风能提供能量的随机性和间歇性这一缺点，实现不间断供电。风光互补发电技术及系统具有如下特点［4］。

(1)风力发电和太阳能光伏发电系统在蓄电池组和逆变环节可通用，使成本大大降低。同时可设计逆变系统具有自动稳压功能，改善供电质量。

(2)风光互补发电系统关键的控制部分要根据日照强度、风力大小及负载的变化不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节。在发电量充足时将一部分电量供给负载，另一部分电能则存入蓄电池组中;当发电量不足时，由蓄电池组提供部分负载所需电能，从而保证系统的稳定性与可靠性。

(3)由于风光互补发电系统的供电稳定性和保证率较高，可以设计较低的光电阵列容量和蓄电池容量，从而使整个系统的成本下降。

风力发电和太阳能光伏发电在我国已得到初步应用。这两种发电方式各有优点，但风力发电和太阳能光伏发电分别在无风和阴雨天等气候条件下，无法保证电能的连续供应，对于无电网的边远地区，单独使用风电或光电需配备相当大的储能设备。采用风力发电和太阳能光伏发电互补技术后，可有效解决单一发电不连续的问题，保证基本稳定供电。

风光互补发电与单独风力发电或太阳能光伏发电相比具有以下优点［2］。

(1)利用风能、太阳能的互补特性，可以获得比较稳定的总输出，系统有较高的稳定性和可靠性。

(2)如果太阳能与风能资源互补性好，在保证同样供电的情况下，可大大减少蓄电池的容量。

(3)通过合理的设计与匹配，可基本上由风光互补发电系统供电，很少或基本不用启动备用电源如柴油发电机组等，可获得较好的经济和社会效益。

3 推广应用现状与前景

中国农村人口数量众多，我国至今仍有个别地理位置较为偏远的农村至今未能用上电，但偏远农村若靠电网供电，则需架设很长的输电线路，其经济性很差，也不现实。在这些地方其风能和太阳能蕴藏量比较丰富，若采用太阳能、风能这些可再生能源进行发电，则可基本满足偏远农村的生活及照明用电。因此，利用风光互补发电系统可有效解决生产生活用电问题。目前我国已经建成了千余个可再生能源的独立运行村落集中供电系统［3］，但是这些系统都只提供照明和生活用电，不能或不运行使用生产性负载［2］。

风光互补发电技术在通信基站中的应用逐渐由最初的城市内建设向城镇乡村发展。无论移动通信、微波、广播和电视转发，还是卫星通信，都各自在全国建立了一定数量的通信基站。今后将更多地向不发达的西部地区、偏远农村地区发展。这些基站负荷较小，若采用市电供电，架设输电线路代价很大。而采用风光互补发电系统可很好解决供电问题，可利用当地清洁能源实现用电自给自足。在重要的基站，则可配备备用的柴油发电机，形成风光柴油混合发电系统，提高供电可靠性，保证实时通信。

目前，环境的恶化和资源的日益匮乏已经严重制约了人类的生存发展。以科学发展观为指导，大力开发风能、太阳能等清洁能源，充分利用风能和太阳能的互补性，将二者进行有效地结合，以此达到资源最优化配置，是当前科技应用领域的热门话题。风光互补发电系统正是二者的完美结合体。利用太阳能和风能在不同季节和时间上互补特点发展起来的风光互补发照明技术已日臻完善，且正迅速在全国推广应用。可以预测，风光互补发电系统将成为未来电力世界大规模应用的发电模式之一。我国广大农村具有丰富的风能和太阳能资源，绝大多数地区的平均风速在3 m/s以上。在农村地区发展风光互补发电是满足农村生产和农民生活用电的有效方式和途径，其推广应用前景广阔。

4 存在的问题

虽然风光互补发电系统自身具备诸多优势，但其在研发和推广应用中也存在一些不容忽视的问题。主要表现在以下几点。

(1)蓄电池投资成本较高，其使用寿命需进一步提高。由于风光互补发电系统的发电量与负载用电量不可能一直保持一致，因此在发电量不足时，必须由蓄电池提供足够电量，以维持负载的正常运行。若运行状况和条件不利，则会使蓄电池的寿命大大降低，更换蓄电池必然会提高运行成本。

(2)风光互补发电系统易受气象条件影响，需解决其管理和控制问题。对于某一地区风光互补发电系统是以风力发电为主，光伏发电为辅;还是以光伏发电为主，风力发电为辅;要充分调研该地区的风能和光能资源及用户负荷情况，选择最佳的容量配比，从而使系统综合造价和投资趋于最小。

(3)小型风力发电机的可靠性问题是风光互补发电系统的最大障碍，也是制约中小型风力发电及风光互补新能源产业发展的核心问题［5］。对于大型风力发电机组，对风速要求高，一般用于风力资源丰富的地区。而对于适用于更广泛围的风光互补发电系统，须选用适合的小型风力发电机。小型风力发电机可分为水平轴发电机和垂直轴发电机。垂直轴风力发电机在结构简化、维修保养、启动风速、抗风强度等方面相对水平轴风力发电机具有一定优势。然而，垂直轴风力发电机多在北美运行，我国市场上水平轴风力发电机占绝大多数［4］。

(4)风电产品的价值和价格严重背离限制了行业的发展。长期以来，我国小型风力发电机的定位是面向偏远贫困地区的农牧民，要使他们买得起，所以价格要低。这种指导思想严重制约了行业的发展［5］。太阳能热水器、太阳能光伏开始都是先走高价位，随着产业规模的扩大、生产成本降低、技术进步，才使得价格大幅度下降。而中小风机一开始就定在低价位，产品没有利润，企业没有发展后劲。国家资金支持一直向大风电和科研倾斜而没有鼓励中小风机及风光互补产业的发展，中小风机及风光互补产业甚至一度被遗忘在角落。近年来，随着“绿色照明”、“节能、减排”等相关政策的出台，才给该行业带来了新的生机。

(5)风光互补发电系统在农村地区推广应用缓慢，农民接受能力不强。近年来，业内人士普遍认为［6］，制约我国风光互补离网型供电产业发展的根本原因是国家层面重视程度不够、认识不足、政策不到位，没能把风光互补离网型供电产业作为一个新能源产业的重要组成部分与大型风电、光伏并网发电同等对待。虽然偏远农村地区很需要电，但收入偏低的农民对于成本相对较高的风力、太阳能发电产品的购买力低下，此外国家和政府部门尚未全面落实有关风电产品的优惠补贴政策，仅依靠农民个人购买能力，难以实现风电产品在农村地区的大规模推广应用。

(6)风电产品升级换代和进一步研发的能力需要进一步提高，产品质量检测体系和售后服务体系建设需进一步加强，市场监督机制需进一步完善。

5 对策及建议

针对以上风光互补发电技术发展和推广应用中存在的问题，提出如下对策及建议。

(1)产品企业联合推广地区相关部门做好风光互补发电技术推广应用地区的风能、太阳能资源气象数据的勘测统计工作，为风光互补发电系统的广泛应用提供更可靠的依据。

(2)积累风光互补发电的使用数据，在应用中逐步形成较完善的可再生能源技术支撑体系，为可再生能源的大规模开发和利用奠定基础［7］。

(3)为促进风光互补发电技术的推广引用，减轻产品生产企业的负担，建议各地方政府和相关职能机构对生产企业实行税收优惠政策。

(4)产品企业要加快风电产品升级换代和进一步提高研发能力，不断提高产品质量，降低产品生产成本，提高用户的积极性。

(5)加强企业的售后服务质量，加强售后人员的技术培训，及时有效解决用户在使用产品过程中出现的问题，提升企业形象和产品知名度，以及产品推广应用空间。

(6)建立完善的产品质量监督体系，严格保证风电产品的质量，杜绝劣质产品充斥市场，为风电产业营造一个公平竞争、健康发展的环境。

(7)对于经济条件相对落后，农民收入相对较低的农村，政府要给予适当财政补贴及其它相关优惠。

(8)将风光互补发电系统纳入国家“送电到乡”工程，以促进风光互补发电技术在农村的推广应用。

6 结语

世界性的能源危机和全球变暖，已使新能源发电成为能源领域的一个历史发展趋势，得到各国政府的支持，并得到了快速发展。在我国广大的农村地区，风光互补发电技术能有效利用风能和太阳能进行发电，其推广应用空间和市场潜力大。随着风光互补发电技术的不断成熟以及产品的不断升级换代，产品质量和售后服务的不断提高，同时在政府部门的关注重视和政策扶持下，风光互补发电技术将在我国新农村建设中发挥重要作用。

［1］沈从举，贾首星，汤智辉，等.小型风光互补发电系统在兵团的应用前景［J］.新疆农机化，2012(4):5 －7.

［2］扁旭涛.风光互补供电系统的运行与应用分析［J］.城市建设理论研究，2012(5):32－34.

［3］陆虎瑜，马胜红.光伏－风力及互补发电村落系统［M］.北京:中国电力出版社，2004.

［4］普子恒，倪 浩，黄杨珏.浅析风光互补发电系统及其应用前景［J］.科协论坛(下半月)，2009(6):82 －83.

［5］杜尚斌.中小型风力发电及风光互补新能源产业发展历程［J］.电源技术应用，2009(3):70－71.

［6］易 斐.风光互补离网供电系统应成为新能源领域一个重要增长极［N］.中国联合商报，2012－3－19.

［7］孙 楠，邢德山，杜海玲.风光互补发电系统的发展与应用［J］.山西电力，2010(4):54 －56，72.