小型獨立風力發電系統在偏遠農村的應用效益分析

摘要：風能作為一種無污染、低成本且取之不盡用之不竭的自然能源越來越受到青睞。以風能資源豐富的遼北某邊遠農村為例，設計了一小型獨立風力發電系統，并將其與常規的發電方式做比較。利用數據計算分析其效益，結果顯示此種離網小型風力發電系統作為新型能源，不僅有巨大的經濟和環保效益，并且為解決缺電、高成本、高損耗地區的用電問題提供了途徑。

關鍵詞：風能；獨立風力發電系統；農村；新能源

作者簡介：許郁（1985-），女，河北衡水人，國網長治供電公司；李博（1985-），男，山西長治人，國網長治供電公司。（山西 長治

046011）

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）27-0223-02

風能作為一種新型的可再生清潔能源，優越性日漸明顯。目前，在邊遠地區的農區、牧區、邊防連隊、哨所、海島駐軍、漁民、地處野外高山的微波站、電視轉臺站、氣象站、公路和鐵路無電小站，森林中的瞭望站，石油、天然氣輸油管道、近海灘涂養殖業及沿海島嶼等多數地方使用柴油或汽油發電機組供電。供電成本相當高，有些地方高達3元/kW·h，并且這些發供電方式嚴重污染環境。而這些地方絕大部分處在風力資源豐富地區。[1]在這些地區建立離網小型風力發電系統不僅能保證連續的供電，而且節約燃料和資金，同時還減少了對環境的污染，可謂一舉三得。

小型風力發電機（100W-5kW）因其安裝方便、機動性高等優點已被廣泛應用于風力資源較豐富的地區。在年平均風速在3m/s以上，全年3-20m/s有效風速累計時數3000小時以上，全年3-20m/s平均有效風能密度100W/m2以上這三個條件中，滿足其一即可應用。[2]

本文所設計小型獨立風力發電系統位于遼北地區某農村，地處偏遠，處于電網末端，電壓不穩，經常停電，同時也屬于高損耗地區，造成當地人民生產和生活非常不方便。但是此地屬于風能資源比較豐富的地區之一，風速大，風向穩定，而且大部分地區地勢開闊。該地區風能大多集中在春秋兩季，此時也恰為年用電高峰期，風力發電在該地區具有較好的發展前景。

一、該農村境況介紹

本文給該地區某農村設計一離網小型風力發電系統。該村屬于丘陵地形，地勢高，在50.8-70米之間，該村的離網風力發電系統建設地點選在最高70米處。風電場地區處于季風型大陸性氣候區，四季分明，風多雨少，日照充足，無霜期長。由該地某勘測設計院統計得到該處的各月平均風速和平均風功率密度如表1、表2。

表1 小型風電系統所在處的各月平均風速

月份123456789101112

70m高度5.48.28.27.57.36.76.16.35.97.26.85.9

表2 小型風電系統所在處的各月平均風功率密度

月份123456789101112

70m高度185.0678.2604.7438.4443.9297.3232.5232.7201.7413.6335.3221.1

此小型風電系統所在的70m高度處的年平均風速為6.8m/s，年平均風功率密度為354.8W/m2，4～24m/s的風速年有效風力小時數為6892小時。50～70m高度處7～14m/s風速能量偏大，這個風速區間的能量占總能量的63%左右，其中，9～10m/s風速能量最大。該風電場主導風向為SW風，測風塔70m高度處其出現頻率占22.6%，SW風的能量最大。風電場的風能資源達到了3級標準，風能資源較豐富、穩定，具有較好的開發條件。風電場各高度處均以2～5月、10～11月風速和風功率密度偏大，其中，2、3月是風能最好的月份。1、9、12月風速和風功率密度偏小，說明春秋季是風電場發電的好季節。

本村的用電主要集中在家用電器和農田灌溉方面。家用電器包括照明燈、電視機、電風扇、電冰箱、洗衣機、電磁爐等。村居住220戶人家，平均每戶有農田10.5畝。其中家用電器用電情況見表3。

表3 各種家用電器的用電情況

家電名稱功率（W）每戶的數量平均每天工作小時數此種電器日用電量（kWh）

照明燈10560.3

電視機150140.6

電風扇502101.5

電冰箱（100L）110180.88

洗衣機50010.30.15

合計820 3.43

這樣，除了電風扇是季節性電器，只有在夏季6、7月使用外，其他電器都是全年使用的。那么每戶全年家用電器的總共用電為：

3.43×30×2+1.93×30×10=784.8 kW·h

灌溉情況用電統計：每畝農田平均每年灌溉15次，每畝每次耗電15kWh，因此每戶灌溉的全年用電為：

10.5×15×15=2362.5 kW·h

全村的年總用電量為：

（784.8+2362.5）×220=69.2406萬kW·h

通過以上計算可得知，該村的平均耗電功率為80.13958kW。

考慮到用電負荷的同時性，該村的用電同時率為0.8，則實際的平均耗電功率為：64.11166kW。

二、小型風電系統的風機選型

該小型獨立風電系統場址選在村外1千米的丘陵最高處，此處風向穩定，風速最大，可以提高發電效率，且風電場的噪聲不會影響居民的正常生活。

根據用戶對負荷耗電量的需求、該處的風資源特點、風機的輸出功率特性，選用5kW的小型風機。從表1知，此風電系統所在處的月平均風速分布比較均勻，最小值出現在1月，其值為5.4 m/s，最大值出現在2、3月，其值為8.2 m/s，所選風機在月平均風速所處的區間，輸出的功率在0.7kW～2.5kW范圍內，為使在風速最小時滿足用單負荷的需求，則需要該型風機95臺，其中裕留量約為6kW，使用壽命20年。由安徽蜂鳥電機有限公司提供的5kW風力發電機的特性參數如表4。

表4 5kW風機風力參數

風輪直徑： 6米 額定轉速：220轉/分鐘

額定風速：10m/s額定功率：5kW

最大功率：7kW 輸出電壓DC：220V

啟動風速：3米/秒 工作風速：3-25米

安全風速：40米/秒 塔架高：9米

頂部質量：250kG 塔架類型：159鋼管

輸出控制系統：充電控制器，逆變器

建議配套蓄電池容量： 12V100AH 18塊

5kW風力發電機價格：30000元

一塊12V 100Ah蓄電池價格：450元

建設整個風電場風力發電機組的費用：30000×95+450×18

×95=361.95萬元。按照規定風力發電機組設備約占總投資的70%，其他費用如安裝、維護等約占30%，這樣推算總投資約為517.07143萬元。

所選用的5kW風力發電機輸出功率特性曲線圖如圖1所示?？梢钥闯?，當風速區間在7～14m/s時，風機的輸出功率持續增大，在14m/s時，達到最大功率。通過前面的分析知，此風電場所在高度處，7～14m/s風速能量偏大，這個風速區間的能量占總能量的63%左右。從而說明此風機的選型科學、合理，能充分利用此處的風力資源，并且風機的發電效率也得到充分發揮。

三、建成前后效益分析

風能是一種清潔的、可再生的一次能源，風機所發出電能屬于二次能源，風力發電是一種利用當地自然風能轉變為機械能，再將機械能轉變為電能的過程，生產過程中不排放任何有害氣體，不污染環境、不消耗礦物質能源、建設周期短、建設規模靈活，具有良好的社會效益和經濟效益。

與燃煤的火電相比，按單位度電標煤煤耗350g/kW·h，燃煤火電廠的設計用水量約28.8萬t/億kW·h，火力發電排放到大氣中的二氧化硫 0.1970g/kW·h ，二氧化碳 852.79g/kW.h，氮氧化物0.4963g/kW·h ，一氧化碳2.1784g/kW·h，碳氫化合物0.1609g/kW·h，煙塵0.0052kg/kW·h，爐渣0.0166kg/kW·h。[3]建成前此地所用的網電價格（含稅）為0.792元/kW·h，按風機壽命20年來計算，各方面的效益比較見表5。

從表中可以看出，小型獨立風電系統的經濟效益和環保效益明顯優于傳統的火電，并且本農村處于東北電網末端，電壓不穩定，還經常斷電，村民的生產和生活因此受到影響。而使用柴油或汽油發電機組供電雖然穩定性和可靠性提高了，但其成本比火電還要高很多。

從另外一方面講：家用電器由低壓供電，功率小，數量多，大多數家用電器都是非線性負荷，功率因數一般在0.7左右，如彩電的功率因數在0.4左右，洗衣機的功率因數僅為0.3左右，而現在推廣使用的節能燈功率因數也只有0.4左右。[4]這些家用電器耗電量非常小，但功率因數卻很低，產生的很大的奇次諧波可以匯集成為較大的諧波電流饋入電網，使電網的諧波升高。諧波不僅對電網的供電可靠性、供電質量會產生嚴重影響，而且也會引起電容器和其他一些用電設備的損壞，諧波已成為電網的公害。離網小型風力發電系統建成以后，一方面可以避免了本村所有家用電器所產生的諧波對原來電網的污染，另一方面，也可以延長所用家用電器的使用壽命。

除此之外，風電場建成后，將成為一處風力發電機群。在藍天白云下面白色的機群迎風旋轉，形成了一幅蔚為壯觀的動態風景畫，將成為當地的一個高科技、綠色能源基地，成為一道獨具特色的風景。

綜上所述，選用小型獨立風力發電系統是該村最佳選擇。

四、結論

本文以一設計的實例分析介紹了一小型獨立風力發電系統，并通過數字計算，證明小型獨立風電系統在偏遠農村的可行性和優越性。采用小型獨立風力發電系統的經濟效益和社會效益通過文中的數字一目了然，利用這種發供電方式不僅可以緩解常規能源枯竭的趨勢，而且可以遏制正在急劇惡化的環境。此外，處于我國西北、華北、東北、青藏高原和沿海的地區風能資源豐富，而我國無電地區也基本分布在這些地區內，這些地區交通不便、人口居住分散、用電量低；另外，還有一些邊遠地區地處電網末端，電壓不穩，經常停電，由此給當地人民帶來生產和生活的不便，而小型風力發電系統恰為解決這些地區的發供電難題提供了有利途徑。

參考文獻：

[1]李德孚.戶用小型風力發電系統的現狀與發展（上）[J].節能與環保，2005，（6）：14-16.

[2]付文華，田俊梅.小型風力發電機組的應用[J].太陽能，2005，

（5）：47-49.

[3]黃智賢，吳燕翔.天然氣發電的環境效益分析[J].福州大學學報（自然科學版），2009，（1）：148-150.

[4]佘建軍.家用電器中的諧波源[J].農村電氣化，2007，（2）：16-17.