關于建設環境友好型社區中小型風力發電及其儲存系統的方案

文 | Nick Ni，宋江濤，蔣晨蕓

風能產生動力已不是新資訊，據文獻記載，風車的歷史可以追溯到公元前200年。從剛開始的小規模嘗試利用風能，到如今發展成為多兆瓦生產機器大規模開發風能，風力發電已經走入人們的日常生活。隨著科技進步，相較以往的任何方法，風力發電的方法能更有效的使用風能資源。現如今，人們也正努力試圖最大程度地開發風能資源，那么對于中小型風電系統，我們應該如何更好的利用呢？

除去特殊情況，一般意義上，大型的風電機組都可以更換成較小的。全球中小型風電項目（SMWT）的市場承載力實際上是預測的2015倍，尤其是在發展中國家的市場，更是多達6.34億美元。

除了考慮到中小型風電的環境效益，也許最好的方案是將風電機組納入到居民區中，提高風力發電的靈活性，以便于其獨立、輕松地把風能集成到混合動力系統中，與太陽能發電系統（或是石油，如果需要可以降低它的一些影響）或儲氫系統一起工作。除此以外，分布式中小型風電還能就近入網、就地消納，不需要電網的遠距離輸送。

最近開發的風力—氫氣轉換和存儲的技術為此提供了一個合理的合作模式。為此，美國國家可再生能源實驗室（NREL）在美國科羅拉多國家風力技術中心還發起了一個風力—氫氣（Wind2H2）的示范項目。該項目把風電機組與風力—氫氣轉換器的電解槽相連，利用風能產生的電力把水分解成氫氣和氧氣，氫氣可被儲存并隨后被用于內燃機或燃料電池中發電。就小規模的分布式風力發電的價值而言，這個方案是可行的。例如，來自東歐的項目開發商，利用氫氣發生器和燃料電池已開發了一個分布式的數字化社區風電項目。

在美國能源部能量效率與可再生能源辦公室的一個關鍵組成部分——燃料電池技術部，相關人員正努力尋找涉及到家庭氫氣系統h-prize潛在競爭力的相關信息，這也將進一步促進h-prize技術在商業氫能領域的應用。這些系統將被設計用來產生氫氣，為現有住宅提供車輛加氫站的配套基礎設施的建設，這使得它潛在的經濟價值將達到一百萬美元。

圖1為一個系統耦合的分布式小型風電機組—制氫設備，它可以提供一個高效、環保、友好的綜合解決方案，提供存儲和加油的系統。由于風能在自然界中的間歇性，一直以來儲存問題都沒有得到有效的解決，該設備的研發正好填補了該領域技術上的空白，并有可能在風力較小的時候提供持續的動力。

圖1 利用風力發電并存儲的住宅能源系統

風電機組規模的大小，完全取決于項目的設計和建造需求。運用有效的技術和大的風電機組一樣，中小型風電機組也可以提供許多相同的好處。事實上，在系統的使用周期中，風力小的情況下，風電機組每千瓦小時耗能可以比小型光伏發電和一些小型水力發電更便宜。2011年，美國風能協會估計，在美國，小型風電機組的成本是6040美元/千瓦，同比2010年增加11%。當然，前期用戶和社區需要支付一定的費用，但在某些情況下，項目可以向政府或私人業主尋求幫助。（注：幾乎每一個國家都在獎勵可用的方案，詳細參照www.dsireusa.org）就中國國內而言，國家大力推動可再生能源分布式應用的政策緊鑼密鼓的出臺，2012年8月6日，國家能源局正式發布其組織制定的《可再生能源發展“十二五”規劃》；2012年10月24日，國務院新聞辦公室發表《中國的能源政策(2012)》白皮書》；2013年1月1日國務院印發《能源發展“十二五”規劃》……足見國家對于新能源分布式發展的鼓勵。

利用風能工作

分布式社區風能項目通常建于相鄰的一個或幾個社區，以便于直接為最終用戶提供所需能量。社區的能源需求決定了建設的電力規模，但這通常是非常小的。一般來說，這些項目是由幾個單一的小型風電機組組成，一般配備50kW以下的高效、低維護的中小風電機組即可，該系統適用于居民區，主要面向社區、小型農莊及現代農業。同時，對于稍大型分布式風電系統的需求，也可配備便于用戶側接入的末端友好型1.5MW風電機組，主要用于解決區域風供熱，主要針對的是三北地區的冬季供暖問題。到目前為止，該項目已經在農業、商業、住宅和公共部門等領域推廣應用，見圖2。

農業

現在的農場往往使用各種類型的拖拉機和收割機甚至小飛機。這些都是能源的消費者，在農場經營方面，自持風電機組作為理想的解決方案可以抵消一部分電力費用。此外，美國農業部還提供了各種資助和通過美國農業部鄉村能源補貼計劃獲取其他資金的機會。除了農業，農民還可以通過出售風電機組多余的電量到當地電網來找到新的利潤來源。

圖2 國外建成分布式社區風能項目

農村社區

農村，尤其是偏遠的社區和企業，可以建立并且共享社區風電項目，從而節省電力傳輸的基礎設施建設。一般意義上來說，小型社區能夠通過共同決策的方法來投資和建立這個系統。在此，混合動力系統可以作出重大的貢獻，特別是在能量存儲方面。例如，如果裝備了適合的氫氣發生器和儲罐，存儲系統可以進一步實現穩定的能源供給，居民們可以悠閑的享受鄉村生活而不必擔心能源成本和功率損耗。

城市社區

針對基礎設施發達的城區，風電機組似乎只是提供一個輔助作用。然而，在不久的將來，用氫驅動的公共交通系統即將建立，加氫站的建設將成為必要項目并且廣受歡迎。對此，小型風電機組可以輔助電解制氫設備完成制氫流程。

商業

根據商業領域能量消耗大的特點，商業區的風能項目都應該設計和配備比普通項目要大的風電機組。目的不僅是為了產生足夠的能量來滿足商業需求，還可以把一些多余的能量出售給公共事業公司。雖然大型設備成本較高，但相對于較小的系統，大型設備每千瓦時的成本也有相應的降低。

除此之外，在建設環保工程、開發低成本能源、保障能源安全和促進經濟增長方面，分布式社區風能項目也都有著發揮重大貢獻的潛力。對于一個特定的地點或社區來說，小型風電項目具有構建靈活以及結合混合動力系統運行的特點。在理想的情況下，針對間歇性風能的利用還應加強小型風電機組的開發，應進一步簡化和集成這些渦輪機的安裝、維修和操作服務，保障在任何風力情況下存儲系統的正常穩定的運作。

h-prize的目的是為了通過提供獎勵，進一步加快研發以及建設氫能和燃料電池技術的示范項目，并且推進其商業應用程序。目前h-prize由氫教育基金會（HEF）為美國能源部進行管理。