風光互補供電系統在內蒙古無電地區的應用

文|趙博文，楊茂榮，鄔元，趙愷

風光互補供電系統在內蒙古無電地區的應用

文|趙博文，楊茂榮，鄔元，趙愷

能源是人類社會生存與發展的物質基礎，也是國民經濟發展的重要保障。在過去的200多年里，以非可再生能源為基礎的能源體系極大地推動了人類社會的發展。但是，隨著化石燃料消耗的飛速增長，環境日益惡化，資源日漸匱乏。充分利用可再生的清潔能源成為解決全球能源危機和由化石能源利用引發的環境危機的必由之路。風能和太陽能是最具代表性的可再生能源，也是目前研究開發的重點。風能和太陽能在時間上的互補性，使風光互補供電系統成為利用風能、太陽能光伏發電解決偏遠無電地區用電問題較理想的應用模式，其應用越來越廣泛。

內蒙古自治區地域廣闊，偏遠無電地區人口居住分散且用電負荷小，通過常規電網的延伸來解決這些地區的用電問題很不現實。但內蒙古自治區的風能、太陽能資源十分豐富，適宜采用風光互補發電技術解決偏遠無電地區的用電問題。

風光互補供電系統簡介

風光互補供電系統是指將風能和太陽能結合起來，利用兩種能源在時間上的互補特性進行發電供電的風能、太陽能利用模式。風能、太陽能是可再生的清潔能源，取之不盡、用之不竭，因此風光互補發電是一種新型的綠色環保且可持續的發電方式。

風光互補供電系統按其用電負荷大小分為戶用型和集中型兩類應用模式。戶用型風光互補供電系統適用于一家一戶式的用電需求，集中型風光互補供電系統適用于用戶比較集中的村、鎮等的用電需求，用戶數量一般為幾戶至數百戶。

圖1 戶用型風光互補供電系統

圖2 集中型風光互補供電系統

一、風光互補供電系統的構成與工作原理

風光互補供電系統主要由風力發電機組、光伏陣列、充電控制器、蓄電池組、逆變器構成。系統構成如圖1、圖2所示。

系統工作原理：風力發電機組產生與系統電壓相適應的交流電，通過充電控制器轉換成與系統電壓相適應的直流電，連接到蓄電池組和逆變器；光伏陣列產生與系統電壓相適應的直流電，通過充電控制器連接到蓄電池組和逆變器。逆變器將風力發電機組和光伏陣列輸入的直流電轉換為220V、50Hz交流電供給交流負載。蓄電池組將負載未能消耗的多余電能儲存備用。當風力發電機組和光伏陣列發電不足時，負載消耗的電能由蓄電池組補充；當風力發電機組和光伏陣列不發電時，儲存在蓄電池組中的直流電通過逆變器轉換為220V、50Hz交流電供給交流負載。

二、風光互補供電系統的特點

由于自然界的風時大時小，時斷時續，其風力及連續性變化比較大，特別是風能資源不太豐富的地區，就存在著無風期或風力較弱期。同樣，太陽光照強弱也受到季節性等變化和天氣的影響。單一的風力供電系統或太陽能光伏供電系統，由于沒有足夠的風能或太陽能供給，因而其發電量不能夠保證用戶的正常用電需求。利用風能發電和太陽能光伏發電，組成“風光互補供電系統”，就能很好地解決這一問題。

與單一的風力供電系統或太陽能光伏供電系統比較，風光互補供電系統具有以下特點：

1.風光互補供電系統能夠充分發揮風能、太陽能兩種能源的互補優勢，彌補單一能源的不足，從而提高系統供電的可靠性。

2.風光互補供電系統可以根據當地風能、太陽能資源狀況，合理配置風電和光電容量，在保證用戶正常用電需求的情況下減少系統投資，提高系統性價比。

3.風光互補供電系統還可以根據當地風能、太陽能資源狀況和用戶的經濟條件，優化配置風電和光電容量，進一步提高系統供電的可靠性。

內蒙古地區的風能、太陽能資源情況

一、風能資源

內蒙古具有得天獨厚的地理優勢和氣候優勢。全區風能豐富區和較豐富區面積大、分布范圍廣，占全區總面積的80%，風能穩定度高、連續性好。這為內蒙古利用風能資源提供了有利的條件。

內蒙古大部分地區屬溫帶大陸性季風氣候，處在北半球盛行的西風帶上。全區理論可開發風能儲量為78690萬千瓦，技術可開發風能儲量為6180萬千瓦，占全國總風能儲量的24.4%，居中國首位。中部和西部地區的理論可開發風能儲量為64376萬千瓦，技術可開發風能儲量為5056萬千瓦；北部地區的理論可開發風能儲量為14313萬千瓦，技術可開發風能儲量為1124萬千瓦。

二、太陽能資源

內蒙古不僅有儲量巨大的風能資源，太陽能資源也很豐富。內蒙古海拔較高，日照充足，干旱少云，光輻射強，日照時數也較多。輻射量為每平方米4800－6400兆焦耳，年日照時數為2600－3200小時，是全國的高值地區之一。全區年總輻射量在每平方米5500兆焦耳以上的太陽能豐富地區和年總輻射量在每平方米5000兆－5500兆焦耳之間的太陽能較豐富地區所占面積為72萬平方公里，約占全區總面積的61%。全區太陽能資源的分布自東部向西南增多，以巴彥淖爾市西部及阿拉善盟最多，太陽能總輻射量高達每平方米6490兆－6992兆焦耳，僅次于青藏高原，居中國第二位。

三、風能和太陽能資源的互補性

太陽能是地球上一切能源的來源，太陽照射著地球的每一片土地。風能是太陽能在地球表面的另外一種表現形式，由于地球表面的不同形態（如沙土地面、植被地面和水面）對太陽光照的吸熱系數不同，在地表形成溫差，進而形成空氣對流產生風能。因此，風能與太陽能在時間上和季節上都有很強的互補性：白天太陽光照好，風小，晚上無光照，風較強；夏季太陽光照強度大而風小，冬季太陽光照強度弱而風大。內蒙古地區的風能、太陽能資源同樣具有這樣的互補特性。

以內蒙古四子王旗某地點的風能、太陽能資源來說明二者的互補性。該地點位于北緯42o、東經111o，其月均風速和太陽能各月的日均輻射曲線如圖3所示。圖3表明，該地點在全年大部分時間，風力較弱時，太陽能輻射較強，而風力較強時，太陽能輻射較弱。由此可看出，該地點的風能和太陽能資源具有很好的互補性。

風光互補供電系統在內蒙古無電地區的應用

風光互補供電系統廣泛應用于內蒙古無電地區的農牧民分散住戶和集中住戶、邊防連隊和哨所、邊防武警派出所以及通信基站等用電場所，為用戶提供生活用電和通信設施等的用電。

一、風光互補供電系統的配置與用電負載

（一）戶用型風光互補供電系統的配置與用電負載

戶用型風光互補供電系統最常用、最典型的配置，是以1臺300W、500W或1kW風力發電機組為基礎，與一定容量的太陽能光伏組件構成系統的發電設備，以幾百安時的閥控密封式蓄電池組構成系統的儲能設備，以1臺600VA或1kVA或2kVA逆變器構成系統的逆變控制設備。最典型的系統配置有三種類型，如表1。對于用戶的特殊用電需求，系統配置需進行具體設計。用戶常用的用電負載和基本要求，如表2。

（二）集中型風光互補供電系統的配置與用電負載

1.系統配置

圖3 北緯42o、東經111o地點的年均風速與太陽能日輻射曲線

表1 戶用型風光互補供電系統典型配置

表2 戶用型風光互補供電系統用電負載及基本要求

集中型風光互補供電系統的配置，需根據系統安裝地點的風能和太陽能資源、用電負荷大小及用戶的用電要求進行設計。通常風力發電機組配置1臺至數臺，額定功率為500W－50kW，光伏組件配置幾百瓦至幾百千瓦。具體風力發電機組和光伏組件的容量需根據用戶日均用電量設計，蓄電池組容量根據無風、無光時系統仍需供電的天數設計，逆變器容量根據同時運行負載的總功率設計。

2.用電負載

集中型風光互補供電系統的用電負載較戶用型風光互補供電系統的用電負載范圍廣，包括功率較大、數量較多的生活類電器、潛水泵，還有廚房用設備、通信設備等。

二、風光互補供電系統運行情況分析

以內蒙古四子王旗安裝的1套Ⅱ型戶用型風光互補供電系統為例，分析系統運行情況。

四子王旗系統安裝地點位于北緯42o、東經111o，該地點的月均風速和太陽能各月的日均輻射曲線如圖3所示。圖3表明，該地點的風能和太陽能資源具有很好的互補性。

系統主要設備配置及其技術參數：

系統額定直流電壓：48V DC

系統交流輸出額定電壓： 220V AC/50Hz，正弦波

風力發電機組： 500W/DC 56V

光伏組件：400Wp

充電控制器：30A/DC 48V

蓄電池組（閥控密封式）：4×200Ah/12V

逆 變 器：1kVA/DC 48V，220V AC/50Hz，正弦波

500W風力發電機組各月的平均日發電量如表3所示。400Wp光伏組件的安裝方向為正南，且與水平面的夾角為40o，各月的平均日發電量如表4所示。500W風力發電機組和400Wp太陽電池組的日發電量曲線如圖4所示。

表3 500W風力發電機組各月的平均日發電量

表4 400Wp光伏組件各月的平均日發電量

表5 系統各月的日平均供電量

圖4 系統發電設備的日發電量曲線

考慮到系統各個環節的能量損耗，系統實際供給用電負載的日供電量等于系統發電設備的日發電量乘以系統的能量轉換效率。在該系統中，蓄電池的能量效率為80%，充電控制器效率為95%，逆變器效率為85%，線路損耗為5%，因此，系統能量轉換效率為61.4%，系統各月的日平均供電量如表5所示。

用戶基本用電情況如表6。根據用戶實際用電要求，在進行系統設計時，對用電負載的同步使用情況進行了合理的調配，具體為：（1）節能燈、錄像機、收錄機、25英寸彩色電視機、衛星接收器、電冰柜、電鼓風機、電風扇、治療儀可同時使用；（2）使用電熨斗時，除電冰柜以外不能使用其他用電負載；（3）洗衣機和潛水泵須分別單獨使用，不能與其他用電負載同時使用。該系統同時使用的用電負載總功率最大為655W，符合逆變器的技術要求。

系統日供電量與負載日用電量的對比曲線如圖5所示。由曲線可看出，全年系統供電量的最小值出現在8月份，但均可滿足負載的用電需求。系統經過幾年的運行，能夠滿足用戶的實際用電需求，除照明、看電視、使用電冰柜等日用電器外，每天的人畜飲水基本由系統電力泵水，不再用人力提水。充分證明系統配置合理，運行效果良好。

表6 用戶基本用電情況

圖5 系統日供電量與負載日用電量的對比曲線

結論

內蒙古地區有豐富的風能和太陽能資源，且二者具有很好的互補性，具備風光互補供電技術應用的基本條件。

風光互補供電系統利用可再生的清潔能源供電，對環境無污染，且可持續發展。它投資少、見效快，且占地面積小，應用靈活便捷。一個家庭、一個村莊、一個區域，無論個人、集體均可采用。

迄今風光互補供電系統已普遍應用于內蒙古無電地區，解決了內蒙古無電地區的基本用電問題。實踐證明，采用風光互補供電是實現內蒙古無電地區電力供應的有效途徑。

（作者單位：中國農業機械化科學研究院呼和浩特分院）