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可再生能源 R e n e w a b l e E n e r g y R e s o u r c e s 64 建设科技 一、引言 我国农村能源消耗已经占全国总能耗的30以上,农村用电量已经达到全国总用电量的51,随着城镇化步伐的加快、农村经济将进一步发展,农村能耗量势必加速增长,然而农村能源问题将成为制约社会与经济发展的瓶颈。在世界能源紧缺的今天,可再生能源综合利用项目在逐渐走入人们的视野,作为新型能源研究的先驱者,它以绿色环保为主题,以节能减排为战略目标,给能源紧缺这一全球性问题带来了曙光,给生态环境和人类生活带来了生机与活力。 我国农村低速风力、微型水力和太阳能分布广阔、资源极为丰富,因此,国家“十一五”科技支撑计划课题“农村户用风水光发电关键技术研究”提出构建低成本、高效率的农村户用风、水、光发电系统,为解决我国农村能源问题开辟新的渠道、为农村经济可持续发展提供技术支撑。通过建设一个3 5 kW 的风水光互补发电系统,作为农村户用发电技术的示范工程来验证课题提出的新方法,试验研制的新装置,为产业化和集成化提供依据。 二、示范工程设计 1、 选址 示范工程选址需要考虑的因素较多,首要条件是示范地点的风、水、光资源均具备,这样可以实现多种不同能源互补,而且要便于施工;其次是发电机安装位置不能距民居太远,否则送电电压损失过大;最后尽量在北京周边选址,便于课题研发样机的试验、调试和维护。 2007年1月,课题组对北京周边农村地区的资源条件及用户用电水平进行了大范围的调研,深入到各气象站抄录近十年来的风速、风向,河流径流量、河流水位,太阳辐射量等数据并进行分析比较 太阳辐射量与地理位置和季节都有很大关系,但是在北京全市范围内,差别不很明显,均适宜开发太阳能发电;风能资源与地理位置及海拔高度等有很大关系,北京的北部属于上风向且以山区较多,开发低速风能源较为适宜;水能资源在北京密云较为充沛,均有开发微水发电的潜力。因此,可以在密云县进一步选择具体村落。 密云县北庄镇位于清水河上游和中游,在大岭村与抗峪村交界处有一个落差几十米的天然小瀑布,山头风力资源符合条件,有独立村落。为了避免示范工程安装调试等工作扰民,最终选择北庄镇大岭村村委会作为户用发电系统的安装地点。 2、勘测 为了获得更加详实准确的发电资源基础数据,课题组在大岭村架设了监测站,将风速和太阳辐射量的量测数据通过GPRS 传送回,并定期测量河流径流数据,近12个月的实际测量数据分析如下 1风能数据分析 该地年平均风速为3.4m/s,有效风能功率密度55 W/m 2有效风能利用小时数为3000小时左右,属于风能可利用区,风能可利用区要求的有效风能功率密度为50W/m 2以上,全年≥3m/s 风速2000h 以上,主导风向为东北风,频率大约为40,是风向稳定地区风向稳定地区的要求为主导风向频率在30以上的地区,同时气象灾害很少,湍流强度较小,综合考虑后,该地区的低速风资源丰富,适宜课题要求的小型风力发电系统的开发,风向稳定,气象上的不 农村户用风/水/光发电系统示范工程 □ 中国农业大学信息与电气工程学院 蔡壮 张帆 高万林 我国农村低速风力、微型水力和太阳能分布广阔、资源极为丰富,“农村户用风、水、光发电关键技术研究”提出构建低成本、高效率的农村户用风/水/光发电系统,为解决我国农村能源问题开辟新的渠道、为农村经济可持续发展提供技术支撑。通过建设一个35kW 的风水光互补发电系统,作为农村户用发电技术的示范工程来验证课题提出的新方法,试验研制的新装置,为产业化和集成化提供依据。 “农村新能源开发与节能关键技术研究”项目课题三/子课题 Renewable Energy Resources 建设科技 65 利现象较少,因此符合选址要求。 2水能数据分析 示范工程所选流域为瀑布,每年511月均可以发电。根据实测数据及历史数据计算分析,瀑布在非结冻期可保证的平均流量为14m 3/h,自然落差可达80m 左右,符合微型水力发电的要求小流量高水头流量7.2一72m 3 /s,水头7m 以上。 3太阳能资源分析 该地年辐射量为5545.6 MJ/m 2属于太阳能资源中等区年太阳辐射总量为5000￣5850MJ/m 2,符合选址要求。 4用户需求分析 大岭村的经济发展处于中等水平,年平均户用电量在600kWh 左右,日最大负荷在2kW 左右,适宜本示范工程设计组建35k W 系统的要求。 3、系统设计 1发电机组容量配置计算 课题组提出了基于随机机会约束规划的户用发电系统容量优化配置的数学模型,并开发了应用软件。该模型以各月代表日每小时为步长模拟风、水、光三种资源时间上的互补性和随机性,可以根据用户不同的需求,给出在要求置信水平下的各种最优方案,并同时给出投资、年费用、供电可靠性和资源利用率指标,使方案的评价更加全面,并可以给出全年的不平衡功率,用户可以据此调整用电计划,提高供电可靠性。 基于上述配置方法,结合密云县相应的资源基础数据以及当地用电情况得到发电机组和蓄电池容量配置如下风力单元的峰值功率为1KW,光伏单元的峰值功率为0.8K W ,微水单元的峰值功率为3K W,蓄电池单元作为储能单元其容量为600A H 。 2系统结构 为了研究和试验的需要实际示范工程配置了2台1kW 永磁同步发电机、1台3kW 冲击式永磁同步发电机、0.8k W 光伏单元,总装机容量5.8k W。 三种电源采用直流方式汇流,直流母线电压为48V 。风力发电机端额定电压56V 经整流和电压控制回路接入直流母线;微水发电机组机额度端电压交流220V,由800m 架空线到户内,经交流工频变压器降压和可控整流回路接入直流母线。光伏发电单元和蓄电池单元经过各自单元控制回路接入直流母线。逆变回路将直流转换为220V 交流向负载供电并与市电连接。户用微型电力系统接线如图1所示。 把不同的负荷类型划分成三个等级分别接入图1中3个负荷开关第一等级,照明负荷,系统优先对照明负荷供电,保证基本生活需求;第二等级,家用电器,满足照明负荷之后的多余能量供给家用电器;第三等级,空调负荷,空调除需要有功功率外还需要一定的无功功率,由于系统提供的无功功率十分有限,因而将其归为第三类负荷见表1。 三、应用效果 1、示范工程现场 密云位于北京东北部,拥有丰富的水文资源,使用该系统的村委会位于群山之中,除水资源位,风、光资源也比较丰富,为系统的正常运行提供了足够的资源支持。风力单元的发电部分安装在山顶,微水单元的发电部分安装在山腰,这样可以产生足够的高度落差满足发电要求,光伏单元安装在村委会里,整个系统的控制部分安装在室内,所有的控制单元统一组装在一个柜体内,这样既保证安全,又美观实用。控制柜与上位机监控系统还拥有显示部分,分别可以显示各单元的工作状态,实现远程监控与调节。示范工程现场照片如图2所示。 图2 示范工程现场 可再生能源 R e n e w a b l e E n e r g y R e s o u r c e s 66 建设科技 2、 发电量与效益分析 由于风力发电、微水发电和光伏发电量受到季节影响较大,按照现场实际测量的风、水、光资源数据进行为期一年的仿真计算,得到个单元发电量曲线如图3所示。各季节平均发电功率见表2。 由图3可见,当地风、水、光单一资源发电收季节的局限性很大,但是三种资源具有很好的互补性。该户用发电系统在12月至4月主要是风光互补发电,5月至7月主要是微水发电与光伏发电互补、在8月至11月时种能源互补发电。 由表2可见除冬季外其余3个季节系统的总发电量基本保持稳定,3K W 的平均功率基本可以满足一个家庭的生活用电需求。冬季由于水力发电无法正常运行使得系统发电量骤减,但还是可以满足家庭的照明需求。表中给出的是日平均功率,而不是瞬时功率或者峰值功率,系统的峰值功率可以达到5800W,夏季白天的平均功率也基本可以达到4000W 以上,基本上常年保证稳定功率输出,使用户的生活得到充分保证。同时由于蓄电池储能单元的存在,大大提高了供电可靠性,使得用户的用电需求再次得到了充分的保证。 大岭村位于密云山区,取暖和做饭在一定程度还依赖燃烧秸秆树枝等材料,效率低下,污染环境,并且存在安全隐患,采用该系统之后可以采用消耗电能来取代原来的取暖做饭方式,不但清洁环保,并且安全稳定。组成该系统的风力发电机、水轮机、太阳能光伏板在实用的同时,也成为该村委会的一项新的科技景观。 四、结论与展望 户用风/水/光互补发电系统示范工程的研究与实施不仅在惠农惠民中起到了重要作用,而且在保护环境,缓解能源危机,推动可持续发展战略以及提高我国新能源产业竞争力等诸多发面发挥了作用。低成本高效率的农村户用风/水/光发电系统相关技术及产品的应用,将很好地解决中国农村地域辽阔、差异巨大、消耗性能耗高和用能成本高的问题。通过低成本高效率的农村户用风/水/光发电系统相关产品的应用,将对农村面貌的更新和农民生活的改善提供便利的条件。对于改变村容,改进乡风,保障和促进信息通畅和传递,丰富农民的业余文化生活,促进农村精神文明建设,提高农民的生活水平和质量,体现以人为本、促进物质文明和精神文明协调发展有着重要和积极地意义,具有很好地社会效益。 基金项目国家“十一五”科技支撑计划项目2006BAJ04B03 c