牧区户用家电、提水、取暖风力机的研发与应用

高庭智

(内蒙古草原勘察设计院,内蒙古 呼和浩特 010051)

1 技术来源

该系统为内蒙古草原勘察设计院、呼市草原河山能源开发有限责任公司联合研制开发,并率先在内蒙古各牧区示范推广,应用于牧户家用电器、饮水灌溉、取暖3种功能为一体的清洁能源创新产品。

2 产品开发目的与意义

风能太阳能等清洁可再生能源产品的应用,是21世纪新农村新牧区建设的发展方向。

在内蒙古草原地带生活着的牧民,很多都面临着生产和生活上的诸多困难。一种能够同时解决牧民生活用电、人畜饮水、饲料地灌溉、棚圈取暖的多功能系统解决方案对于提高牧民生产生活质量将起到重要作用。

目前国内利用风能提水的装置分为2种技术类型:一种是风轮直接拖动机械装置提水的风力机,另一种是先由风力发电机发电,经镇流逆变后由蓄电池组驱动单项水泵提水。

一般机械式的风力提水机属低转速大扭矩风车,只能提水,不能发电。机械结构故障率偏高,但其明显优点是提水扬程大,夏季启动风速低,3～4m/s即可启动工作。

风力发电提水则需要储存较多电能用于电泵提水,所以蓄电池要加大容量,造成价格升高。同时逆变器提水时,水泵的功率不能大于逆变器功率的20%,使用户逆变器的功率比使用家用电器的逆变器功率要大3～5倍。例如驱动1KW 的电泵,至少要配4KW的逆变器,而供彩电和照明使用的逆变器的功率仅需0.6～1KW。故风力发电提水方式,大功率的水泵使蓄电池放电电流大,使用寿命短,推广普及受到制约。

3 技术线路

鉴于上述原因,为了能最大效率的发挥太阳能、风能产品的应用,尽量降低牧户使用成本,我们归纳了 2种应用技术路线,以适应不同的使用要求。

3.1 户用光伏发电、提水两用系统。

3.2 户用风力提水、风光互补发电及辅助取暖三用系统。

4 各技术路线的设计方案及参数配置

4.1 户用光伏发电、提水两用系统。

本系统主机为1000W太阳能光伏电池为主,辅助以500W风力发电机。配套设备包括2000W风光互补逆变控制器、DC48V200Ah胶体免维护蓄电池组、QDX3-18-0.55单相交流潜水泵。是以前牧户普遍使用的100W、200W 及300W 传统风力发电机的替代方案。可带动除照明外的大功率家用电器使用,如冰箱冰柜。并能够实现高效率的风光互补。系统配套参数及设备价格如下:

◦1000wp太阳能光伏电池组件,1块,价格16000元；

◦500W输出为三相48V的风力发电机组,1台,价格3600元；

◦2000W 风光互补逆变控制器,1台,价格3400元；

◦DC48V200Ah胶体免维护蓄电池组,2块,价格3800元；

◦QDX3-18-0.55潜水泵 1台,扬程 18M,流量3m3/h,功率0.55KW,价格800元；

◦附属设备,1套,价格1600元；

◦税金利润,3800元；

◦合计33000元。(运输安装另计)

本系统的功率参数可以根据用户的使用要求做相应调整,如灌溉控制面积较大时,可以增大光伏电池板数量,则逆变器和蓄电池也相应增加。其缺点是更换蓄电池造价较高。

4.2 户用风力提水、风光互补发电及辅助取暖三用系统。

本系统以FD2000型风力发电提水机为核心,辅助配套450wp太阳电池组件。

大功率风力机可以不通过蓄电池而直接驱动水泵和发热器工作,明显降低了用户使用成本。同时再从2000W的风机功率中抽取500W,与太阳能光伏电池联网组成风光互补系统,用于带动家用电器。在满足户用家电的前提下,逆变器和蓄电池的投资降到了最低。

本系统的最大优势在于通过电脑模块智能控制系统直接将专用发电机与专用交流变频潜水泵匹配组成了风力发电提水机。解决了长期以来由于水泵与风轮扭矩特性差异大、功率不能在一个区间吻合的难题,使机组从启动到额定风速之间基本能够在高效工况下工作,实现了水泵从柔性启动到最大功率之间的平稳工作。该机性能特点可以概括描述为“具有能够脱开蓄电池并使用交流潜水电泵变速提水功能的智能型发电、提水及取暖多用系统”。系统配套参数及设备价格如下:

◦2000W输出为三相380V的风力发电机组,1台,价格14500元；

◦300wp太阳能光伏电池组件,1套,价格4800元；

◦2000W 提水智能控制系统,1台,价格2000元；

◦2000W 自动卸荷保护器1台,价格500元；

◦600W单相逆变器,1台,价格1800元；

◦DC48V200Ah胶体免维护蓄电池,2块,价格3800元；

◦QD3-18-0.55潜水电泵 1台。扬程18M,流量3m3/h,功率0.55KW,价格800元；

◦2000W 发热壁画1块,价格1200元；

◦附属设备,1套,价格1800元；

◦税金利润,3800元；

◦合计35000元。(运输安装另计)

5 户用风力提水、风光互补发电及辅助取暖三用系统功能及使用范围

◦直接提水功能:

由于本机组发电机的输出是380V的三相交流电,输出频率为35～55HZ,因此本机组的发电机可以不经过中间环节直接驱动三相异步电动机的潜水电泵、离心电泵提水,且提水量大。当风速达到5M/S时,智能控制器自动异通潜水泵提水电路；达到12M/S最大风速时,卸荷保护与机械偏尾同时起作用,有效的保护了风力机。◦发电与供电功能:

人工关闭“风力提水控制箱“里的提水电路,开启充电电路,则风力发电机组发出的380V电流经过三相小功率变压器将电压降低到48V后向蓄电池充电,而太阳电池组件则始终直接向蓄电池充电。这样风机、太阳电池组件通过智能化控制器与蓄电池、逆变器就共同组成独立运行的离网型风光互补电发电系统。输出50HZ的单相220VA交流电,供彩电和照明等日常使用。由于家用电器负载总功率较小,可以明显的提高蓄电池的使用寿命。◦辅助取暖功能:

本系统采用FD2000型大功率专用风力发电机配套若干组远红外电暖壁画构成。发电机在8M/S风速时的额定功率为2000W,在12M/S风速时的最大功率25000W,配套发热器的额定功率为1500W。能满足牧区家庭、棚圈的辅助取暖。

远红外电暖壁画是一种环保、舒适、节能的新型取暖器具,采用国际上新型高科技碳纤维发热材料,电热转换率高达98%。升温快,通电后短时间内表面温度可恒定在80度左右,使用寿命在10年以上。传热方式为红外线辐射出热。经过特殊处理后的绝缘强度可达到 3750V,泄漏电流＜0.25mA,使用安全可靠。

6 户用风力提水、风光互补发电及辅助取暖三用系统的主要创新点

本系统利用智能化控制器,将风力发电提水机、取暖机及小型风光互补发电系统科学的配成一机三用系统由于将蓄电变为储存水,大大减少了蓄电池容量和逆变器的功率,就同样功率的机型来说,成本价远低于逆变器提水型多用系统,也远低于使用提水与发电两套系统。

风力机和太阳能光伏发电结合组成混合供电系统,提高了供电系统的可靠性。风能和太阳能在时间上、季节上都有很强的互补性,风力机和太阳能电池组成混合独立供电系统更有效地利用自然资源(太阳能、风能),可达到提高系统供电可靠性的目的。在太阳能电池的独立供电系统中,蓄电池的寿命问题一直制约着太阳能的应用。系统并入风力机后可改善蓄电池的充电特性,提高蓄电池的寿命。

风力机的千瓦单位成本只是光伏发电的1/4左右,风力机同太阳能电池组成混合供电系统后,系统成本可大幅降低,使供电系统更具有很好的市场推广价值。