风光互补供电系统在内蒙古无电地区的应用

文|赵博文，杨茂荣，邬元，赵恺

风光互补供电系统在内蒙古无电地区的应用

文|赵博文，杨茂荣，邬元，赵恺

能源是人类社会生存与发展的物质基础，也是国民经济发展的重要保障。在过去的200多年里，以非可再生能源为基础的能源体系极大地推动了人类社会的发展。但是，随着化石燃料消耗的飞速增长，环境日益恶化，资源日渐匮乏。充分利用可再生的清洁能源成为解决全球能源危机和由化石能源利用引发的环境危机的必由之路。风能和太阳能是最具代表性的可再生能源，也是目前研究开发的重点。风能和太阳能在时间上的互补性，使风光互补供电系统成为利用风能、太阳能光伏发电解决偏远无电地区用电问题较理想的应用模式，其应用越来越广泛。

内蒙古自治区地域广阔，偏远无电地区人口居住分散且用电负荷小，通过常规电网的延伸来解决这些地区的用电问题很不现实。但内蒙古自治区的风能、太阳能资源十分丰富，适宜采用风光互补发电技术解决偏远无电地区的用电问题。

风光互补供电系统简介

风光互补供电系统是指将风能和太阳能结合起来，利用两种能源在时间上的互补特性进行发电供电的风能、太阳能利用模式。风能、太阳能是可再生的清洁能源，取之不尽、用之不竭，因此风光互补发电是一种新型的绿色环保且可持续的发电方式。

风光互补供电系统按其用电负荷大小分为户用型和集中型两类应用模式。户用型风光互补供电系统适用于一家一户式的用电需求，集中型风光互补供电系统适用于用户比较集中的村、镇等的用电需求，用户数量一般为几户至数百户。

图1 户用型风光互补供电系统

图2 集中型风光互补供电系统

一、风光互补供电系统的构成与工作原理

风光互补供电系统主要由风力发电机组、光伏阵列、充电控制器、蓄电池组、逆变器构成。系统构成如图1、图2所示。

系统工作原理：风力发电机组产生与系统电压相适应的交流电，通过充电控制器转换成与系统电压相适应的直流电，连接到蓄电池组和逆变器；光伏阵列产生与系统电压相适应的直流电，通过充电控制器连接到蓄电池组和逆变器。逆变器将风力发电机组和光伏阵列输入的直流电转换为220V、50Hz交流电供给交流负载。蓄电池组将负载未能消耗的多余电能储存备用。当风力发电机组和光伏阵列发电不足时，负载消耗的电能由蓄电池组补充；当风力发电机组和光伏阵列不发电时，储存在蓄电池组中的直流电通过逆变器转换为220V、50Hz交流电供给交流负载。

二、风光互补供电系统的特点

由于自然界的风时大时小，时断时续，其风力及连续性变化比较大，特别是风能资源不太丰富的地区，就存在着无风期或风力较弱期。同样，太阳光照强弱也受到季节性等变化和天气的影响。单一的风力供电系统或太阳能光伏供电系统，由于没有足够的风能或太阳能供给，因而其发电量不能够保证用户的正常用电需求。利用风能发电和太阳能光伏发电，组成“风光互补供电系统”，就能很好地解决这一问题。

与单一的风力供电系统或太阳能光伏供电系统比较，风光互补供电系统具有以下特点：

1.风光互补供电系统能够充分发挥风能、太阳能两种能源的互补优势，弥补单一能源的不足，从而提高系统供电的可靠性。

2.风光互补供电系统可以根据当地风能、太阳能资源状况，合理配置风电和光电容量，在保证用户正常用电需求的情况下减少系统投资，提高系统性价比。

3.风光互补供电系统还可以根据当地风能、太阳能资源状况和用户的经济条件，优化配置风电和光电容量，进一步提高系统供电的可靠性。

内蒙古地区的风能、太阳能资源情况

一、风能资源

内蒙古具有得天独厚的地理优势和气候优势。全区风能丰富区和较丰富区面积大、分布范围广，占全区总面积的80%，风能稳定度高、连续性好。这为内蒙古利用风能资源提供了有利的条件。

内蒙古大部分地区属温带大陆性季风气候，处在北半球盛行的西风带上。全区理论可开发风能储量为78690万千瓦，技术可开发风能储量为6180万千瓦，占全国总风能储量的24.4%，居中国首位。中部和西部地区的理论可开发风能储量为64376万千瓦，技术可开发风能储量为5056万千瓦；北部地区的理论可开发风能储量为14313万千瓦，技术可开发风能储量为1124万千瓦。

二、太阳能资源

内蒙古不仅有储量巨大的风能资源，太阳能资源也很丰富。内蒙古海拔较高，日照充足，干旱少云，光辐射强，日照时数也较多。辐射量为每平方米4800－6400兆焦耳，年日照时数为2600－3200小时，是全国的高值地区之一。全区年总辐射量在每平方米5500兆焦耳以上的太阳能丰富地区和年总辐射量在每平方米5000兆－5500兆焦耳之间的太阳能较丰富地区所占面积为72万平方公里，约占全区总面积的61%。全区太阳能资源的分布自东部向西南增多，以巴彦淖尔市西部及阿拉善盟最多，太阳能总辐射量高达每平方米6490兆－6992兆焦耳，仅次于青藏高原，居中国第二位。

三、风能和太阳能资源的互补性

太阳能是地球上一切能源的来源，太阳照射着地球的每一片土地。风能是太阳能在地球表面的另外一种表现形式，由于地球表面的不同形态（如沙土地面、植被地面和水面）对太阳光照的吸热系数不同，在地表形成温差，进而形成空气对流产生风能。因此，风能与太阳能在时间上和季节上都有很强的互补性：白天太阳光照好，风小，晚上无光照，风较强；夏季太阳光照强度大而风小，冬季太阳光照强度弱而风大。内蒙古地区的风能、太阳能资源同样具有这样的互补特性。

以内蒙古四子王旗某地点的风能、太阳能资源来说明二者的互补性。该地点位于北纬42º、东经111º，其月均风速和太阳能各月的日均辐射曲线如图3所示。图3表明，该地点在全年大部分时间，风力较弱时，太阳能辐射较强，而风力较强时，太阳能辐射较弱。由此可看出，该地点的风能和太阳能资源具有很好的互补性。

风光互补供电系统在内蒙古无电地区的应用

风光互补供电系统广泛应用于内蒙古无电地区的农牧民分散住户和集中住户、边防连队和哨所、边防武警派出所以及通信基站等用电场所，为用户提供生活用电和通信设施等的用电。

一、风光互补供电系统的配置与用电负载

（一）户用型风光互补供电系统的配置与用电负载

户用型风光互补供电系统最常用、最典型的配置，是以1台300W、500W或1kW风力发电机组为基础，与一定容量的太阳能光伏组件构成系统的发电设备，以几百安时的阀控密封式蓄电池组构成系统的储能设备，以1台600VA或1kVA或2kVA逆变器构成系统的逆变控制设备。最典型的系统配置有三种类型，如表1。对于用户的特殊用电需求，系统配置需进行具体设计。用户常用的用电负载和基本要求，如表2。

（二）集中型风光互补供电系统的配置与用电负载

1.系统配置

图3 北纬42º、东经111º地点的年均风速与太阳能日辐射曲线

表1 户用型风光互补供电系统典型配置

表2 户用型风光互补供电系统用电负载及基本要求

集中型风光互补供电系统的配置，需根据系统安装地点的风能和太阳能资源、用电负荷大小及用户的用电要求进行设计。通常风力发电机组配置1台至数台，额定功率为500W－50kW，光伏组件配置几百瓦至几百千瓦。具体风力发电机组和光伏组件的容量需根据用户日均用电量设计，蓄电池组容量根据无风、无光时系统仍需供电的天数设计，逆变器容量根据同时运行负载的总功率设计。

2.用电负载

集中型风光互补供电系统的用电负载较户用型风光互补供电系统的用电负载范围广，包括功率较大、数量较多的生活类电器、潜水泵，还有厨房用设备、通信设备等。

二、风光互补供电系统运行情况分析

以内蒙古四子王旗安装的1套Ⅱ型户用型风光互补供电系统为例，分析系统运行情况。

四子王旗系统安装地点位于北纬42º、东经111º，该地点的月均风速和太阳能各月的日均辐射曲线如图3所示。图3表明，该地点的风能和太阳能资源具有很好的互补性。

系统主要设备配置及其技术参数：

系统额定直流电压：48V DC

系统交流输出额定电压： 220V AC/50Hz，正弦波

风力发电机组： 500W/DC 56V

光伏组件：400Wp

充电控制器：30A/DC 48V

蓄电池组（阀控密封式）：4×200Ah/12V

逆 变 器：1kVA/DC 48V，220V AC/50Hz，正弦波

500W风力发电机组各月的平均日发电量如表3所示。400Wp光伏组件的安装方向为正南，且与水平面的夹角为40º，各月的平均日发电量如表4所示。500W风力发电机组和400Wp太阳电池组的日发电量曲线如图4所示。

表3 500W风力发电机组各月的平均日发电量

表4 400Wp光伏组件各月的平均日发电量

表5 系统各月的日平均供电量

图4 系统发电设备的日发电量曲线

考虑到系统各个环节的能量损耗，系统实际供给用电负载的日供电量等于系统发电设备的日发电量乘以系统的能量转换效率。在该系统中，蓄电池的能量效率为80%，充电控制器效率为95%，逆变器效率为85%，线路损耗为5%，因此，系统能量转换效率为61.4%，系统各月的日平均供电量如表5所示。

用户基本用电情况如表6。根据用户实际用电要求，在进行系统设计时，对用电负载的同步使用情况进行了合理的调配，具体为：（1）节能灯、录像机、收录机、25英寸彩色电视机、卫星接收器、电冰柜、电鼓风机、电风扇、治疗仪可同时使用；（2）使用电熨斗时，除电冰柜以外不能使用其他用电负载；（3）洗衣机和潜水泵须分别单独使用，不能与其他用电负载同时使用。该系统同时使用的用电负载总功率最大为655W，符合逆变器的技术要求。

系统日供电量与负载日用电量的对比曲线如图5所示。由曲线可看出，全年系统供电量的最小值出现在8月份，但均可满足负载的用电需求。系统经过几年的运行，能够满足用户的实际用电需求，除照明、看电视、使用电冰柜等日用电器外，每天的人畜饮水基本由系统电力泵水，不再用人力提水。充分证明系统配置合理，运行效果良好。

表6 用户基本用电情况

图5 系统日供电量与负载日用电量的对比曲线

结论

内蒙古地区有丰富的风能和太阳能资源，且二者具有很好的互补性，具备风光互补供电技术应用的基本条件。

风光互补供电系统利用可再生的清洁能源供电，对环境无污染，且可持续发展。它投资少、见效快，且占地面积小，应用灵活便捷。一个家庭、一个村庄、一个区域，无论个人、集体均可采用。

迄今风光互补供电系统已普遍应用于内蒙古无电地区，解决了内蒙古无电地区的基本用电问题。实践证明，采用风光互补供电是实现内蒙古无电地区电力供应的有效途径。

（作者单位：中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院）