农村家庭使用风力发电系统设计研究

杨 怡

（西昌学院，四川 西昌 615000）

据世界气象组织和中国气象局气象科学研究院分析，地球上可利用的风能资源为200亿kW，是地球上可利用水能资源的20倍。随着世界工业化的迅速发展，不可再生能源消耗量不断增加，有害物质的排放量日益增长，当今世界面临能源与环境两大重要问题［1］。为了有效缓解能源危机以及所引发的环境问题，人们越来越认识到发展清洁可再生能源的重要性。所以，风力发电的研究及普及使用对整个世界都是十分重要且具有现实意义的。不仅在国家层面上需要大力发展风力发电产业，在风能发达的地区修建风力发电站，而且可以以家庭为单位，建立小型风力发电塔供部分家庭用电器使用，以达到合理利用资源、开发清洁能源的目的。

1 设计选址

本设计选择了一个位于美国新墨西哥州的名为克莱顿的小城市（新墨西哥州联合县克莱顿，邮编88415），可以得到这个城市从2017年1月1日至12月31日每天的风速，如表1所示。

表1 2017年克莱顿城每月的风速

2 风力系统

2.1 风力发电机

本设计是适用于供部分家用电器使用的小型发电机，所以选择了2种适合家用的价格适中的小型风力发电机。表2为2种风力发电机的具体产品参数。

表2 2种风机产品参数

2.2 风力发电机设计计算

2.2.1 预计算。根据网站提供数据可以得到2017年每天的风速，本设计需要计算每个月的平均风速。假设在Rayleigh分布和标准条件下，可以知道每台风机的切入风速和切出风速。使用MATLAB代码计算2017年每个风力发电机的总工作时间TWH。

SF-600-3 型风机，vin=3.500 m/s，vout=14.998 m/s，TWH1=6379.1 h。

GH-700W 型风机，vin=2.499 m/s，vout=24.998 m/s，TWH2=7444.6 h。

2.2.2 容量系数CF。风力发电机容量系数CF为一年内风力发电机预测输出能量与其按照额定功率运行输出的能量的比值。由于本设计是供家庭使用的风力发电机，所以采用简单公式来进行容量系数结果的估算［2，3］。

2.2.3 年发电量PAED。PAED=WH×PR×CF，SF-600-3型风机PAED1=571 kW·h，GH-700W2型风机PAED2=1527kW·h。

2.2.4 风力发电系统成本。一个完整的家用风力发电系统由风力发电机、发电塔、逆变器组成。本设计选用的2个风力发电机都附带有一个控制器，因此还需要一个逆变器、一个发电塔和一个蓄电池。

2.2.4.1 风力发电机成本WTC。SF-600-3型风机WTC1=$320，GH-700W型风机WTC2=$471。

2.2.4.2 发电塔成本TC。本设计选择不锈钢管作为风力发电塔。考虑到系统的稳定性，管子的质量至少应为涡轮机质量的1/2。不锈钢管价格为2$/kg。

SF-600-3型风机，mturbine=8.5 kg，mtower=5 kg，发电塔成本为TC1=5×2=$10。

GH-700W型风机，mturbine=14.5 kg，mtower=8 kg，发电塔成本为TC2=8×2=$16。

2.2.4.3 蓄电池成本BC。SF-600-3型风机，选择S00251型铅酸蓄电池BC1=$194；GH-700W型风机，选择SLR125型铅酸蓄电池，BC2=$260。

2.2.4.4 逆变器成本IC。SF-600-3型风机的额定功率为400 W，选择600 W的S－600G型号逆变器，IC1=$177。GH-700W型风机的额定功率为700 W，选择1 kW的型号为S－1000G的逆变器，IC2=$258。

2.2.4.5 资本成本CC。本设计中的家庭风力发电设备的资本成本由风力发电机成本、发电塔成本、蓄电池成本及逆变器成本构成［4］，CC=WTC+TC+BC+IC。SF-600-3型风机CC1=$701，GH-700W型风机CC2=$1005。

2.2.4.6 年度资本成本ACC。年度资本成本ACC=CC×CRF，其中CRF=［i×（i+1）n］/［（i+1）n-1］。对于一个家用风力发电机，式中i=1158，n=10，所以CRF=［0.1158×（0.1158+1）10］/［（0.1158+1）10-1］=0.174。SF-600-3型ACC1=$121.97，GH-700W型ACC2=$174.87。

2.2.5 运行维护成本O&MC。O&MC=$0.007×PAED，SF-600-3型风机O&MC=$4.00，GH-700W型风机O&MC=$10.69。

2.2.6 年平均化能源成本LCOE。年平均化能源成本LCOE=（ACC+O&MC）/PAED［5］，对于SF-600-3型风机LCOE1=0.221$/kW·h，GH-700W型风机LCOE1=0.122$/kW·h。

通过之前的计算可以得出SF-600-3型风机的平均化能源成本高于GH-700W2型风机，所以本设计将会选择GH-700W作为风力发电机供居民生产家庭部分电力使用。

3 结语

随着不可再生化石能源的减少以及日益凸显的环境气候变化问题，世界各国都在大力进行风力、光能等新能源的开发。我国的传统电网也正在逐渐向新能源电力系统转变，除了在风力资源丰富的地区大力建造风力发电厂外，还可以为部分家庭特别是农村家庭安装小型发电机以供家庭部分用电器使用。如果在风力资源丰富的农村地区大力发展家用风力发电装置，不仅可以减轻电网的供电负担，而且可以为居民降低生活花销。