能源是人類社會(huì)生存與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障。在過(guò)去的200 多年里，以非可再生能源為基礎(chǔ)的能源體系極大地推動(dòng)了人類社會(huì)的發(fā)展。但是，隨著化石燃料消耗的飛速增長(zhǎng)，環(huán)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(jī)和由化石能源利用引發(fā)的環(huán)境危機(jī)的必由之路。風(fēng)能和太陽(yáng)能是最具代表性的可再生能源，也是目前研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。風(fēng)能和太陽(yáng)能在時(shí)間上的互補(bǔ)性，使風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)成為利用風(fēng)能、太陽(yáng)能光伏發(fā)電解決偏遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)用電問(wèn)題較理想的應(yīng)用模式，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
內(nèi)蒙古自治區(qū)地域廣闊，偏遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)人口居住分散且用電負(fù)荷小，通過(guò)常規(guī)電網(wǎng)的延伸來(lái)解決這些地區(qū)的用電問(wèn)題很不現(xiàn)實(shí)。但內(nèi)蒙古自治區(qū)的風(fēng)能、太陽(yáng)能資源十分豐富，適宜采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)解決偏遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)的用電問(wèn)題。
風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)簡(jiǎn)介
風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)是指將風(fēng)能和太陽(yáng)能結(jié)合起來(lái)，利用兩種能源在時(shí)間上的互補(bǔ)特性進(jìn)行發(fā)電供電的風(fēng)能、太陽(yáng)能利用模式。風(fēng)能、太陽(yáng)能是可再生的清潔能源，取之不盡、用之不竭，因此風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電是一種新型的綠色環(huán)保且可持續(xù)的發(fā)電方式。
風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)按其用電負(fù)荷大小分為戶用型和集中型兩類應(yīng)用模式。戶用型風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)適用于一家一戶式的用電需求，集中型風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)適用于用戶比較集中的村、鎮(zhèn)等的用電需求，用戶數(shù)量一般為幾戶至數(shù)百戶。
一、風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的構(gòu)成與工作原理
風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏陣列、充電控制器、蓄電池組、逆變器構(gòu)成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1、圖2 所示。
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系統(tǒng)工作原理：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生與系統(tǒng)電壓相適應(yīng)的交流電，通過(guò)充電控制器轉(zhuǎn)換成與系統(tǒng)電壓相適應(yīng)的直流電，連接到蓄電池組和逆變器；光伏陣列產(chǎn)生與系統(tǒng)電壓相適應(yīng)的直流電，通過(guò)充電控制器連接到蓄電池組和逆變器。逆變器將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和光伏陣列輸入的直流電轉(zhuǎn)換為220V、50Hz 交流電供給交流負(fù)載。蓄電池組將負(fù)載未能消耗的多余電能儲(chǔ)存?zhèn)溆谩．?dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和光伏陣列發(fā)電不足時(shí)，負(fù)載消耗的電能由蓄電池組補(bǔ)充；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和光伏陣列不發(fā)電時(shí)，儲(chǔ)存在蓄電池組中的直流電通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換為220V、50Hz交流電供給交流負(fù)載。
二、風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的特點(diǎn)
由于自然界的風(fēng)時(shí)大時(shí)小，時(shí)斷時(shí)續(xù)，其風(fēng)力及連續(xù)性變化比較大，特別是風(fēng)能資源不太豐富的地區(qū)，就存在著無(wú)風(fēng)期或風(fēng)力較弱期。同樣，太陽(yáng)光照強(qiáng)弱也受到季節(jié)性等變化和天氣的影響。單一的風(fēng)力供電系統(tǒng)或太陽(yáng)能光伏供電系統(tǒng)，由于沒(méi)有足夠的風(fēng)能或太陽(yáng)能供給，因而其發(fā)電量不能夠保證用戶的正常用電需求。利用風(fēng)能發(fā)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電，組成“風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)”，就能很好地解決這一問(wèn)題。
與單一的風(fēng)力供電系統(tǒng)或太陽(yáng)能光伏供電系統(tǒng)比較，風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：
1. 風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮風(fēng)能、太陽(yáng)能兩種能源的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)單一能源的不足，從而提高系統(tǒng)供電的可靠性。
2. 風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)能、太陽(yáng)能資源狀況，合理配置風(fēng)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(tǒng)投資，提高系統(tǒng)性價(jià)比。
3. 風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)還可以根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)能、太陽(yáng)能資源狀況和用戶的經(jīng)濟(jì)條件，優(yōu)化配置風(fēng)電和光電容量，進(jìn)一步提高系統(tǒng)供電的可靠性。
內(nèi)蒙古地區(qū)的風(fēng)能、太陽(yáng)能資源情況
一、風(fēng)能資源
內(nèi)蒙古具有得天獨(dú)厚的地理優(yōu)勢(shì)和氣候優(yōu)勢(shì)。全區(qū)風(fēng)能豐富區(qū)和較豐富區(qū)面積大、分布范圍廣，占全區(qū)總面積的80%，風(fēng)能穩(wěn)定度高、連續(xù)性好。這為內(nèi)蒙古利用風(fēng)能資源提供了有利的條件。
內(nèi)蒙古大部分地區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，處在北半球盛行的西風(fēng)帶上。全區(qū)理論可開(kāi)發(fā)風(fēng)能儲(chǔ)量為78690萬(wàn)千瓦，技術(shù)可開(kāi)發(fā)風(fēng)能儲(chǔ)量為6180萬(wàn)千瓦，占全國(guó)總風(fēng)能儲(chǔ)量的24.4%，居中國(guó)首位。中部和西部地區(qū)的理論可開(kāi)發(fā)風(fēng)能儲(chǔ)量為64376萬(wàn)千瓦，技術(shù)可開(kāi)發(fā)風(fēng)能儲(chǔ)量為5056萬(wàn)千瓦；北部地區(qū)的理論可開(kāi)發(fā)風(fēng)能儲(chǔ)量為14313萬(wàn)千瓦，技術(shù)可開(kāi)發(fā)風(fēng)能儲(chǔ)量為1124萬(wàn)千瓦。
二、太陽(yáng)能資源
內(nèi)蒙古不僅有儲(chǔ)量巨大的風(fēng)能資源，太陽(yáng)能資源也很豐富。內(nèi)蒙古海拔較高，日照充足，干旱少云，光輻射強(qiáng)，日照時(shí)數(shù)也較多。輻射量為每平方米4800－6400兆焦耳，年日照時(shí)數(shù)為2600－3200小時(shí)，是全國(guó)的高值地區(qū)之一。全區(qū)年總輻射量在每平方米5500兆焦耳以上的太陽(yáng)能豐富地區(qū)和年總輻射量在每平方米5000兆－5500兆焦耳之間的太陽(yáng)能較豐富地區(qū)所占面積為72萬(wàn)平方公里，約占全區(qū)總面積的61%。全區(qū)太陽(yáng)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(yáng)能總輻射量高達(dá)每平方米6490兆－6992兆焦耳，僅次于青藏高原，居中國(guó)第二位。
三、風(fēng)能和太陽(yáng)能資源的互補(bǔ)性
太陽(yáng)能是地球上一切能源的來(lái)源，太陽(yáng)照射著地球的每一片土地。風(fēng)能是太陽(yáng)能在地球表面的另外一種表現(xiàn)形式，由于地球表面的不同形態(tài)（如沙土地面、植被地面和水面）對(duì)太陽(yáng)光照的吸熱系數(shù)不同，在地表形成溫差，進(jìn)而形成空氣對(duì)流產(chǎn)生風(fēng)能。因此，風(fēng)能與太陽(yáng)能在時(shí)間上和季節(jié)上都有很強(qiáng)的互補(bǔ)性：白天太陽(yáng)光照好，風(fēng)小，晚上無(wú)光照，風(fēng)較強(qiáng)；夏季太陽(yáng)光照強(qiáng)度大而風(fēng)小，冬季太陽(yáng)光照強(qiáng)度弱而風(fēng)大。內(nèi)蒙古地區(qū)的風(fēng)能、太陽(yáng)能資源同樣具有這樣的互補(bǔ)特性。
以內(nèi)蒙古四子王旗某地點(diǎn)的風(fēng)能、太陽(yáng)能資源來(lái)說(shuō)明二者的互補(bǔ)性。該地點(diǎn)位于北緯42o、東經(jīng)111o，其月均風(fēng)速和太陽(yáng)能各月的日均輻射曲線如圖3 所示。圖3 表明，該地點(diǎn)在全年大部分時(shí)間，風(fēng)力較弱時(shí)，太陽(yáng)能輻射較強(qiáng)，而風(fēng)力較強(qiáng)時(shí)，太陽(yáng)能輻射較弱。由此可看出，該地點(diǎn)的風(fēng)能和太陽(yáng)能資源具有很好的互補(bǔ)性。
風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)在
內(nèi)蒙古無(wú)電地區(qū)的應(yīng)用
風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于內(nèi)蒙古無(wú)電地區(qū)的農(nóng)牧民分散住戶和集中住戶、邊防連隊(duì)和哨所、邊防武警派出所以及通信基站等用電場(chǎng)所，為用戶提供生活用電和通信設(shè)施等的用電。
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一、風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的配置與用電負(fù)載
（一）戶用型風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的配置與用電負(fù)載
戶用型風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)最常用、最典型的配置，是以1 臺(tái)300W、500W 或1kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為基礎(chǔ)，與一定容量的太陽(yáng)能光伏組件構(gòu)成系統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備，以幾百安時(shí)的閥控密封式蓄電池組構(gòu)成系統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)備，以1 臺(tái)600VA 或1kVA 或2kVA 逆變器構(gòu)成系統(tǒng)的逆變控制設(shè)備。最典型的系統(tǒng)配置有三種類型，如表1。對(duì)于用戶的特殊用電需求，系統(tǒng)配置需進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。用戶常用的用電負(fù)載和基本要求，如表2。
（二）集中型風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的配置與用電負(fù)載
1.系統(tǒng)配置
集中型風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的配置，需根據(jù)系統(tǒng)安裝地點(diǎn)的風(fēng)能和太陽(yáng)能資源、用電負(fù)荷大小及用戶的用電要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。通常風(fēng)力發(fā)電機(jī)組配置1 臺(tái)至數(shù)臺(tái)，額定功率為500W －50kW，光伏組件配置幾百瓦至幾百千瓦。具體風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和光伏組件的容量需根據(jù)用戶日均用電量設(shè)計(jì)，蓄電池組容量根據(jù)無(wú)風(fēng)、無(wú)光時(shí)系統(tǒng)仍需供電的天數(shù)設(shè)計(jì)，逆變器容量根據(jù)同時(shí)運(yùn)行負(fù)載的總功率設(shè)計(jì)。
2.用電負(fù)載
集中型風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的用電負(fù)載較戶用型風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的用電負(fù)載范圍廣，包括功率較大、數(shù)量較多的生活類電器、潛水泵，還有廚房用設(shè)備、通信設(shè)備等。
二、風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)運(yùn)行情況分析
以內(nèi)蒙古四子王旗安裝的1套Ⅱ型戶用型風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)為例，分析系統(tǒng)運(yùn)行情況。
四子王旗系統(tǒng)安裝地點(diǎn)位于北緯42o、東經(jīng)111o，該地點(diǎn)的月均風(fēng)速和太陽(yáng)能各月的日均輻射曲線如圖3所示。圖3 表明，該地點(diǎn)的風(fēng)能和太陽(yáng)能資源具有很好的互補(bǔ)性。
系統(tǒng)主要設(shè)備配置及其技術(shù)參數(shù)：
系統(tǒng)額定直流電壓：48V DC
系統(tǒng)交流輸出額定電壓： 220VAC/50Hz，正弦波
風(fēng)力發(fā)電機(jī)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，220VAC/50Hz，正弦波
500W 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各月的平均日發(fā)電量如表3所示。400Wp 光伏組件的安裝方向?yàn)檎希遗c水平面的夾角為40o，各月的平均日發(fā)電量如表4 所示。500W 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和400Wp 太陽(yáng)電池組的日發(fā)電量曲線如圖4 所示。
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考慮到系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的能量損耗，系統(tǒng)實(shí)際供給用電負(fù)載的日供電量等于系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備的日發(fā)電量乘以系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。在該系統(tǒng)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(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率為61.4%，系統(tǒng)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(jù)用戶實(shí)際用電要求，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)用電負(fù)載的同步使用情況進(jìn)行了合理的調(diào)配，具體為：（1）節(jié)能燈、錄像機(jī)、收錄機(jī)、25 英寸彩色電視機(jī)、衛(wèi)星接收器、電冰柜、電鼓風(fēng)機(jī)、電風(fēng)扇、治療儀可同時(shí)使用；（2）使用電熨斗時(shí)，除電冰柜以外不能使用其他用電負(fù)載；（3）洗衣機(jī)和潛水泵須分別單獨(dú)使用，不能與其他用電負(fù)載同時(shí)使用。該系統(tǒng)同時(shí)使用的用電負(fù)載總功率最大為655W，符合逆變器的技術(shù)要求。
系統(tǒng)日供電量與負(fù)載日用電量的對(duì)比曲線如圖5 所示。由曲線可看出，全年系統(tǒng)供電量的最小值出現(xiàn)在8月份，但均可滿足負(fù)載的用電需求。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)幾年的運(yùn)行，能夠滿足用戶的實(shí)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(tǒng)電力泵水，不再用人力提水。充分證明系統(tǒng)配置合理，運(yùn)行效果良好。
結(jié)論
內(nèi)蒙古地區(qū)有豐富的風(fēng)能和太陽(yáng)能資源，且二者具有很好的互補(bǔ)性，具備風(fēng)光互補(bǔ)供電技術(shù)應(yīng)用的基本條件。
風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)利用可再生的清潔能源供電，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，且可持續(xù)發(fā)展。它投資少、見(jiàn)效快，且占地面積小，應(yīng)用靈活便捷。一個(gè)家庭、一個(gè)村莊、一個(gè)區(qū)域，無(wú)論個(gè)人、集體均可采用。
迄今風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)已普遍應(yīng)用于內(nèi)蒙古無(wú)電地區(qū)，解決了內(nèi)蒙古無(wú)電地區(qū)的基本用電問(wèn)題。實(shí)踐證明，采用風(fēng)光互補(bǔ)供電是實(shí)現(xiàn)內(nèi)蒙古無(wú)電地區(qū)電力供應(yīng)的有效途徑。（作者單位：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院呼和浩特分院）
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