微风电与光伏相结合的分布式发电系统

王建瓯 魏立东

（1浙江苍南县农村能源办公室，浙江 温州 325800；2浙江迪飞辛农业开发有限公司，浙江 杭州310021。）

1 引 言

风能和太阳能是人类取之不竭、用之不尽的能源资源，是最具推广前景的环保洁净的可再生能源，受到世界各国的重视，在发达国家逐渐取代传统能源，在我国对风能和太阳能的开发才刚刚开始。

由于风能和太阳能在时间上、地域上和经济上都有一定的互补性，风能和太阳能近年越来越多的用于互补发电。但常规水平轴风能和太阳能都具有能量密度低、稳定性差的弱点，并受到地理分布、季节变化、昼夜交替等影响，而基于微风和太阳能的分布式发电系统就不存在这样的缺陷，可实现昼夜不间断发电，如果把该系统应用到无电人口地区，效果将非常显著，特别是因距离远、电网架设成本高、迁移频繁、线路易被盗、防火等各种原因，在林场、海岛、哨所、草原、沙漠、山区、乡村等无电地区，还有大量小型企业、家庭用户生活在无电状态，使从业人员长期无法享受电视、音响、信息、娱乐等现代文明的生活。

2 发电系统的组成和原理

微风发电与太阳能光伏发电相结合的供电系统。主要由微风发电机、太阳能电池阵列、蓄电池组、充电控制器、逆变器、监控系统等组成。微风发电机及太阳能电池阵列发出的电流通过控制器贮存在蓄电池中。当负载用于直流电时，通过控制器将直流电直接输送给负载；当负载用于交流电时，则需要经逆变器将直流电转变为交流电再输送给负载。

2.1 微风发电系统

微风发电系统是与传统风轮水平风力发电机完全不同的新型垂直轴风力发电设备[1]。这种创新型风力发电机就是根据帆船在海上航行利用风能的原理，将风帆安装于发电机转子同轴的鼠笼上，利用风能对风帆的压力，推动风帆转动，从而带动发电机转子转动，实现风能转化成机械能再转换成电能的过程。其结构简单，安装方便，故障率低，维护简便。由于适应低风速运行，发电又不受风力影响（360度自由旋转），只要有风，24小时发电，风力发电效率高达90%以上。由于在风帆上增设离心式机械自动恒速装置，省去了复杂自动调速、调压系统，同时采用升力及阻力相结合的运转方式、既能在风速1.5m/s时发电，又能抗最大风速60m/s环境中照常运行发电。

2.2 太阳能光伏发电系统

太阳电池的发电原理是利用光入射于半导体时所引起的光电效应，光伏电池的基本特性 和二极管类似，可以用简单的PN结来说明，当具有适当能量的光子入射于半导体时，光与构成半导体的材料相互作用产生电子和空穴(因失去电子而带正的电荷)，如半导体中存在PN结，则电子向N型半导体扩散，空穴向P型半导体扩散，并分别聚集于两个电极部分，即负电荷和正电荷聚集于两端，如用导线连接这两个电极，就有电荷流动产生电能。利用这一原理，可将光能转化为电能储存起来，通过调节与控制技术，将电能变换为各种需要的标准，以满足不同负载的需要。

3 技术创新

1）优化设计微风发电机结构，采用风帆片，水平旋转发电，微风（1.5级风）即可启动发电，充分利用风动力，提高风能利用率，年发电量多。在微风发电基础上配置光伏组件，构成微风电和光伏相结合的分布式发电系统，可根据用户和使用地区不同需求进行定制。

2）改常规螺旋桨水平轴风向为风帆片垂直轴风向，无需调向对向结构，提高风机使用安全系数，降低用户架设费用。

3）优化设计风机抗强风能力。发电机在低速运转时，风叶呈下垂 10 度角准水平运转；当在强风状况下，因加速离心的原理，风叶可自动呈水平状态旋转，使同心度达到最佳状态，阻力小；同时控制电路根据风力情况能自动保护，故风再大，也不会造成过充电损机事故。优化微风发电机结构设计，在 1.5级风状况下发电机可启动工作，达到微风发电的目的；在强风状况下，发电机可自动保护到不发电的状况，确保发电机安全不损坏。

4）优化设计系统配套风光互补型正弦波控制逆变器，改善负载适应性，并具有过压、欠压、过载、短路、反接、防雷等自动保护功能，声光指示报警。

5）发电系统结构简单，安装方便，故障率低，维护简便，占地省，由于风叶水平运转，发电工作时无电子波产生，故可方便地安装于屋顶、平台、立杆和地面上，一般架高4m以上即可。

6）风机外壳和风叶，设计采用玻璃钢和抗老化优质塑料制成，内部重要构件采用铝合金成型，故轻便、牢固、耐用、美观，使用寿命达15年以上。

4 系统配置方案

该系统由于配置了太阳能光伏发电，设计发电时间为10小时（如风速达到1.5m/s则24小时供电），依据无电人口地区规模大小进行如下配置：

4.1 配置1

15000W微风发电机+5000W太阳能电池组件+充电控制器+10KW数控逆变电源，12V 200Ah免维护蓄电池30只。

可满足20户农村家庭全天24小时正常使用彩电、冰箱、VCD、电脑、照明、卫星接收机、电风扇、电饭煲及道路夜间照明。每天可用电量：200KWh。

4.2 配置2

45000W微风发电机+5000W太阳能电池组件+充电控制器+20KW数控逆变电源，12V200Ah免维护蓄电池75只。

可满足50户农村家庭全天24小时正常使用彩电、冰箱、VCD、电脑、照明、卫星接收机、电风扇、电饭煲及道路夜间照明。每天可用电量：500KWh。

4.3 配置3

90000W微风发电机+10000W太阳能电池组件+充电控制器+50KW数控逆变电源，12V200Ah免维护蓄电池150只。

可满足100户农村家庭全天24小时正常使用彩电、冰箱、VCD、电脑、照明、卫星接收机、电风扇、电饭煲及道路夜间照明。每天可用电量：1000KWh。

5 结 语

本文阐述的微风电和光伏发电相结合的分布式发电系统，为风力资源属于低风速的区域提供了一种电源新技术，实现了全天候“风光互补”，是可再生能源利用的新技术，推广应用前景广阔。

[1]严强,蒋超奇.垂直轴风力发电机的发展趋势和应用[J].上海电力.2007.2:166-167

[2]范正萍,王心尘,杜华夏,王亚军.小型家用垂直轴风力发电系统的设计[J].能源技术.2007,28(5).279-283

[3]王立乔,孙孝峰.分布式发电系统的光伏发电技术[M].北京:机械工业出版社，2010.8-10.