关于建设环境友好型社区中小型风力发电及其储存系统的方案

文 | Nick Ni，宋江涛，蒋晨芸

风能产生动力已不是新资讯，据文献记载，风车的历史可以追溯到公元前200年。从刚开始的小规模尝试利用风能，到如今发展成为多兆瓦生产机器大规模开发风能，风力发电已经走入人们的日常生活。随着科技进步，相较以往的任何方法，风力发电的方法能更有效的使用风能资源。现如今，人们也正努力试图最大程度地开发风能资源，那么对于中小型风电系统，我们应该如何更好的利用呢？

除去特殊情况，一般意义上，大型的风电机组都可以更换成较小的。全球中小型风电项目（SMWT）的市场承载力实际上是预测的2015倍，尤其是在发展中国家的市场，更是多达6.34亿美元。

除了考虑到中小型风电的环境效益，也许最好的方案是将风电机组纳入到居民区中，提高风力发电的灵活性，以便于其独立、轻松地把风能集成到混合动力系统中，与太阳能发电系统（或是石油，如果需要可以降低它的一些影响）或储氢系统一起工作。除此以外，分布式中小型风电还能就近入网、就地消纳，不需要电网的远距离输送。

最近开发的风力—氢气转换和存储的技术为此提供了一个合理的合作模式。为此，美国国家可再生能源实验室（NREL）在美国科罗拉多国家风力技术中心还发起了一个风力—氢气（Wind2H2）的示范项目。该项目把风电机组与风力—氢气转换器的电解槽相连，利用风能产生的电力把水分解成氢气和氧气，氢气可被储存并随后被用于内燃机或燃料电池中发电。就小规模的分布式风力发电的价值而言，这个方案是可行的。例如，来自东欧的项目开发商，利用氢气发生器和燃料电池已开发了一个分布式的数字化社区风电项目。

在美国能源部能量效率与可再生能源办公室的一个关键组成部分——燃料电池技术部，相关人员正努力寻找涉及到家庭氢气系统h-prize潜在竞争力的相关信息，这也将进一步促进h-prize技术在商业氢能领域的应用。这些系统将被设计用来产生氢气，为现有住宅提供车辆加氢站的配套基础设施的建设，这使得它潜在的经济价值将达到一百万美元。

图1为一个系统耦合的分布式小型风电机组—制氢设备，它可以提供一个高效、环保、友好的综合解决方案，提供存储和加油的系统。由于风能在自然界中的间歇性，一直以来储存问题都没有得到有效的解决，该设备的研发正好填补了该领域技术上的空白，并有可能在风力较小的时候提供持续的动力。

图1 利用风力发电并存储的住宅能源系统

风电机组规模的大小，完全取决于项目的设计和建造需求。运用有效的技术和大的风电机组一样，中小型风电机组也可以提供许多相同的好处。事实上，在系统的使用周期中，风力小的情况下，风电机组每千瓦小时耗能可以比小型光伏发电和一些小型水力发电更便宜。2011年，美国风能协会估计，在美国，小型风电机组的成本是6040美元/千瓦，同比2010年增加11%。当然，前期用户和社区需要支付一定的费用，但在某些情况下，项目可以向政府或私人业主寻求帮助。（注：几乎每一个国家都在奖励可用的方案，详细参照www.dsireusa.org）就中国国内而言，国家大力推动可再生能源分布式应用的政策紧锣密鼓的出台，2012年8月6日，国家能源局正式发布其组织制定的《可再生能源发展“十二五”规划》；2012年10月24日，国务院新闻办公室发表《中国的能源政策(2012)》白皮书》；2013年1月1日国务院印发《能源发展“十二五”规划》……足见国家对于新能源分布式发展的鼓励。

利用风能工作

分布式社区风能项目通常建于相邻的一个或几个社区，以便于直接为最终用户提供所需能量。社区的能源需求决定了建设的电力规模，但这通常是非常小的。一般来说，这些项目是由几个单一的小型风电机组组成，一般配备50kW以下的高效、低维护的中小风电机组即可，该系统适用于居民区，主要面向社区、小型农庄及现代农业。同时，对于稍大型分布式风电系统的需求，也可配备便于用户侧接入的末端友好型1.5MW风电机组，主要用于解决区域风供热，主要针对的是三北地区的冬季供暖问题。到目前为止，该项目已经在农业、商业、住宅和公共部门等领域推广应用，见图2。

农业

现在的农场往往使用各种类型的拖拉机和收割机甚至小飞机。这些都是能源的消费者，在农场经营方面，自持风电机组作为理想的解决方案可以抵消一部分电力费用。此外，美国农业部还提供了各种资助和通过美国农业部乡村能源补贴计划获取其他资金的机会。除了农业，农民还可以通过出售风电机组多余的电量到当地电网来找到新的利润来源。

图2 国外建成分布式社区风能项目

农村社区

农村，尤其是偏远的社区和企业，可以建立并且共享社区风电项目，从而节省电力传输的基础设施建设。一般意义上来说，小型社区能够通过共同决策的方法来投资和建立这个系统。在此，混合动力系统可以作出重大的贡献，特别是在能量存储方面。例如，如果装备了适合的氢气发生器和储罐，存储系统可以进一步实现稳定的能源供给，居民们可以悠闲的享受乡村生活而不必担心能源成本和功率损耗。

城市社区

针对基础设施发达的城区，风电机组似乎只是提供一个辅助作用。然而，在不久的将来，用氢驱动的公共交通系统即将建立，加氢站的建设将成为必要项目并且广受欢迎。对此，小型风电机组可以辅助电解制氢设备完成制氢流程。

商业

根据商业领域能量消耗大的特点，商业区的风能项目都应该设计和配备比普通项目要大的风电机组。目的不仅是为了产生足够的能量来满足商业需求，还可以把一些多余的能量出售给公共事业公司。虽然大型设备成本较高，但相对于较小的系统，大型设备每千瓦时的成本也有相应的降低。

除此之外，在建设环保工程、开发低成本能源、保障能源安全和促进经济增长方面，分布式社区风能项目也都有着发挥重大贡献的潜力。对于一个特定的地点或社区来说，小型风电项目具有构建灵活以及结合混合动力系统运行的特点。在理想的情况下，针对间歇性风能的利用还应加强小型风电机组的开发，应进一步简化和集成这些涡轮机的安装、维修和操作服务，保障在任何风力情况下存储系统的正常稳定的运作。

h-prize的目的是为了通过提供奖励，进一步加快研发以及建设氢能和燃料电池技术的示范项目，并且推进其商业应用程序。目前h-prize由氢教育基金会（HEF）为美国能源部进行管理。