小型风光互补系统设计方案

小型风光互补系统设计方案

小型风光互补供电系统是由小型风力发电机组、太阳能光伏电池组、蓄电池、控制一逆变器等组成(见图4—2)。根据不同地区的风能、太阳能资源及不同的用电需求，用户可配置不同的供电模式。小型风光互补供电系统的控制一逆变器上设置了风力机和太阳能光电板两个输入接口，风力发电机和太阳能光伏电池发出的电，通过充电控制器向蓄电池组充电，然后将从蓄电池出来的直流电通过逆变器转换为适合通用电器的220伏、50赫兹交流电。小型风光互补供电系统的优点是可以同时利用当地的风力资源和太阳能资源，起到多能互补的作用。

目前，小型风光互补供电系统中风电与光电的匹配比例一般为3：1左右。例如：300瓦的风力发电机可以配用100瓦的光电板；500瓦的风力发电机可以配用150—200瓦的光电板；1千瓦的风力发电机可配用300～350瓦的光电板。洪湖地区32户渔民应用了400瓦的风光互补发电系统，供电更加充足，取得了成功的经验。

二、微水能综合利用

微水能综合利用技术是指利用微型水利资源的动能作功的技术，包括微型水力发电(简称微水电)、水轮泵、水碾、水磨等多种以水流为动力的工作技术。由于有了水电之后，其他各种水力机械都可以用电动机械代替，并且更加方便，所以其他水力机械的应用逐步减少。因此，现在的微水能利用一般只讨论微型水力发电技术的利用。

(一)概述

1．微水电的定义

微型水力发电简称微水电，是指将小溪、小河水(即微水能资源)的位能转换成符合民用电要求的电能设施和设备组成的系统。其工作原理和小水电基本相同，但装机容量较小。目前，世界各国对微水电的装机容量规定不一，总的格局是工业发达的国家趋于大。英国规定微水电的最大装机容量为l000千瓦，其次是美国和法国规定微水电的最大装机容量为500千瓦，我国现行标准规定微水电的最大装机容量为100千瓦。

微水电系统主要由蓄水引水建筑、微水电站和供电系统三部分组成。

蓄水引水建筑包括水坝、取水口、引水渠等；微水电站包括机房、微型水力发电机组、配电装置、压力前池、拦污排污设施、引水管道、机组尾水排放渠道等；供电系统主要由变电设备、输电线路、线路安全保护装置构成。其中核心的是微型水力发电机组，它主要由水轮机、发电机、控制器(或调速器)三大部件组成。

由此可见，微水电是集水利、水工、机械、电机、控制、输电、土建等多项技术为一体的系统工程，不仅技术复杂、工作条件艰苦，而且工程质量和操作规程涉及人身安全。

2．分类

(1)单户型微水电技术。单户型微水电设备的功率小，一般都是整装机组。单户型微水电只供单家独户的用户使用，所需要的投入资金、工程量等也很小，可以由农户自投、自建、自管、自用。单户型微水电站建设包括土建、设备安装和电力输送等内容。单户型微水电配置的发电机一般为永磁发电机，它具有结构简单、运行可靠、效率高、少维护或免维护、使用方便等优点。单户型微水电站需要配备自动稳压和稳频的电子调控器，供电距离不应超过1千米。

单户型机组的发电量分为：100、200、300、500、800瓦，1、2、5千瓦等。

单户型水电站所需要的水流量为40—140立方米／时，落差为2—40米。一般在小溪小河上选择自然形成的较高落差进行建造。

(2)村级联网型微水电技术。村级联网型微水电其设备以整装机组为主，发电可以供一个自然村(10～100户)使用，建设安装应在专业技术人员的指导下进行。机组配有自动稳压和稳频的电子调控器或调速器，可多台机组联网供电，操作使用方便。供电范围原则上应在2千米之内，最多不应超过5千米。

村级联网型微水电设备发电量为5～30千瓦。电站需要的水资源流量为100～500立方米／时，落差5～60米。需要建造或借用水工建筑才能满足其水资源要求。

(3)乡级并网型微水电技术。乡级并网型微水电的装机容量为30—100千瓦，采用并网供电，可以对处于电网末端山乡电网进行电力就近补充，提高山乡电网的供电质量和运行效率。发电设备以整装机组为主，需要安装并网变电设备。电站建设应进行正规勘测和设计，工程要在专业技术人员的管理指导下进行。

并网型微水电站向电网卖电，再由电网向用户供电，克服了微水电独立供电枯水期五电可供，发出的电无法全部利用，发电户自己收费的高人力成本及无法避免纠纷等离网运行三大固有障碍，可以逐步成为山区农民致富的低风险投资项目之一。

乡级并网型微水电站需要的水资源流量为100～10000立方米／时，落差5～120米。往往需要借用小一或小二型水库或较大的灌溉水渠蓄调水量，才能保证年发电时间，取得较好的经济效益。

3．应用成效

(1)经济效益。微水电的直接经济效益来源于卖电收入。目前微水电的供电和卖电方式有三种：一是自发自用，节省自家电费开支。二是直接向用户供电，发电户上门向用电户收费。三是并网向供电公司卖电。影响卖电收入的因数很多，目前正常工作的微水电站的普遍情况是平均每千瓦时每年的卖电收人为1000元。不少发电户都自己办有碾米磨面等加工作坊，可使收入比直接卖电提高2～5倍。因此，发电户往往都会成为当地先行致富的人家。目前，在山区农村，如果卖电方面得到政府的法规保障，村级、乡级的微水电就会成为当地农民投资的热门项目。

(2)社会效益。微水电资源主要存在于降水量丰富的山区，由于投资小、产出少，只适合于在当地开发利用。从微水电的开发情况、产权现状、利用效果都可以看出，微水电是生于农民(投资主体是当地农民)、建于农村、利于农业(养护农田水利、实现农副产品的电动加／12)的“三农”水电。其社会属性肯定姓“农”。微水电的开发利用是在经济发展相对落后的山区，其直接的社会效益就是扶助弱势群体，改善当地农民的生活生产条件，帮助农民脱贫致富。一台300瓦的微水电电动碾米机，可使农民省去担着稻谷走几十里山路去碾米的烦恼。一台5千瓦的微水电机组配套安装磨浆机后，每年为腐竹生产专业农户节省电费五六千元。云南的咖农用微水电拖动咖啡脱壳机，解决了咖啡收获后脱壳难的问题。四川大邑西岭雪山的农民利用微水电在风景秀丽的山上办起了旅游接待站，使游客们白天能欣赏美丽的风光，夜晚又能开展卡拉OK、跳舞、看录像等活动。目前山区农村正在逐步兴起的办微水电站，用卖电收入养护农田水利设施的“以电养灌”行动，为部分小型水库的养护开辟出一条充满希望的新思路，也成为微水电发展的一个新方向。

4．我国技术研发现状

经过20多年的努力，我国微水电技术在水轮机、发电机、控制器等方面都取得了长足的进步。目前，国内微水电的整机效率大多在40％～60％之间，使用寿命为10～15年。一批一体化的整装机组，经过几年的运行，证明其使用寿命、稳定性、安装操作方便性等都达到了产品化的要求，适用于我国农村。2006年，在四川微水电的多机并联供电也取得了成功。总的来说，只要用户在经费上能够承受，在技术上完全可以满足其要求。由于微水电的资源情况差异很大，用户往往不容易找到完全符合自己要求的微水电设备产品。如果用户提出自己的要求，就必须承担额外的费用，这是水电行业的一贯做法，而用在微水电上，就会让微水电投资者难以承受，极大地阻碍了微水电的发展。因此，必需开发出能够覆盖微水电资源的系列化微水电设备，以此作为微水电技术规模化推广的基础。

5．国外发展情况

(1)发展现状

国外发达国家，如美国、英国、加拿大等，依靠其良好的工业基础，生产的微水电在可靠性和发电机、水轮机效率两个方面与国内微水电相比有较大的优势。国外微水电的整机效率最高可达到75％，使用寿命可达20年。随着发展中国家微水电需求量的增长和各国环保意识的增强，微水电开始受到各国政府的重视。国外的一些较大公司和研究所开始关注微水电的研发工作，但是尚没有大的作为。

(2)发展趋势

水电设备的生产属于单件生产，制造成本很高，必然成为作坊式的生产。世界上所有的微水电设备，包括英国、加拿大、美国等发达国家的微水电机组，也都是出自家庭工厂。为了提高产品质量、降低生产成本，经常在相近专业产品中去寻找替代部件，如用水电泵替代水轮机，以柴油发电机替代水力发电机等，取得了很好的效果。尤其是小功率机组方面，替代部件集成的机组大有取代专用机组之势。

(3)对我国的启示

由于中国小水电开发有很好的工作基础，联合国工发组织在世界微水电发展方面对中国寄予厚望。许多国家也不断在中国寻求微水电方面的合作，但目前都还处于小规模试验阶段。我国应该尽快立项开展系列化微水电设备的研发，以3～5个系列的产品覆盖整个微水能资源，形成批量生产，以确立我国微水电设备在国际上的性价比优势。

(二)技术要点

1．单户型微水电机组

(1)技术路线(工艺流程)。见图4-3

(2)主要技术环节及要点。

①各部件和设备的特点。核心部分是一体化的微型水力发电机组，即水轮机、发电机、控制器、假负载组装在一起，以提高用户安装和使用的方便性。

②技术的主要性能参数。

发电机相数：单相；

励磁方式：永磁、三次谐波；

发电机同步转速：1500转／分；

整机效率：35％～50％；

额定输出电压：230伏；

额定频率：50赫兹。

③推广该项技术需要注意的事项。单户型微水电机组由用户自行建设安装，需要对用户进行简单而有效的培训，尤其注重安全用电的教育。设备使用说明书要通俗、详细、实用。要有公益性的技术服务机构和修理网点。

④主要产品研发和应用情况。单户型微水电机组是成套性整装机组，我国目前性能较好的单户型微水电机组主要有以下机型。

(a)轴流式微水电成套整装机组：在农业部南京农业机械化研究所指导下，由四川省农业机械研究院设计生产，水轮机比转速较高，适用水头较低、流量大的水力资源，能够自动稳压稳频，安装简单，维护方便。

300～500瓦机组，含进水管接口、尾水管等，每套价格在1500～2000元之间。功率1千瓦以上的机组，价格在每千瓦2000～3000元之间。到目前推广使用量约为200台。

(b)冲击式微水电成套整装机组：由大理力达能源实用技术研究所生产，水轮机比转速较低，适用水头较高、流量较小的水力资源，能够自动稳压稳频，安装简单，维护方便。

300～500瓦机组，含进水阀门，每套价格在1200～1500元之间。功率1千瓦以上的机组，价格在每千瓦2000～3000元之间。到目前推广使用量约为500台，已出口约100台。

此外大理力达能源实用技术研究所还生产单户型微水电控制器，供其他企业产品配套。

(c)双击式微水电成套整装机组：由农业部南京农业机械化研究所设计，张家港英德利公司生产，水轮机比转速较低，适用6～12米水头、流量较小的水力资源，能够自动稳压稳频，安装简单，维护方便。

300～500瓦机组，含进水阀门，每套价格在l400～2000元之间。到目前推广使用量约为50台。

2.村级联网型微水电机组

（1.）技术路线（工艺流程）。见图4-4.

(2)主要技术环节及要点。

各部件和设备的特点。微型水力发电机组为整装机组，即水轮机、发电机是组装在一起的，安装机组比较方便。

②技术的主要性能参数。

发电机相数：单相、三相；

励磁方式：永磁、三次谐波；

发电机同步转速：1500转／分；

整机效率：40％一60％；

额定输出电压：230伏／400伏；

额定频率：50赫兹。

③推广该项技术需要注意的事项。控制系统较为复杂，控制调整需要专业人员到场。输电线路的架设也需要持证电工上岗。

④主要产品研发和应用情况。

(a)轴伸贯流式微水电机组：由南京龙潮微小水电研发推广有限公司生产，该公司组建不久，主要借助农业部南京农业机械化研究所和水利部南京水利科学院的技术优势，推出的产品有：轴伸贯流式微水电机组、混流式微水电机组，效率高，适用水头范围广；配套上海强辉电机有限公司的同步发电机和大理力达能源实用技术研究所的控制器。整机价格在每千瓦3000元左右。

产品在四川、湖南推广，有少量出口。目前总共销售了20多台机组。

(b)斜击式微水电整装机组：由大理力达能源实用技术研究所生产，该设备适用于水头较高、流量较小的水力资源。配用永磁发电机，故障少，使用寿命长。6千瓦机组的售价为15000元，10千瓦机组的售价为25000元。

(c)轴流式微水电机组：该机组理论效率高，适用15～30米水头、流量大的微水力资源。

生产企业有四川省大邑县水轮机厂、南京龙潮微小水电研发推广有限公司。

整装机组价格在每千瓦3000元左右。由于制造技术难度较大，价格偏高，目前使用较少。

3．乡级并网型微水电机组

(1)技术路线(工艺流程)。见图4-5

(2)主要技术环节及要点。

①各部件和设备的特点。微型水力发电机组以整装机组为主即水轮机、发电机是组装在一起的，配有调速装置。

②技术的主要性能参数。

发电机相数：三相；

励磁方式：谐波励磁、励磁发电机；

发电机同步转速：1500、1000转／分；

整机效率：60％～75％；

发电机输出电压：400伏；

上网电压：10千瓦；

额定频率：50赫兹。

③推广该项技术需要注意的事项。电站建设需要正规设计，专业技术人员管理施工。建设和并网需要向有关部门办理相关手续。

④主要产品研发和应用情况。乡级并网型微水电技术基本上可以借鉴小水电设备的成熟技术，但由于机组小、利润低，在小水电设备生产订单较多的情况下，小水电设备生产企业不愿意接受微水电订货，更不愿意按微水电用户的要求，做提高安装方便性的改型。因此，还是只能依靠微水电设备生产企业供货。

(a)轴伸贯流式微水电机组：南京龙潮微小水电研发推广有限公司生产，由于其水平安装，非常适用于对现有水库进行以电养灌改造。配套上海强辉电机有限公司的同步发电机和大理力达能源实用技术研究所的控制器。整机价格每千瓦3000元左右。在湖南古丈县龙鼻水库的以电养灌改造中安装了一台100千瓦机组，使用效果很好。

(b)斜击式微水电整装机组：浙江乐清水轮机厂生产，该设备适用于水头较高、流量较小的水力资源。配用水电专用发电机，故障少，使用寿命长。机组每千瓦的售价为15000～25000元。

(c)轴流式微水电机组：机组理论效率高，适用2～15米水头、流量大的微水力资源。

生产企业有四川省大邑县水轮机厂、南京龙潮微小水电研发推广有限公司。

(三)投入和产出效益分析

1．各技术模式的投入概算

微水电的建设投资因自然条件不同而差异较大。在一般情况下，独立运行的微水电供电系统每千瓦的建设投资在l万元左右，其经费使用分配比例关系是：设备(包括机组和金属构件)占30％，水工建筑占40％，电线架设占30％。如果是一些要求较高的示范工程，全部由正规的工程技术队伍施工，再加上技术专家的工作费、用户内线安装工料费等，其费用就会达到每千瓦2万元左右。

并网运行的微水电站，省去了输电线路的架设，每千瓦的建设投资为7000元左右。如果是“以电养灌”工程，水工建筑大部分由农田水利建设承担，微水电站的建设投入可降至每千瓦4000元左右。

2．各技术模式的效益分析

(1)独立运行供电的微水电。独立运行微水电的年发电时间按9个月计算应为6570小时，即每千瓦装机容量的年发电能力为6570千瓦时，有效用电率40％，以每千瓦时0．5元计算，则年发电收入应为1314元。在不计算管理和维修经费的情况下，投资回收年限为7．6年。在一般情况下投资回收年限都要超过10年。

社会效益为装机每千瓦可解决4户(12～15人)的生活用电问题，但每年有两三个月的时间仍然没有水电，需要其他电源补充。

能源效益为装机每千瓦每年获得263千瓦时电力。

(2)“以电养灌”并网运行微水电。以安徽省六安市金寨县油店乡小二型水库为例作一个简单的说明。当地发电户争取到了每千瓦时0．34元的上网卖电价格。这0．34元中，按照国家小水电税收政策上缴6％的税收，每千瓦时应为0．02元；交水利局水资源使用费每千瓦时0．01元；政府有关部门收取管理费每千瓦时0．03元；电力公司以需要还建电网贷款为由每千瓦时收取建电网还贷费0，03元；发电户的实际收益为每千瓦时0．25元。

油店乡小二型水库灌溉水田33公顷，建有100千瓦微水电站I座。微水电站的建设费用(按现行价格)估计为40万元。据发电户反映，该微水电站年发电时间，折算成满负荷发电时间有4000小时。该项水库每年的卖电收益为13．6万元，其中：发电户收益10万元；国家获得税收8000元；电力公司获得建网还贷费1．2万元，此外当地供电电价为0．56元／千瓦时，供电公司还有0．22元／千瓦时，即8．8万元的买卖差价；水利局收水资源使用费4000元；政府相关部门收取管理费1．2万元。

社会效益：发电户充当了农田水利的养护主体，承担了水库水渠的日常管理与养护工作。由于33公顷水田的灌溉收费如果按每年每公顷收费225元计算，也只有7500元左右，只占13．6万元发电收益的零头，因此对农民的灌溉收费就全免了。

能源效益：每年获得电力40万千瓦时，改善了当地农村电力紧缺的现象。

环境效益：一个小二型水库正常发挥了作用，稳定了下游河段的水流情况。由