關于建設環(huán)境友好型社區(qū)中小型風力發(fā)電及其儲存系統(tǒng)的方案

文 | Nick Ni，宋江濤，蔣晨蕓

風能產生動力已不是新資訊，據(jù)文獻記載，風車的歷史可以追溯到公元前200年。從剛開始的小規(guī)模嘗試利用風能，到如今發(fā)展成為多兆瓦生產機器大規(guī)模開發(fā)風能，風力發(fā)電已經走入人們的日常生活。隨著科技進步，相較以往的任何方法，風力發(fā)電的方法能更有效的使用風能資源。現(xiàn)如今，人們也正努力試圖最大程度地開發(fā)風能資源，那么對于中小型風電系統(tǒng)，我們應該如何更好的利用呢？

除去特殊情況，一般意義上，大型的風電機組都可以更換成較小的。全球中小型風電項目（SMWT）的市場承載力實際上是預測的2015倍，尤其是在發(fā)展中國家的市場，更是多達6.34億美元。

除了考慮到中小型風電的環(huán)境效益，也許最好的方案是將風電機組納入到居民區(qū)中，提高風力發(fā)電的靈活性，以便于其獨立、輕松地把風能集成到混合動力系統(tǒng)中，與太陽能發(fā)電系統(tǒng)（或是石油，如果需要可以降低它的一些影響）或儲氫系統(tǒng)一起工作。除此以外，分布式中小型風電還能就近入網(wǎng)、就地消納，不需要電網(wǎng)的遠距離輸送。

最近開發(fā)的風力—氫氣轉換和存儲的技術為此提供了一個合理的合作模式。為此，美國國家可再生能源實驗室（NREL）在美國科羅拉多國家風力技術中心還發(fā)起了一個風力—氫氣（Wind2H2）的示范項目。該項目把風電機組與風力—氫氣轉換器的電解槽相連，利用風能產生的電力把水分解成氫氣和氧氣，氫氣可被儲存并隨后被用于內燃機或燃料電池中發(fā)電。就小規(guī)模的分布式風力發(fā)電的價值而言，這個方案是可行的。例如，來自東歐的項目開發(fā)商，利用氫氣發(fā)生器和燃料電池已開發(fā)了一個分布式的數(shù)字化社區(qū)風電項目。

在美國能源部能量效率與可再生能源辦公室的一個關鍵組成部分——燃料電池技術部，相關人員正努力尋找涉及到家庭氫氣系統(tǒng)h-prize潛在競爭力的相關信息，這也將進一步促進h-prize技術在商業(yè)氫能領域的應用。這些系統(tǒng)將被設計用來產生氫氣，為現(xiàn)有住宅提供車輛加氫站的配套基礎設施的建設，這使得它潛在的經濟價值將達到一百萬美元。

圖1為一個系統(tǒng)耦合的分布式小型風電機組—制氫設備，它可以提供一個高效、環(huán)保、友好的綜合解決方案，提供存儲和加油的系統(tǒng)。由于風能在自然界中的間歇性，一直以來儲存問題都沒有得到有效的解決，該設備的研發(fā)正好填補了該領域技術上的空白，并有可能在風力較小的時候提供持續(xù)的動力。

圖1 利用風力發(fā)電并存儲的住宅能源系統(tǒng)

風電機組規(guī)模的大小，完全取決于項目的設計和建造需求。運用有效的技術和大的風電機組一樣，中小型風電機組也可以提供許多相同的好處。事實上，在系統(tǒng)的使用周期中，風力小的情況下，風電機組每千瓦小時耗能可以比小型光伏發(fā)電和一些小型水力發(fā)電更便宜。2011年，美國風能協(xié)會估計，在美國，小型風電機組的成本是6040美元/千瓦，同比2010年增加11%。當然，前期用戶和社區(qū)需要支付一定的費用，但在某些情況下，項目可以向政府或私人業(yè)主尋求幫助。（注：幾乎每一個國家都在獎勵可用的方案，詳細參照www.dsireusa.org）就中國國內而言，國家大力推動可再生能源分布式應用的政策緊鑼密鼓的出臺，2012年8月6日，國家能源局正式發(fā)布其組織制定的《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》；2012年10月24日，國務院新聞辦公室發(fā)表《中國的能源政策(2012)》白皮書》；2013年1月1日國務院印發(fā)《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》……足見國家對于新能源分布式發(fā)展的鼓勵。

利用風能工作

分布式社區(qū)風能項目通常建于相鄰的一個或幾個社區(qū)，以便于直接為最終用戶提供所需能量。社區(qū)的能源需求決定了建設的電力規(guī)模，但這通常是非常小的。一般來說，這些項目是由幾個單一的小型風電機組組成，一般配備50kW以下的高效、低維護的中小風電機組即可，該系統(tǒng)適用于居民區(qū)，主要面向社區(qū)、小型農莊及現(xiàn)代農業(yè)。同時，對于稍大型分布式風電系統(tǒng)的需求，也可配備便于用戶側接入的末端友好型1.5MW風電機組，主要用于解決區(qū)域風供熱，主要針對的是三北地區(qū)的冬季供暖問題。到目前為止，該項目已經在農業(yè)、商業(yè)、住宅和公共部門等領域推廣應用，見圖2。

農業(yè)

現(xiàn)在的農場往往使用各種類型的拖拉機和收割機甚至小飛機。這些都是能源的消費者，在農場經營方面，自持風電機組作為理想的解決方案可以抵消一部分電力費用。此外，美國農業(yè)部還提供了各種資助和通過美國農業(yè)部鄉(xiāng)村能源補貼計劃獲取其他資金的機會。除了農業(yè)，農民還可以通過出售風電機組多余的電量到當?shù)仉娋W(wǎng)來找到新的利潤來源。

圖2 國外建成分布式社區(qū)風能項目

農村社區(qū)

農村，尤其是偏遠的社區(qū)和企業(yè)，可以建立并且共享社區(qū)風電項目，從而節(jié)省電力傳輸?shù)幕A設施建設。一般意義上來說，小型社區(qū)能夠通過共同決策的方法來投資和建立這個系統(tǒng)。在此，混合動力系統(tǒng)可以作出重大的貢獻，特別是在能量存儲方面。例如，如果裝備了適合的氫氣發(fā)生器和儲罐，存儲系統(tǒng)可以進一步實現(xiàn)穩(wěn)定的能源供給，居民們可以悠閑的享受鄉(xiāng)村生活而不必擔心能源成本和功率損耗。

城市社區(qū)

針對基礎設施發(fā)達的城區(qū)，風電機組似乎只是提供一個輔助作用。然而，在不久的將來，用氫驅動的公共交通系統(tǒng)即將建立，加氫站的建設將成為必要項目并且廣受歡迎。對此，小型風電機組可以輔助電解制氫設備完成制氫流程。

商業(yè)

根據(jù)商業(yè)領域能量消耗大的特點，商業(yè)區(qū)的風能項目都應該設計和配備比普通項目要大的風電機組。目的不僅是為了產生足夠的能量來滿足商業(yè)需求，還可以把一些多余的能量出售給公共事業(yè)公司。雖然大型設備成本較高，但相對于較小的系統(tǒng)，大型設備每千瓦時的成本也有相應的降低。

除此之外，在建設環(huán)保工程、開發(fā)低成本能源、保障能源安全和促進經濟增長方面，分布式社區(qū)風能項目也都有著發(fā)揮重大貢獻的潛力。對于一個特定的地點或社區(qū)來說，小型風電項目具有構建靈活以及結合混合動力系統(tǒng)運行的特點。在理想的情況下，針對間歇性風能的利用還應加強小型風電機組的開發(fā)，應進一步簡化和集成這些渦輪機的安裝、維修和操作服務，保障在任何風力情況下存儲系統(tǒng)的正常穩(wěn)定的運作。

h-prize的目的是為了通過提供獎勵，進一步加快研發(fā)以及建設氫能和燃料電池技術的示范項目，并且推進其商業(yè)應用程序。目前h-prize由氫教育基金會（HEF）為美國能源部進行管理。