因此，太阳能和风能存在的互补效应，基于风光互补供电的模式可以很大程度上强化供电的稳定性，使无蓄电池组的风-光能互补供电驱动农村生活污水处理设施成为可能。
2.2 太阳能辐射强度和风速变化特征调查分析
在实验期间，对生物反应器运行稳定后光伏发电板和风力发电机的发电能力、发电量、负载(生物反应器)的耗电量以及相对应的气象条件进行了连续监测，结果如图4所示。
由图4(a)可知，从2017年6月11日到2017年9月25日连续监测的107 d内，太阳能的日平均产电量高达641.4 kJ，作为辅助能源的风能日平均产电量则为51.9 kJ。这个结果与图2相符，在夏、秋季，风能的补充作用较小。太阳能和风能日平均总发电量为693.3 kJ，而生物反应器日平均用电量为587.2 kJ，能源利用率(当日耗电量/当日发电量)基本可维持在80.0%左右,如图4(b)所示。此外，由图4可以明显看出，除极端气候(如终日阴雨天气下)条件下，系统能量平衡(发电量-耗电量)均为正值，表明无蓄电池的风-光能互补发电系统的发电量完全可以满足污水生物处理反应器所需的耗电量，支持设备的稳定运行。图4(c)为以上数据相应的气象条件。基于传统风-光能互补发电系统的评价方法进行核算(除极端天气外)，本系统基本满足以下2点：1)光伏和风机的日平均发电量(825.6 kJ)应大于设定的最低日平均耗电量(485 kJ)的1.8 倍;2)发电量的峰值(952.0 kJ)不超过月平均耗电量(732.4 kJ)的10%。
2.3 风-光能互补发电驱动生物反应器处理污水效能研究
实验装置连续进行167 d，重点考察了反应器对COD、NH4+-N和TN的去除效果，结果如图5所示。实验期间的进水水质见表1。由图5可知，除极端天气条件，多点进水生物膜反应器对COD、NH4+-N和TN的平均去除率分别为90.6%、94.7%和61.7%，出水中COD、NH4+-N和TN平均浓度为29.1、2.2和15.7 mg·L?1。尽管进水中各污染物浓度有较大幅度的波动，但反应器仍可以稳定运行，对COD、NH4+-N和TN保持了较高的去除效率。表明多点进水生物膜反应器具有较强的抗冲击负荷能力。果
为了进一步考察生物反应器中 3 组缺氧-好氧反应区对污水的处理效果的贡献，以24 h为监测周期，对每组缺氧-好氧反应区去除COD、NH4+-N、TN、NO3?-N和NO2?-N的效果进行解析，结果如图6所示。按照太阳能和风能强度的日变化规律，无蓄电池组风-光能互补发电单元在08:00—17:00向多点进水生物膜反应器供电，生物反应器处于有进水和好氧区曝气的运行状态，多点进水生物膜反应器的 3 组缺氧-好氧反应区进水流量分配比例为5：3：2;在夜晚18:00—翌日07:00停止供电，生物反应器处于静置状态。 COD采用快速消解分光光度法测定，NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法，TN采用哈希预制试剂和分光光度计测定，NO2?-N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法，NO3?-N采用酚二磺酸分光光度法进行检测，pH采用pH计(BANTE 900,上海般特仪器厂，中国)测定，溶解氧采用DO(BANTE 900,上海般特仪器厂，中国)测定。 太阳能辐射强度采用太阳能辐射测量仪测定，风速用风速测定仪测定，太阳能和风力实时发电强度、太阳能和风能发电量、反应器各工况的运行时长等均通过相应的电子传感器与PLC (FX2N-40M，天津佳创科技发展有限公司，中国)检测并记录，能耗由电量表(优利德UT230A，电力监测仪，优利德科技(中国)有限公司)记录。
2.1 太阳能辐射强度和风速变化特征调查分析
对本实验所在地生态系统研究站2016 年的日平均太阳能辐射强度和日平均风速的检测数据进行分析，结果如图2所示。
由图2可知，从年变化尺度上可以看出，太阳能日平均辐射强度与季节明显相关，在1月、11月和12月最低，在5—6月最高;平均风速则在1—4月及11—12月最大，在6—8月较低。因此，太阳能和风能在全年时间尺度上具有一定的互补性。
进一步选取典型月3月、6月、9月和12月分别代表春、夏、秋和冬4 个季节，基于代表月全月的监测数据对一年四季中太阳能辐射和风速日变化趋势进行分析，结果如图3所示。
由图3(a)可知，太阳能辐射强度随着春夏秋冬的推移逐渐减小，日间最高辐射强度分别为700、500、400和300 W·m?2，且达到最高辐射强度的时间随着春夏秋冬的变化存在逐渐减小且向后偏移的趋势，冬季尤为明显。此外，夏季日照时间最长，为13 h左右，春季、秋季和冬季分别为12、10和9 h左右。因此，总体来看，春季的太阳能资源最为丰富，在春季实验地区主要以晴好天气为主，能见度高，空中云层遮挡较少，而在夏季阴雨天气明显增加，历史数据显示，北京地区，2014年6—8月共有阴雨天60 d，2015年6—8月共有阴雨天70 d，2016年6—8月共有阴雨天74 d,因此，极大地削弱了夏季的太阳能辐射强度，而在秋冬两季，随着太阳向南回归线的移动，平均辐射强度则会进一步降低并延后。 生物法可以有效地去除污水中的有机污染物、氮和磷，但由于运行能耗高导致的运行费用高使得许多农村生活污水处理设施无法长期稳定地发挥作用。因此，利用太阳能、风能等新能源受到重视。如利用太阳能为寒冷地区污水处理设施保温、利用太阳能蒸馏实现污泥脱水、利用太阳能进行光催化氧化处理污水、利用风能为污水处理装置进行供电等。然而，常规的太阳能和风能发电系统为保持稳定的电能输出需要蓄电池组，但蓄电池的使用寿命通常是2～5 年，蓄电池的定期更换增加了发电成本，也增加了蓄电池污染环境风险。在农村地区，通常是白天有生活污水排放，夜间断流，这个规律与太阳能辐射强度的变化规律大致吻合。此外，污水生物处理的厌氧、缺氧和好氧反应对溶解氧的需求也不同。将上述因素结合，开发无蓄电池直接利用太阳能驱动污水处理系统是可能的，这已在我们的初期研究得到验证，但单独太阳能供电在遇到连续阴天情况下存在电量供应不足的问题。