大規(guī)模海上風(fēng)電的非并網(wǎng)多元化應(yīng)用研究——變海上風(fēng)電場輸電上岸為直接輸產(chǎn)品上岸的探索

顧為東

(江蘇省宏觀經(jīng)濟(jì)研究院，南京210013)

1 前言

2008年，中國二氧化碳排放量為71．2×108t，約占世界排放總量316×108t的1/4，是世界上最大的溫室氣體排放國［1］，中國政府已承諾2020年單位GDP碳排放將比2005年減少40% ～45%，將面臨巨大的二氧化碳減排壓力。而風(fēng)能作為一種最廉價、最方便、最清潔的綠色環(huán)?？稍偕茉粗?，在二氧化碳減排方面有很大潛力。中國擁有豐富的風(fēng)能資源，根據(jù)最新的測算，中國陸上50 m高風(fēng)電可開發(fā)量為23．5×108kW，海上風(fēng)資源可開發(fā)量目前還沒有最新數(shù)據(jù)，但最保守預(yù)計(jì)應(yīng)為原有2．5×108kW的4至6倍。中國風(fēng)電裝機(jī)容量從2005―2009年也實(shí)現(xiàn)了連續(xù)5年每年翻番，2009年風(fēng)電總裝機(jī)容量2 601×104kW，位居全球第二［2］。

但是，中國大規(guī)模風(fēng)電正面臨并網(wǎng)難題。根據(jù)中國工信部的數(shù)據(jù)顯示，2009年中國風(fēng)電對電網(wǎng)貢獻(xiàn)率為0．75% ，約988×104kW風(fēng)力機(jī)不能并網(wǎng)發(fā)電，占總裝機(jī)容量 37．8%［3］。因此，科學(xué)、高效解決中國充分發(fā)揮風(fēng)資源優(yōu)勢、推動大規(guī)模風(fēng)能利用、實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排目標(biāo)，已成為能源界和政府共同的重要任務(wù)。

2 我國大規(guī)模海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀

我國大陸的海岸線長，風(fēng)能資源豐富，具備了大規(guī)模發(fā)展海上風(fēng)電的條件。隨著上海東海大橋10×104kW海上風(fēng)電場34臺機(jī)組實(shí)現(xiàn)全部并網(wǎng)發(fā)電，中國的海上風(fēng)電發(fā)展開始進(jìn)入“加速期”。目前已有上海、江蘇、浙江、山東和福建等多個省市區(qū)提出了各自的海上風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃。預(yù)計(jì)到2015年中國的海上風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到500×104kW，到2020年增長至3 000×104kW以上。

隨著我國越來越多海上大型風(fēng)電場的上馬，建設(shè)和運(yùn)行中眾多制約因素也將日益凸顯［4］。首先海上風(fēng)電場施工難度和集中輸變電、建設(shè)費(fèi)用高，約為2萬～2．5萬元/kW，遠(yuǎn)高于陸上風(fēng)電的8 000萬～10 000萬元/kW，而其中輸配電系統(tǒng)占總成本的25% ～35%(由輸電線路遠(yuǎn)近決定)。其次是電網(wǎng)受限，海上風(fēng)電場由于施工難度和集中輸變電、建設(shè)費(fèi)用高等經(jīng)濟(jì)性問題，難以像陸上建成分布式風(fēng)場，必須大規(guī)模開發(fā)，而大規(guī)模海上風(fēng)電場的開發(fā)，所發(fā)巨大電能在沒有水電或燃?xì)獍l(fā)電調(diào)峰的情況下，風(fēng)電對電網(wǎng)貢獻(xiàn)率難以超過10%，這是一個世界性難題［5］。即使在電網(wǎng)容量巨大的華東地區(qū)，也面臨著海上風(fēng)電場強(qiáng)大電流對電網(wǎng)接口的沖擊。

海上大規(guī)模風(fēng)電非并網(wǎng)多元化應(yīng)用系統(tǒng)突破海上大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的單一應(yīng)用模式，通過必要的技術(shù)創(chuàng)新與集成，將大規(guī)模海上風(fēng)電與高載能產(chǎn)業(yè)(如海水淡化、電解水制氫和電解鋁等)直接耦合形成一個完整的新系統(tǒng)，變海上風(fēng)電場輸電上岸為直接輸產(chǎn)品上岸，破解了大規(guī)模、超大規(guī)模海上風(fēng)電應(yīng)用難題。

對于海水淡化和制氫的非并網(wǎng)風(fēng)電應(yīng)用設(shè)備，為塔式結(jié)構(gòu)，并整體安放于風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)，組成一體化成套裝置，變海上風(fēng)電場輸電上岸為直接輸產(chǎn)品上岸，不僅節(jié)省海上風(fēng)電場投資成本的25% ～35%(由輸電線路遠(yuǎn)近決定)，而且使風(fēng)電利用效率提高8%～12%，具有十分重要的戰(zhàn)略意義和顯著的經(jīng)濟(jì)價值。

3 非并網(wǎng)風(fēng)電的基本理論

“非并網(wǎng)風(fēng)電”理論是由筆者于1985年首次以論文形式提出的［6］。非并網(wǎng)風(fēng)電是指大規(guī)模風(fēng)電系統(tǒng)的終端負(fù)荷不再是傳統(tǒng)的單一電網(wǎng)，而是通過必要的技術(shù)創(chuàng)新與集成，直接應(yīng)用于一系列能適應(yīng)風(fēng)電特性的高載能產(chǎn)業(yè)及其他特殊領(lǐng)域。項(xiàng)目圍繞影響中國風(fēng)電規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的三個難題開展研究:在沒有水電或燃?xì)獍l(fā)電等調(diào)峰情況下，風(fēng)電在電網(wǎng)中的貢獻(xiàn)率難以超過10%;風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，風(fēng)電價格遠(yuǎn)高于煤電;缺乏有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)。由于原創(chuàng)性、系統(tǒng)創(chuàng)新性突出，學(xué)科交叉特點(diǎn)鮮明，“大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目于2007年7月獲得國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)的立項(xiàng)。項(xiàng)目研究的目標(biāo)是:建立100%消耗大規(guī)模風(fēng)電場電力的非并網(wǎng)風(fēng)電應(yīng)用系統(tǒng)，解決大規(guī)模、超大規(guī)模風(fēng)電場電量的應(yīng)用難題;構(gòu)建高效率、高可靠性、低成本的大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)電價格接近或低于煤電;實(shí)現(xiàn)大規(guī)模風(fēng)電發(fā)展的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一。

風(fēng)電的這種非并網(wǎng)運(yùn)行方式的優(yōu)勢體現(xiàn)在:

1)非并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)采用直流電，回避風(fēng)電上網(wǎng)電壓差、相位差、頻率差難以控制的問題，繞開電網(wǎng)這一限制風(fēng)電大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。

2)突破終端負(fù)荷使用風(fēng)電的局限，使風(fēng)電在大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)中的供電比重達(dá)到100%。

3)“非并網(wǎng)風(fēng)電”將引發(fā)風(fēng)電在風(fēng)力設(shè)計(jì)、輸變電線路上變電所功能的一系列簡化，最終實(shí)現(xiàn)風(fēng)能利用效率的提高和風(fēng)電成本的降低［7］。

4 海上大規(guī)模風(fēng)電的非并網(wǎng)多元化應(yīng)用系統(tǒng)

海上大規(guī)模風(fēng)電的非并網(wǎng)多元化應(yīng)用包括非并網(wǎng)風(fēng)電海水淡化系統(tǒng)、非并網(wǎng)電解水制氫系統(tǒng)等。它提供一種適應(yīng)風(fēng)電特性、100%應(yīng)用海上大規(guī)模風(fēng)電直接進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，就地使用廉價清潔且可再生的海上大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電為能源，變輸電上岸為輸產(chǎn)品上岸，不僅大幅度降低了海水風(fēng)電場的投資成本，而且還有效提高了風(fēng)電的利用效率，如圖1所示。

圖1 海上大規(guī)模風(fēng)電的非并網(wǎng)多元化應(yīng)用變輸電上岸為輸產(chǎn)品上岸示意圖Fig．1 Changing offshore w ind power transm ission into product transm ission ashore in the non－grid－connected diverse app lication of large－scale offshore w ind power

海上大規(guī)模風(fēng)電的非并網(wǎng)多元化應(yīng)用系統(tǒng)主要有海上非并網(wǎng)風(fēng)機(jī)、控制系統(tǒng)、電力變換器、新型海水淡化、電解水制氫或電解鋁海水平臺等部分組成，如圖2所示。

5 海上大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電海水淡化系統(tǒng)

海水淡化，又稱“海水脫鹽”，是通過物理、化學(xué)或物理化學(xué)方法從海水中獲取淡水的技術(shù)和過程，它是解決水資源短缺的重要途徑。

圖2 海上大規(guī)模風(fēng)電的非并網(wǎng)多元化應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig．2 The system structure of the non －grid －connected diverse application of large－scale offshore w ind power

新型大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電海水淡化系統(tǒng)提供一種適應(yīng)風(fēng)電特性、100%應(yīng)用海上風(fēng)電進(jìn)行海水淡化的工業(yè)性生產(chǎn)系統(tǒng)。通過低溫多級高效風(fēng)電海水淡化新工藝，借助熱泵高效、節(jié)能特性，直接使用非并網(wǎng)風(fēng)電為能源，在變風(fēng)況情況下，實(shí)現(xiàn)淡化過程溫度、壓力和流量3者動態(tài)平衡。

系統(tǒng)利用海上非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的直流電，直接耦合為新型的低溫多效熱泵海水淡化裝置中使用的熱泵、水泵及真空泵等的工作電源。其工作時的物理表現(xiàn)為:風(fēng)大時，海水淡化設(shè)備處理量加大，淡水產(chǎn)量增加;風(fēng)小時，海水淡化設(shè)備處理量減小，淡水產(chǎn)量減少;無風(fēng)時，海水淡化設(shè)備停止生產(chǎn)。新型海水淡化設(shè)備為塔式結(jié)構(gòu)，并整體安放于風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)，組成一體化成套裝置，充分利用海上風(fēng)力機(jī)彼此分散的特點(diǎn)，解決了岸上大規(guī)模、超大規(guī)模海水淡化造成的點(diǎn)源污染難題［8］。

目前，該方法已完成2效和3效試驗(yàn)設(shè)備的加工生產(chǎn)(見圖3)，已獲國家發(fā)明專利“低溫多級高效風(fēng)電海水淡化方法及其裝置”(ZL200710019522．6)，并獲得中國－加拿大政府國際科技合作項(xiàng)目資助(No．21010DFA61540)。

6 海上大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電電解水制氫系統(tǒng)

氫能具有清潔高效的特點(diǎn)，被認(rèn)為是未來最有潛力的能源載體之一。在目前的各種制氫技術(shù)中，利用可再生能源所產(chǎn)生的電能作為動力來電解水是最為成熟和最有潛力的技術(shù)。

圖3 海水淡化驗(yàn)證平臺Fig．3 Desalination verifying platform w ith w ind power

海上大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電電解水制氫系統(tǒng)采用的壓力型堿性水電解制氫裝置圖，如圖4所示。該裝置的核心設(shè)備為電解槽，由若干小室串接而成，額定工作電壓為直流50 V。當(dāng)工作電壓大于產(chǎn)氣閾值電壓時，裝置開始生產(chǎn)氣體，在電解槽陰極產(chǎn)生氫氣、陽極產(chǎn)生氧氣。氣體在壓力作用下，通過冷卻器冷卻后分別進(jìn)入氫氧槽，再由調(diào)節(jié)閥控制輸出，后進(jìn)入純化系統(tǒng)純化，制成滿足工業(yè)生產(chǎn)要求的氣體。在氣體生產(chǎn)過程中，通過循環(huán)泵不斷的補(bǔ)充水電解過程中消耗的水，并由水冷系統(tǒng)控制堿水溫度，使其保持在正常工作溫度。

圖4 10 Nm3/h壓力型堿性水電解制氫系統(tǒng)裝置圖Fig．4 The equipment w ith 10 Nm3/h of the pressure alkaline water electrolysis hydrogen production system

圖5試驗(yàn)影響曲線表明，在5～15 A/dm2區(qū)間里，電流密度的大幅度變化只影響氫氣產(chǎn)量，而不影響電流效率和氫氣質(zhì)量，揭示了風(fēng)電與電解水制氫的耦合機(jī)理(已成為中國《小型氫能綜合能源系統(tǒng)性能評價方法》國家標(biāo)準(zhǔn)的重要內(nèi)容)。因此，可以將大規(guī)模風(fēng)電通過必需的技術(shù)創(chuàng)新和集成與制氫工業(yè)直接耦合。

海上大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電電解水制氫系統(tǒng)，風(fēng)電不經(jīng)過電網(wǎng)直接應(yīng)用于電解水制氫，將不穩(wěn)定的風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的氫能輸出。該系統(tǒng)為降低風(fēng)電場成本，提高風(fēng)電利用率，突破風(fēng)電發(fā)展瓶頸，走出了一條有中國特色的大規(guī)模風(fēng)電多元化發(fā)展之路，可形成千億(元)級的新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。

圖5 電流密度和產(chǎn)氫效率的關(guān)系曲線Fig．5 The hydrogen production efficiency curve under different current densities

7 海上大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電多元化應(yīng)用系統(tǒng)特點(diǎn)及意義

海上大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電多元化應(yīng)用充分尊重中國風(fēng)電發(fā)展的特性和規(guī)律，突破海上大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的單一應(yīng)用模式。通過必要的技術(shù)創(chuàng)新與集成，將大規(guī)模海上風(fēng)電與高載能產(chǎn)業(yè)(如海水淡化、電解水制氫和電解鋁等)直接耦合形成一個完整的新系統(tǒng)，破解了大規(guī)模、超大規(guī)模海上風(fēng)電應(yīng)用難題，將有利于在中國海上風(fēng)能資源豐富的地區(qū)建設(shè)成若干綠色低碳的高載能工業(yè)園區(qū)，形成若干個千億元級的新興戰(zhàn)略型綠色產(chǎn)業(yè)。該系統(tǒng)具有以下幾個顯著特點(diǎn):

1)100%利用海上風(fēng)電，將替代大量的化石能源，大大減少溫室氣體排放，有效實(shí)現(xiàn)低成本產(chǎn)品供給，解決了大規(guī)模、超大規(guī)模海上風(fēng)電應(yīng)用難題。

2)可以大規(guī)模開展，突破風(fēng)電在電網(wǎng)中的比例不超過10%的局限，也不會給電網(wǎng)帶來沖擊。

3)新型多元化應(yīng)用設(shè)備為塔式結(jié)構(gòu)，并整體安放于風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)，組成一體化成套裝置，變海上風(fēng)電場輸電上岸為直接輸產(chǎn)品上岸，省略了繁雜的輸變電系統(tǒng)(至少省卻低速直驅(qū)風(fēng)機(jī)的逆變、2級升壓、高壓輸電、2級降壓，最后到達(dá)終端負(fù)荷等環(huán)節(jié))和復(fù)雜的海底電力電纜(目前的海底電纜因埋在淤泥中，散熱條件差，需循環(huán)油散熱等降溫措施)，從而節(jié)省海上風(fēng)電場投資成本的25% ～35%(由輸電線路遠(yuǎn)近決定)，并使風(fēng)電利用效率提高8% ～12%。

4)全球范圍內(nèi)具有很好的商業(yè)前景。海上大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電多元化應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)合我國豐富的海上風(fēng)能資源，可以建設(shè)一系列利用大規(guī)模海上風(fēng)電直接進(jìn)行大規(guī)模海水淡化、電解水制氫和電解鋁等產(chǎn)業(yè)基地，直接輸出工業(yè)產(chǎn)品，有利于國家可再生能源的開發(fā)利用和保障國家能源安全，有利于緩解我國二氧化碳減排方面的國際壓力。

［1］ Netherlands Environmental Assessment Agency．No growth in total global CO2emissions in 2009［EB/OL］．http://www．pbl．nl/en/publications/2010/No－growth－in－total－global－CO2－emissions－in －2009．html．

［2］ 中國風(fēng)能協(xié)會．2009年風(fēng)電裝機(jī)容量［EB/OL］．http://www．cwea．org．cn/upload/201006102．

［3］ 中國電力企業(yè)聯(lián)合會．2009年電力工業(yè)快報(bào)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)一覽［EB/OL］．http://www．cec．org．cn/html/deptnews/2010/1/7/201017166413867．html．

［4］ 繆國平，朱仁傳，程建生，等．海上風(fēng)電場建設(shè)與海洋工程裝備研發(fā)中若干水動力學(xué)關(guān)鍵技術(shù)問題［J］．上海造船，2009，77(1):19－25．

［5］ Maegaard P．Wind energy development and application prospects of non－grid－connected wind power［C］//Proceedings of 2009 World Non－Grid－Connected．VSA:Wind Power and Energy Conference．New York:IEEE Press，2009．

［6］ 顧為東．利用風(fēng)能資源開發(fā)蘇北灘涂［J］．江蘇工學(xué)院學(xué)報(bào)，1986，7(4):82 －87．

［7］ 顧為東．中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展新戰(zhàn)略與風(fēng)電非并網(wǎng)理論［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006．

［8］ Gu W ，He X ．Developmentof an innovative seawater desalination system using non－grid－connected wind power［C］//Proceedings of2009 World Non－Grid－Connected Wind Power and Energy Conference．New York:IEEE Press，2009:483 －480．