躉船風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的開發(fā)研究

(長(zhǎng)江航道局,武漢 430010)

在躉船上使用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，不僅可以減少市電敷設(shè)工程復(fù)雜的作業(yè)程序，并且也可減少變壓器、配電柜、配電板等大量電氣設(shè)備，大大節(jié)省人力財(cái)力。同時(shí)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)以自然中可再生的太陽(yáng)能和風(fēng)能為原料，不消耗礦石燃料，不存在空氣污染，是一種新型環(huán)保的節(jié)能方式。

1 可行性分析

目前，我國(guó)的可再生能源產(chǎn)業(yè)已發(fā)展到相當(dāng)規(guī)模，其中，太陽(yáng)能已大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，并且與建筑物結(jié)合的新產(chǎn)品的推出更展示出這個(gè)行業(yè)的巨大發(fā)展前景[1]。太陽(yáng)能光伏制造業(yè)在我國(guó)的長(zhǎng)三角和珠三角地區(qū)迅速崛起，其產(chǎn)品大多出口到歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家。目前我國(guó)的太陽(yáng)能光伏制造業(yè)已躋身世界前列。

高品質(zhì)、高可靠性的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)品在我國(guó)也已形成生產(chǎn)規(guī)模，產(chǎn)品批量出口日本、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家，并且應(yīng)用在風(fēng)光互補(bǔ)路燈、別墅、游艇供電系統(tǒng)等項(xiàng)目上。在國(guó)內(nèi)也已經(jīng)廣泛運(yùn)用在市政照明、道路監(jiān)控、森林防火、通訊基站、海島供電等領(lǐng)域。

我國(guó)對(duì)太陽(yáng)能、風(fēng)能的利用日趨成熟，適用面也越來越廣，在這種形勢(shì)下考慮在躉船上應(yīng)用可再生能源產(chǎn)品技術(shù)應(yīng)該是可行的。

2 風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的原理

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽(yáng)能光伏電池組、智能控制器、蓄電池、直流負(fù)載等部分組成。該系統(tǒng)是集風(fēng)能、太陽(yáng)能及蓄電池等多種能源發(fā)電技術(shù)及系統(tǒng)智能控制技術(shù)為一體的復(fù)合可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，見圖1。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)原理

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)利用太陽(yáng)能電池方陣、風(fēng)力發(fā)電機(jī)將發(fā)出的電能存儲(chǔ)到蓄電池組中，當(dāng)用戶需要用電時(shí)，逆變器將蓄電池組中儲(chǔ)存的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，通過輸電線路送到用戶負(fù)載處。適當(dāng)時(shí)還可接入市電對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是利用風(fēng)能和太陽(yáng)能資源的互補(bǔ)性，具有較高性價(jià)比的一種新型能源發(fā)電系統(tǒng)[2]。

1)風(fēng)力發(fā)電部分利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，通過控制器對(duì)蓄電池充電，對(duì)負(fù)載供電[3]；

2)光伏發(fā)電部分利用太陽(yáng)能電池板的光伏效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能，然后對(duì)蓄電池充電，對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電[4]；

3)控制部分根據(jù)日照強(qiáng)度、風(fēng)力大小及負(fù)載的變化，不斷對(duì)蓄電池組的工作狀態(tài)進(jìn)行切換和調(diào)節(jié)：一方面把調(diào)整后的電能直接送往直流負(fù)載。另一方面把多余的電能送往蓄電池組存儲(chǔ)。發(fā)電量不能滿足負(fù)載需要時(shí)，控制器把蓄電池的電能送往負(fù)載，保證了整個(gè)系統(tǒng)工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性；

4)蓄電池部分由多塊蓄電池組成，在系統(tǒng)中同時(shí)起到能量調(diào)節(jié)和平衡負(fù)載兩大作用。它將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來，以備供電不足時(shí)使用。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)力和太陽(yáng)輻射變化情況，可以在3種模式下運(yùn)行：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單獨(dú)向負(fù)載供電；光伏發(fā)電系統(tǒng)單獨(dú)向負(fù)載供電；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和光伏發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合向負(fù)載供電。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電比單獨(dú)風(fēng)力發(fā)電或光伏發(fā)電有以下優(yōu)點(diǎn)：

①利用風(fēng)能、太陽(yáng)能的互補(bǔ)性，可以獲得比較穩(wěn)定的輸出，系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性和可靠性；

②在保證同樣供電的情況下，可大大減少儲(chǔ)能蓄電池的容量；

③通過合理地設(shè)計(jì)與匹配，由風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)供電，可獲得較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3 躉船用風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 設(shè)計(jì)思路

為了滿足躉船上生產(chǎn)、生活用電需要，并且達(dá)到節(jié)約能源消耗，減少污染排放，節(jié)省建設(shè)和維護(hù)成本需求，初步設(shè)想利用風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能自然資源聯(lián)合互補(bǔ)發(fā)電。

1)風(fēng)力條件。長(zhǎng)江上游段、中游段、下游段年平均風(fēng)速分別為1.4～1.9、1.7～2.8、2.8～3.0 m/s。以上風(fēng)力條件都滿足正常風(fēng)力發(fā)電需求，見表1。

表1 長(zhǎng)江平均風(fēng)速月度表

2)太陽(yáng)輻射。長(zhǎng)江上、中、下游太陽(yáng)年輻射總量平均為3 436～3 840、4 190～5 020、4 245～5 017 MJ/m2。以上太陽(yáng)輻射量完全可以滿足太陽(yáng)能發(fā)電需求，見表2。

表2 長(zhǎng)江平均太陽(yáng)輻射月度表

3)水利條件。長(zhǎng)江全長(zhǎng)約6 300 km。流速：三峽大壩建成前為2.5～3.0 m/s；三峽大壩建成后不超過0.5 m/s。水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電效率較低，在此流速下發(fā)電量較小，不能滿足供電作業(yè)要求，不能使用。

以上數(shù)據(jù)表明，在長(zhǎng)江沿線的躉船上安裝風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)，客觀條件完全滿足要求。

從長(zhǎng)江沿線風(fēng)力條件來看，在長(zhǎng)江上游風(fēng)力條件和太陽(yáng)輻射相對(duì)比較差，在連續(xù)陰雨天時(shí)，發(fā)電系統(tǒng)不能完全滿足滿負(fù)荷供電，可以采用岸電或柴油機(jī)發(fā)電作為補(bǔ)充供電。

在長(zhǎng)江中游風(fēng)力條件和太陽(yáng)輻射相對(duì)比較好，采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)完全滿足躉船負(fù)荷供電要求，因此采用風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)情況較為理想。

在長(zhǎng)江下游風(fēng)力條件相對(duì)比較好，在滿足躉船供電要求下，可根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況在岸邊或船上適當(dāng)增加風(fēng)機(jī)數(shù)量，從而減少太陽(yáng)能板數(shù)量，提高資源利用率，降低建設(shè)成本。因此采用風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)情況非常理想。

3.2 躉船日耗電量估算

躉船日耗電量估算見表3。

3.3 安裝案例

3.3.1 太陽(yáng)能板安裝

太陽(yáng)能板安裝在躉船頂部，安裝55塊太陽(yáng)能板。在兩側(cè)觀景亭頂部分別安裝5塊和4塊；中部會(huì)議室頂部安裝18塊；兩側(cè)走廊頂篷上方各安裝14塊。

表3 躉船日耗電量估算

3.3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝

風(fēng)機(jī)安裝在躉船兩端首層甲板上，風(fēng)機(jī)桿與船底鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，船底鋼結(jié)構(gòu)根據(jù)船舶設(shè)計(jì)公司計(jì)算，按要求進(jìn)行了加固處理，中部與二、三層甲板結(jié)構(gòu)相連。風(fēng)機(jī)安裝總高度為距一層甲板面15 m。

3.3.3 蓄電池安裝

蓄電池平放在首層充電間內(nèi)，靠窗一側(cè)安放，約占該房間1/4面積。蓄電池用支架固定，分兩層安裝，底部進(jìn)行加固處理，防止船舶?？炕虼箫L(fēng)浪對(duì)船體造成的撞擊導(dǎo)致蓄電池?fù)u晃墜落。安裝后不影響充電間正常使用也不影響人員行走。

3.3.4 配電設(shè)備

配電設(shè)備包含1臺(tái)離網(wǎng)型逆變器、1個(gè)交、直流總線配電箱。安裝在躉船配電房?jī)?nèi)。不影響其它設(shè)備正常使用

1)系統(tǒng)性能參數(shù)。系統(tǒng)總裝機(jī)容量為風(fēng)力發(fā)電機(jī)：2 kW，2臺(tái);太陽(yáng)能板：240 W，55塊；110節(jié)500 AH蓄電池;蓄電池儲(chǔ)能總量：120 kW·h；有效儲(chǔ)能總量：80 kW·h；直流電壓等級(jí)：220 V；輸出額定容量：20 kVA；最大輸出功率值:16 kW；壽命：20年以上；能源采集有效時(shí)間：27 740 h以上。

2)電力分配。根據(jù)發(fā)電系統(tǒng)配置條件，此套風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)將主要供應(yīng)生活用電7 kW，室外照明1.5 kW，主甲板照明2.5 kW，二層甲板照明1.5 kW，值班室配電間空調(diào)各2.5 kW，總計(jì)15 kW。

以上電力分配使用時(shí)應(yīng)避免全負(fù)荷開啟，感性電器(空調(diào))開啟應(yīng)間隔20 s方可開啟其它電器，電器控制部分加入針對(duì)空調(diào)的自動(dòng)保護(hù)裝置。

當(dāng)風(fēng)光互補(bǔ)供電及蓄電池電量不夠時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)切換到岸電，用岸電為躉船供電；當(dāng)風(fēng)光互補(bǔ)供電回復(fù)，蓄電池電量達(dá)到一定水平，系統(tǒng)自動(dòng)切換到風(fēng)光互補(bǔ)供電。

3.4 節(jié)能、減排效益

躉船上安裝風(fēng)光互補(bǔ)離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)后，每天平均發(fā)電80度，每年每艘船可節(jié)省電費(fèi)2.4萬元。10年運(yùn)行可減排二氧化碳239 t、二氧化硫排放7.2 t、氮氧化物3.6 t、碳粉層65 t。10年節(jié)省用電24萬度，節(jié)省用標(biāo)準(zhǔn)煤96 t,節(jié)省用純凈水960 t。

4 結(jié)論

1)風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)是完全的綠色發(fā)電系統(tǒng)，完全采用可再生的自然能源，可以提高城市環(huán)境質(zhì)量，減少大氣污染，為子孫后代造福。是建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的有力產(chǎn)品之一。

2)傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電在資源利用上有其自身的缺陷，有些地區(qū)日照時(shí)間短或風(fēng)力不足，單獨(dú)使用風(fēng)力發(fā)電或太陽(yáng)能發(fā)電不能滿足供電的需要。但風(fēng)能和太陽(yáng)能的互補(bǔ)性很強(qiáng)，無風(fēng)時(shí)可能會(huì)有太陽(yáng)，無太陽(yáng)時(shí)可能會(huì)有風(fēng)，白天日照充足時(shí)可能風(fēng)小，夜晚沒有日照時(shí)可能風(fēng)大。風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)正是利用這一原理強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的。該系統(tǒng)彌補(bǔ)了風(fēng)電和光電獨(dú)立系統(tǒng)的缺陷，它是合理的獨(dú)立電源系統(tǒng)，是新能源綜合開發(fā)和利用的完美結(jié)合。

3)區(qū)域離網(wǎng)獨(dú)立供電較并網(wǎng)發(fā)電而言投資小、見效快，占地面積小，從安裝到投入使用的時(shí)間視其工程量，少則一天多則兩個(gè)月，無需專人值守，易于管理。與傳統(tǒng)供電相比，區(qū)域離網(wǎng)獨(dú)立供電在遠(yuǎn)離電網(wǎng)、市電不能經(jīng)濟(jì)覆蓋的地區(qū)，可節(jié)約投資30%以上，在電網(wǎng)覆蓋地區(qū)，投資基本持平，維護(hù)費(fèi)用基本等同，完全節(jié)省后期大量電費(fèi)支出。

4)風(fēng)光互補(bǔ)離網(wǎng)供電系統(tǒng)易于安裝使用，且供電區(qū)域規(guī)模小、供電區(qū)域明確，便于維護(hù)。常規(guī)供電工程作業(yè)程序復(fù)雜，電纜溝開挖、鋪設(shè)暗管、管內(nèi)穿線、回填等基礎(chǔ)工程，需要大量人工；同時(shí)，變壓器、配電柜、配電板等大量電氣設(shè)備，也需要耗費(fèi)大量財(cái)力。風(fēng)光互補(bǔ)離網(wǎng)供電則免除電纜鋪線工程及管道施工，無需大量供電設(shè)施建設(shè)，大大節(jié)省人力財(cái)力。

5)風(fēng)光互補(bǔ)離網(wǎng)供電系統(tǒng)獨(dú)立供電，穩(wěn)定性強(qiáng)。由于常規(guī)供電是電纜連接，很可能會(huì)因?yàn)閭€(gè)體的問題，而影響整個(gè)供電系統(tǒng)；風(fēng)光互補(bǔ)離網(wǎng)供電由于是每套設(shè)備獨(dú)立成系統(tǒng)，所以個(gè)別損壞不會(huì)影響其它系統(tǒng)設(shè)備的正常運(yùn)行，即使遇到大面積停電，也不會(huì)影響正常供電，不可控?fù)p失大大降低。

6)可解決偏遠(yuǎn)地區(qū)無法供電的難題，解決傳統(tǒng)供電線損大成本高的難題。風(fēng)光互補(bǔ)離網(wǎng)供電系統(tǒng)，不但緩解了電力緊張局面，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)綠色能源、開發(fā)再生能源，促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

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