風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在65 m 鋼質(zhì)躉船上的應(yīng)用

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(江西省港航管理局上饒分局，江西上饒333100)

0 引言

與傳統(tǒng)的化石燃料(煤、石油、天然氣)相比，太陽(yáng)能和風(fēng)能不會(huì)對(duì)環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)造成污染和破壞，使用方便且安全，屬于可再生能源，可以無(wú)限使用，因此，20世紀(jì)80年代開始，世界上很多科研工作者開始對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電工程進(jìn)行了重點(diǎn)研究。我國(guó)自2004年在廣東省南澳島建成了國(guó)內(nèi)第一個(gè)并網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)光互補(bǔ)示范電站以來(lái)，國(guó)內(nèi)多家電力公司開始把市場(chǎng)放在了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電項(xiàng)目上來(lái)，所以目前我國(guó)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)處于較成熟的階段，該技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)缺乏電力的村落、通信基站、路燈、躉船等地區(qū)。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是結(jié)合了風(fēng)能發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電的一項(xiàng)綜合技術(shù)，其基本原理是太陽(yáng)能和風(fēng)能以其在時(shí)間、空間上的互補(bǔ)特性，通過控制器向蓄電池智能化充電，再通過逆變器轉(zhuǎn)化設(shè)備，將蓄電池存儲(chǔ)的電能提供給負(fù)載，滿足日常生產(chǎn)生活用電需要。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電躉船是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)一個(gè)成功應(yīng)用的典型案例，這種技術(shù)非常適合在偏遠(yuǎn)地區(qū)湖泊的躉船上使用。本文確定了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的各個(gè)組成部分，對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的的工作原理和特性做了詳細(xì)的分析和探討，最后總結(jié)了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在躉船上的實(shí)際應(yīng)用。

1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

圖1是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的簡(jiǎn)易構(gòu)造圖，它主要由太陽(yáng)能光伏組件陣列模塊、風(fēng)力發(fā)電機(jī)模塊、智能控制器、蓄電池、逆變器等部分組成。光伏組件和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組共同工作來(lái)滿足負(fù)載的需求。當(dāng)組件和風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電量在滿足負(fù)載需求后，多余的電量將存儲(chǔ)在蓄電池中，直到充滿;相反，當(dāng)光伏組件和風(fēng)機(jī)組的發(fā)電量不足時(shí)，蓄電池將輔助它們來(lái)滿足負(fù)載的需求直到電量用盡，從而保證了發(fā)電系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和連續(xù)性。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)易構(gòu)造圖

1.1 光伏組件陣列模塊

太陽(yáng)能電池是由能將太陽(yáng)轉(zhuǎn)變成電能的硅半導(dǎo)體材料組成的。典型的太陽(yáng)電池本質(zhì)是一個(gè)大面積的發(fā)光二極管，它利用光生伏打效應(yīng)原理將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成電能。當(dāng)太陽(yáng)光照射到電池板上并被吸收時(shí)，能量寬度大于禁帶寬度Eg的光子把價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶上形成自由電子，價(jià)帶中留下帶正電的自由空穴，即電子-空穴對(duì);自由電子和空穴不斷的運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)散到P-N結(jié)的空間電荷區(qū)域，被該區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)分開，電子擴(kuò)散到N型一側(cè)，空穴擴(kuò)散到P型一側(cè)，從而在電池上下表面形成正負(fù)電荷積累，產(chǎn)生光生電壓。若在電池兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，負(fù)載中就有光生電流通過，得到電能，這就是硅基太陽(yáng)電池發(fā)電的基本原理，如圖2所示。它的等效電路由電流源、二極管和一系列的串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻組成，如圖3(a)所示，圖3(b)是它的簡(jiǎn)化等效電路圖。圖 3 中，Rs、Rsh、RL為電阻，Isc、ID、IL為電流，Vpv是太陽(yáng)電池的工作電壓。

圖2 太陽(yáng)電池的工作原理

圖3 光伏電池電路圖

電流源根據(jù)太陽(yáng)輻射能和熱能產(chǎn)生電能［1，2］，產(chǎn)生的電流Ipv可以用式(1)表示:

太陽(yáng)電池的輸出功率為:

式中:ipv、vpv分別為電池輸出端的電流和電壓;Iph為光生電流;Ip為一系列電阻的輸出電流;q代表電子電荷，q=1.38×10-23J/K;T為外界溫度;Ipv為電池的輸出電流。

I-V曲線表現(xiàn)了通過太陽(yáng)能電池板輸出的最大工作電流和最大工作電壓在一定太陽(yáng)電池輻射條件下的關(guān)系，如圖4所示。圖中給出了電池組件在200、400、600、800、1 000 W/m2光照條件下的 I-V 和P-V特性曲線。圖4中，太陽(yáng)光照條件越好，組件的輸出功率越高;當(dāng)光照強(qiáng)度為1 000 W/m2時(shí)，組件的輸出功率最高可達(dá)250 W。

1.2 風(fēng)力發(fā)電模塊

風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電的基本原理是利用風(fēng)能帶動(dòng)風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)，再通過增速器將旋轉(zhuǎn)的速度提高來(lái)促使發(fā)電機(jī)發(fā)電，通過控制器對(duì)蓄電池充電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率與風(fēng)速有很大的關(guān)系，輸出功率的計(jì)算公式為:

風(fēng)機(jī)力矩等于

式中:Pt為輸出功率;Tt為風(fēng)機(jī)力矩;Cp為風(fēng)能利用系數(shù);ρ為空氣密度;A為掃風(fēng)面積;ωm為風(fēng)輪角速度;V為風(fēng)速;λ為尖速比，其中，λ=wR/V，w為風(fēng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)速，R為風(fēng)葉半徑。

圖4 電流和電壓以及功率和電壓關(guān)系曲線圖

輸出功率與風(fēng)速之間的變化關(guān)系如圖5所示，當(dāng)風(fēng)速高于3 m/s時(shí)，風(fēng)輪即轉(zhuǎn)動(dòng);4～9 m/s風(fēng)速下，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)槳葉受離心錘作用，其角度隨轉(zhuǎn)速變化，跟蹤在利于加速的高升阻比狀態(tài)，風(fēng)輪保持高效平穩(wěn)運(yùn)行;當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增大，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速提高，槳葉在離心錘的作用下，向負(fù)角轉(zhuǎn)變，迫使風(fēng)輪恢復(fù)并維持在額定轉(zhuǎn)速附近運(yùn)行，最高轉(zhuǎn)速不超過370 r/min。

2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在躉船上的實(shí)際應(yīng)用

65 m鋼質(zhì)躉船位于鄱陽(yáng)湖蛤蟆石水域。經(jīng)調(diào)研，此地區(qū)位于長(zhǎng)江中下游地區(qū)，具有較好的風(fēng)力條件和太陽(yáng)輻射條件，采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)完全可以滿足躉船負(fù)荷供電要求，因此，在65 m鋼質(zhì)躉船可成功安裝風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。

2.1 安裝實(shí)例

根據(jù)躉船圖紙，結(jié)合躉船實(shí)際情況，在不影響躉船結(jié)構(gòu)和美觀的條件下，系統(tǒng)的安裝方式如下:

(1)組件陣列安裝在躉船頂部，共88塊組件分2列安裝，每列44塊電池組件?？紤]到當(dāng)?shù)氐娜照涨闆r，為了使組件更好地被太陽(yáng)光吸收利用，光伏矩陣的安裝角度與地面呈35°。

圖5 風(fēng)機(jī)輸出功率曲線圖

(2)風(fēng)機(jī)安裝在躉船兩端位于首層甲板下的船艙底層上，風(fēng)機(jī)桿通過焊接與船艙底層上的風(fēng)機(jī)底座相連。船底鋼結(jié)構(gòu)按照要求進(jìn)行了加固處理，中部與3層甲板結(jié)構(gòu)經(jīng)過轂相連，風(fēng)機(jī)安裝總高度距離首層甲板大約15 m，風(fēng)機(jī)底座裝有調(diào)平裝置，可使風(fēng)機(jī)桿與船底保持平衡。

(3)智能控制器安裝在配電室內(nèi)，共有4個(gè)風(fēng)機(jī)控制器和1個(gè)太陽(yáng)電池控制器。為了安全起見，在控制器與蓄電池之間各配有1個(gè)斷路器，控制器與斷路器都是通過支架焊接在室內(nèi)墻壁上。

(4)蓄電池安放在1層的充電間內(nèi)，靠中間兩側(cè)放置，電池總面積約為5 m2。蓄電池用支架固定分2層安裝，底部加固處理，防止波浪或者靠岸時(shí)對(duì)船體的撞擊造成蓄電池滑落。

2.2 效益分析

以燃燒煤炭的火力發(fā)電為例，計(jì)算采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)帶來(lái)的節(jié)電減排效益。根據(jù)專家統(tǒng)計(jì):每節(jié)約1度(kWh)電，就相應(yīng)節(jié)約了0.4 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，同時(shí)減少污染排放0.272 kg碳粉塵、0.997 kg二氧化碳、0.03 kg二氧化硫、0.015 kg氮氧化物。測(cè)量數(shù)據(jù)表明，65 m鋼質(zhì)躉船安裝風(fēng)光互補(bǔ)離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)之后，每天的發(fā)電量可達(dá)60 kWh。利用以上數(shù)據(jù)可以算出躉船每年可以節(jié)省電費(fèi)約1.3萬(wàn)元，節(jié)省用標(biāo)準(zhǔn)煤8.8 t，同時(shí)可減少污染排放約6 t碳粉塵，22 t二氧化碳、0.7 t二氧化硫、0.3 t氮氧化物。

3 結(jié)論及展望

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電躉船是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)典型應(yīng)用，效益分析結(jié)果表明，該技術(shù)具有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。傳統(tǒng)的風(fēng)力和太陽(yáng)能單獨(dú)發(fā)電受到風(fēng)、光資源的影響較大，不能滿足躉船的供電需求。但風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，彌補(bǔ)了風(fēng)力和太陽(yáng)能單獨(dú)發(fā)電自身存在的缺陷，是新能源綜合開發(fā)與利用的完美結(jié)合。

我國(guó)幅員遼闊，具有豐富的太陽(yáng)能［3］和風(fēng)能［4］。目前，雖然太陽(yáng)能電池和風(fēng)力發(fā)電的成本隨著技術(shù)的提高和改進(jìn)不斷降低，但是對(duì)于偏遠(yuǎn)的貧困地區(qū)來(lái)說成本還是相對(duì)較高。為了使風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)更快更早更廣泛的應(yīng)用，還需要進(jìn)一步降低太陽(yáng)能電池和風(fēng)力發(fā)電的成本。

［1］ 王崢，任毅.我國(guó)太陽(yáng)能資源的利用現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)發(fā)展［J］.資源與產(chǎn)業(yè)，2010，12(2):89-92.

［2］ 陳忠斌，胡文華.電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用［J］.上海電力，2005，9(12):22-26.