山區(qū)河流水上設(shè)施新能源復(fù)合供電應(yīng)用

齊俊麟，潘 誠，袁成清，江 蓓，張 杰，梁 鍇

(1.長江三峽通航管理局，湖北宜昌443000;2.武漢理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，武漢430063)

山區(qū)河流水上設(shè)施新能源復(fù)合供電應(yīng)用

齊俊麟1，潘 誠1，袁成清2，江 蓓1，張 杰1，梁 鍇1

(1.長江三峽通航管理局，湖北宜昌443000;2.武漢理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，武漢430063)

以三峽河段的躉船和航標船為研究對象,在原有船載發(fā)電裝置基礎(chǔ)上,提出建立風(fēng)、光、水流新能源復(fù)合供電系統(tǒng)的總體方案,并成功在三峽河段三峽錨躉403和廟咀航道航標船上開展實際應(yīng)用。

風(fēng)、光、水流能;復(fù)合供電系統(tǒng)

在山區(qū)河段,較多的水上設(shè)施目前所采用的是資源消耗較高環(huán)境污染隱患較大的能源,例如,柴油發(fā)電、鉛酸蓄電池等,面對資源緊張和環(huán)境保護的壓力,積極推進綠色能源在山區(qū)河流水上設(shè)施供電中的應(yīng)用,有利于加快降低能源資源消耗,減少污染物排放;有利于發(fā)展低碳經(jīng)濟和建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的總體要求。

1 新能源復(fù)合供電系統(tǒng)的總體方案

1.1 應(yīng)用方式

山區(qū)河流躉船的日常生產(chǎn)、生活耗電量較大,同時對供電系統(tǒng)的峰值工作電流也有較高的要求。躉船具有較大的空余甲板,一般停泊在較空曠水流平緩的水面上,適宜光能和風(fēng)能的利用,水流能可利用率較小［1］。因此,山區(qū)河流躉船以風(fēng)、光復(fù)合能源系統(tǒng)為最適宜的應(yīng)用模式。

山區(qū)河流航標標志船上一般采用LED航標燈,其日常工作耗電量很小,只需要配備少量的新能源發(fā)電裝置即可滿足要求,航標船整體結(jié)構(gòu)尺寸較小,吃水較淺,甲板上存在空余面積,太陽能及水流能可較方便利用,風(fēng)能在結(jié)構(gòu)布置上不利于使用。因此,山區(qū)河流航標艇以光能、水流能發(fā)電為最適宜應(yīng)用模式。

1.2 船載原有發(fā)電裝置應(yīng)用研究

部分山區(qū)河流水上設(shè)施,如躉船,配備有生產(chǎn)、生活柴油發(fā)電機。其中,生產(chǎn)柴油發(fā)電機功率較大,主要用于船載大功率用電設(shè)備供電,如錨機;生活柴油發(fā)電機功率較小,主要用于船載日常生活和小功率生產(chǎn)設(shè)備供電,如空調(diào)、廚房設(shè)備、甚高頻通信等。生產(chǎn)柴油發(fā)電機通常年工作時間短,在考慮新能源復(fù)合供電系統(tǒng)應(yīng)用時應(yīng)保留單獨工作;將生活柴油發(fā)電機納入系統(tǒng)中作為急供電設(shè)備和資源條件不佳時為蓄電池組充電電源。

2 系統(tǒng)設(shè)計

選取三峽河段西陵峽峽谷航道中平善壩錨地,以三峽錨躉403躉船作為研究對象。403躉船上配備了值守人員必需的生產(chǎn)生活用電設(shè)備,包括甚高頻、探照燈、電視、空調(diào)、廚房用具、熱水器等。目前403躉船配備了兩套柴油發(fā)電機組,分別為12 kW和40 kW。12 kW發(fā)電機為日常生活生產(chǎn)供電,40 kW柴油發(fā)電機主要用于在汛期前后對躉船錨鏈長度進行調(diào)整的電動絞盤供電。

根據(jù)船員記錄的使用時間和單臺設(shè)備統(tǒng)計數(shù)據(jù),403躉船供電系統(tǒng)的供電需求:①溫暖季節(jié)每日發(fā)電量不低于6 460W˙h,炎熱季節(jié)不得低于22 460W˙h,寒冷季節(jié)不得低于30 460 W˙h;②最大工作電流出現(xiàn)在兩臺壁掛式空調(diào)同時開啟時,為18 A(其他大功率用電設(shè)備通過管理措施錯開使用),考慮一定余量,新能源復(fù)合供電系統(tǒng)峰值工作電流應(yīng)不低于20 A［2］。

2.1 流新能源適用性分析

依據(jù)國家氣象局關(guān)于宜昌地區(qū)年度光照輻射強度的統(tǒng)計數(shù)據(jù),并結(jié)合平善壩錨地日照時間變化情況,按照光照輻射強度與日照時間成正比進行折算,平善壩錨地年度光照輻射強度見表1。

表1 平善壩錨地年度太陽輻射強度表

2011年7月22日～8月31日在403號躉船上觀測風(fēng)速,觀測時間從每天08:00～22:00,每2 h觀測一次,累計觀測265點。風(fēng)速大于3 m/s共計34點,占總數(shù)的12.8%;風(fēng)速大于4 m/s共計11點,占總數(shù)的4.15%。所測風(fēng)速過程線見圖1。實測的最大風(fēng)速8 m/s,最小風(fēng)速0.1 m/s,平均風(fēng)速1.39 m/s?？梢?該地風(fēng)能資源相對匱乏［3］。

2011年11月14日～11月22日實地觀測平善壩403號躉船的水流條件。每天08:00、12:00及18:00,在403號躉船的船艏和船中岸舷側(cè)各測量一次。最大流速0.44 m/s,最小0.15 m/s。除洪水期外,該錨地水流流速緩慢,流速基本在1 m/s以下。

圖1 403號躉船時刻風(fēng)速過程線

可見平善壩錨地太陽能資源相對豐富,每年3月～11月年日照輻射強度較大;平善壩地區(qū)風(fēng)能可利用性低;根據(jù)平善壩錨地歷史數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù),除洪水期外平善壩錨地水流流速較緩。因此,新能源示范系統(tǒng)以太陽能作為新能源復(fù)合供電系統(tǒng)的主要電能來源,風(fēng)能水流能作為補充電能來源。

2.2 躉船新能源復(fù)合供電系統(tǒng)構(gòu)建

由于采用太陽能作為新能源復(fù)合供電系統(tǒng)的主要發(fā)電能源,風(fēng)能作為輔助發(fā)電能源的方案,則所需主要設(shè)備包括:太陽能光伏電池板、太陽能控制器、風(fēng)力發(fā)電機、風(fēng)能控制器、蓄電池及蓄電池組管理系統(tǒng)、逆變器等［4-5］,見圖2。

圖2 新能源復(fù)合供電系統(tǒng)架構(gòu)

2013年5月,在403躉船上完成了布線、設(shè)備安裝［6］、單機調(diào)試、供電系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等現(xiàn)場施工,初步搭建了“躉船新能源復(fù)合供電應(yīng)用示范系統(tǒng)”。2013年7月正式開始試運行,系統(tǒng)運行狀態(tài)良好,各模塊工作正常,系統(tǒng)對外輸出電壓穩(wěn)定,合計供電2 957.6 kW˙h。該系統(tǒng)在節(jié)能減排的同時,大大降低了躉船值守人員對柴油機的巡視、加油等日常工作的強度,同時由于新能源復(fù)合供電較之傳統(tǒng)柴油機供電無噪聲,改善了躉船值守人員的工作、休息環(huán)境。

3 三峽河段航標的系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

經(jīng)實地調(diào)研,選取三峽河段廟咀航道航標船作為示范系統(tǒng)應(yīng)用對象。航標燈具為LED直流燈具(DC6 V,2 W),一般采用鉛酸蓄電池組和太陽能光伏電池板構(gòu)成的小型發(fā)電系統(tǒng)供電,其中鉛酸蓄電池組由3塊2 V 200 Ah電池串聯(lián)組成,太陽能光伏電池板額定功率為48W。

廟咀航道區(qū)域的太陽能資源與平善壩相同,光照時間更長,光能資源豐富。廟咀航道位于葛洲壩壩下,根據(jù)海事歷史記錄數(shù)據(jù),葛洲壩下河段水流流速與河段流量有關(guān),水流流速一般范圍為0.65～3.80 m/s,在非汛期時間段水流流速一般保持在0.65～1.20 m/s。

航標船新能源復(fù)合供電應(yīng)用示范系統(tǒng)包含太陽能光伏電池板、磷酸鐵鋰蓄電池、低流速小型水流發(fā)電機［7］、風(fēng)光互補控制器、直流電壓轉(zhuǎn)換模塊、流速儀和系統(tǒng)監(jiān)控單元等,總體架構(gòu)見圖3。

圖3 航標船新能源復(fù)合供電系統(tǒng)總體架構(gòu)

2014年3月底完成航標船新能源復(fù)合供電應(yīng)用示范系統(tǒng)的設(shè)備安裝和調(diào)試,見圖4。

試運行時間段系統(tǒng)運行平穩(wěn)、負載供電正常。低流速小型水流發(fā)電機和太陽能電池工作正常,系統(tǒng)的整體供電情況良好,滿足設(shè)計要求。

本系統(tǒng)的應(yīng)用提高了航標長時間工作的可靠和穩(wěn)定性,并能直接減少鉛酸蓄電池的使用數(shù)量,大量減少鉛酸蓄電池更換的間接成本。

山區(qū)河流水上設(shè)施新能源復(fù)合供電系統(tǒng)的研究與應(yīng)用可切實有效地保障航運,對降低環(huán)境污染和資源消耗具有十分重要的意義。

圖4 航標船新能源復(fù)合供電示范系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場

［1］吳新憲.太陽能和風(fēng)能在船舶上的應(yīng)用分析［D］.武漢:武漢理工大學(xué),2010.

［2］何勇琪.光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)容量配置優(yōu)化研究［D］.北京:華北電力大學(xué).2012.

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Research on the Application of New Energy Integrated Power System for the Mountain River Facilities

QI Jun-ling1,PAN Cheng1,YUAN Cheng-qing2,JIANG Bei1,ZHANG Jie1,LIANG Kai1
(1 Three Gorges Navigation Authority,Yichang Hubei443000,China; 2 School of Energy and Power Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China)

The pontoon and beacon vessel located at the navigable river of Three-Gorges reach are taken as the research object.Based on the applicationmodel of original generating device for the ship,the general schemes of integrated power system that synchronously utilizes thewind,photovoltaic and hydroelectric power generation system are respectively proposed on the platform of pontoon and beacon vessel.The general design schemes are applied in the Sanxia Maodun 403 and beacon vessel at the navigable river of Three-Gorges reach.

wind photovoltaic and hydroelectric power;integrated power system;demonstration system

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.029

U665.12

A

1671-7953(2015)03-0125-03

2015-02-10

修回日期:2015-03-25

交通運輸建設(shè)科技項目(2011-328-201 -1430)

齊俊麟(1964-),男,碩士,教授級高工

研究方向:通航管理

E-mail:QJLin001@163.com