空間梯度分布式能源集成利用原理及其關(guān)鍵技術(shù)研究

方子帆 呂紅梅 徐 浩 葛旭甫 方 婧 何孔德

(1. 三峽大學(xué) 水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002； 2. 三峽大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 3. 三峽大學(xué) 新能源微電網(wǎng)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002； 4. 三峽大學(xué) 發(fā)展規(guī)劃處，湖北 宜昌 443002)

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境的差異，多種可再生能源被用于人類生活的能量供應(yīng)．同時(shí)因生產(chǎn)活動(dòng)日益加快，能源消耗也隨之增加，當(dāng)前全球正遭受著全球變暖等環(huán)境問(wèn)題，霧霾在中國(guó)多地區(qū)對(duì)居民的健康安全和經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)都造成了負(fù)面影響[1-2]，考慮到人類的生存因素以及環(huán)境因素，空間梯度分布的可再生能源的發(fā)展已成為生態(tài)文明建設(shè)的需求，分析可再生能源的分布特征對(duì)可再生能源集成利用具有重要意義．

可再生能源發(fā)電已成為主要能源利用方式，其利用形式以單一能源的利用轉(zhuǎn)換為主，單一可再生能源發(fā)電技術(shù)面臨能量轉(zhuǎn)換效率低、發(fā)電成本高等問(wèn)題，難以提供高效、穩(wěn)定的電能輸出．布置數(shù)量眾多的發(fā)電裝置形成大規(guī)模發(fā)電場(chǎng)，可以有效彌補(bǔ)單一可再生能源利用效率較低的特點(diǎn)．目前太陽(yáng)能光熱發(fā)電和光伏發(fā)電技術(shù)已較為成熟，在陽(yáng)光充足區(qū)域能得到充分利用，但大規(guī)模發(fā)電場(chǎng)易對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生物理污染與次生污染．考慮到可再生能源梯度分布特點(diǎn)，多種能量互補(bǔ)利用成為可能，多能源互補(bǔ)技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)．丹麥WaveStar公司研制的Wavestar發(fā)電裝置，實(shí)現(xiàn)波浪能與風(fēng)能結(jié)合，一套設(shè)備能夠產(chǎn)生600 kW的電力，有望滿足4 000戶家庭的用電需求；日本京都大學(xué)Rahman教授等提出近海風(fēng)能和潮流能混合發(fā)電系統(tǒng)(Hybrid Offshore-wind and Tidal Turbine，HOTT)，利用裝置下部潮流能水輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電，和風(fēng)力發(fā)電互相補(bǔ)充；美國(guó)能源島公司研發(fā)了基于海洋熱能轉(zhuǎn)換的多能互補(bǔ)供能系統(tǒng)(Ocean Thermal Energy Conversion，OTEC)，該系統(tǒng)同時(shí)集成地?zé)崮?、太?yáng)能、風(fēng)能、波浪能以及海流能利用技術(shù)，可用于海水淡化，土地灌溉，工業(yè)制氫等其他工業(yè)用途．國(guó)內(nèi)山東即墨大管島風(fēng)-光-波浪能的混合發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)24 h不間斷供電，滿足居民和游客生活生產(chǎn)用電[3-5]． 通過(guò)可再生能源的多能互補(bǔ)，可逐漸緩解棄水棄風(fēng)棄光問(wèn)題，促進(jìn)可再生能源分布式應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展，大幅增加可再生能源在能源生產(chǎn)和消費(fèi)中的比重，以及加速對(duì)化石能源的替代，在規(guī)?；l(fā)展中加速技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)[6]．對(duì)于多種可再生能源如何獲取，能量轉(zhuǎn)換、傳遞與合并過(guò)程及系統(tǒng)集成平臺(tái)開發(fā)等關(guān)鍵問(wèn)題，目前還缺乏深入研究，系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供電，是需突破的技術(shù)難題．

1 空間梯度分布式能源的基本特征

1.1 分布式能源的空間梯度分布特征

可再生能源種類豐富，按照空間梯度分布依次為太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、海洋波浪能、潮汐能、潮流能、溫差能、鹽差能等．非再生能源分布具有區(qū)域集中特性，如煤礦、石油等化石能源以礦產(chǎn)形式大量?jī)?chǔ)藏于地下，地理位置長(zhǎng)期固定，能源總量相對(duì)穩(wěn)定．與之相比可再生能源種類較多，分布空間廣泛，具有空間流動(dòng)特性與能量密度較低的特性，因此，對(duì)于可再生能源的開發(fā)利用，需考慮可再生能源的空間梯度分布特征．

地理因素以及能源的物理屬性決定了可再生能源的空間梯度分布特征，將地球生態(tài)圈按空間縱向梯度自上而下劃分，可分為大氣層、地表層、海洋層與地下層4層區(qū)域，大氣層中包含電磁波和各種氣體，能夠利用的可再生能源為太陽(yáng)能以及風(fēng)能；地表層包含河流以及大量生物，可再生能源以水能和生物質(zhì)能形式存在；海洋層主要蘊(yùn)含富含鹽分的海水，其中豐富的海洋能包括波浪能、潮汐能、潮流能、溫差能以及鹽差能；地下層中地?zé)崮艿哪芰縼?lái)自地球內(nèi)部的熔巖，借助水和熔巖將能量傳遞至地下數(shù)千米處．可再生能源分布范圍廣，空間縱向上呈從高到低的梯度分布．圖1描述了可再生能源的空間梯度分布特征，表1為國(guó)內(nèi)2020年可再生能源利用的主要指標(biāo)[7]．

圖1 可再生能源空間梯度分布特征

內(nèi)容利用規(guī)模/(萬(wàn)kW)年產(chǎn)能量/(億kW·h)折標(biāo)煤/(萬(wàn)t/年)發(fā)電675001904556188水電(不含抽水蓄能)340001250036875并網(wǎng)風(fēng)電21000420012390光伏發(fā)電1050012453673太陽(yáng)能熱發(fā)電500200590生物質(zhì)發(fā)電15009002660可再生能源合計(jì)72928

1.2 分布式能源的工程利用因素

高海拔山區(qū)、自然保護(hù)區(qū)以及海洋島嶼等區(qū)域地理位置相對(duì)城市較為偏遠(yuǎn)，集中能源供應(yīng)系統(tǒng)在上述區(qū)域提供能量時(shí)，面臨基礎(chǔ)建設(shè)成本較高，設(shè)備維修困難，電力損耗較大等不利因素．相比之下分布式能源供應(yīng)系統(tǒng)能量獲取方式廣泛，對(duì)地理結(jié)構(gòu)、空間海拔要求較低，已成為當(dāng)前解決供能問(wèn)題的需求之一．

由于可再生能源分布廣泛，并非所有可再生能源都適合于工程開發(fā)，受到成本、環(huán)境以及現(xiàn)有技術(shù)等因素限制，部分可再生能源獲取困難、成本高、污染環(huán)境，現(xiàn)階段難以開發(fā)．同時(shí)，能源的轉(zhuǎn)換效率也影響分布式可再生能源開發(fā)的可行性，因此，分布式能源工程利用需綜合考慮能源可獲得性、環(huán)境友好性、經(jīng)濟(jì)性以及使用方便性．

根據(jù)分布式可再生能源綜合利用四因素，對(duì)多種能量獲取技術(shù)進(jìn)行組合，達(dá)到可再生能源相互補(bǔ)充，提高能量獲取效率的目的．通過(guò)開發(fā)其高效利用的裝備，實(shí)現(xiàn)可再生能源的低成本利用、低污染排放、可持續(xù)發(fā)展．

1.3 分布式能源系統(tǒng)的裝備多樣性

考慮到分布式能源的工程利用因素，太陽(yáng)能、風(fēng)能、波浪能和潮流能容易獲取，在成本、環(huán)境以及技術(shù)開發(fā)方面都有巨大的優(yōu)勢(shì)．由于分布式能源種類多樣，分布廣泛，不同環(huán)境下的能源利用應(yīng)考慮當(dāng)?shù)氐哪茉捶植记闆r，采取因地制宜的措施，因此分布式能源系統(tǒng)在系統(tǒng)組成方面呈現(xiàn)多樣性，分布式能源利用裝備主要有3類：

1)風(fēng)波互補(bǔ)裝備，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)、波兩種能量互補(bǔ)綜合利用，適合于風(fēng)能資源豐富的海洋區(qū)域．在潮汐資源豐富的近海區(qū)域，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)能與潮流能的互補(bǔ)利用．在光源充足區(qū)域，在風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)上互補(bǔ)太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)綜合利用．

2)風(fēng)波流互補(bǔ)裝備，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)能、波浪能、潮流能3種能量互補(bǔ)綜合利用．同時(shí)，也可實(shí)現(xiàn)風(fēng)能、太陽(yáng)能、波浪能3種能量互補(bǔ)綜合利用，太陽(yáng)能與風(fēng)能利用裝置可建設(shè)在近海，解決近海居民生活與工業(yè)用電．

3)光風(fēng)波流互補(bǔ)裝備，可實(shí)現(xiàn)光、風(fēng)、波、流4種能量互補(bǔ)綜合利用，太陽(yáng)能與風(fēng)能利用裝置可建設(shè)在島嶼，解決島嶼居民生活與工業(yè)用電，目前為研究熱點(diǎn)[8]．

2 空間梯度分布式能源集成利用原理

結(jié)合可再生能源的分布特征與工程因素，一定區(qū)域范圍內(nèi)可能包含數(shù)種分布式可再生能源，例如風(fēng)能和太陽(yáng)能同時(shí)同地存在，波浪能與潮流能同時(shí)同地存在．這種特點(diǎn)為分布式可再生能源的集成利用提供可能．

分布式能源系統(tǒng)集成利用是指多種分布式可再生能源在能量采集階段之后匯聚合并，通過(guò)單個(gè)發(fā)電機(jī)就可以完成多種能源的電能轉(zhuǎn)換．隨著可再生能源利用技術(shù)的發(fā)展，不同種類的能源能夠在能量傳遞階段內(nèi)完成能量的合成．集成利用包含了裝備的合成與能量的合成兩種含義，在可再生能源集成利用原理中，多個(gè)能量采集單元對(duì)應(yīng)一個(gè)電能產(chǎn)生單元，其集成和控制的對(duì)象主要是獲取的可再生能源．集成利用對(duì)可再生能源利用技術(shù)要求較高，但其電能輸出較穩(wěn)定，在電能并網(wǎng)輸出環(huán)節(jié)容易處理，且單一裝置可獲取多種分布式可再生能源，能量利用效率高[3]．

多種能源的吸收、傳遞與轉(zhuǎn)化對(duì)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)提出了新的要求，分布式能源的利用過(guò)程是可再生能量的吸收、合成到電能轉(zhuǎn)換的過(guò)程，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含3部分，分別是能量獲取環(huán)節(jié)、電能轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)以及能量輸出環(huán)節(jié)．能量獲取環(huán)節(jié)包括能量獲取過(guò)程，該環(huán)節(jié)吸收游離在空間中的可再生能源并將其轉(zhuǎn)換為較穩(wěn)定可利用能量；在電能轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中，多種來(lái)源的能量被合并傳遞，發(fā)電系統(tǒng)將合并后的能量轉(zhuǎn)換為電能；能量輸出環(huán)節(jié)對(duì)電能進(jìn)行整流及逆變等處理，根據(jù)用戶需求進(jìn)行輸送或者儲(chǔ)存．

以太陽(yáng)能、風(fēng)能、波浪能和潮流能4種分布式可再生能源綜合利用為例，選取不同的能量利用機(jī)構(gòu)獲取對(duì)應(yīng)能量．基于集成利用理念，光-風(fēng)-波-流能量通過(guò)能量轉(zhuǎn)換、能量集成、電能變換、電能控制與儲(chǔ)存并網(wǎng)等過(guò)程變?yōu)榉€(wěn)定的電能進(jìn)行輸出[9]．分布式能源集成利用原理圖如圖2所示．

圖2 分布式能源集成利用原理圖

分布式能源集成利用的難點(diǎn)在于復(fù)雜多變海洋環(huán)境下，多種能量的采集-合成-傳遞-轉(zhuǎn)換的多物理過(guò)程的實(shí)現(xiàn)，與子系統(tǒng)之間的相互匹配問(wèn)題．以復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)能量流角度分析，太陽(yáng)能、風(fēng)能、波浪能以及潮流能作為系統(tǒng)的能量輸入，通過(guò)機(jī)-電-液結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)能量的采集、合并、傳遞和穩(wěn)定過(guò)程，最終能量以電能進(jìn)行輸出或者轉(zhuǎn)化為化學(xué)能在電池中儲(chǔ)存，考慮到系統(tǒng)中熱能的產(chǎn)生與耗散，分布式能源集成利用系統(tǒng)將隨機(jī)不穩(wěn)定的自然能源轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)幕瘜W(xué)能與電能．

3 空間梯度分布式能源利用關(guān)鍵技術(shù)

3.1 分布式能量獲取技術(shù)

研究大規(guī)模高效分布式能源集成發(fā)電技術(shù)、降低可再生能源開發(fā)成本以及提高能量輸出穩(wěn)定性，是可再生能源開發(fā)利用的發(fā)展趨勢(shì)．可再生能源的集成利用以安全、高效、穩(wěn)定的電能輸出為主要目標(biāo)，通過(guò)分布式能源獲取原理，游離于空間中的可再生能源被集中捕獲．太陽(yáng)能、風(fēng)能、波浪能和潮流能4種分布式可再生能源的獲取原理如下．

1)光伏發(fā)電通過(guò)光電裝置半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，在不同材料之間產(chǎn)生電子移動(dòng)，從而將太陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)化為電能，太陽(yáng)能電池有單晶硅、多晶硅和非晶硅3種；太陽(yáng)熱發(fā)電收集太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的熱能，再推動(dòng)發(fā)電機(jī)工作轉(zhuǎn)化為電能，包括塔式、槽式、碟式與菲涅爾式結(jié)構(gòu)．

2)風(fēng)能獲取原理是利用風(fēng)力的動(dòng)能帶動(dòng)風(fēng)輪機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能用于發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電裝置包含水平軸風(fēng)力機(jī)和豎直軸風(fēng)力機(jī)兩種類型，其中水平軸風(fēng)力機(jī)應(yīng)用最為廣泛．

3)波浪能利用原理多種多樣，振蕩水柱式裝置利用波浪推動(dòng)空氣來(lái)驅(qū)動(dòng)空氣透平發(fā)電機(jī)發(fā)電；越浪式裝置將波浪動(dòng)能轉(zhuǎn)換為波浪勢(shì)能，從而推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；振蕩浮子式、點(diǎn)頭鴨式、擺式、筏式等裝置將波浪能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能用于發(fā)電．

4)潮流能獲取原理與風(fēng)能獲取原理相似，潮流能發(fā)電裝置主要利用形式有水平軸式水輪機(jī)、垂直軸式水輪機(jī)，潮流能轉(zhuǎn)換裝置主要包括振蕩水翼式、螺旋葉片式、文丘里式、Savonius式等[10-11]．從上述分布式能源獲取原理的關(guān)鍵技術(shù)在于如何利用機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)將可再生能源高效轉(zhuǎn)換為機(jī)械能．

3.2 分布式能量合成技術(shù)

根據(jù)多能互補(bǔ)集成發(fā)電系統(tǒng)的單一電能輸出需求，獲取的多種可再生能源在電能并網(wǎng)輸出階段前需合并為單一穩(wěn)定能量．因?yàn)榉植际娇稍偕茉吹碾S機(jī)性，其能量的頻率、幅值互不相同，不能直接合成．考慮到多能互補(bǔ)集成發(fā)電系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，在電能輸出前完成能量合并，有利于發(fā)電機(jī)穩(wěn)定工作，實(shí)現(xiàn)電能的穩(wěn)定輸出．

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)能量的合并過(guò)程，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定，便于控制能量流動(dòng)并且在多種復(fù)雜工況下可靠性更強(qiáng)[12]．利用液壓缸或者液壓泵，將獲取的不穩(wěn)定機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能，通過(guò)液壓管道匯集不同來(lái)源的液壓能，達(dá)到可再生能量的合并傳遞．借助液壓閥與液壓回路調(diào)節(jié)液壓管道中液壓油的壓力、流量及流動(dòng)方向．蓄能器將過(guò)多液壓能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能儲(chǔ)存，達(dá)到緩沖與補(bǔ)充液壓管道能量的作用，為系統(tǒng)發(fā)電環(huán)節(jié)做好準(zhǔn)備，實(shí)現(xiàn)電能的穩(wěn)定輸出．

對(duì)于非穩(wěn)定機(jī)械能如何轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電能輸出這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及科研機(jī)構(gòu)都曾作過(guò)研究．挪威Pelagic Power AS公司在其研發(fā)的風(fēng)能-波浪能雙動(dòng)力互補(bǔ)供能裝置W2Power中，利用三角漂浮平臺(tái)上的液壓系統(tǒng)，匯集平臺(tái)上方風(fēng)能和海面波浪能，為發(fā)電機(jī)供能提供了良好選擇；Weixing Chen等[13]在W2Power裝置的基礎(chǔ)上提出液壓能量集成方案，并對(duì)機(jī)械能向液壓能變換的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備(energy conversion devices，ECDs )做出樣機(jī)試驗(yàn)，裝備能量轉(zhuǎn)換效率超過(guò)80%．

圖3 多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)能量合并原理

結(jié)合系統(tǒng)論研究方法，空間梯度分布的可再生能量集成利用裝備可用物質(zhì)流、能量流和信息流進(jìn)行描述[14-15]．圖3以太陽(yáng)能、風(fēng)能、波浪能以及潮流能4種能量集成利用為例，系統(tǒng)輸入為多種物質(zhì)之間的能量交換，太陽(yáng)光、風(fēng)、波浪以及海流分別向系統(tǒng)輸入物質(zhì)流．物質(zhì)流輸入伴隨太陽(yáng)能、風(fēng)能、波浪能以及潮流能的能量流輸入，經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能板、風(fēng)輪葉片、波浪浮子和水輪機(jī)的能量轉(zhuǎn)換，太陽(yáng)能板直接轉(zhuǎn)換電能輸出，風(fēng)、波浪和海流的獲取能量通過(guò)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為液壓能，在液壓能管道中進(jìn)行合并、傳遞、穩(wěn)定，能量流經(jīng)過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，與太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的電能合并后并網(wǎng)輸出．能量獲取、傳遞和轉(zhuǎn)換過(guò)程中，信息流分別在機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)中傳遞，保證系統(tǒng)最終的電能輸出趨于穩(wěn)定．

3.3 能量穩(wěn)態(tài)控制技術(shù)

為達(dá)到電能穩(wěn)定輸出的目的，在發(fā)電階段前需從能量獲取、傳遞、轉(zhuǎn)換方面進(jìn)行控制[16]，基于現(xiàn)代控制理論，可建立獲能機(jī)構(gòu)過(guò)載控制系統(tǒng)、液壓傳動(dòng)壓力控制系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)速度控制系統(tǒng)．針對(duì)獲能階段，提取獲取機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ、角速度ω等參數(shù)，結(jié)合能量獲取算法，實(shí)際壓力F與預(yù)設(shè)壓力Ff相比較，使能量吸收幅值維持在額定范圍內(nèi)，形成獲能機(jī)構(gòu)的過(guò)載保護(hù)，控制框圖如圖4所示．在能量傳遞階段，液壓傳動(dòng)方式應(yīng)用最為廣泛，設(shè)置液壓傳動(dòng)系統(tǒng)控制系統(tǒng)，控制液壓缸的行程，對(duì)不同能量密度分級(jí)控制，確保液壓系統(tǒng)工作穩(wěn)定．設(shè)置發(fā)電機(jī)速度控制系統(tǒng)，控制液壓馬達(dá)恒速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)穩(wěn)定輸出，控制框圖如圖5所示．通過(guò)多層反饋控制，保證多種可再生隨機(jī)能源功率最優(yōu)吸收，同時(shí)保證系統(tǒng)機(jī)械裝置在強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性允許的情況下工作，確保系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行．

圖4 獲能機(jī)構(gòu)過(guò)載控制框圖

圖5 發(fā)電機(jī)速度控制框圖

3.4 分布式能量?jī)?chǔ)存技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)分布式可再生能源的高效利用，需對(duì)系統(tǒng)輸出的電能進(jìn)行儲(chǔ)存與管理．風(fēng)波流發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生交流電，進(jìn)行整流轉(zhuǎn)換為直流電，與太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的直流電變流合并，通過(guò)控制器檢測(cè)控制電流、電壓，過(guò)放報(bào)警，保護(hù)控制，過(guò)流及短路保護(hù)控制等[17]．根據(jù)多能互補(bǔ)系統(tǒng)電能輸出用途不同，能量的儲(chǔ)存形式可分為直接儲(chǔ)能與間接儲(chǔ)能．

直接儲(chǔ)能指將電能儲(chǔ)存在化學(xué)電池中，負(fù)載工作時(shí)可直接進(jìn)行電能輸出．利用配電柜對(duì)電能輸出進(jìn)行管理，根據(jù)實(shí)際需求，直流電輸入蓄電池儲(chǔ)存，應(yīng)用于電力系統(tǒng)的蓄電池主要有鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鈉硫電池以及液流電池等．由于鉛酸蓄電池技術(shù)成熟、成本較低且可靠性較高，已廣泛應(yīng)用于可再生能源發(fā)電系統(tǒng)．對(duì)于滿足并網(wǎng)要求的電能，可經(jīng)過(guò)逆變、升壓變換處理后接入電網(wǎng)輸出[18]．

間接儲(chǔ)能指分布式可再生能源轉(zhuǎn)換為其他穩(wěn)定、集中的能量．利用抽水蓄能系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)電能的間接存儲(chǔ)，同時(shí)有效解決新能源發(fā)電的棄水棄風(fēng)棄光問(wèn)題，通過(guò)水泵和發(fā)電機(jī)等能量轉(zhuǎn)換元件，能量在電能以及水的機(jī)械能之間轉(zhuǎn)換，可再生能源將以水庫(kù)的高海拔勢(shì)能形式長(zhǎng)期存儲(chǔ)，圖6描述了抽水蓄能系統(tǒng)間接儲(chǔ)能示意圖．

圖6 抽水蓄能系統(tǒng)間接儲(chǔ)能示意圖

3.5 光風(fēng)波流多能互補(bǔ)穩(wěn)態(tài)發(fā)電裝置

近海能源包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、波浪能與潮流能，能量分布廣泛，易于獲取，對(duì)于島嶼是一種良好的能量來(lái)源．近海區(qū)域是實(shí)現(xiàn)空間梯度分布式能源集成利用的良好環(huán)境之一，根據(jù)人類對(duì)可再生多能源的互補(bǔ)利用需求與海島可再生能源獨(dú)立供電理念，利用空間梯度分布式能源集成利用原理及其關(guān)鍵技術(shù)，課題組提出一種光風(fēng)波流多能互補(bǔ)穩(wěn)態(tài)發(fā)電裝置，為海洋島嶼的供電問(wèn)題提供了一種解決方案，如圖7所示．該系統(tǒng)由3類可再生能量捕獲機(jī)構(gòu)、固定平臺(tái)、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)等風(fēng)波流發(fā)電系統(tǒng)以及太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)組成．

圖7 光風(fēng)波流多能互補(bǔ)穩(wěn)態(tài)發(fā)電系統(tǒng)示意圖

如圖7所示，光風(fēng)波流多能互補(bǔ)穩(wěn)態(tài)獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換過(guò)程為：將海島能源分成太陽(yáng)輻射層、空氣對(duì)流層、海面波浪層、海下潮流4層能源區(qū)域，利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理，實(shí)現(xiàn)海島太陽(yáng)能發(fā)電，電能通過(guò)逆變器與變流器輸送至海島供電系統(tǒng)．風(fēng)波流發(fā)電平臺(tái)上方的旋轉(zhuǎn)葉片獲取空氣對(duì)流層風(fēng)能，平臺(tái)下方的浮子結(jié)構(gòu)收集海面波浪能，平臺(tái)支腿安裝水輪機(jī)捕獲水下潮流能．通過(guò)3種獲能裝置將海洋動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)能量的一級(jí)轉(zhuǎn)換．利用液壓缸和連桿機(jī)構(gòu)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能，實(shí)現(xiàn)中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)．各支路液壓能匯聚到液壓系統(tǒng)中樞管道，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，將液壓能轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)現(xiàn)能量的三級(jí)轉(zhuǎn)換．

其系統(tǒng)特點(diǎn)為：能量利用范圍廣，海島太陽(yáng)能、風(fēng)能、波浪能和潮流能，保障能源供應(yīng)；能量供應(yīng)穩(wěn)定，保障電能質(zhì)量，可實(shí)現(xiàn)海島可再生能源獨(dú)立供應(yīng)．利用空間梯度分布式能量獲取技術(shù)、能量合成技術(shù)、穩(wěn)態(tài)控制技術(shù)以及能量?jī)?chǔ)存技術(shù)．該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能、風(fēng)能、波浪能與潮流能的集成采集、合成、傳遞與發(fā)電作用．在不同海況以及氣候條件下，多種能源能夠互補(bǔ)利用，能源實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出，近海能源利用效率較高．

4 結(jié) 語(yǔ)

空間梯度分布式能源集成利用系統(tǒng)在未來(lái)的能源生產(chǎn)中扮演著必不可少的重要角色，開展裝備整機(jī)、能量捕獲、動(dòng)力輸出、并網(wǎng)系統(tǒng)等關(guān)鍵問(wèn)題研究有利于提高多能互補(bǔ)裝置轉(zhuǎn)換效率，可再生能源的空間梯度分布特征決定其能源集成利用形式，通過(guò)能量合成、穩(wěn)態(tài)控制以及電能存儲(chǔ)等方法為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電能的穩(wěn)定輸出．雖然其發(fā)展速度受到技術(shù)、成本、效率等多方面的約束，隨著國(guó)家能源政策調(diào)整，分布式多能互補(bǔ)獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)將在海島供電、抽水蓄能電站建設(shè)、微電網(wǎng)發(fā)展等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮舉足輕重的作用．未來(lái)將以探索多能互補(bǔ)技術(shù)從原理創(chuàng)新向工程化應(yīng)用轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)向，積極研發(fā)新技術(shù)與新裝置，為可再生能源可持續(xù)發(fā)展做好技術(shù)儲(chǔ)備．