(長江航道局,武漢 430010)

在躉船上使用風(fēng)光互補發(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)省人力財力。同時風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)以自然中可再生的太陽能和風(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行業(yè)的巨大發(fā)展前景[1]。太陽能光伏制造業(yè)在我國的長三角和珠三角地區(qū)迅速崛起，其產(chǎn)品大多出口到歐美等發(fā)達國家。目前我國的太陽能光伏制造業(yè)已躋身世界前列。

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

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

2 風(fēng)光互補供電系統(tǒng)的原理

風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機組、太陽能光伏電池組、智能控制器、蓄電池、直流負載等部分組成。該系統(tǒng)是集風(fēng)能、太陽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)光互補發(fā)電系統(tǒng)原理

風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)利用太陽能電池方陣、風(fēng)力發(fā)電機將發(fā)出的電能存儲到蓄電池組中，當(dāng)用戶需要用電時，逆變器將蓄電池組中儲存的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡ㄟ^輸電線路送到用戶負載處。適當(dāng)時還可接入市電對其進行補充。風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)是利用風(fēng)能和太陽能資源的互補性，具有較高性價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)電機將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能，通過風(fēng)力發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能，通過控制器對蓄電池充電，對負載供電[3]；

2)光伏發(fā)電部分利用太陽能電池板的光伏效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能，然后對蓄電池充電，對負載進行供電[4]；

3)控制部分根據(jù)日照強度、風(fēng)力大小及負載的變化，不斷對蓄電池組的工作狀態(tài)進行切換和調(diào)節(jié)：一方面把調(diào)整后的電能直接送往直流負載。另一方面把多余的電能送往蓄電池組存儲。發(fā)電量不能滿足負載需要時，控制器把蓄電池的電能送往負載，保證了整個系統(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)中同時起到能量調(diào)節(jié)和平衡負載兩大作用。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)能儲存起來，以備供電不足時使用。

風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)力和太陽輻射變化情況，可以在3種模式下運行：風(fēng)力發(fā)電機組單獨向負載供電；光伏發(fā)電系統(tǒng)單獨向負載供電；風(fēng)力發(fā)電機組和光伏發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合向負載供電。

風(fēng)光互補發(fā)電比單獨風(fēng)力發(fā)電或光伏發(fā)電有以下優(yōu)點：

①利用風(fēng)能、太陽能的互補性，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，可大大減少儲能蓄電池的容量；

③通過合理地設(shè)計與匹配，由風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)供電，可獲得較好的社會效益和經(jīng)濟效益。

3 躉船用風(fēng)光互補供電系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1 設(shè)計思路

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

1)風(fēng)力條件。長江上游段、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 長江平均風(fēng)速月度表

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

表2 長江平均太陽輻射月度表

3)水利條件。長江全長約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，在長江沿線的躉船上安裝風(fēng)光互補供電系統(tǒng)，客觀條件完全滿足要求。

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

在長江中游風(fēng)力條件和太陽輻射相對比較好，采用風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)完全滿足躉船負荷供電要求，因此采用風(fēng)光互補供電系統(tǒng)情況較為理想。

在長江下游風(fēng)力條件相對比較好，在滿足躉船供電要求下，可根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況在岸邊或船上適當(dāng)增加風(fēng)機數(shù)量，從而減少太陽能板數(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 太陽能板安裝

太陽能板安裝在躉船頂部，安裝55塊太陽能板。在兩側(cè)觀景亭頂部分別安裝5塊和4塊；中部會議室頂部安裝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)電機安裝

風(fēng)機安裝在躉船兩端首層甲板上，風(fēng)機桿與船底鋼結(jié)構(gòu)進行連接，船底鋼結(jié)構(gòu)根據(jù)船舶設(shè)計公司計算，按要求進行了加固處理，中部與二、三層甲板結(jié)構(gòu)相連。風(fēng)機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，底部進行加固處理，防止船舶?？炕虼箫L(fēng)浪對船體造成的撞擊導(dǎo)致蓄電池搖晃墜落。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臺離網(wǎng)型逆變器、1個交、直流總線配電箱。安裝在躉船配電房內(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)總裝機容量為風(fēng)力發(fā)電機：2 kW，2臺;太陽能板：240 W，55塊；110節(jié)500 AH蓄電池;蓄電池儲能總量：120 kW·h；有效儲能總量：80 kW·h；直流電壓等級：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15 kW。

以上電力分配使用時應(yīng)避免全負荷開啟，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空調(diào)的自動保護裝置。

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

3.4 節(jié)能、減排效益

躉船上安裝風(fēng)光互補離網(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2.4萬元。10年運行可減排二氧化碳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)省用標準煤96 t,節(jié)省用純凈水960 t。

4 結(jié)論

1)風(fēng)光互補供電系統(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)境友好型社會的有力產(chǎn)品之一。

2)傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電在資源利用上有其自身的缺陷，有些地區(qū)日照時間短或風(fēng)力不足，單獨使用風(fēng)力發(fā)電或太陽能發(fā)電不能滿足供電的需要。但風(fēng)能和太陽能的互補性很強，無風(fēng)時可能會有太陽，無太陽時可能會有風(fēng)，白天日照充足時可能風(fēng)小，夜晚沒有日照時可能風(fēng)大。風(fēng)光互補供電系統(tǒng)正是利用這一原理強強聯(lián)合，優(yōu)勢互補的。該系統(tǒng)彌補了風(fēng)電和光電獨立系統(tǒng)的缺陷，它是合理的獨立電源系統(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間視其工程量，少則一天多則兩個月，無需專人值守，易于管理。與傳統(tǒng)供電相比，區(qū)域離網(wǎng)獨立供電在遠離電網(wǎng)、市電不能經(jīng)濟覆蓋的地區(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，維護費用基本等同，完全節(jié)省后期大量電費支出。

4)風(fēng)光互補離網(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。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，變壓器、配電柜、配電板等大量電氣設(shè)備，也需要耗費大量財力。風(fēng)光互補離網(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)省人力財力。

5)風(fēng)光互補離網(wǎng)供電系統(tǒng)獨立供電，穩(wěn)定性強。由于常規(guī)供電是電纜連接，很可能會因為個體的問題，而影響整個供電系統(tǒng)；風(fēng)光互補離網(wǎng)供電由于是每套設(shè)備獨立成系統(tǒng)，所以個別損壞不會影響其它系統(tǒng)設(shè)備的正常運行，即使遇到大面積停電，也不會影響正常供電，不可控損失大大降低。

6)可解決偏遠地區(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)光互補離網(wǎng)供電系統(tǒng)，不但緩解了電力緊張局面，同時也可實現(xiàn)綠色能源、開發(fā)再生能源，促進循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展。

[1] 朱俊生.中國新能源和可再生能源發(fā)展?fàn)顩r[J].可再生能源，2003(2)：1-6.

[2] 夏 陽，王革華，趙 勇.中國風(fēng)電并網(wǎng)若干問題的博弈研究[J].可再生能源，2005(1)：3-6.

[3] 程 明，張運乾，張建忠.風(fēng)力發(fā)電機發(fā)展現(xiàn)狀及研究進展[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2009(03)：1-8.

[4] 韓 斐，潘天良.高效能光伏充電系統(tǒng)研究[J].機電工程，2009(12)：24-27.