郭黎暉

（中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

孤網(wǎng)海島能源解決方案的初步探討

郭黎暉

（中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

針對孤網(wǎng)海島僅靠柴油等單一的常規(guī)化石能源供能的特點，其能源結(jié)構(gòu)單一，在柴油等化石能源供應(yīng)不足等情況下，不能保證海島正常的能源需求。根據(jù)海島的新能源資源優(yōu)勢，提出了利用新能源與常規(guī)化石能源實現(xiàn)多能互補，來保障孤網(wǎng)海島的能源供應(yīng)。為解決孤網(wǎng)海島的能源問題提供了一種新的思路。

海島；新能源；能源解決方案

0 引 言

海島及其周圍海域，蘊藏著豐富的旅游、漁業(yè)、港灣和礦產(chǎn)資源。由于海島獨特的地理性質(zhì)，四周被大海環(huán)繞，其距離大陸普遍較遠(yuǎn)，除開部分距離大陸較近通過海底電纜與大陸電網(wǎng)并網(wǎng)的海島外，大部分海島均為孤網(wǎng)運行，基本都采用柴油發(fā)電，電源結(jié)構(gòu)單一，在突發(fā)情況下不能保證海島基本的能源需求。

1 海島能源需求特征

1.1 海島的氣候、氣象特征

海島是指被大海環(huán)繞的陸地。海島特點是具有領(lǐng)土屬性或獨特的自然和生物資源屬性或擁有獨特的自然風(fēng)光。海島氣候特征明顯：陽光充足、風(fēng)力大；海浪大、海水腐蝕性強；易發(fā)冰雹、臺風(fēng)等惡劣天氣；淡水缺乏、降水季節(jié)性變化大、潮濕；土地資源較為稀缺。

1.2 海島的能源需求特征

海島上的能源消耗主要為當(dāng)?shù)鼐用裆詈娃k公、旅游娛樂場所、賓館、港口、機場、機修廠、氣象及導(dǎo)航專業(yè)設(shè)施的用電及供暖制冷。

海島上的用電負(fù)荷白晝大、晚間小，季節(jié)性變化較大，用電高峰出現(xiàn)在夏季［1］；熱負(fù)荷主要為生活用熱水及冬季供暖，熱負(fù)荷高峰在冬季。海島日用電負(fù)荷曲線示意見圖1。

圖1 海島日用電負(fù)荷曲線示意

2 現(xiàn)有孤網(wǎng)海島能源結(jié)構(gòu)存在的問題

大部分海島由于距離大陸較遠(yuǎn)，用電負(fù)荷較低，利用海底電纜與大陸電網(wǎng)并網(wǎng)非常不經(jīng)濟，因此這部分海島只能采用柴油發(fā)電來滿足島上居民正常生活的能源消耗。

雖然柴油發(fā)電設(shè)備相當(dāng)成熟，具有熱效率高、運行維護簡單、電能質(zhì)量好、啟動停機時間短等優(yōu)點，但作為孤網(wǎng)運行的單一能源其缺點也非常突出：

（1）由于柴油價格較高并且由于需要長距離運輸，從而導(dǎo)致發(fā)電成本高；

（2）由于柴油易燃易爆的化學(xué)性質(zhì)，大規(guī)模的儲存、運輸?shù)陌踩[患都相當(dāng)大；

（3）當(dāng)運輸柴油的貨船受到惡劣天氣等情況的影響時，不能保證海島柴油的供應(yīng)，從而影響到當(dāng)?shù)鼐用裾５纳睢⒐ぷ鳌?/p>

3 海島可利用的新能源

海島的地理位置特殊，位于大海之中，其風(fēng)能、太陽能、波浪能等能源資源相當(dāng)豐富［2］，利用這些新能源，就可以解決孤網(wǎng)海島電源結(jié)構(gòu)單一的現(xiàn)狀。

3.1 風(fēng) 能

（1）風(fēng)能資源的特性。受大氣環(huán)流、季風(fēng)環(huán)流、洋流的影響，海島上的風(fēng)能資源相當(dāng)豐富。由于影響風(fēng)的形成的因素眾多，風(fēng)向、風(fēng)速無時不刻的在變化。受海陸風(fēng)、大氣環(huán)流的影響，海島上的風(fēng)白晝小夜間大，夏季小冬季大；日內(nèi)變化、季節(jié)性變化強；天氣變化迅速，易發(fā)大風(fēng)天氣。

海島上有2個區(qū)域為普遍適合風(fēng)電開發(fā)的區(qū)域：①迎風(fēng)面的近?；驗┩繀^(qū)域；②地形平緩的山脊。由于風(fēng)電的開發(fā)要求場址相對集中以滿足集電線路及遠(yuǎn)程操控的要求，所以在風(fēng)電場選址時需要根據(jù)海島實際的地形地貌條件選取地形簡單且風(fēng)能資源較好的區(qū)域。

（2）風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀。作為全球發(fā)展最為迅速的新能源，風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。其中海上風(fēng)力發(fā)電機組具備在近海環(huán)境（海水腐蝕、鹽霧、颶風(fēng)等惡劣條件）下生存的能力，能夠完全滿足海島上風(fēng)力發(fā)電的需求。并且相對于其他類型的發(fā)電站，風(fēng)電場的建設(shè)成本較低。

（3）風(fēng)電場的出力特性。海島風(fēng)電場出力曲線示意圖見圖2。

圖2 風(fēng)電場出力曲線示意

由圖中可見由于海島上天氣變化迅速，風(fēng)速變化也相當(dāng)頻繁，沒有明顯的變化趨勢，出力的日內(nèi)變化大、季節(jié)性變化大，因此風(fēng)電場的出力波動性特別強并且不可預(yù)測，對電網(wǎng)的沖擊較大［3］。

3.2 太陽能

（1）太陽能資源的特性。海島位于大海之中，空氣透明度高，日照時數(shù)長，太陽能資源豐富。太陽能輻射日內(nèi)變化非常有規(guī)律：在無陰雨天氣及云層遮擋陽光時，太陽能輻射從日出開始逐漸增大，到正午時最大，然后逐漸減小直至日落。太陽能輻射的季節(jié)性變化小，全年各月太陽能輻射總量變化不大。

海島上太陽能的利用方式主要為發(fā)電、供暖及制冷?？梢栽诤u上面積較大、地形平緩的區(qū)域建立地面并網(wǎng)電站；可以在建筑物上布置光伏電池板以及太陽能溴鋰系統(tǒng)來提供電力、供暖或制冷。

（2）太陽能發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀。太陽能作為全球利用最廣的新能源，其發(fā)電技術(shù)也相當(dāng)成熟。太陽能發(fā)電主要有兩種形式：光熱發(fā)電和光伏發(fā)電。雖然光熱發(fā)電比光伏發(fā)電出力更穩(wěn)定，但其投資較高、需要輔助燃料、運行維護要求較高，并不適宜易發(fā)惡劣天氣的海島。光伏發(fā)電有跟蹤式和固定安裝式，雖然跟蹤式光伏發(fā)電效率更高但跟蹤系統(tǒng)易受海島潮濕且具有腐蝕性的空氣及惡劣天氣損壞。綜上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單的固定式光伏電站更適宜外部環(huán)境較為復(fù)雜的海島。

（3）光伏電站的出力特性。海島光伏電站晴天、陰天日出力曲線示意圖見圖3。

由圖可見，光伏電站的出力較為穩(wěn)定且有規(guī)律；電站出力集中在白天，且與用電負(fù)荷變化的趨勢接近；即使在陰雨天氣，光伏電站的出力也有晴天的1／4到1／3，并且季節(jié)性變化小。因此光伏電站在系統(tǒng)中所占比重不宜過大，或需配置一定的蓄能系統(tǒng)來平抑波動。

3.3 波浪能

（1）波浪能資源的特性。海島附近海域里波浪能資源及其豐富。波浪受空氣溫度變化及風(fēng)的影響，一般夜間大白晝小，冬季大夏季??；波浪能的日內(nèi)變化較小，季節(jié)性變化較強［4］。

距離海岸2～10 km且海水深度在50m以上的海域均為適宜波浪能發(fā)電的區(qū)域。

（2）波浪能發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀。波浪能作為未來可再生能源發(fā)展的前進方向已經(jīng)被西方發(fā)達(dá)國家以及中國研究多年，其發(fā)電技術(shù)較為成熟。波浪能發(fā)電技術(shù)多種多樣，其中“海蛇”（pelamis）機組作為現(xiàn)階段最先進的波浪能發(fā)電技術(shù)已經(jīng)在英國、葡萄牙等地建成了6座商業(yè)性發(fā)電站。海蛇機組長140 m，單機容量750 kW，通過海底電纜與電網(wǎng)連接供電［5］；由于需要機組完全在海面上運行，機組的生存性能相當(dāng)好，價格也相對較高（見圖4）。

圖3 光伏電站出力曲線示意

圖4 海蛇機組

（3）波浪能電站的出力特性。波浪能發(fā)電出力相對穩(wěn)定，日內(nèi)變化小，季節(jié)性變化較大，電能質(zhì)量較高，并且波浪的浪高、浪速可以通過衛(wèi)星以及氣象觀測提前1至2天預(yù)報，因此可以提前預(yù)測波浪發(fā)電機組出力情況，非常適宜于電網(wǎng)薄弱的孤網(wǎng)海島。

3.4 其他新能源

（1）潮汐能。潮汐受月球引力影響形成，其擁有固定的漲潮周期（12 h 25 min）。利用潮汐能發(fā)電需要修建2座相鄰的水庫（雙庫雙向電站）使1個水庫在漲潮時進水，另一個水庫在落潮時放水來保證電站出力的穩(wěn)定性以及可控性，所以潮汐電站單位千瓦投資相當(dāng)高。雖然潮汐電站投資較高，但其擁有水庫可以調(diào)峰，非常利于海島孤網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

（2）生物質(zhì)能。生物質(zhì)能電站與常規(guī)火電機組相似，能在發(fā)電的同時能提供熱能，并且其出力穩(wěn)定且可控。但由于在發(fā)電過程中需要消耗大量的生物質(zhì)原料，所以生物質(zhì)能電站僅能在生物質(zhì)原料較充足的海島上應(yīng)用，并且生物質(zhì)原料的消耗量不能超過人工種植或自然生長量，否則會破壞海島脆弱的生態(tài)環(huán)境，因此海島上生物質(zhì)能電站的裝機規(guī)模非常有限。

（3）地?zé)崮堋５責(zé)崮苜Y源不會隨時間變化，其資源穩(wěn)定，能夠源源不斷的提供熱能。海島上的地?zé)崮苜Y源普遍較為豐富，地?zé)崮苤饕梅绞綖橥ㄟ^地?zé)岜孟到y(tǒng)來供暖或制冷，極少部分地?zé)崃黧w溫度在200～400℃的海島能利用地?zé)崮馨l(fā)電。

3.5 柴油發(fā)電站與各新能源發(fā)電站比較

柴油發(fā)電站與風(fēng)力發(fā)電站、光伏發(fā)電站等新能源發(fā)電站資源特性、出力特性和投資比較見表1。

4 孤網(wǎng)海島能源解決方案

利用豐富的新能源資源來提供海島所需的電力及熱能資源，通過多種新能源與柴油發(fā)電互補的方式來保證海島孤網(wǎng)的穩(wěn)定運行，提高能源利用效率，減少化石能源的消耗。

表1 各類型發(fā)電站比較

4.1 電力解決方案

（1）在海島附近建設(shè)風(fēng)力發(fā)電場、光伏電站、波浪能電站、生物質(zhì)能電站及潮汐能電站，實現(xiàn)多能互補，供應(yīng)海島上正常的電力能源消耗。

（2）風(fēng)力發(fā)電場的出力波動性大、間歇性強，風(fēng)力發(fā)電場的裝機規(guī)模不應(yīng)大于海島發(fā)電站總裝機規(guī)模的8%，即使在極端天氣條件下，風(fēng)力發(fā)電機組出現(xiàn)脫網(wǎng)，電網(wǎng)所失去的功率可以暫時由網(wǎng)中其他機組過載余量負(fù)擔(dān)，對供電質(zhì)量的影響仍在安全的范圍內(nèi)。

（3）光伏電站的出力較為穩(wěn)定，且出力曲線最接近負(fù)荷的變化趨勢，因此光伏電站的規(guī)模可以較大。并且由于海島的土地資源稀缺，盡可能在建筑物上安裝光伏發(fā)電設(shè)備，并且與電網(wǎng)并網(wǎng)。

（4）生物質(zhì)能熱電聯(lián)產(chǎn)電站的出力穩(wěn)定且可控、電能質(zhì)量高，其規(guī)模根據(jù)海島生物質(zhì)原料的供應(yīng)量確定。

（5）波浪能發(fā)電站投資相對其他新能源電站較高，且電站出力夜間較大，因此規(guī)模不宜太大。

（6）潮汐發(fā)電站投資非常高，但其擁有水庫可以作為調(diào)峰使用，因此潮汐電站的規(guī)模根據(jù)海島用電高峰期負(fù)荷峰值確定。

（7）柴油發(fā)電作為備用電源，在電網(wǎng)內(nèi)其他所有電源出力小于負(fù)荷或者部分新能源電源由于各種原因停機的情況下向電網(wǎng)供電，以保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

（8）在夜間低負(fù)荷時間段，利用多于的電能進行海水淡化處理，保證海島正常的淡水供應(yīng)。海島電力解決方案示意見圖5。

圖5 海島電力解決方案示意

4.2 熱能解決方案

（1）在居民樓、及其他建筑物上布置太陽能溴鋰系統(tǒng)以及地?zé)岜孟到y(tǒng)以滿足室內(nèi)基本的冬季供暖及夏季制冷的需求。

（2）生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)電站的熱能主要滿足公用建筑（旅游區(qū)、賓館、碼頭、機場等）的供暖。

（3）在以上供暖或制冷系統(tǒng)達(dá)不到需求時，利用空調(diào)等其他設(shè)備進行補充。

5 結(jié) 語

通過分析海島先天的新能源優(yōu)勢，利用海島的風(fēng)能、太陽能、波浪能等資源，建設(shè)新能源發(fā)電站與柴油發(fā)電實現(xiàn)電能互補，解決海島的電力需求；建設(shè)太陽能、地?zé)嵯到y(tǒng)，解決海島的熱能需求。通過以上方案能有效改善海島現(xiàn)有的單一能源結(jié)構(gòu)，保證海島基本的能源需求，為解決孤網(wǎng)海島的能源問題提供了一種新的思路。

［1］ 熊焰，王海峰，崔琳，等.大管島多能互補獨立發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量設(shè)計［J］.海洋技術(shù)，2009，28（1）：101－103.

［2］ 熊焰，王海峰，崔琳，等.我國海洋可再生能源開發(fā)利用發(fā)展思路研究［J］.海洋技術(shù)，2009，28（3）：106－110.

［3］ 徐乾耀，康重慶，張寧，等.海上風(fēng)電出力特性及其消納問題探討［J］.電力系統(tǒng)自動化，2011，35（22）：54－59.

［4］ 陳紅霞，華鋒，袁業(yè)立.中國近海及臨近海域海浪的季節(jié)特征及其時間變化［J］.海洋科學(xué)進展，2006，24（4）：407－415.

［5］ 高艷波，柴玉萍，李慧清，等.海洋可再生能源技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及對策建議［J］.可再生能源，2011，29（2）：152－156.

TK019

A

1003－9805（2015）02－0028－04

2014－06－30

郭黎暉（1987－），男，河南孟津人，碩士，工程師，從事新能源設(shè)計工作。