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
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。
1.1 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
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>
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。
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。
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。
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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。