王宇春，詹明秀

(浙江大學(xué)熱能工程研究所能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310027)

1 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人類對(duì)能源的需求量在急劇地增加。與此同時(shí)，全球范圍內(nèi)常規(guī)能源供應(yīng)持續(xù)緊張，環(huán)境污染問題日益突出，這些因素促使世界各國(guó)大力發(fā)展新能源。在眾多新能源中，風(fēng)電脫穎而出，發(fā)展迅猛。截止2012年底，風(fēng)電全球累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到282.5 GW，增長(zhǎng)幅度為20%，在新能源發(fā)電中位居第一［1］。

風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速、前景樂觀，但是風(fēng)力發(fā)電受到風(fēng)力大小和方向的影響，表現(xiàn)出很大的隨機(jī)性和間歇性，電網(wǎng)內(nèi)必須配備更多的旋轉(zhuǎn)備用容量，相應(yīng)經(jīng)濟(jì)上會(huì)有所損失。為了能夠消除由于大規(guī)模開發(fā)風(fēng)電所帶來的對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性不良的影響，國(guó)內(nèi)外提出了多種能源互補(bǔ)系統(tǒng)，如風(fēng)電 －太陽能發(fā)電互補(bǔ)系統(tǒng)［2，3］，風(fēng)電 －水電互補(bǔ)系統(tǒng)［4，5］，風(fēng)電 － 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電互補(bǔ)系統(tǒng)［6，7］等。風(fēng)電與其他能源形成各種發(fā)電系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中，實(shí)現(xiàn)低碳、節(jié)能的理念。

世界各國(guó)和地區(qū)因其風(fēng)能資源狀況、政府政策的不同，以及風(fēng)電技術(shù)發(fā)展程度的差異，使得風(fēng)電與其它能源互補(bǔ)系統(tǒng)呈現(xiàn)多元化發(fā)展趨勢(shì)。本文主要針對(duì)新疆、內(nèi)蒙古、美國(guó)和歐洲的風(fēng)能與其他能源互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的工程案例進(jìn)行總結(jié)，為解決風(fēng)能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的工程問題提供參考和借鑒。

2 國(guó)內(nèi)風(fēng)能與其他能源互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)案例

我國(guó)在風(fēng)能發(fā)展方面起步較晚，但近年來受國(guó)家政策支持，發(fā)展迅速。目前我國(guó)風(fēng)能與其他能源互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要以離網(wǎng)型用戶和示范工程為主。下面以新疆和內(nèi)蒙古兩地風(fēng)能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)工程為例介紹我國(guó)在風(fēng)電互補(bǔ)領(lǐng)域取得的成績(jī)。

2.1 新疆風(fēng)能與其他能源互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

新疆的風(fēng)能資源非常豐富，在全疆范圍內(nèi)有9大風(fēng)區(qū)，風(fēng)能蘊(yùn)藏量達(dá)9 100億 kW·h/年，具備大規(guī)模開發(fā)的資源條件［7］。但目前新疆風(fēng)能的發(fā)展遭遇到了風(fēng)電場(chǎng)出力波動(dòng)瓶頸，亟待風(fēng)能互補(bǔ)系統(tǒng)的支撐和保障。

2.1.1 風(fēng)能－太陽能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

根據(jù)國(guó)家氣象局的分類，新疆地處太陽能資源豐富的二類地區(qū)。全年日照時(shí)數(shù)為3 000～3 200h。在每平方米面積上一年內(nèi)接受的太陽能輻射總量為5 852～6 680 MJ，相當(dāng)于200～225 kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒后發(fā)出的熱量［8］?？紤]到太陽能和風(fēng)能在時(shí)間上有著很好的互補(bǔ)性，將風(fēng)力發(fā)電裝置和光伏發(fā)電裝置組合成風(fēng)光復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)，為路燈等用電裝置提供能源。實(shí)踐證明風(fēng)能－太陽能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源配置、技術(shù)方案和性能價(jià)格等方面都是較為合理的電源系統(tǒng)［9］。

目前，風(fēng)能－太陽能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要應(yīng)用于小型發(fā)電設(shè)備。2011年，新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究生引進(jìn)上海法諾格風(fēng)能科技有限公司一套1kW小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)和一套300W風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)，進(jìn)行試驗(yàn)示范。1kW風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)安裝在新疆農(nóng)墾科學(xué)院辦公室，給LED顯示屏和控制電腦供電;300W風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)安裝在兵團(tuán)六師共青團(tuán)農(nóng)場(chǎng)，用于泵站照明。該系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)采用了“超越離合器葉輪風(fēng)力機(jī)技術(shù)”，能夠在1.8 m/s的2級(jí)輕風(fēng)下啟動(dòng)，并可在3～5 m/s的3級(jí)微風(fēng)下實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)電。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，引進(jìn)1 kW和300 W微風(fēng)發(fā)電機(jī)組工作可靠、性能穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)“輕風(fēng)啟動(dòng)，微風(fēng)發(fā)電”，風(fēng)能利用率較高［10］。此外，風(fēng)能－太陽能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)于地處邊遠(yuǎn)無法進(jìn)行市電供電的通信和采油基地站點(diǎn)來說無疑是一個(gè)可行而較為可靠的供電方案［11，12］。

由于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)產(chǎn)品效率相對(duì)較低，缺乏足夠的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，仍作為補(bǔ)充能源應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)［13］。但風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)優(yōu)越性明顯［14］，到 21 世紀(jì)中葉，該系統(tǒng)發(fā)電形式將在能源的消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占有相當(dāng)大的份額，具有十分廣闊的發(fā)展前景。

2.1.2 風(fēng)能－水能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

阿勒泰地區(qū)是新疆水利資源豐富地區(qū)之一。全地區(qū)6條大河水能理論蘊(yùn)藏量為452萬kW，近期可開發(fā)103萬kW，目前已建成大小電站十余座，總裝機(jī)5.29萬kW，占近期開發(fā)容量的5.1%。受氣候條件影響，水利資源的季節(jié)性十分明顯，冬夏季流量相差較大。同時(shí)，該區(qū)西部額爾齊斯河谷是新疆九大風(fēng)區(qū)之一，風(fēng)能理論蘊(yùn)藏量為780億kW時(shí)/年，估算可裝風(fēng)機(jī)750萬kW，年發(fā)電量210億kW時(shí)，約相當(dāng)目前全地區(qū)總發(fā)電量的100倍。該區(qū)風(fēng)資源具有冬春季大，夏秋季小的明顯季節(jié)變化特點(diǎn)。每年10月到來年4月的枯水期，風(fēng)能可提供可觀的能源供給。這表明在該地區(qū)只要以適當(dāng)比例的水能和風(fēng)能組合成互補(bǔ)系統(tǒng)，并由足夠水庫(kù)容量為儲(chǔ)能水段，就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的電力供應(yīng)。

于午銘［15］等人通過分析在布爾津縣記錄的風(fēng)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的有關(guān)數(shù)據(jù)及曲線，發(fā)現(xiàn)即使風(fēng)電容量超過電網(wǎng)容量50%的情況下，對(duì)小電網(wǎng)而言，風(fēng)能－水能互補(bǔ)系統(tǒng)仍具有靜態(tài)及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。計(jì)算表明:當(dāng)該地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到2萬kW，并且實(shí)現(xiàn)水能－風(fēng)能統(tǒng)一調(diào)度時(shí)，整個(gè)冬季的保證穩(wěn)定出力可達(dá)3.4萬kW(未計(jì)入火電，下同);如果風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到5萬kW，則冬春季保證出力可達(dá)5.8萬kW;夏秋季僅靠水電可滿足系統(tǒng)用電需要。由此可見，在阿勒泰地區(qū)構(gòu)建風(fēng)能－水能互補(bǔ)系統(tǒng)，技術(shù)上可靠合理。此外，晁勤［4］等人還應(yīng)用高級(jí)計(jì)算機(jī)語言編制的程序?qū)Σ紶柦蚩h風(fēng)電水電聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了潮流計(jì)算，進(jìn)一步確認(rèn)了方案的正確性及可行性。

2.1.3 風(fēng)能－燃?xì)廨啓C(jī)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

達(dá)坂城作為新疆九大風(fēng)區(qū)之一，在現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)最常用的48～78 m高程處，年平均風(fēng)速可以達(dá)到7.8 m/s和8.4 m/s，有效風(fēng)功率密度大于800 W/m2，年可利用小時(shí)數(shù) 7 600 h［16］。

包能勝等人對(duì)達(dá)坂城風(fēng)能－燃?xì)廨啓C(jī)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)做了較為完整的分析評(píng)估，包括系統(tǒng)發(fā)電特性分析［6］、發(fā)電成本分析［17］和系統(tǒng)結(jié) 構(gòu) 與 容 量配比分析［18］。包能勝等人詳細(xì)分析了采用大型風(fēng)電場(chǎng)與燃?xì)廨啓C(jī)組成的互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的總電力輸出特性，并基于互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的基本原理，推導(dǎo)了互補(bǔ)系統(tǒng)發(fā)電特性參數(shù)的計(jì)算公式。此外，基于當(dāng)前的技術(shù)條件和價(jià)格，包能勝等人還計(jì)算了風(fēng)電場(chǎng)子系統(tǒng)和燃?xì)廨啓C(jī)電站子系統(tǒng)各自的折舊成本、燃料成本和運(yùn)行維護(hù)成本，得到了整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電成本的計(jì)算方法，為在新疆地區(qū)實(shí)現(xiàn)這種互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)提供了經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。最后，為了使得整個(gè)互補(bǔ)系統(tǒng)輸出一個(gè)穩(wěn)定的處理，徹底解決由于來流風(fēng)速的隨機(jī)性和波動(dòng)性，包能勝等人建議總裝機(jī)容量為120 MW的風(fēng)電場(chǎng)配置2臺(tái)40 MW的燃?xì)廨啓C(jī)來補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)負(fù)荷的波動(dòng)是比較合適的方案。

豐富的天然氣資源、豐富的風(fēng)能資源、本地企業(yè)良好的風(fēng)電國(guó)產(chǎn)化機(jī)組使得風(fēng)電和燃?xì)廨啓C(jī)組合成的互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在當(dāng)前新疆大規(guī)模開發(fā)風(fēng)能中是一種比較好的選擇方案。

2.2 內(nèi)蒙古風(fēng)能與其他能源互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

內(nèi)蒙古自治區(qū)地域遼闊，風(fēng)能資源豐富。全區(qū)風(fēng)能總儲(chǔ)量1.052TW，技術(shù)可開發(fā)量約300GW，約占全國(guó)風(fēng)能資源儲(chǔ)量的40%，居全國(guó)首位。全區(qū)年平均風(fēng)速3.2 m/s，年平均風(fēng)能功率密度100～200 W/m2，年平均可利用小時(shí)數(shù)約4 000～7 800h，年最長(zhǎng)連續(xù)無有效風(fēng)速小時(shí)數(shù)小于100 h。內(nèi)蒙古自治區(qū)可開發(fā)的大型風(fēng)電場(chǎng)主要集中在風(fēng)能資源豐富區(qū)和較豐富區(qū)，主要分布在阿拉善盟、巴彥淖爾市、包頭市、烏蘭察布市、錫林郭勒盟以及赤峰市北部等地區(qū)，平均風(fēng)速5.0～6.5 m/s，開發(fā)總面積約500 900 km2，風(fēng)能資源總儲(chǔ)量700 GW，適合開發(fā)建設(shè)百萬kW風(fēng)電基地［19］。

2.2.1 風(fēng)能－太陽能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

內(nèi)蒙古不僅有儲(chǔ)量巨大的風(fēng)力資源，太陽能資源也很豐富。內(nèi)蒙古海拔較高，日照充足，干旱少云，光輻射強(qiáng)，日照時(shí)數(shù)也較多。輻射量為每平方米4 800～6 400 MJ，年日照時(shí)數(shù)為2 600～3 200小時(shí)，是全國(guó)的高值地區(qū)之一。全區(qū)年總輻射量在每平方米5 500 MJ以上的太陽能豐富地區(qū)和年總輻射量在每平方米5 000～5 500 MJ之間的太陽能較豐富地區(qū)所占面積為72萬km2，約占全區(qū)總面積的61%。豐富的太陽能資源造就了內(nèi)蒙古風(fēng)能－太陽能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的迅猛發(fā)展。

佟小林［20］等人選擇全區(qū)1991～2006年輻射資料和1977～2006年風(fēng)資料進(jìn)行分析，將風(fēng)能資源分為春夏強(qiáng)冬秋弱型、春季強(qiáng)夏秋冬弱型、春季強(qiáng)夏季弱型、春季強(qiáng)冬季弱型和冬季強(qiáng)夏季弱型。從互補(bǔ)性強(qiáng)弱來看，冬強(qiáng)夏弱型為互補(bǔ)性最強(qiáng);春強(qiáng)夏弱型較強(qiáng);春季強(qiáng)夏秋冬弱型互補(bǔ)性一般;春季強(qiáng)夏季弱型較差;春強(qiáng)冬弱型無互補(bǔ)性。與新疆相似，目前內(nèi)蒙古風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要應(yīng)用于小型發(fā)電裝置，蘇尼特右旗安裝的一套離網(wǎng)型戶用風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)匹配性能良好，設(shè)計(jì)合理［21，22，23］;鄂爾多斯新能源產(chǎn)業(yè)示范區(qū)和發(fā)電產(chǎn)業(yè)區(qū)建立了風(fēng)電、光伏發(fā)電容量配置比例為5∶1的并網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)［24］;錫林郭勒盟在農(nóng)牧區(qū)推廣移動(dòng)式風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)，發(fā)電效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、攜帶方便，是較為理想的小功率發(fā)電設(shè)備［25，26］;包頭市垃圾填埋場(chǎng)將風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)用用戶照明用電上，節(jié)能環(huán)保［27］;阿拉善盟利用了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)為通信基站供電，建設(shè)過程中結(jié)合了太陽能、風(fēng)能設(shè)計(jì)、施工和使用過程的經(jīng)驗(yàn)，快捷便利［28，29］。除了上述的小型風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)外，二連浩特計(jì)劃完成一項(xiàng)城市供電示范項(xiàng)目，趙毅峰［30］等人對(duì)該項(xiàng)目工程建設(shè)條件、工程建設(shè)方案、環(huán)境影響及保護(hù)、財(cái)務(wù)和社會(huì)效益等方面進(jìn)行分析，為公司的投資提供建議。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的很重要的一點(diǎn)就是要保證用戶的用電穩(wěn)定性，同時(shí)又不能使發(fā)電成本過高。白學(xué)敏［31］等人針對(duì)白云鄂博地區(qū)的資源狀態(tài)和當(dāng)?shù)氐湫湍翍舻挠秒娦枨筮M(jìn)行了用電負(fù)荷計(jì)算，并進(jìn)行了風(fēng)能和太陽能發(fā)電量以及蓄電池容量的匹配計(jì)算，為合理優(yōu)化清潔能源發(fā)電提供參考依據(jù)。李文慧［32］等人也提出了用戶的用電負(fù)荷情況需和資源條件進(jìn)行系統(tǒng)容量配置的觀點(diǎn)，并歸納了收集數(shù)據(jù)、調(diào)查負(fù)荷狀況的特征、確定供電份額、計(jì)算蓄電池容量、確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和編制投資預(yù)算及發(fā)電成本等風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用前景廣闊，經(jīng)過世界各國(guó)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明風(fēng)光互補(bǔ)的應(yīng)用方向，不應(yīng)以聯(lián)網(wǎng)發(fā)電為主，而是以民用為主，比如照明、家庭、工廠、大廈的獨(dú)立電影，其中照明將是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在未來城市、鄉(xiāng)村道路照明系統(tǒng)應(yīng)用的發(fā)展方向。

2.2.2 風(fēng)能－抽水蓄能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

新疆巴彥淖爾地區(qū)水資源豐富。地表水來源于內(nèi)陸河水系和過境水系。內(nèi)陸河水系分布在陰山以北地區(qū)，多屬季節(jié)性河流，流域面積3.1萬 km2，多年平均徑流量1.1億m3。過境水系主要是黃河水，年均過境流量 316 億 m3［19］。

抽水蓄能電站就是為了解決電網(wǎng)負(fù)荷高峰和低谷時(shí)的供需矛盾而產(chǎn)生的一種儲(chǔ)能方法，其效益包括靜態(tài)經(jīng)濟(jì)效益和動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)效益。風(fēng)能－抽水儲(chǔ)能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以平滑風(fēng)電場(chǎng)輸出的有功功率，有利于整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。在國(guó)外已有較為成熟的風(fēng)電－抽水蓄能電站聯(lián)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，抽水蓄能電站長(zhǎng)期被認(rèn)為是風(fēng)電聯(lián)合配套運(yùn)行的理想裝置。

3 國(guó)外風(fēng)能與其他能源互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)案例

目前國(guó)內(nèi)除了風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的應(yīng)用相對(duì)成熟外，其余的系統(tǒng)仍處于研發(fā)階段，而一些發(fā)達(dá)國(guó)家在理論研究和工程實(shí)踐上都取得了階段性成果，例如2013年日本將在日本海海岸建成第一座風(fēng)能－潮流能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)［33］，美國(guó)學(xué)者設(shè)計(jì)出了一款名為HYPORA的軟件用于計(jì)算互補(bǔ)系統(tǒng)的能源配置、發(fā)電成本等［34］。下面以美國(guó)和歐洲兩地風(fēng)能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)工程為例介紹國(guó)外在風(fēng)電互補(bǔ)領(lǐng)域取得的進(jìn)展。

3.1 美國(guó)風(fēng)能與其他能源互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

美國(guó)中部地區(qū)，地處廣袤的北美大草原，地勢(shì)平坦開闊，其年平均風(fēng)速均在7 m/s以上，風(fēng)資源蘊(yùn)藏量巨大，開發(fā)價(jià)值很大。美國(guó)十分重視風(fēng)能的開發(fā)利用，每個(gè)州均有一個(gè)運(yùn)行的風(fēng)能發(fā)電項(xiàng)目或者與風(fēng)能相關(guān)的制造工廠［35］。目前美國(guó)已經(jīng)完成了約900個(gè)風(fēng)電項(xiàng)目，裝機(jī)容量達(dá)到60 000 MW，能夠滿足1 000萬戶家庭的生活用電需求［36］。

3.1.1 風(fēng)能－太陽能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

2012年，美國(guó)德克薩斯州的風(fēng)能已經(jīng)占到了其發(fā)電總量的7.4%，不可避免的出現(xiàn)了電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)節(jié)困難的問題。潘漢德爾作為該州風(fēng)電比重最大的地區(qū)，尤其需要考慮通過多種能源的互補(bǔ)來實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的平穩(wěn)出力。由于該地區(qū)太陽能資源也較為豐富，所以風(fēng)能－太陽能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)成為了首選方案。

針對(duì)潘漢德爾現(xiàn)有的風(fēng)電廠運(yùn)行狀況，Brian［37］等人通過經(jīng)濟(jì)性分析發(fā)現(xiàn)67 MW風(fēng)電場(chǎng)配置33 MW光伏電場(chǎng)是最優(yōu)的實(shí)施方案，但實(shí)際上該系統(tǒng)1 MWh的發(fā)電成本為108～129美元(不考慮補(bǔ)貼)，遠(yuǎn)高于只配置風(fēng)電場(chǎng)時(shí)的64美元。該系統(tǒng)在2004年運(yùn)行期間，借助于光伏電場(chǎng)6h的熱能儲(chǔ)存很好的保證了電網(wǎng)負(fù)荷的穩(wěn)定，在一定程度上彌補(bǔ)了兩種發(fā)電方式的差價(jià)。由于Brian等人在計(jì)算生產(chǎn)成本時(shí)并未考慮政府補(bǔ)貼，所以實(shí)際所需的發(fā)電成本更低，這也是風(fēng)能－太陽能互補(bǔ)系統(tǒng)能夠大力推廣的必要條件之一。此外，Reichling［38］等人通過對(duì)一座位于明尼蘇達(dá)地區(qū)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電廠的運(yùn)行狀況進(jìn)行建模，發(fā)現(xiàn)目前風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)相對(duì)于單純的風(fēng)電廠并沒有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，但隨著兩種發(fā)電技術(shù)的不斷耦合和完善，不久后風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電成本有可能低于風(fēng)電廠。

3.1.2 風(fēng)能－柴油機(jī)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

2008年，阿拉斯加州議會(huì)通過了一項(xiàng)在偏遠(yuǎn)地區(qū)大力發(fā)展風(fēng)能－柴油機(jī)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的議案，至2013年12月，超過34億美元的資金將用于該州30個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)風(fēng)能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)。為了保證建設(shè)方案的正常執(zhí)行，Ginny［39］等人分析了技術(shù)、社會(huì)、資金等因素對(duì)該議案實(shí)施的影響效果，最終發(fā)現(xiàn)技術(shù)是決定該議案能否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的最主要因素。

3.1.3 風(fēng)能－潮汐能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

美國(guó)加利福尼亞州北部具有豐富的潮汐能［40］，潮汐發(fā)電作為該地的特色發(fā)電項(xiàng)目已形成一定規(guī)模。Eric［41］等人以國(guó)家浮標(biāo)數(shù)據(jù)中心提供的風(fēng)力和潮汐測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立了風(fēng)能－潮汐能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行模型。通過分析模型，Eric等人發(fā)現(xiàn)兩種能源均具有可觀的利用價(jià)值，其中風(fēng)力發(fā)電能夠?yàn)殡娋W(wǎng)提供30%～50%的電量，而潮汐發(fā)電量也占到了22% ～29%。如果將風(fēng)能與潮汐能互補(bǔ)，則該系統(tǒng)全年僅有100 h無電輸出，遠(yuǎn)低于單獨(dú)采用風(fēng)力發(fā)電的1 000h和單獨(dú)采用潮汐發(fā)電的200 h，可見兩種能源具有很好的互補(bǔ)性。

3.2 歐洲風(fēng)能與其他能源互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

歐洲是世界風(fēng)能利用最發(fā)達(dá)的地區(qū)，其風(fēng)資源非常豐富。歐洲沿海地區(qū)風(fēng)資源最為豐富，主要包括英國(guó)和冰島沿海、西班牙、法國(guó)、德國(guó)和挪威的大西洋沿海，以及波羅的海沿海地區(qū)，其年平均風(fēng)速可達(dá)9 m/s以上。整個(gè)歐洲大陸，除了伊比利亞半島中部、意大利北部、羅馬尼亞和保加利亞等部分東南歐地區(qū)以及土耳其地區(qū)以外(該區(qū)域風(fēng)速較小，在4～6 m/s以下)，其他大部分地區(qū)的風(fēng)速都較大，基本在6～7 m/s以上［42］。

3.2.1 風(fēng)能－太陽能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

Corsica是法國(guó)最大島嶼，據(jù)統(tǒng)計(jì)，該島太陽日均輻射能為4.5 kW·h/m2，平均風(fēng)速為3 m/s以上。Diaf［43］等人對(duì)該島5個(gè)地區(qū)的多種風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的建設(shè)方案進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目所需經(jīng)費(fèi)很大程度上取決于當(dāng)?shù)氐哪茉雌焚|(zhì)，而裝機(jī)容量比例需重點(diǎn)考慮有效風(fēng)能總量。Diaf等人還發(fā)現(xiàn)如果增加系統(tǒng)中互補(bǔ)能源的種類，例如添加傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)都能有效的減少能源超負(fù)荷的現(xiàn)象。

西班牙Extremadura大學(xué)的工業(yè)工程學(xué)院外裝有由一臺(tái)Rutland－913風(fēng)力發(fā)電機(jī)和兩塊Helio H－45太陽能板組成的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。Calderón［44］等人測(cè)量了該互補(bǔ)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的太陽輻射和風(fēng)速大小，并進(jìn)行了能量守恒分析，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的效率為9.71%，而太陽能的轉(zhuǎn)換率僅為2.24%，所以通常情況下風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)能的容量比例大些。

3.2.2 風(fēng)能－燃?xì)廨啓C(jī)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)電場(chǎng)在歐洲國(guó)家的興起使得采用燃?xì)廨啓C(jī)作為大型風(fēng)電場(chǎng)的互補(bǔ)成為現(xiàn)實(shí)。據(jù)報(bào)道，2004年6月，E-clipse Energy宣布將在英國(guó)英格蘭郡Cumbria距離Walney島以西10 km的海上風(fēng)氣互補(bǔ)項(xiàng)目(Wind and Gas To Wire)－Ormonde項(xiàng)目。項(xiàng)目已經(jīng)開始工程設(shè)計(jì)和建設(shè)階段。項(xiàng)目已經(jīng)開始工程設(shè)計(jì)和建設(shè)階段。項(xiàng)目總裝機(jī)容量210 MW，其中風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)108 MW，由30臺(tái)3.6 MW風(fēng)力機(jī)組成。燃?xì)廨啓C(jī)93 MW，由3臺(tái)31 MW的燃?xì)廨啓C(jī)組成，總投資估計(jì)1.6億英鎊。從國(guó)外的項(xiàng)目上看，風(fēng)力發(fā)電的容量與燃?xì)廨啓C(jī)的容量比例大約是3∶2，也就是風(fēng)力發(fā)電占59%的容量，燃?xì)廨啓C(jī)占41%的容量，并且項(xiàng)目中的燃?xì)廨啓C(jī)都由功率為40 MW左右的小型燃?xì)廨啓C(jī)組成，這樣的容量比例方法肯定是開發(fā)商依據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)能資源分布優(yōu)化的結(jié)果［45］。

3.2.3 風(fēng)能－氫能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

2008年，西班牙風(fēng)能發(fā)電量超過水能，達(dá)到27 000 GW·h，已經(jīng)能夠滿足全國(guó)10%以上的電力需求，但風(fēng)能利用的不可調(diào)性表現(xiàn)得更為明顯，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。Martín［46］等人研究了一個(gè)裝機(jī)容量為 48.8 MW的風(fēng)電場(chǎng)，其多余的18.4%電量被用于電解槽產(chǎn)氫，每年約產(chǎn)生13 GW·h的氫能。通過技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性分析，Martín等人發(fā)現(xiàn)雖然現(xiàn)有的互補(bǔ)系統(tǒng)能夠帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益，但系統(tǒng)的進(jìn)一步推廣仍需依賴于氫氣生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善。此外，Tao Zhou［47］等人對(duì)氫氣產(chǎn)生過程進(jìn)行模擬時(shí)通過引入流量、壓力等控制器解決了電解槽運(yùn)行參數(shù)控制問題，保證了風(fēng)能與氫能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)高效產(chǎn)氫，為該系統(tǒng)的工程應(yīng)用提供了可能。

3.2.4 風(fēng)能－生物能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

Navarro［48］等人通過對(duì)工程測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬嘗試為40 MW的風(fēng)電場(chǎng)配置生物氣化電廠來穩(wěn)定出力，結(jié)果表明風(fēng)能與生物能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是可行的，但為了提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，生物氣化電廠的原料需種植在風(fēng)電場(chǎng)附近甚至風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)。

4 結(jié)語

風(fēng)能的利用有助于實(shí)現(xiàn)能源的安全和多元化，減少溫室氣體排放，減少化石燃料造成的城市環(huán)境污染，替代核能，并能提供大量就業(yè)機(jī)會(huì)。風(fēng)能與其他能源互補(bǔ)系統(tǒng)的應(yīng)用不僅為風(fēng)能的穩(wěn)定出力提供了保障，還在一定程度上提高了風(fēng)能的利用率。但是，目前除了風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)發(fā)電技術(shù)相對(duì)成熟外，其余的互補(bǔ)系統(tǒng)仍處于嘗試階段，有待進(jìn)一步模擬分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)?？傊?，風(fēng)能是否能夠繼續(xù)保持迅猛發(fā)展的勢(shì)頭很大程度上取決于互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)的研發(fā)進(jìn)度，兩者相互依托，相互促進(jìn)。

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