喬 曉 娟

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新能源微電網(wǎng)在國家博物館中的應(yīng)用

喬 曉 娟

喬曉娟(1984—),女,工程師,從事電氣工程及其自動化方面的工作。

(中國國家博物館, 北京100006)

摘要：簡要介紹了新能源微電網(wǎng)較傳統(tǒng)大電網(wǎng)的優(yōu)點,對光伏、風(fēng)力發(fā)電的成本與發(fā)電量進行計算分析。根據(jù)國家博物館的地理特點,計算微電網(wǎng)的成本與效益,指出新能源微電網(wǎng)項目在國家博物館實施是可行的。

關(guān)鍵詞：新能源微電網(wǎng); 國家博物館; 成本分析; 效益

0引言

新能源微電網(wǎng)基于局部配電網(wǎng)建設(shè),具備較高新能源電力接入比例,可通過能量存儲和優(yōu)化配置實現(xiàn)本地能源生產(chǎn)與用能負(fù)荷基本平衡,可根據(jù)需要與公共電網(wǎng)靈活互動。微電網(wǎng)能夠?qū)F(xiàn)代信息技術(shù)、新能源技術(shù)、分布式發(fā)電技術(shù)等技術(shù)集成于一體,解決了傳統(tǒng)電網(wǎng)的分布式能源接入安全穩(wěn)定問題、長距離輸電的損耗和化石能源帶來的環(huán)境問題,是智能電網(wǎng)的重要組成部分。

國家博物館必須滿足文物特定的溫/濕度光照要求,雖然一直在貫徹國家節(jié)能減排的號召,采用在末端機組設(shè)備上加載變頻器等方式來降低能耗,但節(jié)能效果有限。新能源微電網(wǎng)若能代替部分市電支撐大樓各項設(shè)備運轉(zhuǎn),必能最大程度地節(jié)能減排。

1新能源微電網(wǎng)應(yīng)用的技術(shù)分析

新能源微電網(wǎng)是指通過大量的電力電子器件把各種分布式電源(主要是可再生能源),比如微型燃?xì)廨啓C、柴油機、風(fēng)電機、光伏電池、生物質(zhì)能源發(fā)電機等以及儲能裝置連接在一起,能夠就近對用戶進行供電并且能并網(wǎng)或者孤島運行的一種自我控制、保護和管理的自治系統(tǒng)。微電網(wǎng)規(guī)模大小不同,可能從幾千瓦到幾十兆瓦以上不等,可以按照并網(wǎng)需要、負(fù)荷類型靈活設(shè)計系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1所示為典型單點并網(wǎng)拓?fù)?主要有幾個特點:

(1) 新能源發(fā)電單元種類豐富,包括直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電、雙饋風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電、波浪能發(fā)電等。

(2) 完善的儲能系統(tǒng)，包括磷酸鐵鋰電池儲能、超級電容儲能、飛輪儲能等多種方案，實現(xiàn)發(fā)電能量儲存和削峰填谷。

(3) 微型柴油發(fā)電機組，可作為微電網(wǎng)穩(wěn)定發(fā)電單元使用,提供持續(xù)穩(wěn)定電能。

(4) 具備直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，光伏、風(fēng)能等通過直流微電網(wǎng)拓?fù)洳⑷虢涣麟娋W(wǎng),可以用來對直流電網(wǎng)開展研究。

(5) 獨立運行模式和并網(wǎng)模式，可以選擇負(fù)荷獨立供電運行或并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)。

(6) 具備無功調(diào)節(jié)裝置，提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量,滿足國家并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

(7) 良好的繼電保護，保證系統(tǒng)安全運行。

(8) 微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，具有集中控制管理、功率預(yù)測、發(fā)電調(diào)度并網(wǎng)控制等功能。

圖1　典型單點并網(wǎng)拓?fù)?/p>

由于國家博物館地處天安門地帶,只能采用屋頂光伏和屋頂風(fēng)機。屋頂面積限制決定了微電網(wǎng)的功率不可能有剩余的電量,采用獨立供電系統(tǒng)。獨立系統(tǒng)由太陽能電池方陣、系統(tǒng)控制器、蓄電池組、直流/交流逆變器等組成。

太陽能光伏電站利用太陽能電池陣列將太陽能轉(zhuǎn)化成直流電能,通過直流/交流并網(wǎng)逆變器將太陽能電池陣列發(fā)出的直流電逆變成50 Hz、220/380 V的交流電,供末端設(shè)備使用。

風(fēng)能、太陽能都是不穩(wěn)定的、不連續(xù)的能源,需要配備相當(dāng)大的儲能設(shè)備,即采取多能互補的辦法,以保證基本穩(wěn)定的供電。我國屬季風(fēng)氣候區(qū),一般冬季風(fēng)大,太陽輻射強度小;夏季風(fēng)小,太陽輻射強度大,正好可以相互補充利用。

2光伏與風(fēng)力發(fā)電機的成本分析

2.1　光伏電站的成本分析

光伏發(fā)電站建設(shè)成本如表1所示。

目前,光伏組件的價格已經(jīng)由每瓦12元左右降到了4.8~5.2元/W,逆變和輸配電的價格則由2008 年的12元/W左右降到了0.8~1.4元/W。

表1光伏電站建設(shè)成本

項目投資占比/%目前價格/(元/W)太陽能組件50~604.8~5.2并網(wǎng)逆變器140.8~1.4支架和基建31~2電氣設(shè)備及電纜151.3工程設(shè)計2—設(shè)備運輸0.2—入網(wǎng)監(jiān)測0.2—可行性分析2—稅金及其他10—

注:電站規(guī)模越大,組件、逆變器、電氣設(shè)備及電纜、支架及基礎(chǔ)的價格越低。

對于屋頂電站,由于屋頂可以直接固定組件,因此基建和支架費用降低到1~2元/W,土地成本可忽略。但是,由于屋頂電站通常規(guī)模較小,因此逆變并網(wǎng)部分的成本有所增加。屋頂光伏系統(tǒng)的成本應(yīng)在9.6~10.8元/W,約為10元/W。

大面積的太陽能電池板,太陽直射時每平方米能提供約2 000 W的功率,但是民用太陽能電池板一般只能提供10%～15%的轉(zhuǎn)換效率,也就是說每平方米的太陽能電池板只能提供200～300 W的功率,考慮個人安裝難以24 h自動對準(zhǔn)太陽角度,故按照每平方米200 W的功率進行評估。

假設(shè)光伏系統(tǒng)的安裝面積為100 m2,則安裝光伏系統(tǒng)的成本約為100×200×10=20萬元。

2.2　小型風(fēng)力發(fā)電機的成本

微網(wǎng)系統(tǒng)中,一臺10 kW的小型風(fēng)力發(fā)電機僅占地4 m2,成本約為2萬元。

3光伏與風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電量計算

若太陽能電池板的面積為100 m2,則發(fā)電功率為100×200=20 kW。按照每天平均日照時長6 h計算,則發(fā)出的電量為20×6=120 kWh。

一臺10 kW的小型風(fēng)力發(fā)電機平均每天工作6 h,則發(fā)出的電量為10×6=60 kWh。故每天風(fēng)、光聯(lián)合發(fā)電量為120+60=180 kWh。

根據(jù)光伏系統(tǒng)的安裝地點、光照情況、方案設(shè)計、設(shè)備選型等因素,光伏系統(tǒng)綜合發(fā)電效率為80%,故日發(fā)電量為180×80%=144 kWh。

4國家博物館實際應(yīng)用分析

國家博物館總建筑面積為191 900 m2,有嚴(yán)格的溫/濕度及燈光要求,以保障文物的正常存放及展出。國家博物館近幾個月的用電量情況如表2所示。

表2國家博物館近幾個月的用電量(按30 d計)

時間月用電量/kWh日均用電量/kWh2015年3月227940075980.002015年2月151340050446.672015年1月224220074740.002014年10月70480023493.332014年9月77580025860.002014年8月103100034366.672014年7月116360038786.672014年6月98710032903.33

從表2可以看出,博物館日均用電量最少的是10月,當(dāng)時自然天氣與文物要求的溫/濕度比較吻合,空調(diào)機組所用制冷/制熱量少,但日均用電量也達到了23 493.33 kWh。針對國家博物館的地理位置和建筑結(jié)構(gòu),選取其最高點35.5 m白玉廳屋頂?shù)奈恢冒惭b微電網(wǎng)系統(tǒng)。

經(jīng)圖紙與現(xiàn)場實際測量,白玉廳屋頂長為85 m，寬為58 m,面積為4 930 m2,可設(shè)置4 000 m2的光伏和4臺10 kW的風(fēng)力發(fā)電機。根據(jù)計算,每天產(chǎn)生的電量為(40×120+4×180)×80%=4 416 kWh,電量遠(yuǎn)小于每天消耗的電量,產(chǎn)生的電能經(jīng)過穩(wěn)壓設(shè)備可直接供電于用電設(shè)備。

根據(jù)分析,100 m2的光伏系統(tǒng)安裝成本約為20萬元,則400 m2的成本約為80萬元;一臺10 kW的小型風(fēng)力發(fā)電機安裝成本約為2萬元,則4臺的成本約為8萬元。所以,國家博物館的微電網(wǎng)費用約為88萬元。國家博物館電費標(biāo)準(zhǔn)是商業(yè)用電,最便宜時段也要1元/kWh。按照以上算法,加裝微電網(wǎng)系統(tǒng)后每天可節(jié)省電費4 416元,因此該項目如果投入使用,只需要245 d就可收回成本。

5結(jié)語

國家博物館能夠滿足光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電組成的新能源微電網(wǎng)系統(tǒng)的要求;而微電網(wǎng)系統(tǒng)能夠為國家博物館正常運轉(zhuǎn)提供支持?？紤]產(chǎn)業(yè)政策扶持和刺激及巨大的環(huán)境效益,從長遠(yuǎn)來看,新能源微電網(wǎng)是非常值得推廣建設(shè)的項目。

參考文獻

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Application of New Energy Power Micro Grid in National MuseumQIAOXiaojuan

(National Museum of China, Beijing 100006, China)

Abstract：This paper briefly introduced the advantages of new energy power micro power grid.The cost and energy output of photovoltaic and wind power were calculated and analyzed.According to the geographical characteristics of the National Museum,the costs and benefits of the micro grid were calculated.It is pointed out that the implementation of the new energy power micro power grid project in the National Museum is feasible.

Key words:new energy micro power grid; national museum; cost analysis;effectiveness

收稿日期：2015-08-26

中圖分類號：TU 201.5

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-8417(2016)01-0052-03