躉船風光互補供電系統的開發研究

(長江航道局,武漢 430010)

在躉船上使用風光互補發電系統，不僅可以減少市電敷設工程復雜的作業程序，并且也可減少變壓器、配電柜、配電板等大量電氣設備，大大節省人力財力。同時風光互補發電系統以自然中可再生的太陽能和風能為原料，不消耗礦石燃料，不存在空氣污染，是一種新型環保的節能方式。

1 可行性分析

目前，我國的可再生能源產業已發展到相當規模，其中，太陽能已大規模產業化，并且與建筑物結合的新產品的推出更展示出這個行業的巨大發展前景[1]。太陽能光伏制造業在我國的長三角和珠三角地區迅速崛起，其產品大多出口到歐美等發達國家。目前我國的太陽能光伏制造業已躋身世界前列。

高品質、高可靠性的小型風力發電機產品在我國也已形成生產規模，產品批量出口日本、歐洲等發達國家，并且應用在風光互補路燈、別墅、游艇供電系統等項目上。在國內也已經廣泛運用在市政照明、道路監控、森林防火、通訊基站、海島供電等領域。

我國對太陽能、風能的利用日趨成熟，適用面也越來越廣，在這種形勢下考慮在躉船上應用可再生能源產品技術應該是可行的。

2 風光互補供電系統的原理

風光互補發電系統主要由風力發電機組、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。該系統是集風能、太陽能及蓄電池等多種能源發電技術及系統智能控制技術為一體的復合可再生能源發電系統，見圖1。

圖1 風光互補發電系統原理

風光互補發電系統利用太陽能電池方陣、風力發電機將發出的電能存儲到蓄電池組中，當用戶需要用電時，逆變器將蓄電池組中儲存的直流電轉變為交流電，通過輸電線路送到用戶負載處。適當時還可接入市電對其進行補充。風光互補發電系統是利用風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電系統[2]。

1)風力發電部分利用風力發電機將風能轉換為機械能，通過風力發電機將機械能轉換為電能，通過控制器對蓄電池充電，對負載供電[3]；

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

3)控制部分根據日照強度、風力大小及負載的變化，不斷對蓄電池組的工作狀態進行切換和調節：一方面把調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，保證了整個系統工作的連續性和穩定性；

4)蓄電池部分由多塊蓄電池組成，在系統中同時起到能量調節和平衡負載兩大作用。它將風力發電系統和光伏發電系統輸出的電能轉化為化學能儲存起來，以備供電不足時使用。

風光互補發電系統根據風力和太陽輻射變化情況，可以在3種模式下運行：風力發電機組單獨向負載供電；光伏發電系統單獨向負載供電；風力發電機組和光伏發電系統聯合向負載供電。

風光互補發電比單獨風力發電或光伏發電有以下優點：

①利用風能、太陽能的互補性，可以獲得比較穩定的輸出，系統有較高的穩定性和可靠性；

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通過合理地設計與匹配，由風光互補發電系統供電，可獲得較好的社會效益和經濟效益。

3 躉船用風光互補供電系統設計方案

3.1 設計思路

為了滿足躉船上生產、生活用電需要，并且達到節約能源消耗，減少污染排放，節省建設和維護成本需求，初步設想利用風能、太陽能、水能自然資源聯合互補發電。

1)風力條件。長江上游段、中游段、下游段年平均風速分別為1.4～1.9、1.7～2.8、2.8～3.0 m/s。以上風力條件都滿足正常風力發電需求，見表1。

表1 長江平均風速月度表

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。水輪發電機發電效率較低，在此流速下發電量較小，不能滿足供電作業要求，不能使用。

以上數據表明，在長江沿線的躉船上安裝風光互補供電系統，客觀條件完全滿足要求。

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

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

在長江下游風力條件相對比較好，在滿足躉船供電要求下，可根據當地實際情況在岸邊或船上適當增加風機數量，從而減少太陽能板數量，提高資源利用率，降低建設成本。因此采用風光互補供電系統情況非常理想。

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 風力發電機安裝

風機安裝在躉船兩端首層甲板上，風機桿與船底鋼結構進行連接，船底鋼結構根據船舶設計公司計算，按要求進行了加固處理，中部與二、三層甲板結構相連。風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，靠窗一側安放，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，防止船舶停靠或大風浪對船體造成的撞擊導致蓄電池搖晃墜落。安裝后不影響充電間正常使用也不影響人員行走。

3.3.4 配電設備

配電設備包含1臺離網型逆變器、1個交、直流總線配電箱。安裝在躉船配電房內。不影響其它設備正常使用

1)系統性能參數。系統總裝機容量為風力發電機：2 kW，2臺;太陽能板：240 W，55塊；110節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。根據發電系統配置條件，此套風光互補發電系統將主要供應生活用電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，值班室配電間空調各2.5 kW，總計15 kW。

以上電力分配使用時應避免全負荷開啟，感性電器(空調)開啟應間隔20 s方可開啟其它電器，電器控制部分加入針對空調的自動保護裝置。

當風光互補供電及蓄電池電量不夠時，系統可自動切換到岸電，用岸電為躉船供電；當風光互補供電回復，蓄電池電量達到一定水平，系統自動切換到風光互補供電。

3.4 節能、減排效益

躉船上安裝風光互補離網發電系統后，每天平均發電80度，每年每艘船可節省電費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年節省用電24萬度，節省用標準煤96 t,節省用純凈水960 t。

4 結論

1)風光互補供電系統是完全的綠色發電系統，完全采用可再生的自然能源，可以提高城市環境質量，減少大氣污染，為子孫后代造福。是建設資源節約型和環境友好型社會的有力產品之一。

2)傳統的風力發電和太陽能發電在資源利用上有其自身的缺陷，有些地區日照時間短或風力不足，單獨使用風力發電或太陽能發電不能滿足供電的需要。但風能和太陽能的互補性很強，無風時可能會有太陽，無太陽時可能會有風，白天日照充足時可能風小，夜晚沒有日照時可能風大。風光互補供電系統正是利用這一原理強強聯合，優勢互補的。該系統彌補了風電和光電獨立系統的缺陷，它是合理的獨立電源系統，是新能源綜合開發和利用的完美結合。

3)區域離網獨立供電較并網發電而言投資小、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。與傳統供電相比，區域離網獨立供電在遠離電網、市電不能經濟覆蓋的地區，可節約投資30%以上，在電網覆蓋地區，投資基本持平，維護費用基本等同，完全節省后期大量電費支出。

4)風光互補離網供電系統易于安裝使用，且供電區域規模小、供電區域明確，便于維護。常規供電工程作業程序復雜，電纜溝開挖、鋪設暗管、管內穿線、回填等基礎工程，需要大量人工；同時，變壓器、配電柜、配電板等大量電氣設備，也需要耗費大量財力。風光互補離網供電則免除電纜鋪線工程及管道施工，無需大量供電設施建設，大大節省人力財力。

5)風光互補離網供電系統獨立供電，穩定性強。由于常規供電是電纜連接，很可能會因為個體的問題，而影響整個供電系統；風光互補離網供電由于是每套設備獨立成系統，所以個別損壞不會影響其它系統設備的正常運行，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)可解決偏遠地區無法供電的難題，解決傳統供電線損大成本高的難題。風光互補離網供電系統，不但緩解了電力緊張局面，同時也可實現綠色能源、開發再生能源，促進循環經濟的發展。

[1] 朱俊生.中國新能源和可再生能源發展狀況[J].可再生能源，2003(2)：1-6.

[2] 夏 陽，王革華，趙 勇.中國風電并網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.風力發電機發展現狀及研究進展[J].電力科學與技術學報，2009(03)：1-8.

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