空間梯度分布式能源集成利用原理及其關鍵技術研究

方子帆 呂紅梅 徐 浩 葛旭甫 方 婧 何孔德

(1. 三峽大學 水電機械設備設計與維護湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002； 2. 三峽大學 機械與動力學院，湖北 宜昌 443002； 3. 三峽大學 新能源微電網湖北省協同創新中心，湖北 宜昌 443002； 4. 三峽大學 發展規劃處，湖北 宜昌 443002)

根據實際生產環境的差異，多種可再生能源被用于人類生活的能量供應．同時因生產活動日益加快，能源消耗也隨之增加，當前全球正遭受著全球變暖等環境問題，霧霾在中國多地區對居民的健康安全和經濟生產都造成了負面影響[1-2]，考慮到人類的生存因素以及環境因素，空間梯度分布的可再生能源的發展已成為生態文明建設的需求，分析可再生能源的分布特征對可再生能源集成利用具有重要意義．

可再生能源發電已成為主要能源利用方式，其利用形式以單一能源的利用轉換為主，單一可再生能源發電技術面臨能量轉換效率低、發電成本高等問題，難以提供高效、穩定的電能輸出．布置數量眾多的發電裝置形成大規模發電場，可以有效彌補單一可再生能源利用效率較低的特點．目前太陽能光熱發電和光伏發電技術已較為成熟，在陽光充足區域能得到充分利用，但大規模發電場易對生態環境產生物理污染與次生污染．考慮到可再生能源梯度分布特點，多種能量互補利用成為可能，多能源互補技術逐漸成為研究熱點．丹麥WaveStar公司研制的Wavestar發電裝置，實現波浪能與風能結合，一套設備能夠產生600 kW的電力，有望滿足4 000戶家庭的用電需求；日本京都大學Rahman教授等提出近海風能和潮流能混合發電系統(Hybrid Offshore-wind and Tidal Turbine，HOTT)，利用裝置下部潮流能水輪機進行發電，和風力發電互相補充；美國能源島公司研發了基于海洋熱能轉換的多能互補供能系統(Ocean Thermal Energy Conversion，OTEC)，該系統同時集成地熱能、太陽能、風能、波浪能以及海流能利用技術，可用于海水淡化，土地灌溉，工業制氫等其他工業用途．國內山東即墨大管島風-光-波浪能的混合發電系統，實現24 h不間斷供電，滿足居民和游客生活生產用電[3-5]． 通過可再生能源的多能互補，可逐漸緩解棄水棄風棄光問題，促進可再生能源分布式應用系統的發展，大幅增加可再生能源在能源生產和消費中的比重，以及加速對化石能源的替代，在規模化發展中加速技術進步和產業升級[6]．對于多種可再生能源如何獲取，能量轉換、傳遞與合并過程及系統集成平臺開發等關鍵問題，目前還缺乏深入研究，系統如何實現穩定供電，是需突破的技術難題．

1 空間梯度分布式能源的基本特征

1.1 分布式能源的空間梯度分布特征

可再生能源種類豐富，按照空間梯度分布依次為太陽能、風能、生物質能、海洋波浪能、潮汐能、潮流能、溫差能、鹽差能等．非再生能源分布具有區域集中特性，如煤礦、石油等化石能源以礦產形式大量儲藏于地下，地理位置長期固定，能源總量相對穩定．與之相比可再生能源種類較多，分布空間廣泛，具有空間流動特性與能量密度較低的特性，因此，對于可再生能源的開發利用，需考慮可再生能源的空間梯度分布特征．

地理因素以及能源的物理屬性決定了可再生能源的空間梯度分布特征，將地球生態圈按空間縱向梯度自上而下劃分，可分為大氣層、地表層、海洋層與地下層4層區域，大氣層中包含電磁波和各種氣體，能夠利用的可再生能源為太陽能以及風能；地表層包含河流以及大量生物，可再生能源以水能和生物質能形式存在；海洋層主要蘊含富含鹽分的海水，其中豐富的海洋能包括波浪能、潮汐能、潮流能、溫差能以及鹽差能；地下層中地熱能的能量來自地球內部的熔巖，借助水和熔巖將能量傳遞至地下數千米處．可再生能源分布范圍廣，空間縱向上呈從高到低的梯度分布．圖1描述了可再生能源的空間梯度分布特征，表1為國內2020年可再生能源利用的主要指標[7]．

圖1 可再生能源空間梯度分布特征

內容利用規模/(萬kW)年產能量/(億kW·h)折標煤/(萬t/年)發電675001904556188水電(不含抽水蓄能)340001250036875并網風電21000420012390光伏發電1050012453673太陽能熱發電500200590生物質發電15009002660可再生能源合計72928

1.2 分布式能源的工程利用因素

高海拔山區、自然保護區以及海洋島嶼等區域地理位置相對城市較為偏遠，集中能源供應系統在上述區域提供能量時，面臨基礎建設成本較高，設備維修困難，電力損耗較大等不利因素．相比之下分布式能源供應系統能量獲取方式廣泛，對地理結構、空間海拔要求較低，已成為當前解決供能問題的需求之一．

由于可再生能源分布廣泛，并非所有可再生能源都適合于工程開發，受到成本、環境以及現有技術等因素限制，部分可再生能源獲取困難、成本高、污染環境，現階段難以開發．同時，能源的轉換效率也影響分布式可再生能源開發的可行性，因此，分布式能源工程利用需綜合考慮能源可獲得性、環境友好性、經濟性以及使用方便性．

根據分布式可再生能源綜合利用四因素，對多種能量獲取技術進行組合，達到可再生能源相互補充，提高能量獲取效率的目的．通過開發其高效利用的裝備，實現可再生能源的低成本利用、低污染排放、可持續發展．

1.3 分布式能源系統的裝備多樣性

考慮到分布式能源的工程利用因素，太陽能、風能、波浪能和潮流能容易獲取，在成本、環境以及技術開發方面都有巨大的優勢．由于分布式能源種類多樣，分布廣泛，不同環境下的能源利用應考慮當地的能源分布情況，采取因地制宜的措施，因此分布式能源系統在系統組成方面呈現多樣性，分布式能源利用裝備主要有3類：

1)風波互補裝備，可實現風、波兩種能量互補綜合利用，適合于風能資源豐富的海洋區域．在潮汐資源豐富的近海區域，可以實現風能與潮流能的互補利用．在光源充足區域，在風力發電基礎上互補太陽能發電技術，可以實現風光互補綜合利用．

2)風波流互補裝備，可實現風能、波浪能、潮流能3種能量互補綜合利用．同時，也可實現風能、太陽能、波浪能3種能量互補綜合利用，太陽能與風能利用裝置可建設在近海，解決近海居民生活與工業用電．

3)光風波流互補裝備，可實現光、風、波、流4種能量互補綜合利用，太陽能與風能利用裝置可建設在島嶼，解決島嶼居民生活與工業用電，目前為研究熱點[8]．

2 空間梯度分布式能源集成利用原理

結合可再生能源的分布特征與工程因素，一定區域范圍內可能包含數種分布式可再生能源，例如風能和太陽能同時同地存在，波浪能與潮流能同時同地存在．這種特點為分布式可再生能源的集成利用提供可能．

分布式能源系統集成利用是指多種分布式可再生能源在能量采集階段之后匯聚合并，通過單個發電機就可以完成多種能源的電能轉換．隨著可再生能源利用技術的發展，不同種類的能源能夠在能量傳遞階段內完成能量的合成．集成利用包含了裝備的合成與能量的合成兩種含義，在可再生能源集成利用原理中，多個能量采集單元對應一個電能產生單元，其集成和控制的對象主要是獲取的可再生能源．集成利用對可再生能源利用技術要求較高，但其電能輸出較穩定，在電能并網輸出環節容易處理，且單一裝置可獲取多種分布式可再生能源，能量利用效率高[3]．

多種能源的吸收、傳遞與轉化對系統集成設計提出了新的要求，分布式能源的利用過程是可再生能量的吸收、合成到電能轉換的過程，其系統結構包含3部分，分別是能量獲取環節、電能轉換環節以及能量輸出環節．能量獲取環節包括能量獲取過程，該環節吸收游離在空間中的可再生能源并將其轉換為較穩定可利用能量；在電能轉換環節中，多種來源的能量被合并傳遞，發電系統將合并后的能量轉換為電能；能量輸出環節對電能進行整流及逆變等處理，根據用戶需求進行輸送或者儲存．

以太陽能、風能、波浪能和潮流能4種分布式可再生能源綜合利用為例，選取不同的能量利用機構獲取對應能量．基于集成利用理念，光-風-波-流能量通過能量轉換、能量集成、電能變換、電能控制與儲存并網等過程變為穩定的電能進行輸出[9]．分布式能源集成利用原理圖如圖2所示．

圖2 分布式能源集成利用原理圖

分布式能源集成利用的難點在于復雜多變海洋環境下，多種能量的采集-合成-傳遞-轉換的多物理過程的實現，與子系統之間的相互匹配問題．以復雜機電系統能量流角度分析，太陽能、風能、波浪能以及潮流能作為系統的能量輸入，通過機-電-液結構實現能量的采集、合并、傳遞和穩定過程，最終能量以電能進行輸出或者轉化為化學能在電池中儲存，考慮到系統中熱能的產生與耗散，分布式能源集成利用系統將隨機不穩定的自然能源轉化為穩定、便于儲存和運輸的化學能與電能．

3 空間梯度分布式能源利用關鍵技術

3.1 分布式能量獲取技術

研究大規模高效分布式能源集成發電技術、降低可再生能源開發成本以及提高能量輸出穩定性，是可再生能源開發利用的發展趨勢．可再生能源的集成利用以安全、高效、穩定的電能輸出為主要目標，通過分布式能源獲取原理，游離于空間中的可再生能源被集中捕獲．太陽能、風能、波浪能和潮流能4種分布式可再生能源的獲取原理如下．

1)光伏發電通過光電裝置半導體的光電效應，在不同材料之間產生電子移動，從而將太陽光直接轉化為電能，太陽能電池有單晶硅、多晶硅和非晶硅3種；太陽熱發電收集太陽輻射產生的熱能，再推動發電機工作轉化為電能，包括塔式、槽式、碟式與菲涅爾式結構．

2)風能獲取原理是利用風力的動能帶動風輪機構旋轉，將風能轉換為機械能用于發電，風力發電裝置包含水平軸風力機和豎直軸風力機兩種類型，其中水平軸風力機應用最為廣泛．

3)波浪能利用原理多種多樣，振蕩水柱式裝置利用波浪推動空氣來驅動空氣透平發電機發電；越浪式裝置將波浪動能轉換為波浪勢能，從而推動發電機發電；振蕩浮子式、點頭鴨式、擺式、筏式等裝置將波浪能轉換為機械能用于發電．

4)潮流能獲取原理與風能獲取原理相似，潮流能發電裝置主要利用形式有水平軸式水輪機、垂直軸式水輪機，潮流能轉換裝置主要包括振蕩水翼式、螺旋葉片式、文丘里式、Savonius式等[10-11]．從上述分布式能源獲取原理的關鍵技術在于如何利用機構的運動將可再生能源高效轉換為機械能．

3.2 分布式能量合成技術

根據多能互補集成發電系統的單一電能輸出需求，獲取的多種可再生能源在電能并網輸出階段前需合并為單一穩定能量．因為分布式可再生能源的隨機性，其能量的頻率、幅值互不相同，不能直接合成．考慮到多能互補集成發電系統中能量轉換過程，在電能輸出前完成能量合并，有利于發電機穩定工作，實現電能的穩定輸出．

液壓傳動系統可實現能量的合并過程，液壓傳動系統穩定，便于控制能量流動并且在多種復雜工況下可靠性更強[12]．利用液壓缸或者液壓泵，將獲取的不穩定機械能轉換為液壓能，通過液壓管道匯集不同來源的液壓能，達到可再生能量的合并傳遞．借助液壓閥與液壓回路調節液壓管道中液壓油的壓力、流量及流動方向．蓄能器將過多液壓能轉換為勢能儲存，達到緩沖與補充液壓管道能量的作用，為系統發電環節做好準備，實現電能的穩定輸出．

對于非穩定機械能如何轉換為穩定的電能輸出這一問題，國內外學者及科研機構都曾作過研究．挪威Pelagic Power AS公司在其研發的風能-波浪能雙動力互補供能裝置W2Power中，利用三角漂浮平臺上的液壓系統，匯集平臺上方風能和海面波浪能，為發電機供能提供了良好選擇；Weixing Chen等[13]在W2Power裝置的基礎上提出液壓能量集成方案，并對機械能向液壓能變換的能量轉換設備(energy conversion devices，ECDs )做出樣機試驗，裝備能量轉換效率超過80%．

圖3 多能互補發電系統能量合并原理

結合系統論研究方法，空間梯度分布的可再生能量集成利用裝備可用物質流、能量流和信息流進行描述[14-15]．圖3以太陽能、風能、波浪能以及潮流能4種能量集成利用為例，系統輸入為多種物質之間的能量交換，太陽光、風、波浪以及海流分別向系統輸入物質流．物質流輸入伴隨太陽能、風能、波浪能以及潮流能的能量流輸入，經過太陽能板、風輪葉片、波浪浮子和水輪機的能量轉換，太陽能板直接轉換電能輸出，風、波浪和海流的獲取能量通過能量轉換機構轉化為液壓能，在液壓能管道中進行合并、傳遞、穩定，能量流經過發電機轉換為電能，與太陽能轉換的電能合并后并網輸出．能量獲取、傳遞和轉換過程中，信息流分別在機構和控制系統中傳遞，保證系統最終的電能輸出趨于穩定．

3.3 能量穩態控制技術

為達到電能穩定輸出的目的，在發電階段前需從能量獲取、傳遞、轉換方面進行控制[16]，基于現代控制理論，可建立獲能機構過載控制系統、液壓傳動壓力控制系統、發電機速度控制系統．針對獲能階段，提取獲取機構轉動角度θ、角速度ω等參數，結合能量獲取算法，實際壓力F與預設壓力Ff相比較，使能量吸收幅值維持在額定范圍內，形成獲能機構的過載保護，控制框圖如圖4所示．在能量傳遞階段，液壓傳動方式應用最為廣泛，設置液壓傳動系統控制系統，控制液壓缸的行程，對不同能量密度分級控制，確保液壓系統工作穩定．設置發電機速度控制系統，控制液壓馬達恒速旋轉，實現發電機穩定輸出，控制框圖如圖5所示．通過多層反饋控制，保證多種可再生隨機能源功率最優吸收，同時保證系統機械裝置在強度、剛度以及穩定性允許的情況下工作，確保系統高效穩定運行．

圖4 獲能機構過載控制框圖

圖5 發電機速度控制框圖

3.4 分布式能量儲存技術

為實現分布式可再生能源的高效利用，需對系統輸出的電能進行儲存與管理．風波流發電系統通過發電機產生交流電，進行整流轉換為直流電，與太陽能電池產生的直流電變流合并，通過控制器檢測控制電流、電壓，過放報警，保護控制，過流及短路保護控制等[17]．根據多能互補系統電能輸出用途不同，能量的儲存形式可分為直接儲能與間接儲能．

直接儲能指將電能儲存在化學電池中，負載工作時可直接進行電能輸出．利用配電柜對電能輸出進行管理，根據實際需求，直流電輸入蓄電池儲存，應用于電力系統的蓄電池主要有鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鈉硫電池以及液流電池等．由于鉛酸蓄電池技術成熟、成本較低且可靠性較高，已廣泛應用于可再生能源發電系統．對于滿足并網要求的電能，可經過逆變、升壓變換處理后接入電網輸出[18]．

間接儲能指分布式可再生能源轉換為其他穩定、集中的能量．利用抽水蓄能系統，可以實現多能互補發電系統電能的間接存儲，同時有效解決新能源發電的棄水棄風棄光問題，通過水泵和發電機等能量轉換元件，能量在電能以及水的機械能之間轉換，可再生能源將以水庫的高海拔勢能形式長期存儲，圖6描述了抽水蓄能系統間接儲能示意圖．

圖6 抽水蓄能系統間接儲能示意圖

3.5 光風波流多能互補穩態發電裝置

近海能源包括太陽能、風能、波浪能與潮流能，能量分布廣泛，易于獲取，對于島嶼是一種良好的能量來源．近海區域是實現空間梯度分布式能源集成利用的良好環境之一，根據人類對可再生多能源的互補利用需求與海島可再生能源獨立供電理念，利用空間梯度分布式能源集成利用原理及其關鍵技術，課題組提出一種光風波流多能互補穩態發電裝置，為海洋島嶼的供電問題提供了一種解決方案，如圖7所示．該系統由3類可再生能量捕獲機構、固定平臺、液壓傳動系統、發電機等風波流發電系統以及太陽能發電系統組成．

圖7 光風波流多能互補穩態發電系統示意圖

如圖7所示，光風波流多能互補穩態獨立發電系統能源轉換過程為：將海島能源分成太陽輻射層、空氣對流層、海面波浪層、海下潮流4層能源區域，利用太陽能光伏發電原理，實現海島太陽能發電，電能通過逆變器與變流器輸送至海島供電系統．風波流發電平臺上方的旋轉葉片獲取空氣對流層風能，平臺下方的浮子結構收集海面波浪能，平臺支腿安裝水輪機捕獲水下潮流能．通過3種獲能裝置將海洋動能轉換為機械能，實現能量的一級轉換．利用液壓缸和連桿機構，將機械能轉換為液壓能，實現中間轉換環節．各支路液壓能匯聚到液壓系統中樞管道，驅動液壓馬達旋轉，帶動發電機發電，將液壓能轉換為電能，實現能量的三級轉換．

其系統特點為：能量利用范圍廣，海島太陽能、風能、波浪能和潮流能，保障能源供應；能量供應穩定，保障電能質量，可實現海島可再生能源獨立供應．利用空間梯度分布式能量獲取技術、能量合成技術、穩態控制技術以及能量儲存技術．該系統實現了太陽能、風能、波浪能與潮流能的集成采集、合成、傳遞與發電作用．在不同海況以及氣候條件下，多種能源能夠互補利用，能源實現穩定輸出，近海能源利用效率較高．

4 結 語

空間梯度分布式能源集成利用系統在未來的能源生產中扮演著必不可少的重要角色，開展裝備整機、能量捕獲、動力輸出、并網系統等關鍵問題研究有利于提高多能互補裝置轉換效率，可再生能源的空間梯度分布特征決定其能源集成利用形式，通過能量合成、穩態控制以及電能存儲等方法為系統實現電能的穩定輸出．雖然其發展速度受到技術、成本、效率等多方面的約束，隨著國家能源政策調整，分布式多能互補獨立發電系統將在海島供電、抽水蓄能電站建設、微電網發展等多個領域發揮舉足輕重的作用．未來將以探索多能互補技術從原理創新向工程化應用轉變為導向，積極研發新技術與新裝置，為可再生能源可持續發展做好技術儲備．