某水庫風(fēng)光互補(bǔ)直流系統(tǒng)應(yīng)用的必要性分析

易吉林,謝晨希,謝濤

1.貴州省水利投資(集團(tuán))有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550002；2.貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 貴陽 550002

1 概論

通常所說的“風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)”是指由風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能光伏組件結(jié)合作為發(fā)電部件，共同對儲能蓄電池充電并實(shí)現(xiàn)對設(shè)備供電的綜合系統(tǒng)。國內(nèi)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)還處于起步階段，但發(fā)展迅猛。中國具有豐富的太陽能、風(fēng)能資源，目前已廣泛應(yīng)用于氣象站的風(fēng)能太陽能混合發(fā)電站，太陽能風(fēng)能無線電話離轉(zhuǎn)臺電源系統(tǒng)，微波通信、基站、電臺、野外活動場所、高速公路、無人山區(qū)、村莊和海島等地區(qū)，這對提高當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)和生活水平起到了重要作用。

風(fēng)光互補(bǔ)直流自供電智能測控系統(tǒng)，由直流智能電動裝置、BMS電池管理系統(tǒng)及儲能電池組、可編程PLC控制箱、數(shù)據(jù)通信模塊、光伏控制器及太陽能光伏電池板、風(fēng)電控制器及風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能板托架支杄以及至終端設(shè)備的所有電(線)纜等附屬設(shè)備組成。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，集風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電設(shè)備管理、BMS電池管理、直流負(fù)載設(shè)備管控、視頻監(jiān)控、流量/壓力/液位傳感器信號采集以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信為一體?，F(xiàn)場各個設(shè)備的狀態(tài)及數(shù)據(jù)，不僅可在現(xiàn)場查看和編程控制，還可通過提供的標(biāo)準(zhǔn)通信接口進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和管控。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸運(yùn)用了物聯(lián)網(wǎng)云計算數(shù)據(jù)處理技術(shù)，構(gòu)建了一套集數(shù)據(jù)采集、云端存儲、智能分發(fā)、遠(yuǎn)程控制、權(quán)限認(rèn)證和多終端可視化展示于一體的數(shù)字化綜合數(shù)據(jù)管控平臺。管控平臺分別提供基于WEB和移動設(shè)備的應(yīng)用客戶端，向用戶綜控室提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)服務(wù)接口。通過前端設(shè)備，管理者可以在平臺上實(shí)時查看工程運(yùn)行工況，調(diào)閱歷史運(yùn)行記錄和統(tǒng)計分析結(jié)果，亦可調(diào)用平臺提供的統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，訪問和管理前端設(shè)備，為客戶進(jìn)行系統(tǒng)集成、二次開發(fā)和智能化管理提供數(shù)據(jù)支撐。

2 風(fēng)能光能采集可靠性分析

2.1 供水灌溉區(qū)自然條件

黃家灣水庫位于紫云縣境內(nèi)，屬濕潤性北亞熱帶季風(fēng)氣候地區(qū)，山岳型氣候特點(diǎn)。冬季春季干燥，夏季氣候濕潤，冬暖夏涼。根據(jù)紫云縣氣象站多年資料統(tǒng)計，多年平均氣溫15.30℃，極端最高氣溫33.80℃(1988年5月6日)，極端最低氣溫-7.30℃(1977年2月9日)。紫云地區(qū)年平均相對濕度79%，全年無霜期為294.90 d；多年平均最大風(fēng)速為12.80 m/s，大風(fēng)日數(shù)8 d，以NE風(fēng)為主。根據(jù)紫云縣氣象站1961—2018年資料統(tǒng)計，紫云縣年日照時數(shù)平均為1 308.50 h。

據(jù)紫云縣氣象站多年資料統(tǒng)計，多年平均降水量1 274.70 mm，最大一日降水量143.20 mm(1968年7月13日)，日數(shù)179.40 d降水量≥0.10 mm，降水量≥10.00 mm日數(shù)36.20 d，日數(shù)3.70 d降水量≥50.00 mm，當(dāng)?shù)氐哪昶骄嬲舭l(fā)量1 298.90 mm。另據(jù)雞場、紫云、擺所雨量站資料分析，紫云地區(qū)多年平均面降水量1 258 mm。特征值見表1。

表1 紫云站主要?dú)庀筇卣髦当?/p>

2.2 能量采集系統(tǒng)分析

太陽能光伏發(fā)電是通過光生伏特效應(yīng)由光伏半導(dǎo)體材料將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。作為一種新型能源采集轉(zhuǎn)換設(shè)備，其關(guān)鍵核心為光伏電池板。從該項(xiàng)技術(shù)誕生以來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步與材料的優(yōu)化，光伏發(fā)電系統(tǒng)的制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展逐漸成熟，性能不斷提升，轉(zhuǎn)換效率極大提高，都驅(qū)使光伏發(fā)電系統(tǒng)的價格變得更加便宜。光伏電池板組件輸出功率取決于太陽光照強(qiáng)度、太陽能光譜分布和光伏電池溫度、陰影、晶體結(jié)構(gòu)等多重因素。

光伏板作為關(guān)鍵部件，工程中采用的是單晶硅太陽能光伏電池板。單晶硅太陽能光伏電池板具有整體性能參數(shù)的特點(diǎn)，光電轉(zhuǎn)換效率為17%左右，最高的達(dá)到24%。在貴州光照時長較少、陰雨氣象情況較多的地區(qū)，多采用單晶硅太陽能電池板。并采用鋼化玻璃防水樹脂及鋼化玻璃進(jìn)行封裝，堅固耐用，使用壽命正常情況下可以達(dá)到25 a。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過把風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的形式進(jìn)行發(fā)電。發(fā)出的電能經(jīng)整流、變壓后向蓄電池供電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率取決于風(fēng)速、大氣壓、水氣壓和氣溫等多項(xiàng)因素。葉片是整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)中捕捉風(fēng)能，并將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的關(guān)鍵部分。正常工作狀態(tài)下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，葉片主要受到來自風(fēng)的壓力，并且受來自地球離心力的作用。常用的水平軸風(fēng)機(jī)葉片細(xì)長且重量較大，其所受重力矩的變化比較復(fù)雜，尤其在較大風(fēng)速時，葉片需能夠承受流動空氣的沖擊。

2.3 能量轉(zhuǎn)換分析

光伏電池組件適宜于溫度變化不大的區(qū)域，溫度較高時，工作效率會有所下降。從光伏溫度系數(shù)的概念來說，溫度每升高1℃，則功率減少0.35%。從項(xiàng)目的氣象條件看，其極端氣溫-7.30～33.80℃，年平均氣溫為15.30℃，一年當(dāng)中溫差變化較小，很適宜光伏設(shè)備發(fā)電。紫云縣近5年來年平均日照時數(shù)為1 208.40 h，日平均日照時數(shù)為3.31 h，其保證率約為40%；2016年6月2日日照時數(shù)出現(xiàn)最大值，為12.40 h。平均每年有204.80 d的日照時數(shù)≥1 h，其保證率為56.10%。

根據(jù)當(dāng)?shù)厝照涨闆r計算，單塊光伏板全年平均發(fā)電量709°電，平均每天發(fā)電量1.94°電，而閘門和閥門系統(tǒng)配置的光伏板最少為2塊，多的可達(dá)4塊，足夠滿足設(shè)備的每日用電量需求。在11-3月期間光照差，但風(fēng)力情況較好，正好實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)特性，完全滿足使用要求。

紫云縣近5年來平均風(fēng)速為2.20 m/s，主要為NE風(fēng)，最大風(fēng)速為20.60 m/s。紫云縣氣象站風(fēng)速統(tǒng)計情況統(tǒng)計，風(fēng)速≥1 m/s的情況保證率為72.50%。根據(jù)統(tǒng)計，紫云縣氣象站近5年來平均有效風(fēng)力時數(shù)為10.75 h(風(fēng)速≥2 m/s)，其保證率為44.80%。項(xiàng)目中年平均風(fēng)速完全滿足。其年平均降水天數(shù)179 d，一般在陰雨天，氣壓變化大，風(fēng)力條件還會更好，風(fēng)力發(fā)電更為有利，與光伏發(fā)電互補(bǔ)，源源不斷為蓄電池組發(fā)電儲能。根據(jù)當(dāng)?shù)厝照涨闆r計算，葉輪直徑為1.30 m的300 W風(fēng)機(jī)一年平均總發(fā)電量46.70 kW·h。

結(jié)合風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)設(shè)計的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，可選擇設(shè)計風(fēng)能和光能發(fā)電占比為2∶8，以光能發(fā)電為主，風(fēng)能為輔作為系統(tǒng)的補(bǔ)充能源，主要彌補(bǔ)在夜間或連續(xù)陰雨天光照差情況下的一種補(bǔ)給，而且從氣象資源可知，紫云縣屬于季風(fēng)性氣候，冬春季光照差，風(fēng)力資源充沛，夏秋季光照好，風(fēng)力資源相對匱乏，正好實(shí)現(xiàn)風(fēng)光的季節(jié)性互補(bǔ)特性，加上風(fēng)力和太陽能的黑夜和白天的互補(bǔ)，完全可滿足現(xiàn)場設(shè)備的使用要求。

3 工程運(yùn)用分析

3.1 運(yùn)行頻次

輸水工程上閥門及閘門等設(shè)備負(fù)荷較小，運(yùn)行次數(shù)不頻繁。其中節(jié)制閘、分水閥、工作閥運(yùn)行次數(shù)較多，這些對水量進(jìn)行控制、分配和調(diào)控的閘門及閥門一個月能運(yùn)行10次以上算是比較多的。對考慮檢修維護(hù)時使用，即節(jié)制閘、退水閘、檢修閘門和放水閥依據(jù)SL722-2015規(guī)定，考慮為每半年使用一次。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電及儲備電能滿足使用頻次，保證電能，同時還能兼顧設(shè)置有閘門、閥門點(diǎn)位的其他用電設(shè)備的電力供應(yīng)，比如：監(jiān)測水量設(shè)備、安全監(jiān)測設(shè)備、水情雨情監(jiān)測設(shè)備及視頻監(jiān)控設(shè)備等。綜上所述，項(xiàng)目采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電具備可行性，并且風(fēng)光發(fā)電已是非常成熟的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于其他民生工程領(lǐng)域，其可靠性可以保障。

3.2 可運(yùn)用分析

目前風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在國內(nèi)外用于水利工程非常少，以往的水利工程受到地理環(huán)境的制約，為建設(shè)基礎(chǔ)電力供應(yīng)設(shè)備需要投入大量的時間與資金。閘(閥)門啟閉的動力來源若采用電網(wǎng)線路架設(shè)長度較長，電力線路所經(jīng)之處占用的土地較多，賠付費(fèi)用較高，其本身線路供電造價高，后期投入運(yùn)行后維修費(fèi)用及電費(fèi)高，增加了運(yùn)營成本；對于輸水項(xiàng)目而言，后期的運(yùn)行管理是一項(xiàng)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，具有輸水線路長、分布方位廣、控制點(diǎn)位多及位置分布分散等諸多特點(diǎn)，而且各條線路各個點(diǎn)位相互影響、相互制約，要使這個龐大而負(fù)責(zé)的系統(tǒng)能都發(fā)揮本身的功能與作用，能夠有效運(yùn)作、相互協(xié)調(diào)，就必須依賴現(xiàn)代化信息技術(shù)對輸水工程進(jìn)行信息化管理，對其進(jìn)行更為有效的管控。另外，由于在黃家灣當(dāng)?shù)氐慕涤昵闆r存在突發(fā)性與區(qū)域性的特點(diǎn)，在每年汛期如何減輕運(yùn)行管理人員的勞動強(qiáng)度、提高工作效率也是一個很突出的問題，建設(shè)一套輸水工程測控系統(tǒng)也是很有必要的。因此，利用新技術(shù)提升輸水工程的供電和管理已經(jīng)到了迫在眉睫的階段，而風(fēng)光互補(bǔ)自供電智能測控系統(tǒng)研究有可能是有效解決上述長距離輸水工程中供電需求與后期運(yùn)行管理諸多問題的有效方案。同時該方案也符合建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會的時代發(fā)展需要。

4 結(jié)論

隨著水利工程的發(fā)展，對于水利自動化要求在不斷提高。對遠(yuǎn)離電網(wǎng)覆蓋地區(qū)的管道供水、渠道供水運(yùn)行控制的設(shè)備及信息采集，都需要低成本、可靠性的獨(dú)立供電系統(tǒng)。輸水工程上的閘(閥)門等設(shè)備具有負(fù)荷較小、運(yùn)行次數(shù)不多的特點(diǎn)，風(fēng)光互補(bǔ)自供電智能測控系統(tǒng)可以滿足設(shè)備的用電要求，可靠性高，而且成本較低，能夠在一定程度上解決電網(wǎng)覆蓋不到的偏遠(yuǎn)地區(qū)供電難的問題。若對風(fēng)光互補(bǔ)自供電智能測控系統(tǒng)在輸水工程中的應(yīng)用研究成功，將有效彌補(bǔ)輸水工程建設(shè)及管理上的一個短板，推進(jìn)綠色生態(tài)發(fā)展，尋求更好的工程質(zhì)量效益。由此產(chǎn)生的社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境及生態(tài)效益不言而喻。①風(fēng)光互補(bǔ)直流智能測控系統(tǒng)解決方案實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能和太陽能互補(bǔ)發(fā)電，所以無須外接供電，而且免除了建設(shè)變電站、架設(shè)高低壓線及配電系統(tǒng)等工程，根據(jù)投資對比表分析，采用直流閥門電裝風(fēng)光互補(bǔ)自供電智能測控系統(tǒng)比交流供電系統(tǒng)方案在資金投入方面更少。同時征地移民范圍更少，可有效減少征地移民方面的工作問題。②風(fēng)光互補(bǔ)直流系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立自供電系統(tǒng)，可以免除在受到自然災(zāi)害導(dǎo)致的集體斷電風(fēng)險。工程的安全可靠性及保證性更高。③風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，根據(jù)現(xiàn)場具體情況及工程需求可隨時投入使用。具有安裝簡便、施工簡易、運(yùn)行安全、維護(hù)方便、綠色生態(tài)等特點(diǎn)，后期年運(yùn)行維修保養(yǎng)費(fèi)用極大降低。④風(fēng)光互補(bǔ)自供電智能測控系統(tǒng)方案也可以實(shí)現(xiàn)對管線閥門的遠(yuǎn)程控制和水位、流量、閥門的運(yùn)行狀態(tài)以及現(xiàn)場圖片等信息的采集和接收，滿足運(yùn)行管理要求，并且實(shí)現(xiàn)了晝夜和季節(jié)性互補(bǔ)，性能更為穩(wěn)定可靠，性價比更高。⑤風(fēng)光互補(bǔ)直流智能測控系統(tǒng)不僅解決了供電問題，而且兼顧有自動化信息化功能，為以后整個灌區(qū)大信息化系統(tǒng)提供便利。