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風(fēng)光水互補(bǔ)發(fā)電概述

    作者:宏拓新軟件
    發(fā)布日期:2023-11-27         
閱讀:14     
 
 

摘要:從目前可再生能源的資源狀況和技術(shù)發(fā)展水平看,利用水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電,最為現(xiàn)實(shí),前景廣闊。三者互補(bǔ)結(jié)合是一條有效的途徑。水電與風(fēng)—光互補(bǔ)結(jié)合,可對(duì)風(fēng)—光并網(wǎng)發(fā)電和儲(chǔ)能提供強(qiáng)有力的支撐,水電的綠色環(huán)境效益和生態(tài)效益成為其開(kāi)發(fā)追求的新目標(biāo)。

關(guān)鍵詞:風(fēng)力發(fā)電;光伏發(fā)電;水力發(fā)電;互補(bǔ)結(jié)合

1 引言

能源和環(huán)境是當(dāng)前人類生存和發(fā)展迫切需要解決的問(wèn)題。常規(guī)化石能源如煤炭、石油、天然氣等,儲(chǔ)量隨利用時(shí)間的增長(zhǎng)而日益減少,且?guī)?lái)嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題,大力發(fā)展可再生能源的任務(wù)愈發(fā)緊迫。從目前可再生能源的資源狀況和技術(shù)發(fā)展水平看,利用水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電,最為現(xiàn)實(shí),前景廣闊。三者互補(bǔ)結(jié)合是一條有效的途徑。但光伏發(fā)電的時(shí)間局限性和風(fēng)能發(fā)電的不穩(wěn)定性是這兩種電源的固有缺陷,必須具有相當(dāng)規(guī)模和調(diào)節(jié)性能良好的備用電源,風(fēng)—光出力才能成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的依靠。水電是規(guī)模大、調(diào)節(jié)性能良好的電源,可以充分利用水庫(kù)的調(diào)節(jié)能力,克服光伏和風(fēng)能發(fā)電不連續(xù)、不穩(wěn)定的缺點(diǎn),確保供電質(zhì)量。

2 風(fēng)光水互補(bǔ)發(fā)電

風(fēng)電、光電主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽(yáng)能光伏電池組、控制器、蓄電池、逆變器、交流直流負(fù)載等部分組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1。該系統(tǒng)是集風(fēng)能、太陽(yáng)能及蓄電池等多種能源發(fā)電技術(shù)及系統(tǒng)智能控制技術(shù)為一體的復(fù)合可再生能源發(fā)電系統(tǒng)。圖1示出風(fēng)光水互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

風(fēng)光水互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖1 風(fēng)光水互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

風(fēng)力發(fā)電部分是利用風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能,再通過(guò)控制器對(duì)蓄電池充電,經(jīng)過(guò)逆變器對(duì)負(fù)載供電;

光伏發(fā)電部分利用太陽(yáng)能電池板的光伏效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能,然后對(duì)蓄電池充電,通過(guò)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電。

所謂的風(fēng)、光、水互補(bǔ),就是把風(fēng)力發(fā)電站、光伏發(fā)電站和水電站組合成一個(gè)電源。風(fēng)光發(fā)電站因?yàn)殚g歇性、波動(dòng)性和隨機(jī)性常被認(rèn)為是“垃圾電”,而水電站的水輪機(jī)組正好有快速調(diào)節(jié)能力,如果用水輪機(jī)的功率調(diào)節(jié)風(fēng)電、光伏發(fā)電的波動(dòng),使得風(fēng)光和水電站能穩(wěn)定出力,形成優(yōu)質(zhì)電源,很好滿足電網(wǎng)負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

但真正地將風(fēng)光水互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)不是那么容易的事,世界公認(rèn)的看法是:間歇性的風(fēng)光能源在常規(guī)電網(wǎng)中不得超過(guò)20%,否則會(huì)影響電網(wǎng)的運(yùn)行困難甚至崩潰,對(duì)于雅礱江特高壓輸送,要求輸出的穩(wěn)定性更高,因此風(fēng)光水互補(bǔ)的應(yīng)用主要基于以下幾種基礎(chǔ)和技術(shù)之上:中央控制系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)支撐平臺(tái),聯(lián)合功率預(yù)測(cè)及應(yīng)用支持系統(tǒng),集群運(yùn)行優(yōu)化及安全穩(wěn)定防線系統(tǒng)。

3 風(fēng)光可再生能源的發(fā)電前景

(1)風(fēng)能的發(fā)電前景

風(fēng)力發(fā)電包括小型離網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電和大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電,是繼水電后技術(shù)最成熟、最具有大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用前景的可再生能源發(fā)電方式,具有清潔無(wú)污染、永不枯竭、基建周期短、裝機(jī)靈活等優(yōu)點(diǎn)。

據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)陸地可利用風(fēng)能資源3億千瓦,加上近岸海域可利用風(fēng)能資源,共計(jì)約10億千瓦,比水力總蘊(yùn)藏量6.94億千瓦還多。風(fēng)能資源主要分布兩大風(fēng)帶:一是“三北地區(qū)”(東北、華北北部和西北地區(qū));二是東部沿海陸地、島嶼及近岸海域。《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》指出,在具備規(guī);_(kāi)發(fā)條件的地區(qū),進(jìn)行集中連片開(kāi)發(fā),建成若干個(gè)風(fēng)電大省、數(shù)個(gè)百萬(wàn)千瓦級(jí)大型風(fēng)電基地;到2020年全國(guó)風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)到3000萬(wàn)千瓦。目前,我國(guó)規(guī)劃在甘肅、新疆、河北、吉林、內(nèi)蒙古、江蘇6個(gè)省區(qū)建設(shè)7個(gè)千萬(wàn)千瓦級(jí)風(fēng)電基地。

隨著風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)步和規(guī)模的擴(kuò)大,風(fēng)電成本已接近常規(guī)能源,是近期最有市場(chǎng)的非水可再生能源,在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)將會(huì)保持較快發(fā)展。

到目前為止,我國(guó)已成為了全球排行第二的風(fēng)力發(fā)電風(fēng)電容量,在國(guó)內(nèi)東北、華北和東南沿海地區(qū)都有大規(guī)模開(kāi)發(fā)建設(shè),國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電站是實(shí)現(xiàn)集中連片式地開(kāi)發(fā)建設(shè),能夠開(kāi)發(fā)出百萬(wàn)千瓦的風(fēng)電基地。隨著國(guó)內(nèi)風(fēng)電技術(shù)的日益成熟,風(fēng)電規(guī)模擴(kuò)大,風(fēng)電設(shè)施運(yùn)行成本接近了常規(guī)性能源,而且在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi),會(huì)保持著快速增長(zhǎng)發(fā)展態(tài)勢(shì)。

(2)光伏發(fā)電的前景

光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理,利用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能,具有許多優(yōu)點(diǎn),如無(wú)噪聲、無(wú)污染、無(wú)燃料消耗,能量隨處可得,維護(hù)簡(jiǎn)便等。光伏發(fā)電最初作為獨(dú)立的分散電源使用,近年來(lái)規(guī)模逐漸增大,包括離、并網(wǎng)兩種類型,其中并網(wǎng)光伏增長(zhǎng)尤為迅速。

我國(guó)擁有太陽(yáng)能資源豐富,每年日照強(qiáng)度達(dá)到6000兆焦耳每平方米,但是當(dāng)前國(guó)內(nèi)的光伏發(fā)電總體還處于起步階段,整體發(fā)電成本比較高。國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電所產(chǎn)生電能與常規(guī)煤炭資源發(fā)電量不能夠相比,如果太陽(yáng)發(fā)電設(shè)施成本降下來(lái),那么就會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

一旦光伏發(fā)電的成本下降,將會(huì)得到大規(guī)模的應(yīng)用。屆時(shí),光伏發(fā)電不但會(huì)替代部分常規(guī)能源,還將發(fā)揮出巨大的環(huán)境效益。根據(jù)《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》,在甘肅敦煌和西藏拉薩(或阿里)建設(shè)大型并網(wǎng)型太陽(yáng)能電站示范項(xiàng)目;到2020年,我國(guó)大型太陽(yáng)能并網(wǎng)光伏電站總?cè)萘繉⑦_(dá)到20萬(wàn)千瓦。

光伏發(fā)電產(chǎn)生電能是可以再生利用能源,太陽(yáng)能也是取之不盡的。在社會(huì)上大力推廣發(fā)展光伏發(fā)電,并大規(guī)模使用太陽(yáng)能光板,能夠逐步緩解社會(huì)上煤炭資源消耗,減省化石燃料燃燒帶來(lái)的環(huán)境污染,光伏發(fā)電規(guī)模擴(kuò)大,就會(huì)替代過(guò)去傳統(tǒng)的化石燃料,還可以發(fā)揮出巨大環(huán)境效能。

4 風(fēng)能和光伏發(fā)電的問(wèn)題分析

(1)大規(guī)模開(kāi)發(fā),占地面積較大

太陽(yáng)光輻射在地面上最大功率會(huì)小于1000瓦每平方米。能量會(huì)小于8瓦每平方米。太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能,也會(huì)出現(xiàn)損耗能量的問(wèn)題,在每平方米,有效功率約為100瓦,而全年發(fā)電量為230千瓦小時(shí)。

風(fēng)力發(fā)電單機(jī)設(shè)備容量小,陸地風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)大多數(shù)風(fēng)機(jī)單機(jī)容量為1200~2000千瓦,風(fēng)力發(fā)電機(jī)間距大,因此大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電和光伏電站要占有大量的面積。

(2)供電的不連續(xù)性和不穩(wěn)定性

太陽(yáng)和風(fēng)能發(fā)電,會(huì)受到外界風(fēng)力、云層厚度、晝夜開(kāi)關(guān)變化等因素的影響,因此發(fā)電具有間歇性、隨機(jī)性的特征,隨著國(guó)內(nèi)能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能供電比例在不斷擴(kuò)大,供電具有階段性和不穩(wěn)定性,給供電網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)比較大的影響。通過(guò)對(duì)美國(guó)電網(wǎng)運(yùn)行進(jìn)行估計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)非水再生的能源發(fā)電量比例到23%,要通過(guò)一定煤電來(lái)調(diào)節(jié)。當(dāng)比例達(dá)到35%,需要更大量的煤電來(lái)參與調(diào)峰。

(3)電量?jī)?chǔ)存的問(wèn)題

對(duì)于小型離網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電和光伏電系統(tǒng),為了保證電力持續(xù)穩(wěn)健的供電,還需要配備足額電力儲(chǔ)能設(shè)備,比如各類型化學(xué)蓄電池設(shè)備、化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)施,但設(shè)備應(yīng)用也受到一些限制,不能夠?yàn)榇笾行惋L(fēng)電光伏發(fā)電系統(tǒng)提供支持。相比常規(guī)的水電站、抽水蓄能電站技術(shù)相對(duì)比較成熟,要有相應(yīng)的裝機(jī)規(guī)模和調(diào)節(jié)庫(kù)容的措施,可為風(fēng)電和光伏發(fā)電提供支撐。

(4)并網(wǎng)問(wèn)題

光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)是未來(lái)新能源發(fā)展新趨勢(shì),社會(huì)企業(yè)也建設(shè)大規(guī)模的風(fēng)光發(fā)電設(shè)施,過(guò)去風(fēng)力發(fā)電光能發(fā)電都有不連續(xù)性,而且供電的比重也會(huì)逐步上升,電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻壓力增大,這就給電力系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、電源和電網(wǎng)規(guī)劃等方面帶來(lái)一定的影響。

(5)環(huán)境問(wèn)題

光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電也存在一定的環(huán)境問(wèn)題,前者在生產(chǎn)太陽(yáng)能電池板的過(guò)程中所所耗電能的比率較大,后者風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)及噪聲也對(duì)飛鳥和人群產(chǎn)生影響。

5 風(fēng)—光—水協(xié)調(diào)發(fā)展互補(bǔ)優(yōu)化

(1)風(fēng)光水互補(bǔ)發(fā)電

通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化,可以做到風(fēng)—光—水立體化的三元互補(bǔ)發(fā)電融合,即在某一發(fā)電方式欠缺不足時(shí),由其他發(fā)電方式來(lái)補(bǔ)充。

風(fēng)—光—水三者之間存在著一定程度的天然互補(bǔ)性。(1)從時(shí)間上講,白天太陽(yáng)光強(qiáng),夜間風(fēng)大;夏季陽(yáng)光照射強(qiáng)度大,風(fēng)力偏弱;冬春季節(jié)風(fēng)力大,光照弱。(2)從地域上講,國(guó)內(nèi)不同省份,風(fēng)能分布狀況如下,西部地區(qū)青海、西藏地區(qū)有著充足的太陽(yáng)光照射,但是風(fēng)能資源偏弱;在甘肅地區(qū)的光照資源雖遜于前二者,但風(fēng)能資源儲(chǔ)備量大;在西北、華北、東北等內(nèi)陸區(qū)域風(fēng)力資源多,在冬季、春季,風(fēng)儲(chǔ)能量大,然而夏季和秋季的風(fēng)力偏小,但是在夏季、秋季,水能資源相對(duì)豐富,與冬春季枯水正好形成互補(bǔ)特性。這樣就形成了風(fēng)能、光能和水能之間的互補(bǔ),構(gòu)建起一個(gè)風(fēng)—光—水互補(bǔ)系統(tǒng),為其提供了必要自然條件。

(2)水電站開(kāi)發(fā)的新目標(biāo),對(duì)大型風(fēng)光發(fā)電的調(diào)節(jié)支持

風(fēng)力發(fā)電、光發(fā)電與水力發(fā)電相協(xié)調(diào),可大規(guī)模地使用,但使用起來(lái)也有一定的缺點(diǎn),水力發(fā)電站就是在大型河流位置上建設(shè)水利工程,但是目前國(guó)內(nèi)水利工程建設(shè)會(huì)影響到周邊的生態(tài)環(huán)境。在風(fēng)力發(fā)電站建設(shè)初期要尋找標(biāo)準(zhǔn)支撐。在發(fā)電系統(tǒng)內(nèi),有一個(gè)對(duì)等水力發(fā)電系統(tǒng),水電站發(fā)電目標(biāo)與傳統(tǒng)火電站發(fā)展發(fā)電目標(biāo)不一樣,水力發(fā)電成為了風(fēng)—光能源發(fā)電的重要補(bǔ)充組成,它也成為了為新能源提供效益必備基礎(chǔ)條件,而且新能源環(huán)境效益成為了水力發(fā)電的重要發(fā)展目的。

水電開(kāi)發(fā)可對(duì)大型風(fēng)光發(fā)電提供調(diào)節(jié)與支撐。百萬(wàn)千瓦級(jí)的風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電站只能與水電協(xié)調(diào)發(fā)展,才能得以大規(guī)模應(yīng)用,否則,其固有的缺點(diǎn)將制約其大力發(fā)展。

依照國(guó)外的相關(guān)經(jīng)驗(yàn),風(fēng)、光電站在建設(shè)之初,就應(yīng)當(dāng)尋找其支撐伙伴,如系統(tǒng)內(nèi)需要一個(gè)對(duì)等規(guī)模的水力發(fā)電系統(tǒng)。盡管同樣是供電,該水電站“發(fā)電”的開(kāi)發(fā)目標(biāo)就與傳統(tǒng)“發(fā)電”的開(kāi)發(fā)目標(biāo)不一樣了,它成為大型風(fēng)(光)發(fā)電的調(diào)節(jié)、支撐條件,具有為新能源提供基礎(chǔ)條件的效益。鑒于此,新能源的環(huán)境效益也應(yīng)當(dāng)為水力發(fā)電分一杯羹,盡管水力發(fā)電本身就是清潔可再生的。

此外,假如太陽(yáng)能發(fā)電的夜間缺位是由水電來(lái)補(bǔ)足的,那么,夜間低谷時(shí)段的低電價(jià)將使得水電成為犧牲的對(duì)象,對(duì)此必須在政策層面予以研究解決。

根據(jù)2003年全國(guó)水力資源復(fù)查成果,我國(guó)水能資源可開(kāi)發(fā)水力發(fā)電裝機(jī)容量為5.4億千瓦,年發(fā)電量2.47萬(wàn)億千瓦時(shí)。計(jì)劃到2020年,水力發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到3.8億千瓦。我國(guó)豐富的水力資源為發(fā)展大型風(fēng)電、光伏發(fā)電提供了條件,國(guó)家應(yīng)結(jié)合地區(qū)的資源優(yōu)勢(shì)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃。

我國(guó)有著豐富的水資源,也要給國(guó)內(nèi)風(fēng)電—光伏發(fā)電提供了條件支撐,國(guó)家政府統(tǒng)籌不同地區(qū)的資源,在青海內(nèi),就形成了水力發(fā)電和光伏發(fā)電的互補(bǔ),將水力發(fā)電站建設(shè)與黃河裝機(jī)容量達(dá)到了1100萬(wàn)千瓦,而且太陽(yáng)光能資源比較豐富,有著大片荒漠土地。甘肅風(fēng)電資源豐富,在河西走廊建設(shè)風(fēng)力發(fā)電設(shè)施,打造路上的三峽工程,將其作為新能源開(kāi)發(fā)的重要發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo),在甘肅、青海等省份建立風(fēng)—光—水的能源基地。

(3)抽水蓄能可對(duì)風(fēng)、光發(fā)電提供儲(chǔ)能支撐

抽水蓄能可對(duì)風(fēng)、光發(fā)電提供儲(chǔ)能支撐。隨著非水可再生能源的開(kāi)發(fā),風(fēng)光互補(bǔ)抽水蓄能是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。實(shí)踐表明,抽水蓄能發(fā)電站是滿足電力系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷劇烈變化的理想手段。研究認(rèn)為,電力系統(tǒng)內(nèi)最好有10%的抽水蓄能發(fā)電站,這可以極大地提高電力系統(tǒng)的質(zhì)量,目前我國(guó)抽水蓄能的水力發(fā)電裝機(jī)比例尚很小。如果大力發(fā)展風(fēng)光水互補(bǔ),抽水蓄能的前景將更加廣闊。

據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn),除常規(guī)機(jī)組外,抽水蓄能是現(xiàn)階段儲(chǔ)蓄風(fēng)光出力的最現(xiàn)實(shí)的方式。抽水蓄能發(fā)電站的建設(shè)需要地形條件和水源條件,但對(duì)水量的要求并不大,只要水源足以補(bǔ)給因蒸發(fā)滲漏所導(dǎo)致的損耗即可。抽水蓄能的規(guī)模未必需要做得很大,只要能夠同風(fēng)光電站配合就可以了。考慮到與離網(wǎng)光伏、風(fēng)電站配合,要重視小型抽水蓄能電站的建設(shè)。

6 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)內(nèi)水力發(fā)電、光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電,三種發(fā)電方式相互并行運(yùn)行,能夠集成不同發(fā)電的優(yōu)勢(shì),形成了一體化的多能互補(bǔ)能源開(kāi)發(fā)新模式,調(diào)整國(guó)內(nèi)能源結(jié)構(gòu),大力發(fā)展光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電,連傳統(tǒng)的水力發(fā)電,與之形成了水電與光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電的互補(bǔ),也為風(fēng)—光并網(wǎng)發(fā)電儲(chǔ)能,提供了強(qiáng)有力的保障支持。水力發(fā)電本身也是可再生的,也是對(duì)非水可再生清潔能源的有效支撐,能夠突出展現(xiàn)出雙重的綠色可再生發(fā)電的效應(yīng),也是一類重要生態(tài)能源。抽水蓄能發(fā)電站在平衡非水可再生能源的供電穩(wěn)定方面,有著更好的儲(chǔ)能效果,而且是新能源發(fā)展的一個(gè)新方向。

 

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