多能源互补（共7篇）
多能源互补 篇1
摘要：多能源互补发电技术为能源结构调整、可持续发展提供有效的路径。通过对几种新能源优劣势的分析, 概述了目前三种常见的能源互补联合发电系统, 并初步探讨了未来的发展趋势, 为中国进一步发展多能源发电技术提供了重要指导。
关键词：多能源,太阳能,互补,发电
0 引言
太阳能、风能、生物质能等新能源正在逐步取代以煤炭、石油、天然气等为主的传统能源, 这些可再生能源清洁环保、取之不尽, 是能源优化整合的有效途径, 但每种能源利用方式、优劣势不同。多能源互补发电技术对多种发电方式进行优化组合, 合理设计, 弥补单一发电方式的不足, 显著提高能源利用效率及系统供电的稳定性和可靠性, 并可获得更好的社会经济效益。
1 风力发电
风力发电是新能源中发电技术成熟、最具大规模开发潜力的发电方式。在今后几十年里, 风力发电在能源结构中所占比重将不断扩大。中国风力资源非常丰富, 潜在开发的装机容量列世界首位, 主要风资源集中在东南沿海及岛屿, 这些地区有效风能密度很大;次大风能资源区位于中国内蒙古和甘肃北部, 这些地区常年受西风带控制, 风能密度虽较沿海小, 但分布范围非常广, 是中国整体面积最大的风资源区。随着风电机组技术的不断发展, 容量不断增大, 相应造价也不断降低, 利润逐步提高, 大规模投入商业运行, 带来了显著的经济效益。
风力发电受所在环境下风力大小、风向等方面显著影响, 有很大的随机性和间歇性, 发电机运行过程中需从电网吸收大量无功, 会造成电网电压不稳定, 有可能造成电网崩溃, 且会出现风力机组频繁地从电网解列, 影响当地电网的平稳运行。中国每年夏季是用电高峰, 电网负荷大, 而此时风电场出力却最小, 这也是风电与负荷需求之间的矛盾。
2 太阳能发电
太阳能发电主要分为光伏发电和光热发电, 是中国最早开发、增长最快的新能源之一。中国太阳能资源非常丰富, 全年照射到中国国土面积的太阳能相当于煤、天然气、石油等传统能源的2 000多倍, 总体来讲太阳能资源在中国分布呈现北高南低、西高东低的趋势, 青藏高原西部、东南部的太阳能资源尤为丰富。太阳能发电有非常明显的优势。太阳能资源用之不竭, 无地域限制, 可直接进行开发利用, 不需运输和开采。太阳能发电的处理特性与用户负荷特性基本吻合, 1 d之中, 光照最强的中午电站出力最大, 此时也是用户用电高峰, 有力缓解了电气系统供电压力, 实现了很高的调峰效果。近年来, 国家宏观政策积极提倡的分布式光伏发电也有很好的发展前景。在一些边远地区, 地广人稀, 运输条件有限, 但却有极其丰富的太阳能资源, 电力输送到这些地方, 投资大、维护困难, 这些地方推广分布式光伏发电, 解决弃光现象, 装机容量较小, 初始投资和后期维护成本低, 建设周期短, 对远距离供电形成了有效互补, 实现能源合理利用和效益最大化。
光伏发电的原理为太阳能电池在太阳光的照射下, 通过光电转换装置, 直接将光能转化成电能。光热发电的原理为利用化学系统聚集自然光, 产生的大量热能推动汽轮发电机发电, 将太阳能转化为电能。与风电接入电网类似, 随着太阳能产业的不断发展, 装机容量不断扩大, 其输出电能的波动性、随机性、间歇性就更加凸显, 有功无功的功率时刻冲击电网, 给电网稳定性带来挑战, 影响电网的安全稳定运行。其次, 太阳能电池材料成本较高, 且光电转化率及太阳能镜场对日跟踪技术还有待提高, 实现太阳能最大功率利用。
3 生物质能发电
世界上生物质能总量仅次于煤、石油和天然气而居于第四位。目前, 中国可开发的生物质能资源总量约相当于5×108t标准煤, 储量十分丰富。生物质资源包括农林业生产物废弃物、城市垃圾等。其中固体生物质资源, 如城市垃圾合理的燃烧发电, 利用的废弃资源又解决了垃圾填满占用大量土地的问题;中国是农业大国, 每到农作物收获的季节, 社会各方“禁烧秸秆”的呼声不断, 秸秆在燃烧过程中产生了大量含碳颗粒物, 大量颗粒物悬浮在空中, 易形成烟尘雾霾天气, 影响出行, 对人体健康也有不利影响, 生物质发电技术奖秸秆变废为宝, 不仅增加了农民收入, 而且保护环境, 为农村可持续能源发展提供了有力保障;生物质能燃烧过程中主要产生的废气为CO2, CO2可通过植物光合作用再次进入大自然循环, 而实现零排放;生物质能是可再生能源中唯一可储藏和运输的能源, 且容易燃烧, 转化为燃料较其它能源更易于实现。
生物质能发电在中国新能源发电技术虽起步较早, 但目前总的新能源布局中所占比例较小, 存在下以下问题:
a) 核心技术及设备不成熟。目前, 中国生物质发电的主要设备生物质锅炉还主要靠进口, 国内锅炉在原料燃烧过程中易出现结焦现象, 造成锅炉负荷增加, 降低锅炉热效率, 从而引起安全事故的发生;
b) 生物质能C含量低, 而H、O含量高, 易燃烧, 大量生物质燃料的打碎、运输成本及燃料需防雨防潮产生的储存成本较高;
c) 相关产业链、相关行业的人才, 相关设备机械制造行业还未形成规模, 国家尚未出台生物质能发电行业的相关标准及规范。
4 多能源发电系统
多能源互补发电系统是指将不同种类的能源形式结合, 各能源系统之间优势互补整合为新的发电系统。如太阳能分别与化石能源、风能、生物质能组成的发电系统, 以下进行详述。
4.1 化石能源-太阳能互补发电系统
太阳能或化石燃料单一发电系统, 在能源利用过程中都存在弊端。而两者的互补发电系统是解决化石能源能耗高、污染严重、成本高, 太阳辐射不稳定、功热转换效率低等难题的最佳途径之一。大部分两者结合的电厂, 是以化石能源为辅, 太阳能为主, 化石能源主要解决无光期电力的正常供应, 维持汽轮机最低负荷, 化石燃料辅助的目的是增强太阳能热发电系统工作的稳定性和连续性, 同时提高输出功和总热功效率[1]。以太阳能-燃煤互补发电系统为例:太阳能-燃煤互补发电系统包括的设备有燃气轮发电机、压缩机及燃烧室;过热器、蒸汽发生器、余热锅炉、给水系统、凝汽器及太阳能集热器和加热器[1]。在该系统中, 收集太阳能热量后用于燃煤机组做功工质的部分吸热, 与余热锅炉内的主循环水系统混合, 在无光期该系统可独立完成电力有效输出。
由于燃煤发电系统替代了太阳能发电系统的储能部分, 减少了设备投资;燃煤电站所使用的汽轮机有很高的内效率, 采用太阳能与燃煤互补式发电系统, 不仅提高了太阳能系统单独发电的效率, 同时也减小了太阳能热电站负荷不断变化造成的损失。
4.2 风能-太阳能互补发电系统
由于风能显著的间歇性缺陷, 利用太阳能发电实现风能-太阳能互补发电, 是目前新能源利用的一个主流方向。在中国季风气候区, 冬季太阳辐射强度小, 风大;夏季太阳辐射强度大, 风小, 在自然资源配置上可相互整合;风机架设高度高、分布相对分散, 而太阳能主要利用低处空间, 且布置相对集中, 两者的结合可充分利用空间, 实现高低空的最有效利用;两种发电形式的结合, 优化人员配置、降低运维成本、提高工作效率;共用一套送出线路, 降低工程成本。
风光互补发电系统配置灵活, 可根据当地风力和太阳能光照情况, 采取以下三种运行模式:光伏系统或风力发电系统单独供电, 两者互补供电。风光互补发电系统主要构成包括风力发电机组、太阳能光伏组件、蓄电池、控制器、逆变器、交流直流负载等部分组成[2]。太阳能光伏方阵、风力发电机利用不同原理分别将光能和风能转化为电能, 接着对蓄电池充电, 再通过逆变器将储存在蓄电池组中的直流转交流, 最终送到负荷终端。控制部分可根据辐照、风力及负载的变化, 将电能直接送往终端负载;另一方面当用户端发电量需求量大时可将存储在蓄电池组内的冗余电能释放送往用户, 以保证系统工作的连续性和稳定性, 很少或不用启动备用电源, 如柴油发电机等, 可获得很好的经济效益。
4.3 生物质能-太阳能互补发电系统
尽管太阳能资源绿色环保、可再生, 如前面章节所述, 在实际应用过程中仍存在一定局限性, 在一定程度上制约了太阳能发电技术的发展, 因此急需弥补太阳能发电间歇性的有效措施。生物质能发电系统汽轮机、发电机、化学、环保设备等均与常规火电相同, 只是锅炉设备及燃料类型存在差异, 因而生物质能与太阳能光热发电可合理配置形成互补的发电系统。
生物质能-太阳能互补发电系统主要包括汽轮发电机组、热力系统、聚光集热系统、生物质能锅炉和秸秆燃料系统。太阳能系统与生物质能锅炉互为备用, 向热力系统提供热源。当太阳能充足时, 聚光集热系统投入运行, 锅炉转为备用;当太阳能不足时, 启动生物质锅炉, 保证热力系统和汽轮发电机组连续稳定运行[3]。
生物质能与太阳能光热相结合的互补发电形式, 在一定程度上提高发电设备的安全可靠性和有效利用率、减轻太阳能发电机组频繁启停对热力设备寿命的影响, 也有利于电网的调度管理。但对于生物质能源、太阳能资源分布情况数据收集与整理耗时长、生物质的存储输送等问题还有待进一步解决。
5 结语
国家能源局发布的《太阳能发电发展“十二五”规划》中已经明确提出大力发展太阳能发电技术。在这一背景下, 概述了太阳能发电技术与常规能源及新能源发电技术构成的多能源发电系统, 主要包括太阳能分别于化石能源、风能、生物质能相结合的发电系统。对每一种形式的多能源发电系统进行了举例分析, 列举了各系统的优势与不足, 并初步探讨了未来的发展趋势, 为中国进一步发展多能源发电技术提供了重要指导。
参考文献
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多能源互补 篇2
能源是人类生存的基本条件和发展的原动力。随着人类社会经济的发展和文明的进步,人类对资源和能源的需求不断增长,供需之间的矛盾日益突出;同时人类对资源和能源利用得不合理,也造成资源的浪费和环境的污染。因此,提倡节能和科学用能的新一代能源利用系统的研究与开发势在必行。当前研究的新一代能源系统具有六个方面的主要特征:一是燃料多元化;二是设备的小型、微型化;三是冷热电联产化;四是网络化;五是智能化控制和信息化管理;六是高标准的环保水平[1]。其中,可再生能源的开发利用、多学科领域交叉渗透、多能源与多输出一体化的多功能总能系统则代表着能源技术与能源动力系统发展的几个重要方向。
我国西部地区太阳能、风能、生物质能等可再生能源丰富,而充分利用清洁能源、辅助使用化石能源的多能源互补利用的分布式能源系统方案不仅能方便安全地向偏僻、缺能地区供能,而且极具环保性与经济性,将是满足西部地区经济社会发展、环境保护需求的首选。
2 分布式能源系统的核心及其特点
分布式能源系统相对于能源集中生产而言,它是在冷热电联产技术的基础上,以小规模、小容量(几千瓦到50兆瓦之间)、模块化、分散式的方式布置在工业园区、社区、学校和医院等终端用户附近,向终端用户同时提供电能、热能和冷能等的能源服务系统。它以资源、环境效益最大化的目标确定方式和容量;即根据终端能源利用效率最优化确定规模,将用户多种能源需求,以及资源配置状况进行系统整合优化,采用需求应对式设计和模块化配置的新型能源系统。
分布式能源系统的核心是科学用能,根据吴仲华院士提出的“分配得当、各得所需、温度对口、梯级利用”的原则对能源资源进行优化配置。根据此原则,我们在设计一个能源系统方案时,必须将各种能源设备按温度对口的原则进行配置,由高温到低温,使每一种能源都得到高效利用、每一台设备都实现高效运行,并将所有可用能源最大限度地转化成所需要的能源形式。
分布式能源系统有以下几个方面的特点:
2.1 节省能源输送投资
分布式能源系统直接安置于用户近旁,能源输送距离短,无需建设配电站,可有效降低输配电成本。
2.2 弥补大电网在安全稳定性方面的不足、提高供电的可靠性
分布式能源系统相互独立,用户可自行控制,与大电网配合,可有效降低电力负荷波动对大电网的影响,减少发生严重事故的可能;电网一旦发生故障,分布式能源系统可以保证用户的电力供应不受影响,避免一些灾难性后果的发生。
2.3 满足特殊场合的需求
对不适宜大规模铺设电、管网的西部等边远地区或散布的用户,对供电安全稳定性要求较高的医院、银行等特殊用户,能源需求较为多样化的用户,这种能源系统的优点是输送损失显著减少,运行安全可靠,并可按需要灵活方便地利用排气热量实现热电联产或热、电、冷三联产,提高能源利用率。
2.4 具有良好的环保性能
分布式能源系统一般采用清洁燃料作能源,减少了SOx、NOx、COx、粉尘、废水、废渣等的排放。此外,分布式供能系统由于缩短了输送距离、减少了设备,电磁污染和噪声污染降低,因而具有良好的环保性能。
2.5 为可再生能源的利用开辟了新的方向和途径
相对于化石能源而言,可再生能源能流密度较低、分散性强,而且相对于能源集中生产而言,目前的可再生能源利用系统规模小、能源利用率较低,作为集中供能手段是不现实的。而分布式能源系统可以实现分散式供能,为可再生能源利用的发展创造了条件。
3 国内外分布式能源系统研究的热点及特点
分布式能源系统按原动机的不同,可分为太阳能、风能、燃气轮机、内燃机、燃料电池等多种形式;从系统功能划分,主要分为纯产功的、热工领域的多联产、多领域的多功能,以及无公害能源系统四种基本形式。此外,由于用户能量需求的特性是各种各样的,所以分布式能源系统的形式也是多种多样的。
目前分布式能源系统研究的热点及其主要形式是以燃气轮机为原动机,天然气为燃料的分布式能源系统(DES/CCHP,Distributed Energy Supply System with CCHP,缩写为DES/CCHP)[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18],这是由以下两个原因决定的:
3.1 燃气轮机的固有特性
(1)它是高温加热、并伴随着高温排热的热机。虽然工质在简单循环时效率比较低,但组成总能系统时能很好实现物理能梯级利用,既能充分发挥燃气轮机高温加热优势,又避免了较高温排热的缺陷,显示出很好的总体性能;
(2)它是高速旋转的动力机械,且气体工质朝着一个方向连续流动,既易于单机的大型化,又可以做到微型化;
(3)其热力循环的四个热力过程分别在各自单独的部件或子系统中完成,这便于按不同需要和能的综合梯级原理进行系统集成;
(4)其热力性能与热力参数密切相关,特别是随着透平初温提高而大大改善,它比大多数热机都有更大的提高性能(含环保)的空间。
3.2 天然气作为燃料的优势
(1)我国2000年天然气产量为2.72×108 m3,预计到2010年,我国本土的生产能力加上从国外进口的管道和液化天然气可达到1 000×108 m3,加之我国西气东输工程的投入运行,使天然气在我国较大范围的利用成为可能。
(2)实践证明,天然气是燃气轮机的最合适的燃料,燃用天然气的燃气轮机联合循环优势明显,运行可靠性高、维修费用低、污染物排放量(含温室气体CO2等)少,目前只有它能同时做到:供电效率大于55%,运行可用性大于90%,排放量小于10 ppm[19]。
图1是以燃气轮机为原动机,天然气为燃料的分布式能源系统流程示例图。该系统向某地区提供建筑用冷、热负荷以及电力,是一个用于楼宇的典型分布式能源系统[20]。该系统采用多台燃气轮机作为原动机完成高温区段的发电功能,中等温度的燃气排放到其后配置的一台单压补燃的余热锅炉,余热锅炉产生的中压过热蒸汽驱动一台抽汽式汽轮机膨胀做功。从抽汽式汽轮机中抽取的蒸汽,夏季用于驱动吸收式双效溴化锂蒸汽型机组,对外提供6℃的冷水;冬季通过换热器提供65℃的热水;这样,实现了冷、热负荷随季节、时间与需求不断变化。为了使系统在大部分运行时间可以高效地运行,当冷需求超过吸收式制冷系统所能提供的制冷量时,不足部分可通过电压缩式制冷来补足。
世界上很多国家都非常重视分布式能源系统的发展,并制定了相关的鼓励政策。美国从1978年开始提倡分布式能源系统,目前美国的CCHP系统已逾6000座。除了继续推广分布式CHP(Compound Heat and Power,也有叫Cogenerated Heat and Power)系统外,对CCHP系统也制定了市场推广计划。1998年,其燃气CHP的发电量为195 TW·h,占热电联产总发电量的64%。2001年,分布式能源装机容量占总装机容量的6%。美国计划到2010年,20%的新建商用、写字楼类建筑采用CCHP系统,5%的现在商用、写字楼建筑采用CCHP系统。2015年,50%的新建上述类型建筑采用CCHP 系统, 15%的现用上述类型建筑采用CCHP系统。英国目前的分布式能源站也超过1000座。除此之外,日本、丹麦、芬兰、荷兰等国家的分布式能源系统的应用也相当普遍。
我国截至2005年底,CHP每年的供热量为1 657.36 PJ/a,6 MW及以上供热机组2302台,总容量48.13 GW。根据国家发改委《2010年热电联产发展规划及2020年远景发展目标》,至2020年,全国热电联产总装机容量将达200 GW,热电联产占发电总装机容量的22%。在我国,由于地理条件的限制,许多农村和偏远地区通电、通自来水还没有解决,与发达国家相比,我国的CHP发展远远落后,分布式能源系统的发展也还未成规模。但近年来,北京、上海、广州等城市相继实施了一些大型的CCHP项目,CCHP系统的应用越来越受到关注和重视。除此之外,分布式能源系统还可以解决我国不发达农村、边疆地区的电力短缺问题。在偏远地区布置长输电网,不仅造价巨大,而且沿途电能损失也大。天然气的输送不仅能量消耗损失小而且便捷。分布式能源系统直接布置在用户处,对这些地区来说不失为一种更加可靠、可行的供应方式。
目前,国内外在分布式能源系统的研究方面有以下几方面的特点:
(1)大都是在系统固定负荷下进行理论分析,对变负荷下系统能效特性的研究还处于空白;
(2)对于系统的研究,大多数旨在分析其热效率,而对于经济性、环保性的研究少之又少;
(3)可再生能源与化石能源组合的多能源互补利用的分布式能源系统是未来研究的一个重要课题。
4 西部多能源互补利用的分布式能源系统
基于以上分析,文章提出了一种新颖的可用于西部的可再生能源与化石能源组合的多能源互补利用的分布式能源系统方案。该系统以“温度对口,梯级利用”为设计原则,既保留了目前以燃气轮机为原动机,天然气为燃料的分布式能源系统的优点,又充分考虑了可再生能源与化石能源的互补利用,采用太阳能光热及光电技术、沼气技术、天然气水合物技术,在提供用户电、热、气需求的同时,达到热利用效率高、经济、环保的要求。图2为该系统流程示意图。
该系统主要由电力输出系统、沼气产生与储存系统、供热子系统组成。在电力输出系统中,太阳能光电设备产生的直流电和燃气轮机产生的交流电分别通过对应的电力交换设备送至用户。在供热子系统中,燃气轮机产生的废气通过以下流程实现热量输出:燃气轮机→回热装置→余热制冷装置→沼气发生装置→换热器。燃气则经过如下装置完成循环:压缩机→回热器→太阳能光热设备→燃气器→涡轮机。在沼气产生和存贮系统中,有一定压力和温度(由余热制冷装置提供的冷量来提供)的水合物储气装置中的水和沼气生成固态气体水合物,调整水合物装置中的温度和压力就能实现向用户供气。
该系统具有以下几个特点:
(1)生物质分散,无法大规模应用,与同样无法大规模应用的太阳能组合在一起,突出了分布式的特点;
(2)针对我国西部冬季寒冷的气候沼气产生装置将不能产气的特殊性,二次系统采用烟气加热的方式,这样既可以充分利用废热,又可以实现常年产气;
(3)利用了气体水合物的特性,存贮及使用方便灵活,并且系统可以产生冷能,从能量利用理论上来讲,效率是提高的。
5 结论与展望
中国西部地区地广人稀、工业不发达,电力需求小;自然条件恶劣,生态环境脆弱,环境保护要求高;西部除拥有丰富的煤炭、石油、天然气等化石能源外,还拥有丰富的太阳能、风能、生物质能等清洁能源,因而充分利用清洁能源,辅助使用化石能源将是满足经济社会需求、环境保护的首选。西部人民除生活用电外,全年对冷量需求很小,对热量需求很大,生活所需热量主要通过燃烧薪柴的方式获得。因而采用生物质资源制气、太阳能供热方式尽力满足人民生活需要不但能充分利用清洁能源,而且还可以减轻环境压力。西部夏季炎热干燥,生物质资源、太阳能资源丰富;冬季寒冷干燥,生物质资源量相对贫乏,而且生物质制气受温度影响明显。因而夏季利用太阳能和生物质资源多产沼气,采用气体水合物等技术储备气体供冬季使用具有实用意义。显然,根据西部能源、资源现状,充分利用清洁能源,辅助使用化石能源,建立适合西部的集传统能源利用、太阳能光热及光电技术、沼气技术、天然气水合物技术于一体的分布式电、热、气联供系统,解决当地劳动人民用电、取暖、生活用气问题,不仅能显著提高西部人民的生活质量,而且可以改善当地生态环境,从很大程度上缓解资源与环境对西部地区经济社会发展的制约,也符合我国目前构建资源节约型、环境友好型的社会主义和谐社会的战略要求,这即是文章的意义所在。
多能源互补 篇3
随着环境的恶化,环保压力的增大,我国提出要在2020年将单位GDP的二氧化碳排放量降低40%~45%。电力工业作为最大的一次能源消费行业,是支撑众多其他行业发展的基础产业,其节能减排进展对我国未来减排目标的实现具有重要影响[1]。
分布式能源系统作为一种高效、环保、经济、可靠性高的能源系统,在世界范围内得到广泛青睐。分布式能源系统的能源利用效率一般在60%~80%,最高的接近90%,而且多采用天然气等清洁能源,与燃煤火电机组相比,其SO2和固体废弃物排放几乎为0,CO2排放量减少50%以上。另外,分布式能源系统作为集中供能的一种有益补充,可有效避免电网停电带来的巨大经济损失[2,3,4]。
1 分布式能源站简介
国家能源分布式能源技术研发(实验)中心在国内外节能环保形势日益严峻的大环境下顺势而为,在杭州西湖科技园建设,由中国华电集团公司总体协调,中国华电工程(集团)有限公司牵头、中国科学院工程热物理研究所参加建设。目前,该实验中心已经建成了1套基于微网多能源互补的分布式能源站,系统图如图1所示。
基于微网多能源互补分布式能源站主要构成包括:
1)动力设备。1台65k W微型燃气轮机、2台315k W燃气内燃机,120k W光伏。
2)余热利用设备。1台烟气热水型溴化锂制冷机、1台蒸汽型溴化锂制冷剂、1套小型余热锅炉装置。
3)蓄能设备。电池储能装备、冰蓄冷中央空调、电锅炉储热系统。
文中介绍的基于微网多能源互补的分布式能源站为华电电力科学研究院科研园区提供电力、供冷供热并提供生活热水,按照电力自发自用、多余上网、余缺网补、冷热联供的运营模式进行运营。整个科研园区总建筑面积约2.15万m2,具体情况如表1所示。
2 节能率计算方案
天然气分布式能源,具有综合能效高、清洁环保、安全灵活等优势,受到了愈来愈多的关注。不过,其节能分析计算暂无规范可循,即便是同一个方案,采用不同的计算方法,结果也不尽相同[5,6]。文中的节能率计算方案如下。
m2
2.1 分布式能源系统的能源综合利用率
分布式能源发电的一次能源利用效率ηfe为:
式中:Qfe—分布式能源发电量,GJ/a;
Qfo—分布式能源燃料总耗量,GJ/a。
分布式能源供热的一次能源利用效率ηfh为:
式中:Qfh—分布式能源供热量,GJ/a。
分布式能源提供生活热水的一次能源利用效率ηfw为:
式中:Qfw—分布式能源生活热水热量,GJ/a。
分布式能源供冷的一次能源利用效率ηfc为:
式中:Qfc—分布式能源供冷量,GJ/a。
分布式能源系统的一次能源综合利用效率ηf为:
2.2 常规能源系统的能源综合利用率
常规供电的一次能源利用效率ηce为:
式中:ηgd—常规火力发电厂发电效率,取ηgd=38%;
ηnd—电网输、变、配电综合效率,取ηnd=90%。
常规燃煤锅炉供热的一次能源利用效率ηch为:
式中:ηgl—常规燃煤锅炉效率,取ηgl=90%;
ηrw—热网效率,取ηrw=99%。
常规电热水器提供生活热水的一次能源利用效率ηcw为:
式中:ηdgl—常规电热水器效率,取ηdgl=98%。
常规电压缩供冷的一次能源利用效率ηcc为:
式中:COP—压缩式制冷机组的能效比,一般取COP=4。
常规能源系统与分布式能源系统提供同样的电力、冷(热)量,其所需的燃料消耗量Qco为:
常规能源系统的一次能源综合利用效率ηc为:
2.3 节能率
在相同的用电量、供热量、供冷量以及相同的生活热水用量的条件,分布式能源系统与常规能源系统的所耗用燃料总量之差占常规能源系统所耗燃料总量的比例即为分布式能源系统的节能率,有:
式(12)可通过演变,建立起节能率与一次能源综合利用效率之间的直接关系,即:
式中:Q—供能系统提供的所有能量之和,Q=Qfe+Qfh+Qfw+Qfc,GJ/a。
3 节能分析
通过上述方案计算,分布式能源系统与常规能源系统,在用户侧供应相同的电能、热量和冷量的情况下,哪个节能、节能程度如何即可用节能率,或系统的一次能源综合利用效率提高率来表征。
基于微网多能源互补分布式能源站日常运行可选择多种运行工况,如微型燃机+烟气溴化锂机组+烟气热水换热器工况等,文中选择2种经典工况,即:内燃机+烟气溴化锂机组+烟气热水换热器工况、内燃机+余热锅炉+蒸汽溴化锂机组+烟气热水换热器工况进行节能经济性分析,并与常规能源系统进行比较。
3.1 设备概况
文中基于微网多能源互补分布式能源站内燃机采用日本三菱GS6R2-PTK,额定功率为315k W×2;烟气溴化锂机组采用日本荏原RGD015YG,供冷量528k W,供热量465k W;蒸汽溴化锂机组采用日本荏原RHP039MT,供冷量340k W,供热量392k W。
3.2 一次能源综合利用率
根据上述一次能源综合利用率计算方法,以年为单位,从华电电力科学研究院科研园区内的实际情况出发,供冷期为4个月,供热期为3个月,仅在工作日供能,常年提供生活热水,经计算,2种经典工况下分布式能源系统与常规能源系统的节能分析如表2、表3所示。
由表2、表3可以看出,在内燃机+余热锅炉+蒸汽溴化锂机组+烟气热水换热器工况下,分布式能源系统一次能源综合利用效率为55.46%,常规能源系统的一次能源综合利用效率为38.89%,节能率为29.89%;内燃机+烟气溴化锂机组+烟气热水换热器工况下,分布式能源系统一次能源综合利用效率为61.34%,常规能源系统的一次能源综合利用效率为39.13%,节能率为36.21%;同时,比较供冷(热)需求量,可以推断随着余热利用的深入,或者随着提供系统的年供热量与年供冷量增多,一次能源综合利用效率随之提高,节能率也随之提升。
4 结语
针对国家能源分布式能源技术研发(实验)中心内的1套基于微网多能源互补分布式能源站两种典型工况进行了节能经济性分析,分析结果表明,作为1套为小型科研园区的分布式能源站,系统一次能源综合利用效率平均为58.40%,而科研院区原有的常规能源系统一次能源综合利用效率平均为39.01%,一次能源综合利用效率提高了19.39%,平均节能率为33.05%,且随着科研园区内供冷(热)量需求增大,一次能源综合利用效率将随之提升,节能效益更加明显。
参考文献
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[5]钟史明.发展天然气分布式能源冷热电三联供CCHP的节能计算的商榷[J].热电技术,2014,121(1):1-5.
多元互补推动传统能源转型(四) 篇4
现阶段, 由单一清洁能源对传统能源的替代已经不能完全满足实际需求, 而应由太阳能光热、光伏、水、地源热泵、空气源热泵、燃气锅炉、生物质、风电等多种低碳能源, 以多能互补的理念进行系统集成, 通过智慧能源控制平台进行统一的管理, 因地制宜地选择最适合项目的解决方案, 与常规的集中式能源供应模式形成有效互补。这种“多能互补推动传统能源转型, 智慧解决方案让能源更清洁”的理念, 将是今后一个时期内降低我国的能源消耗与碳排放、解决新型城镇化发展中能源需求问题最有效的方式之一。
相关解决方案包括:适合低碳社区解决方案、适合农村的新能源示范县解决方案、适合绿色低碳城镇的解决方案、适合综合园区的解决方案、适合绿色生态城市的解决方案等, 并随着国家政策导向, 不断开发相应的满足用户需求的多种解决方案。智慧能源控制平台采用了“互联网+”的理念, 通过将多种能源的数据进行采集并统一接入到能源监控云平台。
多能源互补 篇5
随着全球经济的不断发展, 人类对能源的需求量在急剧地增加。与此同时, 全球范围内常规能源供应持续紧张, 环境污染问题日益突出, 这些因素促使世界各国大力发展新能源。在众多新能源中, 风电脱颖而出, 发展迅猛。截止2012年底, 风电全球累计装机容量达到282.5 GW, 增长幅度为20%, 在新能源发电中位居第一[1]。
风力发电发展迅速、前景乐观, 但是风力发电受到风力大小和方向的影响, 表现出很大的随机性和间歇性, 电网内必须配备更多的旋转备用容量, 相应经济上会有所损失。为了能够消除由于大规模开发风电所带来的对电网稳定性不良的影响, 国内外提出了多种能源互补系统, 如风电-太阳能发电互补系统[2,3], 风电-水电互补系统[4,5], 风电-燃气轮机发电互补系统[6,7]等。风电与其他能源形成各种发电系统可广泛应用于生产生活中, 实现低碳、节能的理念。
世界各国和地区因其风能资源状况、政府政策的不同, 以及风电技术发展程度的差异, 使得风电与其它能源互补系统呈现多元化发展趋势。本文主要针对新疆、内蒙古、美国和欧洲的风能与其他能源互补发电系统的工程案例进行总结, 为解决风能互补发电系统的工程问题提供参考和借鉴。
2 国内风能与其他能源互补发电系统案例
我国在风能发展方面起步较晚, 但近年来受国家政策支持, 发展迅速。目前我国风能与其他能源互补发电系统主要以离网型用户和示范工程为主。下面以新疆和内蒙古两地风能互补发电系统工程为例介绍我国在风电互补领域取得的成绩。
2.1 新疆风能与其他能源互补发电系统
新疆的风能资源非常丰富, 在全疆范围内有9大风区, 风能蕴藏量达9 100亿k W·h/年, 具备大规模开发的资源条件[7]。但目前新疆风能的发展遭遇到了风电场出力波动瓶颈, 亟待风能互补系统的支撑和保障。
2.1.1 风能-太阳能互补发电系统
根据国家气象局的分类, 新疆地处太阳能资源丰富的二类地区。全年日照时数为3 000~3 200h。在每平方米面积上一年内接受的太阳能辐射总量为5 852~6680 MJ, 相当于200~225 kg标准煤燃烧后发出的热量[8]。考虑到太阳能和风能在时间上有着很好的互补性, 将风力发电装置和光伏发电装置组合成风光复合发电系统, 为路灯等用电装置提供能源。实践证明风能-太阳能互补发电系统在资源配置、技术方案和性能价格等方面都是较为合理的电源系统[9]。
目前, 风能-太阳能互补发电系统主要应用于小型发电设备。2011年, 新疆农垦科学院机械装备研究生引进上海法诺格风能科技有限公司一套1k W小型风光互补发电系统和一套300W风光互补路灯系统, 进行试验示范。1k W风光互补发电系统安装在新疆农垦科学院办公室, 给LED显示屏和控制电脑供电;300W风光互补路灯系统安装在兵团六师共青团农场, 用于泵站照明。该系统的发电机采用了“超越离合器叶轮风力机技术”, 能够在1.8 m/s的2级轻风下启动, 并可在3~5m/s的3级微风下实现持续发电。经试验验证, 引进1k W和300 W微风发电机组工作可靠、性能稳定, 能够实现“轻风启动, 微风发电”, 风能利用率较高[10]。此外, 风能-太阳能互补发电系统对于地处边远无法进行市电供电的通信和采油基地站点来说无疑是一个可行而较为可靠的供电方案[11,12]。
由于风光互补发电系统的相关产品效率相对较低, 缺乏足够的市场竞争力, 仍作为补充能源应用于偏远地区[13]。但风光互补系统优越性明显[14], 到21世纪中叶, 该系统发电形式将在能源的消费结构中占有相当大的份额, 具有十分广阔的发展前景。
2.1.2 风能-水能互补发电系统
阿勒泰地区是新疆水利资源丰富地区之一。全地区6条大河水能理论蕴藏量为452万k W, 近期可开发103万k W, 目前已建成大小电站十余座, 总装机5.29万k W, 占近期开发容量的5.1%。受气候条件影响, 水利资源的季节性十分明显, 冬夏季流量相差较大。同时, 该区西部额尔齐斯河谷是新疆九大风区之一, 风能理论蕴藏量为780亿k W时/年, 估算可装风机750万k W, 年发电量210亿k W时, 约相当目前全地区总发电量的100倍。该区风资源具有冬春季大, 夏秋季小的明显季节变化特点。每年10月到来年4月的枯水期, 风能可提供可观的能源供给。这表明在该地区只要以适当比例的水能和风能组合成互补系统, 并由足够水库容量为储能水段, 就可以实现稳定、可靠的电力供应。
于午铭[15]等人通过分析在布尔津县记录的风电机组并联运行的有关数据及曲线, 发现即使风电容量超过电网容量50%的情况下, 对小电网而言, 风能-水能互补系统仍具有静态及动态稳定性。计算表明:当该地区风电装机达到2万k W, 并且实现水能-风能统一调度时, 整个冬季的保证稳定出力可达3.4万k W (未计入火电, 下同) ;如果风电装机达到5万k W, 则冬春季保证出力可达5.8万k W;夏秋季仅靠水电可满足系统用电需要。由此可见, 在阿勒泰地区构建风能-水能互补系统, 技术上可靠合理。此外, 晁勤[4]等人还应用高级计算机语言编制的程序对布尔津县风电水电联网系统进行了潮流计算, 进一步确认了方案的正确性及可行性。
2.1.3 风能-燃气轮机互补发电系统
达坂城作为新疆九大风区之一, 在现代风力发电机最常用的48~78 m高程处, 年平均风速可以达到7.8m/s和8.4 m/s, 有效风功率密度大于800 W/m2, 年可利用小时数7 600 h[16]。
包能胜等人对达坂城风能-燃气轮机互补发电系统做了较为完整的分析评估, 包括系统发电特性分析[6]、发电成本分析[17]和系统结构与容量配比分析[18]。包能胜等人详细分析了采用大型风电场与燃气轮机组成的互补发电系统的总电力输出特性, 并基于互补发电系统的基本原理, 推导了互补系统发电特性参数的计算公式。此外, 基于当前的技术条件和价格, 包能胜等人还计算了风电场子系统和燃气轮机电站子系统各自的折旧成本、燃料成本和运行维护成本, 得到了整个发电系统发电成本的计算方法, 为在新疆地区实现这种互补发电系统提供了经济基础。最后, 为了使得整个互补系统输出一个稳定的处理, 彻底解决由于来流风速的随机性和波动性, 包能胜等人建议总装机容量为120MW的风电场配置2台40 MW的燃气轮机来补偿风电场负荷的波动是比较合适的方案。
丰富的天然气资源、丰富的风能资源、本地企业良好的风电国产化机组使得风电和燃气轮机组合成的互补发电系统在当前新疆大规模开发风能中是一种比较好的选择方案。
2.2 内蒙古风能与其他能源互补发电系统
内蒙古自治区地域辽阔, 风能资源丰富。全区风能总储量1.052TW, 技术可开发量约300GW, 约占全国风能资源储量的40%, 居全国首位。全区年平均风速3.2m/s, 年平均风能功率密度100~200 W/m2, 年平均可利用小时数约4 000~7 800h, 年最长连续无有效风速小时数小于100 h。内蒙古自治区可开发的大型风电场主要集中在风能资源丰富区和较丰富区, 主要分布在阿拉善盟、巴彦淖尔市、包头市、乌兰察布市、锡林郭勒盟以及赤峰市北部等地区, 平均风速5.0~6.5 m/s, 开发总面积约500 900 km2, 风能资源总储量700 GW, 适合开发建设百万k W风电基地[19]。
2.2.1 风能-太阳能互补发电系统
内蒙古不仅有储量巨大的风力资源, 太阳能资源也很丰富。内蒙古海拔较高, 日照充足, 干旱少云, 光辐射强, 日照时数也较多。辐射量为每平方米4 800~6 400MJ, 年日照时数为2 600~3 200小时, 是全国的高值地区之一。全区年总辐射量在每平方米5 500 MJ以上的太阳能丰富地区和年总辐射量在每平方米5 000~5500 MJ之间的太阳能较丰富地区所占面积为72万km2, 约占全区总面积的61%。丰富的太阳能资源造就了内蒙古风能-太阳能互补发电系统的迅猛发展。
佟小林[20]等人选择全区1991~2006年辐射资料和1977~2006年风资料进行分析, 将风能资源分为春夏强冬秋弱型、春季强夏秋冬弱型、春季强夏季弱型、春季强冬季弱型和冬季强夏季弱型。从互补性强弱来看, 冬强夏弱型为互补性最强;春强夏弱型较强;春季强夏秋冬弱型互补性一般;春季强夏季弱型较差;春强冬弱型无互补性。与新疆相似, 目前内蒙古风光互补发电系统主要应用于小型发电装置, 苏尼特右旗安装的一套离网型户用风光互补系统匹配性能良好, 设计合理[21,22,23];鄂尔多斯新能源产业示范区和发电产业区建立了风电、光伏发电容量配置比例为5∶1的并网型风光互补系统[24];锡林郭勒盟在农牧区推广移动式风光互补系统, 发电效率高、结构简单、携带方便, 是较为理想的小功率发电设备[25,26];包头市垃圾填埋场将风光互补发电系统运用用户照明用电上, 节能环保[27];阿拉善盟利用了风光互补发电系统为通信基站供电, 建设过程中结合了太阳能、风能设计、施工和使用过程的经验, 快捷便利[28,29]。除了上述的小型风光互补系统外, 二连浩特计划完成一项城市供电示范项目, 赵毅峰[30]等人对该项目工程建设条件、工程建设方案、环境影响及保护、财务和社会效益等方面进行分析, 为公司的投资提供建议。
风光互补发电系统的很重要的一点就是要保证用户的用电稳定性, 同时又不能使发电成本过高。白学敏[31]等人针对白云鄂博地区的资源状态和当地典型牧户的用电需求进行了用电负荷计算, 并进行了风能和太阳能发电量以及蓄电池容量的匹配计算, 为合理优化清洁能源发电提供参考依据。李文慧[32]等人也提出了用户的用电负荷情况需和资源条件进行系统容量配置的观点, 并归纳了收集数据、调查负荷状况的特征、确定供电份额、计算蓄电池容量、确定系统结构和编制投资预算及发电成本等风光互补发电系统优化设计步骤。
风光互补发电系统的应用前景广阔, 经过世界各国多年的实践经验证明风光互补的应用方向, 不应以联网发电为主, 而是以民用为主, 比如照明、家庭、工厂、大厦的独立电影, 其中照明将是风光互补发电系统在未来城市、乡村道路照明系统应用的发展方向。
2.2.2 风能-抽水蓄能互补发电系统
新疆巴彦淖尔地区水资源丰富。地表水来源于内陆河水系和过境水系。内陆河水系分布在阴山以北地区, 多属季节性河流, 流域面积3.1万km2, 多年平均径流量1.1亿m3。过境水系主要是黄河水, 年均过境流量316亿m3[19]。
抽水蓄能电站就是为了解决电网负荷高峰和低谷时的供需矛盾而产生的一种储能方法, 其效益包括静态经济效益和动态经济效益。风能-抽水储能互补发电系统可以平滑风电场输出的有功功率, 有利于整个电网系统安全稳定运行。在国外已有较为成熟的风电-抽水蓄能电站联合运行经验, 抽水蓄能电站长期被认为是风电联合配套运行的理想装置。
3 国外风能与其他能源互补发电系统案例
目前国内除了风光互补系统的应用相对成熟外, 其余的系统仍处于研发阶段, 而一些发达国家在理论研究和工程实践上都取得了阶段性成果, 例如2013年日本将在日本海海岸建成第一座风能-潮流能互补发电系统[33], 美国学者设计出了一款名为HYPORA的软件用于计算互补系统的能源配置、发电成本等[34]。下面以美国和欧洲两地风能互补发电系统工程为例介绍国外在风电互补领域取得的进展。
3.1 美国风能与其他能源互补发电系统
美国中部地区, 地处广袤的北美大草原, 地势平坦开阔, 其年平均风速均在7 m/s以上, 风资源蕴藏量巨大, 开发价值很大。美国十分重视风能的开发利用, 每个州均有一个运行的风能发电项目或者与风能相关的制造工厂[35]。目前美国已经完成了约900个风电项目, 装机容量达到60 000 MW, 能够满足1 000万户家庭的生活用电需求[36]。
3.1.1 风能-太阳能互补发电系统
2012年, 美国德克萨斯州的风能已经占到了其发电总量的7.4%, 不可避免的出现了电网负荷调节困难的问题。潘汉德尔作为该州风电比重最大的地区, 尤其需要考虑通过多种能源的互补来实现风电的平稳出力。由于该地区太阳能资源也较为丰富, 所以风能-太阳能互补发电系统成为了首选方案。
针对潘汉德尔现有的风电厂运行状况, Brian[37]等人通过经济性分析发现67 MW风电场配置33 MW光伏电场是最优的实施方案, 但实际上该系统1 MWh的发电成本为108~129美元 (不考虑补贴) , 远高于只配置风电场时的64美元。该系统在2004年运行期间, 借助于光伏电场6h的热能储存很好的保证了电网负荷的稳定, 在一定程度上弥补了两种发电方式的差价。由于Brian等人在计算生产成本时并未考虑政府补贴, 所以实际所需的发电成本更低, 这也是风能-太阳能互补系统能够大力推广的必要条件之一。此外, Reichling[38]等人通过对一座位于明尼苏达地区的风光互补发电厂的运行状况进行建模, 发现目前风光互补发电系统相对于单纯的风电厂并没有价格优势, 但随着两种发电技术的不断耦合和完善, 不久后风光互补发电系统的发电成本有可能低于风电厂。
3.1.2 风能-柴油机互补发电系统
2008年, 阿拉斯加州议会通过了一项在偏远地区大力发展风能-柴油机互补发电系统的议案, 至2013年12月, 超过34亿美元的资金将用于该州30个乡镇风能互补发电系统的建设。为了保证建设方案的正常执行, Ginny[39]等人分析了技术、社会、资金等因素对该议案实施的影响效果, 最终发现技术是决定该议案能否达到预期目标的最主要因素。
3.1.3 风能-潮汐能互补发电系统
美国加利福尼亚州北部具有丰富的潮汐能[40], 潮汐发电作为该地的特色发电项目已形成一定规模。Eric[41]等人以国家浮标数据中心提供的风力和潮汐测量数据为基础建立了风能-潮汐能互补发电系统运行模型。通过分析模型, Eric等人发现两种能源均具有可观的利用价值, 其中风力发电能够为电网提供30%~50%的电量, 而潮汐发电量也占到了22%~29%。如果将风能与潮汐能互补, 则该系统全年仅有100 h无电输出, 远低于单独采用风力发电的1 000h和单独采用潮汐发电的200 h, 可见两种能源具有很好的互补性。
3.2 欧洲风能与其他能源互补发电系统
欧洲是世界风能利用最发达的地区, 其风资源非常丰富。欧洲沿海地区风资源最为丰富, 主要包括英国和冰岛沿海、西班牙、法国、德国和挪威的大西洋沿海, 以及波罗的海沿海地区, 其年平均风速可达9 m/s以上。整个欧洲大陆, 除了伊比利亚半岛中部、意大利北部、罗马尼亚和保加利亚等部分东南欧地区以及土耳其地区以外 (该区域风速较小, 在4~6 m/s以下) , 其他大部分地区的风速都较大, 基本在6~7 m/s以上[42]。
3.2.1 风能-太阳能互补发电系统
Corsica是法国最大岛屿, 据统计, 该岛太阳日均辐射能为4.5 k W·h/m2, 平均风速为3 m/s以上。Diaf[43]等人对该岛5个地区的多种风光互补系统的建设方案进行对比分析, 发现项目所需经费很大程度上取决于当地的能源品质, 而装机容量比例需重点考虑有效风能总量。Diaf等人还发现如果增加系统中互补能源的种类, 例如添加传统的发电机都能有效的减少能源超负荷的现象。
西班牙Extremadura大学的工业工程学院外装有由一台Rutland-913风力发电机和两块Helio H-45太阳能板组成的风光互补发电系统。Calderón[44]等人测量了该互补系统在运行过程中的太阳辐射和风速大小, 并进行了能量守恒分析, 发现该系统风能转换为电能的效率为9.71%, 而太阳能的转换率仅为2.24%, 所以通常情况下风光互补发电系统中风能的容量比例大些。
3.2.2 风能-燃气轮机互补发电系统
风电场在欧洲国家的兴起使得采用燃气轮机作为大型风电场的互补成为现实。据报道, 2004年6月, E-clipse Energy宣布将在英国英格兰郡Cumbria距离Walney岛以西10 km的海上风气互补项目 (Wind and Gas To Wire) -Ormonde项目。项目已经开始工程设计和建设阶段。项目已经开始工程设计和建设阶段。项目总装机容量210 MW, 其中风力发电装机108 MW, 由30台3.6 MW风力机组成。燃气轮机93 MW, 由3台31 MW的燃气轮机组成, 总投资估计1.6亿英镑。从国外的项目上看, 风力发电的容量与燃气轮机的容量比例大约是3∶2, 也就是风力发电占59%的容量, 燃气轮机占41%的容量, 并且项目中的燃气轮机都由功率为40 MW左右的小型燃气轮机组成, 这样的容量比例方法肯定是开发商依据当地的风能资源分布优化的结果[45]。
3.2.3 风能-氢能互补发电系统
2008年, 西班牙风能发电量超过水能, 达到27 000GW·h, 已经能够满足全国10%以上的电力需求, 但风能利用的不可调性表现得更为明显, 严重影响了电网的稳定运行。Martín[46]等人研究了一个装机容量为48.8MW的风电场, 其多余的18.4%电量被用于电解槽产氢, 每年约产生13 GW·h的氢能。通过技术性和经济性分析, Martín等人发现虽然现有的互补系统能够带来一定的经济效益, 但系统的进一步推广仍需依赖于氢气生产技术的不断进步和完善。此外, Tao Zhou[47]等人对氢气产生过程进行模拟时通过引入流量、压力等控制器解决了电解槽运行参数控制问题, 保证了风能与氢能互补发电系统高效产氢, 为该系统的工程应用提供了可能。
3.2.4 风能-生物能互补发电系统
Navarro[48]等人通过对工程测量数据进行模拟尝试为40 MW的风电场配置生物气化电厂来稳定出力, 结果表明风能与生物能互补发电系统是可行的, 但为了提高系统的经济效益, 生物气化电厂的原料需种植在风电场附近甚至风电场内。
4 结语
多能源互补 篇6
目前, 大规模使用化石燃料带来许多负面影响:
1、化石能源资源的枯竭, 影响人类社会的平稳发展。
2、生态环境的恶化, 影响人类社会的可持续发展。
此外, 在远离电网的地区, 独立供电系统就成为人们最需要的电源。部队的边防哨所、邮电通讯的中继站、公路和铁路的信号站、地质勘探和野外考察的工作站、偏远的农牧民都需要低成本、高可靠性的独立电源系统。于是, “基于抽水蓄能的新能源多能互补发电体系”应运而生。
一、基于抽水蓄能的新能源多能互补发电体系
运作原理:
该系统将风能、太阳能、潮汐能等清洁能源转化的不稳定的电能供给水泵, 带动水泵抽水到蓄水池, 将清洁能源作为水的重力势能储存起来 (代替蓄电池储能, 简单又环保) , 然后在特定时期拉开闸门, 使水流下带动发电机发电。
系统将风能、太阳能、潮汐能分别通过风力发电机、太阳能电池板和磁流体发电机首先转化为不稳定的电能;该电能推动水泵转子的转动, 转化为其机械能;水泵抽水到高处的蓄水池, 将能量转化为水的重力势能;水从高处流下, 推动发电机转子转动, 发电机发电, 重力势能转化为稳定的电能;与此同时, 经发电机后剩余的水的重力势能转化为水的动能流经磁流体发电机, 再次供给水泵抽水;稳定的电能通过变压器并入电网成为工频50Hz的电能。
二、关于本系统作为独立供电电源应用于偏地区的评价
1、资源评价
大多数无电地区人烟稀少, 环境较为恶劣, 与此同时, 其太阳能、风能等能源丰富。海岛供电一般需要海底电缆, 但海底电缆的铺设需要大量的成本。因此, 利用其太阳能、风能、潮汐能等可再生能源进行独立供电成为最佳选择。
2、技术评价
光电系统系统供电可靠性高, 运行维护成本低。风电系统发电量较高, 系统造价较低, 运行维护成本低。潮汐发电相对稳定, 很少受气候、水文等自然因素的影响, 全年总发电量稳定, 不存在丰、枯水年和丰、枯水期影响。
风电、光电和潮汐发电系统都存在一个共同的缺陷, 就是资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡, 而本系统解决了这一问题:利用抽水蓄能的理念, 将不稳定的电能共给水泵抽水, 转化为水的重力势能储存起来。多能互补发电系统可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置, 即可保证系统供电的可靠性, 又可降低发电系统的造价。
三、多能互补发电系统的合理配置
多能互补发电系统由太阳能光电板、风力发电机组、磁流体发电机、水泵和蓄水池等几部分组成, 要保证发电系统的可靠性, 需要合理配置发电系统各部分容量。我们从以下几方面因素进行分析:一方面, 满足用户用电负荷的特征。最大用电负荷和平均日用电量是需要注意的两个参量。另一方面, 太阳能、风能和潮汐能等可再生能源的当地状况。在合理分析当地用电需求的前提下, 需要根据当地的资源状况来确定光电板、风机和磁流体发电机的容量系数, 目的是确定光电板、风机和磁流体发电机的容量。
四、小结
多能互补发电系统是将多种可再生能源相结合的一种新兴发电系统, 具有高可靠性。它在一定程度上解决了日益严重的化石能源危机。多能互补发电系统将作为最合理的独立电源系统, 在更多领域得到广泛应用, 有着光明的发展前景。
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[4]朱俊生:《中国新能源和可再生能源发展状况》, 《可再生能源》, 2003年。
风光互补自行车多用途发电机 篇7
关键词：风光互补发电,自行车车载,方便灵活
0前言
目前风能、太阳能作为可再生的情节能源越来越受到人们的重视, 如果能充分的利用这些课再生能源, 不仅可以减少煤、石油等非常规能源的使用, 也有可以大量的减少有害物质的排放所带来的环境问题。
光伏发电与风能发电与风能发电的应用领域不止在电网的建设中, 在小型电路中使用的技术也日益成熟, 随着人们生活水平的提高, 手机平板等数码产品与人们的生产生活越来越密切, 对于自行车骑行爱好者来说, 数码产品的充电问题一直是旅途中的一大问题, 设计一个多用途的风光互补发电机可以在很多方面解决这些问题。
1 风能、太阳能的特点
太阳能与风能之所以能在现有的几种可再生能源中受到如此重视, 有着其自身的优点。
首先风能与太阳能是取之不尽, 用之不竭的, 太阳的主要构成物质中, 氢核还可以稳定的裂变60亿年, 也就是说太阳能还可以在今后的60亿年中被无限度的利用, 而风能是太阳能在地球表面的另一种表现形式, 是由于地球表面的物质对太阳光的吸热系数不同, 形成温差, 在地表对流形成了风。
其次, 这两种能源就地可取, 风能与太阳能不像其他矿物能源或地热能等有着地理分布不均匀的弊端, 虽然风能与太阳能在分布上有局限性, 可相对与其他能源可以视为分布较为广泛的能源, 各个地区都可加以利用。
再次, 风能和太阳能作为21世纪最清洁的能源, 在使用过程中不会像矿物能源那要释放有害物质, 即使水电、核能、地热能在开发的过程中也会产生着一些不容忽视的环境问题。而这些问题在风能与太阳能的使用中是不会出现的, 这有助于维护人类的生态环境。
虽然风能与太阳能有着如此得天独厚的有点, 可是也存在着弊端, 能量密度低使得在能量的利用上需要配备足够的接受面积和技术规范, 这在推广风能与太阳能的过程中带来了一定的困难。风能与太阳能的稳定性也都随着天气预气候的变化而变化, 虽然地区的太阳辐射与风力风向在一较长的时间段内是有统计规律可以查阅的, 但是日照强度和风力是在随时变化的, 且在很短时时间内是毫无规律可循的。
所以, 单独利用其中的一种能源转变为可靠的电能的过程中存在着许多技术问题, 最近几年来, 将风能与太阳能综合利用, 充分体现它们多方面的互补性, 各扬其长, 互补其短相互配合利用, 才能发挥最大的作用。
2 风光互补发电系统
风光互补发电系统的主要组成部分由:风力发电机、太阳能电池板、升压稳压电路、自动充电模块和蓄电池。系统组成系统框图如下图所示。
2.1 小型垂直轴发电机
当然风能的利用离不开风力发电机, 风力发电机的品质和价格成为了人们关注的焦点。
当前风力发电机有两种形式:1水平轴风力发电机;2垂直轴风力发电机。
水平轴发电机技术发展比较快, 目前世界各地的大型发电机组都采用水平轴的大型发电机, 应用技术也相对成熟。垂直轴风力发电机技术发展的较慢一些, 因为垂直轴风力发电机对研发生产的技术要求比较高, 尤其是对叶片和发电机的要求。近几年垂直轴风力发电机的技术发展也取得了相当可观的研究成果, 在小型电机的运用上已较为普遍。
小型的垂直轴风力发电机的额定转速一般在60-200r/min, 转速低, 产生的噪音很小 (可以忽略不计) , 启动风速一般在1.6-4m/s。
由于转速的降低, 大大提高了风机的稳定性, 没有噪音, 启动风速低等优点, 使其更适合在对电力要求不高的场合使用。
本发电系统采用H型垂直轴发电机, 与阻力型风力机相比, 升力型风机的风能利用系数较高, 应用较为广泛。
叶片的形状采用MACA0018型, 安装角度为5度, 转轮半径为80mm, 弦长18mm, 叶片高度为200mm。
2.2 升压稳压电路
升压稳压电路对于小功率的设备来说, 如何减小功耗是系统设计最困难的问题。输出电路如图3所示。
本系统使用的DC/DC变换器是L6920, 该产品广泛用于电池的充电电路, PDA和手持式仪器, 数码相机, 移动电话, GPS以及分布式电源。L6920D是一个高效率, 单片升压开关转换IC转为电池供电的应用。
同时, LD6920仅需三个就可以实现从电池电压转换到选定的输入电压, 大大节省了时间与空间, 简化了电路的设计过程, 灵活的控制电压的输出。下图是升压稳压电路。
2.3 充电管理电路
CN3065是可以对电池进行恒流/压充电的充电芯片, 对单节锂离子或者锂聚合物电池进行充电的充电芯片。只需要少数的外部元器就符合USB总线技术的规范, 适用于小巧式移动设备应用的领域。功率晶体管位于器件内部, 实际运用是可以不用其他的电流电阻检测与二极管阻流。可以在器件的功耗比较大或者环境温度比较高的时候将芯片温度控制在安全范围内的热调制电路。调制输出电压为4.2V, 误差达1%。可以通过一个外部电阻调整充电电流的大小。当输入失电时, 进入睡眠的低功耗模式, 此时消耗不大于3微安电池的电流。其它功能还包括输入电源电压过低检测, 电池自动再充电的功能。
3 整体测试与数据统计
经过不断的设计修改与电路调试, 终于完成实验实物的制作, 在实际使用中的结果是检验本次设计是否成功的主要标准。测试数据见表1。
通过对实测数据进行分析可知道本次实物设计基本达到了预期的效果, 但是也存在不足的地方, 在测试中自行车运行不可能是始终保持不变的, 所以采用平均速度在进行数据分析, 这样就对数据分析产生了一些影响, 外界环境中的风速对本次实验也有较强的影响, 在对本设计进行测试的时候忽略了外部风速, 风向的影响, 这也将影响数据精度。
4 结束语
经过本次对风光互补的研究, 切实的发现了本系统中在将来实用的价值, 本系统还有很多值得完善的地方, 在今后的实验中必能得到改进, 新一代的多功能风光互补系统必将发挥其应有的价值。
参考文献
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