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风光农一体发电系统研究初探


风光农一体发电系统研究初探
祝铭宏 ,孙周 ,杨富程 , 摘要:本文通过阐述国内外能源背景,结合国内现目前风光一体发电实例分析,对风光 互补发电进行了综合分析。 关键词:新能源,风光互补,并网,微网,独立系统 1.1 概述 世界能源需求的不断攀升和自然资源 的日益枯竭, 对人类的生存和发展提出了新 的挑战, 尽可能以高效和可持续的方式使用 清洁能源成为了当务之急。 我国具有丰富的 太阳能、 风能资源, 并已经应用于许多领域。 但不可回避,不管是太阳能还是风能,其能 量密度都非常低, 仅靠独立的太阳能和风能 供电系统经常会难以保证系统电能供应的 连续性和稳定性, 且需要配备相当大的储能 设备。 而风能和太阳能具有非常好的互补性 能,白天日照强度高风小,晚上风大,夏季 日照辐射强风小,冬春季日照辐射弱风大。 因此,采用风光互补发电的方式,可以弥补 风能、太阳能间歇性的缺陷,为我国开发出 一种新的性能优越的绿色能源方式。 这一特 性可以使独立的太阳能和风能结合起来组 成风光互补混合供电系统, 提高供电系统可 靠性,达到连续、稳定供电的目的 1.2 能源背景 1.2.1 国外可再生能源发展背景 2010 年, 欧盟一次能源来源构成情况是: 石油 41%,天然气 22%,核能 15%,固体燃 料 6%。 其中可再生能源的内部构成情况是: 生物质和废弃物发电 63.6%, 风能 1.4%,地 热能 3.6%,水力发电 31%太阳能 0.4%。可 再生能源最重要的应用是在发电领域。 1.2.2 国内可再生能源发展背景 我国有丰富的可再生能源资料: 水能可 开发资源为 3.78 亿千瓦,目前已开发利用 11%;生物质能资源包括农作物秸秆、薪柴 和各种有机废物,利用量约为 2.6 亿吨标准 煤,占农村生活能源消耗的 70%,整个用能 的 50%;我国的太阳能年总辐射量超过,开 发利用前景广阔; 风能资源总量达几十亿千 瓦。 1.2.3 我国风、光能源背景 我国幅员辽阔, 有着十分丰富的太阳能 资源,据估算,我国太阳年辐射总量达 35~37KJ/(cm2?年) ,中值为 36KJ/(cm2? 年) 。年日照小时数在 2200h 以上的地区约 占国土面积的 2/3 以上。据气象局推算,按 离地 10m 高度估算全国陆地风能资源总量 约 2.26 亿千瓦, 海上风能储量约 7.5 亿千瓦。 1.3 风电、光电问题 1.3.1 风光波动大,利用率低 风力资源具有明显的波动性和周期性, 风机的满功率输出率仅 20%~30%。如果电 网按照风场满功率发电要求进行装机, 则电 网的年平均负荷也仅为 20%~30%,极大地 浪费了公共网络资源。 如下图是典型时段的 电力输出曲线。
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图 1 典型时段的电力输出曲线

图 2 典型的光伏发电功率曲线与电负荷曲线

与风电相似, 受时间段和气象条件的限 制,光电具有明显的时间性,输出功率与太 阳高度和天气状况存在明显的关联关系, 光

电也是一种间断的不稳定能源。 光电的年发 电平均小时数一般在 2300h(年辐射量小于 2320kW 平均小(年?㎡)以下,输变配电设 施的利用率仅为 20%左右。 如果输变配电系 统按照光伏电站的装机容量来配置, 其系统 利用率也仅 20%左右。 1.3.2 电网效率低 对于如今大规模的风电场和光伏电站 生产的低质量的电能, 电网需要其他形式的 能源来加以“平衡” 。 1.3.3 可靠性差 1.3.4 稳定性差 并网型风力发电和光伏发电对电网稳 定性的一个主要威胁是风速的波动性和随 机性引起风力发电场处理变化过频, 以及光 照强度随日照、天气、季节、温度等自然因 素变化引起的光伏发电输出功率不稳定。 2.1 国外风光互补系统介绍 由于新能源发电具有间歇性的特点, 大 面积并网时期功率的波动会对电网造成很 大影响。 针对现有大电网存在的输电成本高 和新能源接入难等问题, 微电网成为一种分 布式能源并网的有效解决方案。 目前国外对微电网的烟机主要集中在 孤岛运行、系统保护、能量管理、储能控制 及示范平台的建设上。 美国威斯康星大学麦 迪逊分校微电网于 2001 年建立,目前的系 统容量为 200kW,电压等级为 280V/480V。 日本微电网示范工程的建设方面处于世界 领先地位。 爱知微电网是日本建立的第一个 微电网示范工程, 2005 年日本爱知世博会投 入使用。 2006 年该系统迁到名古屋附近的中 部机场,并于 2007 年开始运行。 2.2 国内风光互补实例 目前我国自主设计、 建造的风光储输示 范工程基地位于河北省张北坝上。 该工程集 风电、光伏发电、储能及智能调度输电于一 体,是新能源友好并网综合示范项目。 。二 期规划建设风电 40 万千瓦、 光伏 6 万千瓦、 储能 5 万千瓦,计划投资 62 亿元。 在我国,风光储发电场比较少,主要集 中在青藏高原、内蒙古等偏远地区,采用独 立式发电;1998 年和 2000 年,我国在长江 源自然保护站分别安装了 600W/400Wp 和

1000W/400Wp 的 2 套独立运行的风光补储 发 电 系 统 , 2004 年 12 月 , 华 能 南 澳 54MW/100kWp 风光补储发电场并入当地 10KV 电网。 由我公司设计宁夏意科盐池高沙窝设 施农业风光一体化工程, 根据发电机位的风 速资料, 本工程场区的风功率密度等级约为 1 级; 推算当地太阳总辐射为 1717kW· h/m2, 日照时数在 2900h 以上。总装机规模拟为 30MW,其中风电 20MW,光伏 10MW(置 于温室棚、羊圈上) 。

图 3 项目鸟瞰图 表 1 场区塔“区塔“图棚、羊不同高度威布尔曲线 拟合计算 高度 年平均 风速 年平均风 功率密度 A (m) 10 30 50 70 80 (m/s) 3.3 4.2 4.6 5.1 5.3 (W/m ) 48 88 112 152 168 3.7 4.7 5.2 5.7 6 1.81 1.91 2.09 2.03 2.04
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风速测 量值与 K weibull 拟合值 偏差值 0.02 0.03 0 0.02 0.01

风能资源综合评述 宁夏意科盐池高沙窝设施农业风光一 体化工程风机轮毂高度拟选为 69m、80m, 69m 直接采用 70m 高度结果。根据距场区 东南方向约 20km 的参考塔“00583”。2006 年全年资料及场区塔“全年资料及场区在 2011.12.15~2012.5.28 时段实测分析得出主 要风能成果如下: (1)根据参考塔“00583”测风期实测 平均气温和平均气压计算其空气密度为

1.042kg/m3。 (2)风切变指数 参考塔 “00583”采用 50~70m 高度风切 变指数为 0.017,由此推算轮毂高度风速和 风功率,大风期间 10~70m 高度风切变指 数为 0.1458。 场区塔 “区塔 458 数为采用 50~70m 高 度风切变指数为 0.269,由此推算轮毂高度 风速和风功率,大风期间 10~70m 高度风 切变指数为 0.161。 (3)风速与风功率密度 参考塔 “00583”全风速段 50m 年平均风 速 6.4m/s, 年平均风功率为 260.3W/m2; 70m 年 平 均 风 速 为 6.6m/s , 年 平 均 风 功 率 为 292.9W/m2;80m 年平均风速 6.6m/s,年平 均风功率密度 294.9W/m2。 场区塔“区塔.9W/m 全风速段 50m 年 平均风速 4.6m/s, 年平均风功率为 97.8W/m2; 70m 年平均风速为 5.1m/s, 年平均风功率为 2 132.8W/m 。 (4)参考塔“参考塔 8W/晚上 19 时~ 翌日凌晨 03 时风速相对较大,白天风速相 对较小;冬春风速相对较大,夏秋风速相对 较小。场区塔“风 13001”晚上 20~翌日凌 晨 02 点风速相对较大, 白天风速相对较小。 (5)参考塔“00583”的 70m 高风速主 要集中在 2.5 ~ 8.4m/s ,风能主要集中在 7.5~13.4m/s。场区塔“场区塔 m/s 在 70m 高风速主要集中在 2.5~6.4m/s, 风能主要集 中在 5.5~10.4m/s。 (6)参考塔“00583”以 NW 的风向频 率和风能密度频率最高,NNW 次高。场区 塔 “高。 场区塔风能以 SSE 的风向频率和风 能密度频率最高。 (7)场区 70m、80m 高度 50 年一遇最 大风速分别为 35.0m/s、35.7m/s。 (8)参考塔“00583”在 70m、50m 高 度 15m/s 风速段湍流强度分别为 0.0645、 0.0794,场区塔“场区塔 94 度分 70m、50m 高度 15m/s 风速段湍流强度分别为 0.11、 0.12, 根据国际电工协会 IEC61400-1 (2005) 标准,判断场区为 C 类湍流强度。 (9)根据参考塔“根据参考塔场和场 区塔“场区塔考塔场区实测、参考风速及风

功率密度,发电机位的风速成果,综合初步 判断本工程场区的风功率密度等级约为 1 级。

图 4 国内经验公式推算高沙窝地区太阳总辐射

图 5 盐池县 1971~2000 年多年逐月日照时数和日 照百分率

根据对盐池县的已有测风测光平台的 数据分析,该项目区域,风资源、太阳能资 源丰富,较适宜并网发电,且考虑风光结合 更为合理

图 6 项目风机机位布置图

图 7 温室大棚 30kW 光伏组件布置平面图

图 8 温室大棚 30kW 光伏组件布置剖面图
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图 9 羊圈布置平面示意图

图 10 羊圈 30kW 光伏组件布置剖面图 项目预估风电上网发电量为 2252.2 万 kW· h, 年等效满负荷小时数为 1126.1h。光伏发电系统前 20 年,其估算发电量结果为 13650MW· h/年。21~ 25 年发电量根据最初发电量的 80%计算,其结果 为 12134MW· h/年。总投资 60806.05 万元。 2.3 风光互补发电系统研究方法

(1)通过资源数据与组件价格分析系统经 济性 根据已建成的风、 光观测平台获得风光 数据,结合风、光模型研究风机和光伏系统 输出特性,利用数理统计方法分析,选择合 适的风、光、储配比算法;分析多能互补功 率平滑特性, 以及不同时间分辨率的资源数 据和功率数据对系统的影响, 为系统稳定性 研究提供实验数据支持; 分析微网系统中不 同间歇性能源渗透率下系统的电能质量、 经 济性等情况, 为配比研究提供实验数据支持; (2)建立微网系统仿真平台 根据理论分析和实测数据, 简历各分布 式新能源发电和储能装置数学模型, 简历包 含电力电子变换器的微网系统仿真平台, 难 呢过狗对微网的不同工况运行及故障状态 进行模拟, 在仿真凭条上对微网的稳定控制 方法、能量管理策略、故障检测和故障运行

等进行仿真研究。 (3)建立小型多能互补实验平台,完成小 型样机实验和基本微网实验 (4)建立多功能互补微网系统 在高海拔地区或偏远海岛上建立兆瓦级的 微网示范系统, 设立多个分光互补发电单元, 就地微网消化。 4.结论 (1)风光互补符合可再生能源发展规 划和能源产业发展方向。 我国是世界上最大的煤炭生产国和消 费国之一, 也是少数几个以煤炭为主要能源 的国家之一,在能源生产和消费中,煤炭约 占商品能源消费构成的 75%, 已成为我国大 气污染的主要来源。因此,大力开发风能、 太阳能、生物质能、地热能和海洋能等新能 源和可再生能源利用技术将成为减少环境 污染的重要措施之一。根据《中国应对气候 变化国家方案》和《可再生能源中长期发展 规划》 ,我国将通过大力发展可再生能源, 优化能源消费结构,到 2020 年,力争使可 再生能源开发利用总量在一次能源供应结 构中的比重提高到 15%。 (2)风光互补是地区国民经济可持续发展 的需要。 太阳能、风能是清洁能源,响应了当地 可持续发展的战略, 成为建设绿色盐池的重 要举措,应该充分利用该地区的风能、太阳 能资源,带动地区清洁能源的发展,促进人 民群众物质文化生活水平的提高, 推动城镇 和农村经济以及各项事业的发展。 (3) 改善能源结构、 改善生态环境的需要。 (4)可再生能源综合利用,优势互补的需 要。 (5)配套温室棚区建设,促进绿色经济一 体化发展。 本工程是集风电、 光伏加温室棚的示范 工程,配套建设生态农业温室棚,由可再生 能源可为温室棚就近提供清洁能源, 可实现 可再生能源-生态农业的绿色经济一体化 发展, 对于地区经济可持续发展起到积极作 用,示范效应巨大。 (6)配合微网建设,为偏远地区,配送电 源,优化电网配置。

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参考文献
[1] 《风光互补与储能系统》 , 化学工业出版 社,2012.3


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