趸船风光互补供电系统的开发研究

(长江航道局,武汉 430010)

在趸船上使用风光互补发电系统，不仅可以减少市电敷设工程复杂的作业程序，并且也可减少变压器、配电柜、配电板等大量电气设备，大大节省人力财力。同时风光互补发电系统以自然中可再生的太阳能和风能为原料，不消耗矿石燃料，不存在空气污染，是一种新型环保的节能方式。

1 可行性分析

目前，我国的可再生能源产业已发展到相当规模，其中，太阳能已大规模产业化，并且与建筑物结合的新产品的推出更展示出这个行业的巨大发展前景[1]。太阳能光伏制造业在我国的长三角和珠三角地区迅速崛起，其产品大多出口到欧美等发达国家。目前我国的太阳能光伏制造业已跻身世界前列。

高品质、高可靠性的小型风力发电机产品在我国也已形成生产规模，产品批量出口日本、欧洲等发达国家，并且应用在风光互补路灯、别墅、游艇供电系统等项目上。在国内也已经广泛运用在市政照明、道路监控、森林防火、通讯基站、海岛供电等领域。

我国对太阳能、风能的利用日趋成熟，适用面也越来越广，在这种形势下考虑在趸船上应用可再生能源产品技术应该是可行的。

2 风光互补供电系统的原理

风光互补发电系统主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、智能控制器、蓄电池、直流负载等部分组成。该系统是集风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统，见图1。

图1 风光互补发电系统原理

风光互补发电系统利用太阳能电池方阵、风力发电机将发出的电能存储到蓄电池组中，当用户需要用电时，逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电，通过输电线路送到用户负载处。适当时还可接入市电对其进行补充。风光互补发电系统是利用风能和太阳能资源的互补性，具有较高性价比的一种新型能源发电系统[2]。

1)风力发电部分利用风力发电机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械能转换为电能，通过控制器对蓄电池充电，对负载供电[3]；

2)光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，对负载进行供电[4]；

3)控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节：一方面把调整后的电能直接送往直流负载。另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性；

4)蓄电池部分由多块蓄电池组成，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。

风光互补发电系统根据风力和太阳辐射变化情况，可以在3种模式下运行：风力发电机组单独向负载供电；光伏发电系统单独向负载供电；风力发电机组和光伏发电系统联合向负载供电。

风光互补发电比单独风力发电或光伏发电有以下优点：

①利用风能、太阳能的互补性，可以获得比较稳定的输出，系统有较高的稳定性和可靠性；

②在保证同样供电的情况下，可大大减少储能蓄电池的容量；

③通过合理地设计与匹配，由风光互补发电系统供电，可获得较好的社会效益和经济效益。

3 趸船用风光互补供电系统设计方案

3.1 设计思路

为了满足趸船上生产、生活用电需要，并且达到节约能源消耗，减少污染排放，节省建设和维护成本需求，初步设想利用风能、太阳能、水能自然资源联合互补发电。

1)风力条件。长江上游段、中游段、下游段年平均风速分别为1.4～1.9、1.7～2.8、2.8～3.0 m/s。以上风力条件都满足正常风力发电需求，见表1。

表1 长江平均风速月度表

2)太阳辐射。长江上、中、下游太阳年辐射总量平均为3 436～3 840、4 190～5 020、4 245～5 017 MJ/m2。以上太阳辐射量完全可以满足太阳能发电需求，见表2。

表2 长江平均太阳辐射月度表

3)水利条件。长江全长约6 300 km。流速：三峡大坝建成前为2.5～3.0 m/s；三峡大坝建成后不超过0.5 m/s。水轮发电机发电效率较低，在此流速下发电量较小，不能满足供电作业要求，不能使用。

以上数据表明，在长江沿线的趸船上安装风光互补供电系统，客观条件完全满足要求。

从长江沿线风力条件来看，在长江上游风力条件和太阳辐射相对比较差，在连续阴雨天时，发电系统不能完全满足满负荷供电，可以采用岸电或柴油机发电作为补充供电。

在长江中游风力条件和太阳辐射相对比较好，采用风光互补发电系统完全满足趸船负荷供电要求，因此采用风光互补供电系统情况较为理想。

在长江下游风力条件相对比较好，在满足趸船供电要求下，可根据当地实际情况在岸边或船上适当增加风机数量，从而减少太阳能板数量，提高资源利用率，降低建设成本。因此采用风光互补供电系统情况非常理想。

3.2 趸船日耗电量估算

趸船日耗电量估算见表3。

3.3 安装案例

3.3.1 太阳能板安装

太阳能板安装在趸船顶部，安装55块太阳能板。在两侧观景亭顶部分别安装5块和4块；中部会议室顶部安装18块；两侧走廊顶篷上方各安装14块。

表3 趸船日耗电量估算

3.3.2 风力发电机安装

风机安装在趸船两端首层甲板上，风机杆与船底钢结构进行连接，船底钢结构根据船舶设计公司计算，按要求进行了加固处理，中部与二、三层甲板结构相连。风机安装总高度为距一层甲板面15 m。

3.3.3 蓄电池安装

蓄电池平放在首层充电间内，靠窗一侧安放，约占该房间1/4面积。蓄电池用支架固定，分两层安装，底部进行加固处理，防止船舶停靠或大风浪对船体造成的撞击导致蓄电池摇晃坠落。安装后不影响充电间正常使用也不影响人员行走。

3.3.4 配电设备

配电设备包含1台离网型逆变器、1个交、直流总线配电箱。安装在趸船配电房内。不影响其它设备正常使用

1)系统性能参数。系统总装机容量为风力发电机：2 kW，2台;太阳能板：240 W，55块；110节500 AH蓄电池;蓄电池储能总量：120 kW·h；有效储能总量：80 kW·h；直流电压等级：220 V；输出额定容量：20 kVA；最大输出功率值:16 kW；寿命：20年以上；能源采集有效时间：27 740 h以上。

2)电力分配。根据发电系统配置条件，此套风光互补发电系统将主要供应生活用电7 kW，室外照明1.5 kW，主甲板照明2.5 kW，二层甲板照明1.5 kW，值班室配电间空调各2.5 kW，总计15 kW。

以上电力分配使用时应避免全负荷开启，感性电器(空调)开启应间隔20 s方可开启其它电器，电器控制部分加入针对空调的自动保护装置。

当风光互补供电及蓄电池电量不够时，系统可自动切换到岸电，用岸电为趸船供电；当风光互补供电回复，蓄电池电量达到一定水平，系统自动切换到风光互补供电。

3.4 节能、减排效益

趸船上安装风光互补离网发电系统后，每天平均发电80度，每年每艘船可节省电费2.4万元。10年运行可减排二氧化碳239 t、二氧化硫排放7.2 t、氮氧化物3.6 t、碳粉层65 t。10年节省用电24万度，节省用标准煤96 t,节省用纯净水960 t。

4 结论

1)风光互补供电系统是完全的绿色发电系统，完全采用可再生的自然能源，可以提高城市环境质量，减少大气污染，为子孙后代造福。是建设资源节约型和环境友好型社会的有力产品之一。

2)传统的风力发电和太阳能发电在资源利用上有其自身的缺陷，有些地区日照时间短或风力不足，单独使用风力发电或太阳能发电不能满足供电的需要。但风能和太阳能的互补性很强，无风时可能会有太阳，无太阳时可能会有风，白天日照充足时可能风小，夜晚没有日照时可能风大。风光互补供电系统正是利用这一原理强强联合，优势互补的。该系统弥补了风电和光电独立系统的缺陷，它是合理的独立电源系统，是新能源综合开发和利用的完美结合。

3)区域离网独立供电较并网发电而言投资小、见效快，占地面积小，从安装到投入使用的时间视其工程量，少则一天多则两个月，无需专人值守，易于管理。与传统供电相比，区域离网独立供电在远离电网、市电不能经济覆盖的地区，可节约投资30%以上，在电网覆盖地区，投资基本持平，维护费用基本等同，完全节省后期大量电费支出。

4)风光互补离网供电系统易于安装使用，且供电区域规模小、供电区域明确，便于维护。常规供电工程作业程序复杂，电缆沟开挖、铺设暗管、管内穿线、回填等基础工程，需要大量人工；同时，变压器、配电柜、配电板等大量电气设备，也需要耗费大量财力。风光互补离网供电则免除电缆铺线工程及管道施工，无需大量供电设施建设，大大节省人力财力。

5)风光互补离网供电系统独立供电，稳定性强。由于常规供电是电缆连接，很可能会因为个体的问题，而影响整个供电系统；风光互补离网供电由于是每套设备独立成系统，所以个别损坏不会影响其它系统设备的正常运行，即使遇到大面积停电，也不会影响正常供电，不可控损失大大降低。

6)可解决偏远地区无法供电的难题，解决传统供电线损大成本高的难题。风光互补离网供电系统，不但缓解了电力紧张局面，同时也可实现绿色能源、开发再生能源，促进循环经济的发展。

[1] 朱俊生.中国新能源和可再生能源发展状况[J].可再生能源，2003(2)：1-6.

[2] 夏 阳，王革华，赵 勇.中国风电并网若干问题的博弈研究[J].可再生能源，2005(1)：3-6.

[3] 程 明，张运乾，张建忠.风力发电机发展现状及研究进展[J].电力科学与技术学报，2009(03)：1-8.

[4] 韩 斐，潘天良.高效能光伏充电系统研究[J].机电工程，2009(12)：24-27.