山区河流水上设施新能源复合供电应用

齐俊麟，潘 诚，袁成清，江 蓓，张 杰，梁 锴

(1.长江三峡通航管理局，湖北宜昌443000;2.武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉430063)

山区河流水上设施新能源复合供电应用

齐俊麟1，潘 诚1，袁成清2，江 蓓1，张 杰1，梁 锴1

(1.长江三峡通航管理局，湖北宜昌443000;2.武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉430063)

以三峡河段的趸船和航标船为研究对象,在原有船载发电装置基础上,提出建立风、光、水流新能源复合供电系统的总体方案,并成功在三峡河段三峡锚趸403和庙咀航道航标船上开展实际应用。

风、光、水流能;复合供电系统

在山区河段,较多的水上设施目前所采用的是资源消耗较高环境污染隐患较大的能源,例如,柴油发电、铅酸蓄电池等,面对资源紧张和环境保护的压力,积极推进绿色能源在山区河流水上设施供电中的应用,有利于加快降低能源资源消耗,减少污染物排放;有利于发展低碳经济和建设资源节约型、环境友好型社会的总体要求。

1 新能源复合供电系统的总体方案

1.1 应用方式

山区河流趸船的日常生产、生活耗电量较大,同时对供电系统的峰值工作电流也有较高的要求。趸船具有较大的空余甲板,一般停泊在较空旷水流平缓的水面上,适宜光能和风能的利用,水流能可利用率较小［1］。因此,山区河流趸船以风、光复合能源系统为最适宜的应用模式。

山区河流航标标志船上一般采用LED航标灯,其日常工作耗电量很小,只需要配备少量的新能源发电装置即可满足要求,航标船整体结构尺寸较小,吃水较浅,甲板上存在空余面积,太阳能及水流能可较方便利用,风能在结构布置上不利于使用。因此,山区河流航标艇以光能、水流能发电为最适宜应用模式。

1.2 船载原有发电装置应用研究

部分山区河流水上设施,如趸船,配备有生产、生活柴油发电机。其中,生产柴油发电机功率较大,主要用于船载大功率用电设备供电,如锚机;生活柴油发电机功率较小,主要用于船载日常生活和小功率生产设备供电,如空调、厨房设备、甚高频通信等。生产柴油发电机通常年工作时间短,在考虑新能源复合供电系统应用时应保留单独工作;将生活柴油发电机纳入系统中作为急供电设备和资源条件不佳时为蓄电池组充电电源。

2 系统设计

选取三峡河段西陵峡峡谷航道中平善坝锚地,以三峡锚趸403趸船作为研究对象。403趸船上配备了值守人员必需的生产生活用电设备,包括甚高频、探照灯、电视、空调、厨房用具、热水器等。目前403趸船配备了两套柴油发电机组,分别为12 kW和40 kW。12 kW发电机为日常生活生产供电,40 kW柴油发电机主要用于在汛期前后对趸船锚链长度进行调整的电动绞盘供电。

根据船员记录的使用时间和单台设备统计数据,403趸船供电系统的供电需求:①温暖季节每日发电量不低于6 460W˙h,炎热季节不得低于22 460W˙h,寒冷季节不得低于30 460 W˙h;②最大工作电流出现在两台壁挂式空调同时开启时,为18 A(其他大功率用电设备通过管理措施错开使用),考虑一定余量,新能源复合供电系统峰值工作电流应不低于20 A［2］。

2.1 流新能源适用性分析

依据国家气象局关于宜昌地区年度光照辐射强度的统计数据,并结合平善坝锚地日照时间变化情况,按照光照辐射强度与日照时间成正比进行折算,平善坝锚地年度光照辐射强度见表1。

表1 平善坝锚地年度太阳辐射强度表

2011年7月22日～8月31日在403号趸船上观测风速,观测时间从每天08:00～22:00,每2 h观测一次,累计观测265点。风速大于3 m/s共计34点,占总数的12.8%;风速大于4 m/s共计11点,占总数的4.15%。所测风速过程线见图1。实测的最大风速8 m/s,最小风速0.1 m/s,平均风速1.39 m/s。可见,该地风能资源相对匮乏［3］。

2011年11月14日～11月22日实地观测平善坝403号趸船的水流条件。每天08:00、12:00及18:00,在403号趸船的船艏和船中岸舷侧各测量一次。最大流速0.44 m/s,最小0.15 m/s。除洪水期外,该锚地水流流速缓慢,流速基本在1 m/s以下。

图1 403号趸船时刻风速过程线

可见平善坝锚地太阳能资源相对丰富,每年3月～11月年日照辐射强度较大;平善坝地区风能可利用性低;根据平善坝锚地历史数据和实测数据,除洪水期外平善坝锚地水流流速较缓。因此,新能源示范系统以太阳能作为新能源复合供电系统的主要电能来源,风能水流能作为补充电能来源。

2.2 趸船新能源复合供电系统构建

由于采用太阳能作为新能源复合供电系统的主要发电能源,风能作为辅助发电能源的方案,则所需主要设备包括:太阳能光伏电池板、太阳能控制器、风力发电机、风能控制器、蓄电池及蓄电池组管理系统、逆变器等［4-5］,见图2。

图2 新能源复合供电系统架构

2013年5月,在403趸船上完成了布线、设备安装［6］、单机调试、供电系统联调等现场施工,初步搭建了“趸船新能源复合供电应用示范系统”。2013年7月正式开始试运行,系统运行状态良好,各模块工作正常,系统对外输出电压稳定,合计供电2 957.6 kW˙h。该系统在节能减排的同时,大大降低了趸船值守人员对柴油机的巡视、加油等日常工作的强度,同时由于新能源复合供电较之传统柴油机供电无噪声,改善了趸船值守人员的工作、休息环境。

3 三峡河段航标的系统设计及应用

经实地调研,选取三峡河段庙咀航道航标船作为示范系统应用对象。航标灯具为LED直流灯具(DC6 V,2 W),一般采用铅酸蓄电池组和太阳能光伏电池板构成的小型发电系统供电,其中铅酸蓄电池组由3块2 V 200 Ah电池串联组成,太阳能光伏电池板额定功率为48W。

庙咀航道区域的太阳能资源与平善坝相同,光照时间更长,光能资源丰富。庙咀航道位于葛洲坝坝下,根据海事历史记录数据,葛洲坝下河段水流流速与河段流量有关,水流流速一般范围为0.65～3.80 m/s,在非汛期时间段水流流速一般保持在0.65～1.20 m/s。

航标船新能源复合供电应用示范系统包含太阳能光伏电池板、磷酸铁锂蓄电池、低流速小型水流发电机［7］、风光互补控制器、直流电压转换模块、流速仪和系统监控单元等,总体架构见图3。

图3 航标船新能源复合供电系统总体架构

2014年3月底完成航标船新能源复合供电应用示范系统的设备安装和调试,见图4。

试运行时间段系统运行平稳、负载供电正常。低流速小型水流发电机和太阳能电池工作正常,系统的整体供电情况良好,满足设计要求。

本系统的应用提高了航标长时间工作的可靠和稳定性,并能直接减少铅酸蓄电池的使用数量,大量减少铅酸蓄电池更换的间接成本。

山区河流水上设施新能源复合供电系统的研究与应用可切实有效地保障航运,对降低环境污染和资源消耗具有十分重要的意义。

图4 航标船新能源复合供电示范系统应用现场

［1］吴新宪.太阳能和风能在船舶上的应用分析［D］.武汉:武汉理工大学,2010.

［2］何勇琪.光储联合发电系统容量配置优化研究［D］.北京:华北电力大学.2012.

［3］杨宏青,刘敏,冯光柳,等.湖北省风能资源评估［J］.华中农业大学学报,2006,25(6):683-686.

［4］林 杰,袁成清,孙玉伟,等.太阳能电池板在不同类型船舶上的布置优化［J］.船海工程,2010,39(6): 116-120.

［5］丛 晶,宋 坤,鲁海威,等.新能源电力系统中的储能技术研究综述［J］.电工电能新技术,2014,33(3): 53-59.

［6］魏 乔,孙玉伟,袁成清,等.大型远洋运输船舶太阳能光伏系统的构建［J］.船海工程,2010,39(6):138-140.

［7］朱占春,袁成清,孟维文,等.小型水流能发电装置设计与仿真［J］.船海工程,2014,43(6):93-97.

Research on the Application of New Energy Integrated Power System for the Mountain River Facilities

QI Jun-ling1,PAN Cheng1,YUAN Cheng-qing2,JIANG Bei1,ZHANG Jie1,LIANG Kai1
(1 Three Gorges Navigation Authority,Yichang Hubei443000,China; 2 School of Energy and Power Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China)

The pontoon and beacon vessel located at the navigable river of Three-Gorges reach are taken as the research object.Based on the applicationmodel of original generating device for the ship,the general schemes of integrated power system that synchronously utilizes thewind,photovoltaic and hydroelectric power generation system are respectively proposed on the platform of pontoon and beacon vessel.The general design schemes are applied in the Sanxia Maodun 403 and beacon vessel at the navigable river of Three-Gorges reach.

wind photovoltaic and hydroelectric power;integrated power system;demonstration system

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.029

U665.12

A

1671-7953(2015)03-0125-03

2015-02-10

修回日期:2015-03-25

交通运输建设科技项目(2011-328-201 -1430)

齐俊麟(1964-),男,硕士,教授级高工

研究方向:通航管理

E-mail:QJLin001@163.com