新能源微电网在国家博物馆中的应用

乔 晓 娟



新能源微电网在国家博物馆中的应用

乔 晓 娟

乔晓娟(1984—),女,工程师,从事电气工程及其自动化方面的工作。

(中国国家博物馆, 北京100006)

摘要：简要介绍了新能源微电网较传统大电网的优点,对光伏、风力发电的成本与发电量进行计算分析。根据国家博物馆的地理特点,计算微电网的成本与效益,指出新能源微电网项目在国家博物馆实施是可行的。

关键词：新能源微电网; 国家博物馆; 成本分析; 效益

0引言

新能源微电网基于局部配电网建设,具备较高新能源电力接入比例,可通过能量存储和优化配置实现本地能源生产与用能负荷基本平衡,可根据需要与公共电网灵活互动。微电网能够将现代信息技术、新能源技术、分布式发电技术等技术集成于一体,解决了传统电网的分布式能源接入安全稳定问题、长距离输电的损耗和化石能源带来的环境问题,是智能电网的重要组成部分。

国家博物馆必须满足文物特定的温/湿度光照要求,虽然一直在贯彻国家节能减排的号召,采用在末端机组设备上加载变频器等方式来降低能耗,但节能效果有限。新能源微电网若能代替部分市电支撑大楼各项设备运转,必能最大程度地节能减排。

1新能源微电网应用的技术分析

新能源微电网是指通过大量的电力电子器件把各种分布式电源(主要是可再生能源),比如微型燃气轮机、柴油机、风电机、光伏电池、生物质能源发电机等以及储能装置连接在一起,能够就近对用户进行供电并且能并网或者孤岛运行的一种自我控制、保护和管理的自治系统。微电网规模大小不同,可能从几千瓦到几十兆瓦以上不等,可以按照并网需要、负荷类型灵活设计系统拓扑结构。

图1所示为典型单点并网拓扑,主要有几个特点:

(1) 新能源发电单元种类丰富,包括直驱风力发电、双馈风力发电、太阳能光伏发电、波浪能发电等。

(2) 完善的储能系统，包括磷酸铁锂电池储能、超级电容储能、飞轮储能等多种方案，实现发电能量储存和削峰填谷。

(3) 微型柴油发电机组，可作为微电网稳定发电单元使用,提供持续稳定电能。

(4) 具备直流微电网系统，光伏、风能等通过直流微电网拓扑并入交流电网,可以用来对直流电网开展研究。

(5) 独立运行模式和并网模式，可以选择负荷独立供电运行或并网发电状态。

(6) 具备无功调节装置，提高功率因数和电能质量,满足国家并网标准。

(7) 良好的继电保护，保证系统安全运行。

(8) 微电网能量管理系统，具有集中控制管理、功率预测、发电调度并网控制等功能。

图1　典型单点并网拓扑

由于国家博物馆地处天安门地带,只能采用屋顶光伏和屋顶风机。屋顶面积限制决定了微电网的功率不可能有剩余的电量,采用独立供电系统。独立系统由太阳能电池方阵、系统控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等组成。

太阳能光伏电站利用太阳能电池阵列将太阳能转化成直流电能,通过直流/交流并网逆变器将太阳能电池阵列发出的直流电逆变成50 Hz、220/380 V的交流电,供末端设备使用。

风能、太阳能都是不稳定的、不连续的能源,需要配备相当大的储能设备,即采取多能互补的办法,以保证基本稳定的供电。我国属季风气候区,一般冬季风大,太阳辐射强度小;夏季风小,太阳辐射强度大,正好可以相互补充利用。

2光伏与风力发电机的成本分析

2.1　光伏电站的成本分析

光伏发电站建设成本如表1所示。

目前,光伏组件的价格已经由每瓦12元左右降到了4.8~5.2元/W,逆变和输配电的价格则由2008 年的12元/W左右降到了0.8~1.4元/W。

表1光伏电站建设成本

项目投资占比/%目前价格/(元/W)太阳能组件50~604.8~5.2并网逆变器140.8~1.4支架和基建31~2电气设备及电缆151.3工程设计2—设备运输0.2—入网监测0.2—可行性分析2—税金及其他10—

注:电站规模越大,组件、逆变器、电气设备及电缆、支架及基础的价格越低。

对于屋顶电站,由于屋顶可以直接固定组件,因此基建和支架费用降低到1~2元/W,土地成本可忽略。但是,由于屋顶电站通常规模较小,因此逆变并网部分的成本有所增加。屋顶光伏系统的成本应在9.6~10.8元/W,约为10元/W。

大面积的太阳能电池板,太阳直射时每平方米能提供约2 000 W的功率,但是民用太阳能电池板一般只能提供10%～15%的转换效率,也就是说每平方米的太阳能电池板只能提供200～300 W的功率,考虑个人安装难以24 h自动对准太阳角度,故按照每平方米200 W的功率进行评估。

假设光伏系统的安装面积为100 m2,则安装光伏系统的成本约为100×200×10=20万元。

2.2　小型风力发电机的成本

微网系统中,一台10 kW的小型风力发电机仅占地4 m2,成本约为2万元。

3光伏与风力发电机的发电量计算

若太阳能电池板的面积为100 m2,则发电功率为100×200=20 kW。按照每天平均日照时长6 h计算,则发出的电量为20×6=120 kWh。

一台10 kW的小型风力发电机平均每天工作6 h,则发出的电量为10×6=60 kWh。故每天风、光联合发电量为120+60=180 kWh。

根据光伏系统的安装地点、光照情况、方案设计、设备选型等因素,光伏系统综合发电效率为80%,故日发电量为180×80%=144 kWh。

4国家博物馆实际应用分析

国家博物馆总建筑面积为191 900 m2,有严格的温/湿度及灯光要求,以保障文物的正常存放及展出。国家博物馆近几个月的用电量情况如表2所示。

表2国家博物馆近几个月的用电量(按30 d计)

时间月用电量/kWh日均用电量/kWh2015年3月227940075980.002015年2月151340050446.672015年1月224220074740.002014年10月70480023493.332014年9月77580025860.002014年8月103100034366.672014年7月116360038786.672014年6月98710032903.33

从表2可以看出,博物馆日均用电量最少的是10月,当时自然天气与文物要求的温/湿度比较吻合,空调机组所用制冷/制热量少,但日均用电量也达到了23 493.33 kWh。针对国家博物馆的地理位置和建筑结构,选取其最高点35.5 m白玉厅屋顶的位置安装微电网系统。

经图纸与现场实际测量,白玉厅屋顶长为85 m，宽为58 m,面积为4 930 m2,可设置4 000 m2的光伏和4台10 kW的风力发电机。根据计算,每天产生的电量为(40×120+4×180)×80%=4 416 kWh,电量远小于每天消耗的电量,产生的电能经过稳压设备可直接供电于用电设备。

根据分析,100 m2的光伏系统安装成本约为20万元,则400 m2的成本约为80万元;一台10 kW的小型风力发电机安装成本约为2万元,则4台的成本约为8万元。所以,国家博物馆的微电网费用约为88万元。国家博物馆电费标准是商业用电,最便宜时段也要1元/kWh。按照以上算法,加装微电网系统后每天可节省电费4 416元,因此该项目如果投入使用,只需要245 d就可收回成本。

5结语

国家博物馆能够满足光伏发电和风力发电组成的新能源微电网系统的要求;而微电网系统能够为国家博物馆正常运转提供支持。考虑产业政策扶持和刺激及巨大的环境效益,从长远来看,新能源微电网是非常值得推广建设的项目。

参考文献

[1]陈鹏.基于微电网电力市场交易及其经济运行[D].北京:北京交通大学,2011.

[2]章健,梅彦,贺兴,等.新一代智能电网的管理——多微电网的网络架构、运行模式及控制策略研究[J].电器与能效管理,2015(18):45-49.

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Application of New Energy Power Micro Grid in National MuseumQIAOXiaojuan

(National Museum of China, Beijing 100006, China)

Abstract：This paper briefly introduced the advantages of new energy power micro power grid.The cost and energy output of photovoltaic and wind power were calculated and analyzed.According to the geographical characteristics of the National Museum,the costs and benefits of the micro grid were calculated.It is pointed out that the implementation of the new energy power micro power grid project in the National Museum is feasible.

Key words:new energy micro power grid; national museum; cost analysis;effectiveness

收稿日期：2015-08-26

中图分类号：TU 201.5

文献标志码：A

文章编号：1674-8417(2016)01-0052-03