海岛可再生能源发电系统总体设计

张中华 ，夏增艳 ，刘靖飙 ，王海峰 ，黄 勇

（1.国家海洋技术中心，天津 300112；2.中国船舶重工集团公司711研究所，上海 201203）

海岛可再生能源发电系统总体设计

张中华1，夏增艳1，刘靖飙2，王海峰1，黄 勇1

（1.国家海洋技术中心，天津 300112；2.中国船舶重工集团公司711研究所，上海 201203）

首先介绍嵊山岛的基本情况及岛上的实际需求，然后详细分析嵊山岛可再生资源的构成和特征，确定岛上资源状况适合采取多能互补的形式发电，在此基础上设计一个集波浪能、太阳能、风能和生物质能于一体的发电系统，用于岛上供电、海水淡化和制冰的需要。

嵊山岛；多能互补；可再生能源；发电系统；总体设计

在海岛的沿岸及附近水域蕴藏着较丰富的海洋能源，如潮汐、海流、波浪、温差和盐差能等。同时，大多数海岛有丰富的风能和太阳能资源。所以，同时开发与利用多种可再生能源，利用其不同的强度周期，形成彼此间的能量互补，实现均衡供电，从而改善海岛能源供给状况，优化海岛的能源结构。

嵊山岛位于浙江省舟山群岛最北部，境内气候受西北太平洋、欧亚大陆的影响，形成了独特的海岛气候—北亚热带南缘海洋性季风气候，具有冬夏季风交替显著、年温适中、四季分明、温变和缓、气候资源丰富的特点。嵊山岛上居民约1.1万人，是典型的海岛渔区。目前，岛上主要通过海底电缆进行供电，但海底电缆受台风影响较大，出现台风时，岛上会主动切断电力供给。此外，由于岛上经济是以渔业捕捞、水产品加工为主，对淡水和冰的需求量较大。

1 可再生能源分析

1.1 波浪能

根据统计资料，嵊山海域波功率值在0.5～8.8 kW/m变化，平均波功率值约为2.4 kW/m。每米迎波面波功率值大于1 kW的天数占总统计时间的90%以上，波功率值为2 kW/m的频率分布在60%左右。由于波浪随风的变化而变化，所以波浪能能流密度具有明显的季节变化，秋季较高，春季较低，冬、夏季相差不大[1-2]。

1.2 风能

嵊山岛区域的风能资源十分丰富，反映在季风上，春夏季风速较小，冬季风速最大，但夏季多台风。

嵊山有效风时在5 000 h以上，有效风时频率如图1所示，均在80%以上，有效风能密度（图2）在200 W（/m2·h）以上，为风能丰富区。

图1 有效风时频率

图2 各月平均有效风能密度

1.3 太阳能

该区域年总辐射量为4 126 MJ/m2，一年中冬季最小，夏季最大，春秋季介于冬夏之间。年日照时数为1 940.6 h，其中，7、8月份月均日照量是1 a中最多的，最少月份是1月和2月，四季分布特点是：夏季最多，冬季最少，秋季多于春季。

1.4 生物质能

目前，嵊山岛上常住居民超过1万人，有各种企业超过250家。这些居民和企业在日常的生产、生活中产生了大量的废弃物。这些垃圾废弃物的堆积必然会影响生态环境，将垃圾运出海岛的成本较高，而如果直接投放在海洋里，对海洋环境也将造成极大的危害。因此，如果利用其产生的沼气进行发电，这样既可以解决岛上垃圾处理的问题，也可以变废为宝，为岛上提供动力。同时，由于生物质沼气发电可以进行人为控制，因此具有很好的发电系统调峰和储能功能。

1.5 可再生能源资源特征分析

综合分析，在季节变化时，波浪能秋季较高，春季较低，冬、夏季相差不大；风能则是春夏季较小，冬季最大；而太阳能冬季最小，夏季最大，春秋季介于冬夏之间；此外生物质能可以进行人为的调节，保证系统输出电量的稳定性，起到储能和调峰的作用。

可以看出，嵊山岛的可再生能源具有明显的季节特征，适于利用波浪能、太阳能、风能资源和生物质能，采取多能互补的形式发电、制淡水和冰。

2 发电系统组成

独立电力系统由波浪能发电系统、太阳能发电系统、风能发电系统、生物质能发电系统、备用电源柴油机发电系统、海水淡化装置和电力控制及监控系统组成。波浪能发电系统、太阳能发电系统、风能发电系统和生物质能发电系统是4个独立的发电单元，输出电能给电力控制系统，经逆变后提供给岛上居民和海水淡化装置用电[3]。独立电力系统示意图如图3所示。

图3 独立电力系统示意图

2.1 波浪能发电系统

波浪能发电系统采用离岸浮力摆形式，离岸浮力摆装置由摆板（波浪俘获系统）、液压传动系统和电控系统3部分组成。

图4 摆板运动形式

摆板运动形式如图4所示，摆轴位于摆板底部，摆板在波浪的作用下偏离平衡位置，此时摆板在浮力作用下向平衡位置恢复，同时摆板还受到重力和水的阻力的作用，从而使摆板绕摆轴前后摆动[4-5]。

波浪能发电系统原理如图5所示，将波浪的动能通过摆板装置转换为往复运动的机械能，然后通过液压系统带动发电机，从而将机械能转化为电能，最后电控系统将系统发出的电能转换为能够供用户使用的稳定交流电。

2.2 太阳能发电系统

太阳能热发电系统采用热发电方式。其工作原理如图6所示，利用聚光器将低密度的太阳能汇聚到焦斑处，使其生成高密度的能量，然后由工作流体将其转化为热能，再通过汽轮机/斯特林发动机将热能转化为机械能，最终带动发电机发电。

图5 波浪能发电系统工作原理示意图

图6 太阳能热发电系统原理图

发电系统拟采用5台1 kW的碟式太阳能热发电系统，组成太阳能发电阵列，直接为居民用户供电，同时还可以利用斯特林发动机产生的热水为家庭提供生活热水。

2.3 风能发电系统

发电系统拟采用5台30 kW风力发电机组构成风能发电系统。风力发电机组的工作原理是通过风力带动螺旋叶片的旋转运动，将风能转换成机械能，驱动发电机转动产生电能，再经风电控制器进行交/直流转换后，送入蓄电池储存，最后经过逆变器对用户供电。

2.4 生物质能发电系统

发电系统拟采用2台50 kW燃气热气机构成生物质能发电系统。其工作原理如图7所示，在海岛上建一套生物厌氧处置装置，将收集来的生活有机垃圾废弃物进行发酵处置，并将所产生的沼气存储，然后对沼气进行脱硫、过滤、除湿、增压和稳压的处理，最后进入燃气热气机发电，热气机在发电过程中产生的热水不仅可以用来供应岛上居民的生活，也可以用于厌氧工艺的加热和保温。

2.5 电力控制系统

图7 生物质能发电系统原理图

整个系统由能量产生环节、能量存储环节、能量消耗环节三部分组成。能量的产生环节：风能、波浪能和生物质能发电系统在能量合并与转换时选用交流－直流－交流的方式。太阳能发出的电能可以直接接入家庭或者各种用电量较小的观测站。

能量的存储环节由蓄电池来承担，引入蓄电池的主要作用就是为了尽量消除由于天气等原因引起能量供应和需求的不平衡，在整个系统中起到能量调节和平衡负载的作用。

能量消耗环节就是各种用电负载，可分为直流负载和交流负载两类，交流负载连入电路时需要逆变器。

2.6 监控系统

总体监控单元对系统中各发电单元的电压、电流、功率、发电量等数据进行测量，监测电站各部分工作状态，并实时给出各部分状态信息，以供电站管理人员参考。另外，监控单元还具备调控功能，即实时对蓄电池性能进行监测，根据电池状态，作出必要的保护动作，如在蓄电池过放电和过充电时，需要切除部分负荷或者有选择地暂停风能或太阳能发电系统的运行。

3 结束语

嵊山岛的可再生能源丰富，适于建设多能互补的发电系统，建成后的发电系统可根据岛上的实际需要进行并网，也可作为独立电力系统对岛上部分区域进行供电，或用于海水淡化和制冰，也可作为断电时的备用电源，在降低海岛对大陆输入能源的依赖度的同时，改善了岛屿居民的生产、生活条件，减轻了人类在岛屿上的生产和生活所带来的负面环境影响，从而推进海岛环保型能源建设，调整海岛能源结构。

[1]任建莉，罗誉娅，陈俊杰，等.海洋波浪信息资源评估系统的波力发电应用研究[J].可再生能源，2009,27(3)：93-97.

[2]任建莉，罗誉娅，钟英杰，等.波力资源分析系统的实现及波能发电应用[J].浙江工业大学学报，2008,36(2)：186-191.

[3]熊焰，王海峰，崔琳，等.大管岛多能互补独立供电系统总体设计技术研究[J].海洋技术，2008,27(4)：78-82.

[4]M E麦考密克.海洋波浪能转换[M].北京：海洋出版社，1985.

[5]FOLLEY,M,WHITTAKER T J T,et al.The Design of Small Seabed-Mounted Bottom Hinged Wave Energy Converters[C]//7th European Wave and Tidal Energy Conference,Porto,2007.

General Design of Renewable Resources Power Generation System on Islands

ZHANG Zhong-hua1,XIA Zeng-yan1,LIU Jing-biao2,WANG Hai-feng1,HUANG Yong1
(1.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China;2.711 Research Institute,Shanghai 201203,China)

The Shengshan Island and the island’s needs for electric power were introduced.And then the composition and characteristics of the Shengshan Island renewable resources were analyzed in detail.It is suitable for the island to use the wave energy,solar,wind energy and biologic energy resources in the form of hybrid power generation system.The hybrid power generation system was applied to satisfy the demand of electricity and water supply on island.

Shengshan Island;hybrid energy;renewable resources;power generation;general design

TP274+.2

B

1003-2029（2012）04-0087-04

2012-03-14

海洋可再生能源专项资金资助项目(GHME2011GC01)

张中华(1981-),女,博士，工程师,主要从事结构可靠性研究。Email:zzhrabbit@126.com