孤网海岛能源解决方案的初步探讨

2015-06-05郭黎晖

水电站设计 2015年2期

关键词：孤网发电站海岛

郭黎晖

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

孤网海岛能源解决方案的初步探讨

郭黎晖

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

针对孤网海岛仅靠柴油等单一的常规化石能源供能的特点，其能源结构单一，在柴油等化石能源供应不足等情况下，不能保证海岛正常的能源需求。根据海岛的新能源资源优势，提出了利用新能源与常规化石能源实现多能互补，来保障孤网海岛的能源供应。为解决孤网海岛的能源问题提供了一种新的思路。

海岛；新能源；能源解决方案

0 引言

海岛及其周围海域，蕴藏着丰富的旅游、渔业、港湾和矿产资源。由于海岛独特的地理性质，四周被大海环绕，其距离大陆普遍较远，除开部分距离大陆较近通过海底电缆与大陆电网并网的海岛外，大部分海岛均为孤网运行，基本都采用柴油发电，电源结构单一，在突发情况下不能保证海岛基本的能源需求。

1 海岛能源需求特征

1.1 海岛的气候、气象特征

海岛是指被大海环绕的陆地。海岛特点是具有领土属性或独特的自然和生物资源属性或拥有独特的自然风光。海岛气候特征明显：阳光充足、风力大；海浪大、海水腐蚀性强；易发冰雹、台风等恶劣天气；淡水缺乏、降水季节性变化大、潮湿；土地资源较为稀缺。

1.2 海岛的能源需求特征

海岛上的能源消耗主要为当地居民生活和办公、旅游娱乐场所、宾馆、港口、机场、机修厂、气象及导航专业设施的用电及供暖制冷。

海岛上的用电负荷白昼大、晚间小，季节性变化较大，用电高峰出现在夏季［1］；热负荷主要为生活用热水及冬季供暖，热负荷高峰在冬季。海岛日用电负荷曲线示意见图1。

图1 海岛日用电负荷曲线示意

2 现有孤网海岛能源结构存在的问题

大部分海岛由于距离大陆较远，用电负荷较低，利用海底电缆与大陆电网并网非常不经济，因此这部分海岛只能采用柴油发电来满足岛上居民正常生活的能源消耗。

虽然柴油发电设备相当成熟，具有热效率高、运行维护简单、电能质量好、启动停机时间短等优点，但作为孤网运行的单一能源其缺点也非常突出：

（1）由于柴油价格较高并且由于需要长距离运输，从而导致发电成本高；

（2）由于柴油易燃易爆的化学性质，大规模的储存、运输的安全隐患都相当大；

（3）当运输柴油的货船受到恶劣天气等情况的影响时，不能保证海岛柴油的供应，从而影响到当地居民正常的生活、工作。

3 海岛可利用的新能源

海岛的地理位置特殊，位于大海之中，其风能、太阳能、波浪能等能源资源相当丰富［2］，利用这些新能源，就可以解决孤网海岛电源结构单一的现状。

3.1 风能

（1）风能资源的特性。受大气环流、季风环流、洋流的影响，海岛上的风能资源相当丰富。由于影响风的形成的因素众多，风向、风速无时不刻的在变化。受海陆风、大气环流的影响，海岛上的风白昼小夜间大，夏季小冬季大；日内变化、季节性变化强；天气变化迅速，易发大风天气。

海岛上有2个区域为普遍适合风电开发的区域：①迎风面的近海或滩涂区域；②地形平缓的山脊。由于风电的开发要求场址相对集中以满足集电线路及远程操控的要求，所以在风电场选址时需要根据海岛实际的地形地貌条件选取地形简单且风能资源较好的区域。

（2）风力发电技术的现状。作为全球发展最为迅速的新能源，风力发电的技术已经相当成熟。其中海上风力发电机组具备在近海环境（海水腐蚀、盐雾、飓风等恶劣条件）下生存的能力，能够完全满足海岛上风力发电的需求。并且相对于其他类型的发电站，风电场的建设成本较低。

（3）风电场的出力特性。海岛风电场出力曲线示意图见图2。

图2 风电场出力曲线示意

由图中可见由于海岛上天气变化迅速，风速变化也相当频繁，没有明显的变化趋势，出力的日内变化大、季节性变化大，因此风电场的出力波动性特别强并且不可预测，对电网的冲击较大［3］。

3.2 太阳能

（1）太阳能资源的特性。海岛位于大海之中，空气透明度高，日照时数长，太阳能资源丰富。太阳能辐射日内变化非常有规律：在无阴雨天气及云层遮挡阳光时，太阳能辐射从日出开始逐渐增大，到正午时最大，然后逐渐减小直至日落。太阳能辐射的季节性变化小，全年各月太阳能辐射总量变化不大。

海岛上太阳能的利用方式主要为发电、供暖及制冷。可以在海岛上面积较大、地形平缓的区域建立地面并网电站；可以在建筑物上布置光伏电池板以及太阳能溴锂系统来提供电力、供暖或制冷。

（2）太阳能发电技术现状。太阳能作为全球利用最广的新能源，其发电技术也相当成熟。太阳能发电主要有两种形式：光热发电和光伏发电。虽然光热发电比光伏发电出力更稳定，但其投资较高、需要辅助燃料、运行维护要求较高，并不适宜易发恶劣天气的海岛。光伏发电有跟踪式和固定安装式，虽然跟踪式光伏发电效率更高但跟踪系统易受海岛潮湿且具有腐蚀性的空气及恶劣天气损坏。综上系统结构简单的固定式光伏电站更适宜外部环境较为复杂的海岛。

（3）光伏电站的出力特性。海岛光伏电站晴天、阴天日出力曲线示意图见图3。

由图可见，光伏电站的出力较为稳定且有规律；电站出力集中在白天，且与用电负荷变化的趋势接近；即使在阴雨天气，光伏电站的出力也有晴天的1／4到1／3，并且季节性变化小。因此光伏电站在系统中所占比重不宜过大，或需配置一定的蓄能系统来平抑波动。

3.3 波浪能

（1）波浪能资源的特性。海岛附近海域里波浪能资源及其丰富。波浪受空气温度变化及风的影响，一般夜间大白昼小，冬季大夏季小；波浪能的日内变化较小，季节性变化较强［4］。

距离海岸2～10 km且海水深度在50m以上的海域均为适宜波浪能发电的区域。

（2）波浪能发电技术现状。波浪能作为未来可再生能源发展的前进方向已经被西方发达国家以及中国研究多年，其发电技术较为成熟。波浪能发电技术多种多样，其中“海蛇”（pelamis）机组作为现阶段最先进的波浪能发电技术已经在英国、葡萄牙等地建成了6座商业性发电站。海蛇机组长140 m，单机容量750 kW，通过海底电缆与电网连接供电［5］；由于需要机组完全在海面上运行，机组的生存性能相当好，价格也相对较高（见图4）。

图3 光伏电站出力曲线示意

图4 海蛇机组

（3）波浪能电站的出力特性。波浪能发电出力相对稳定，日内变化小，季节性变化较大，电能质量较高，并且波浪的浪高、浪速可以通过卫星以及气象观测提前1至2天预报，因此可以提前预测波浪发电机组出力情况，非常适宜于电网薄弱的孤网海岛。

3.4 其他新能源

（1）潮汐能。潮汐受月球引力影响形成，其拥有固定的涨潮周期（12 h 25 min）。利用潮汐能发电需要修建2座相邻的水库（双库双向电站）使1个水库在涨潮时进水，另一个水库在落潮时放水来保证电站出力的稳定性以及可控性，所以潮汐电站单位千瓦投资相当高。虽然潮汐电站投资较高，但其拥有水库可以调峰，非常利于海岛孤网的稳定运行。

（2）生物质能。生物质能电站与常规火电机组相似，能在发电的同时能提供热能，并且其出力稳定且可控。但由于在发电过程中需要消耗大量的生物质原料，所以生物质能电站仅能在生物质原料较充足的海岛上应用，并且生物质原料的消耗量不能超过人工种植或自然生长量，否则会破坏海岛脆弱的生态环境，因此海岛上生物质能电站的装机规模非常有限。

（3）地热能。地热能资源不会随时间变化，其资源稳定，能够源源不断的提供热能。海岛上的地热能资源普遍较为丰富，地热能主要利用方式为通过地热泵系统来供暖或制冷，极少部分地热流体温度在200～400℃的海岛能利用地热能发电。

3.5 柴油发电站与各新能源发电站比较

柴油发电站与风力发电站、光伏发电站等新能源发电站资源特性、出力特性和投资比较见表1。