西藏的多能互补抽水蓄能发电系统探讨

李松旌+++赵素华

摘 要：如今，传统能源储量告急，环境问题日益显著，能源的短缺和环境的保护成为我国乃至世界发展的一个极为重要的课题。本研究基于对水能、风能、太阳能的应用以及现有抽水蓄能电站理念的研究，结合西藏地区独特的新能源分布优势及发电潜力，提出了“多能互补抽水蓄能发电系统”的理念，并对该系统做出了各方面的评价。结合西藏地区特点进行探讨得出：这种多能互补的开发方式可以改善目前水能、风能和太阳能发电系统的缺点，具有独特的技术经济优势，能够有效缓解西藏地区能源供应的压力。

关键词：抽水蓄能电站；多能互补利用；能量互补模型；西藏能源利用

1 概述

随着社会的发展和化石燃料的开发，不可再生能源日趋枯竭，应运而生的水能、风能、太阳能等新能源得以大规模发展。利用新能源发电其存在的缺陷给我国电力系统安全稳定运行带来了较大的压力。电力系统急需配置大容量的储能装置，优化电源结构，改变运行方式，适应新能源的大规模发展[1]。抽水蓄能是迄今为止较为经济、成熟的储能技术，在电力系统中配置适当规模的抽水蓄能系统，是当前新能源发电并网过程中对电网所产生的安全稳定问题的有效解决途径。

多能互补抽水蓄能发电系统是利用风能和太阳能发电产生的不稳定电能直接带动抽水泵组进行抽水蓄能，待到用电负荷回升时利用所储存水的势能实现稳定供电的发电系统。文章将按照以下思路进行分析：首先，了解水能、风能、太阳能等能源在西藏的分布形势；其次，根据西藏的能源状况来确定太阳能电池板、风力发电机组的日内有效工作时间，分析多能互补抽水蓄能发电子系统之间的关系；最后，对此发电系统在西藏的应用进行合理评价。据此，全文展开探讨。

2 西藏得天独厚的新能源分布优势

拥有“世界屋脊”之称的西藏位于平均海拔4KM的青藏高原之上，该地区的新能源主要有水能、风能、太阳能与地热能，能源的时空分布存在不同程度的聚集，但大体来看分布特点还算明显：西藏的太阳年平均辐射量达到了3300～4800MJ/m2，全区年均总辐射量达到了5850～8400MJ/m2，直接辐射量占总辐射量的56%～78%，6到8月份可达到71%～88%[2]。西藏年风能储量极为丰富，达到了93×108kW·h，年均有效风能密度维持在130～200W/m2，年均有效风力时数达到了3500～4000h[3]。西藏的河流众多，全区水能资源的理论储量大概为2×108kW，水能年发电总量为17600亿kW·h，其中可供开发利用的水能资源产电量就高达5.6×107kW，占全国总量的17.1%[4]。西藏的地热资源高举我国榜首，地热显示点达到了666处。对350处显示点的统计结果进行分析，热泉水的流速为20m3/s，地热总能量高达276.28×104kJ/s，折合成标准煤炭3×106t/a，其发电潜力高达8×105kW[2-4]。

3 多能互补抽水蓄能发电系统的发电体系

多能互补抽水蓄能发电系统由太阳能电池板、风力发电机组、抽水泵组、水力发电机组、蓄水池和尾水池等几部分构成。储能时，系统利用风能、太阳能分别通过风力发电机和太阳能电池板产生的不稳定电能，推动抽水蓄能系统中抽水泵组的转子转动，将不稳定的电能转化为抽水泵组的机械能；抽水泵组利用其机械能将水抽到高处的蓄水池，此过程又将抽水泵组的机械能转化成了水的势能储存起来；发电时，打开蓄水池的放水闸门使抽上去的水从高处蓄水池流下，推动水力发电机组的转子转动，其间将水的势能转化成稳定的电能供给，稳定的电能通过变压器转化成功率为50Hz的电并入电网。

4 系统的影响因素

4.1 外部环境及约束条件

西藏的年均总辐射高达7560MJ/m2，白天年均的太阳幅射量大，太阳幅射强度强。除去太阳的升起与落下的过程外，日内的太阳能分布规律极为相似。根据太阳能发电材料的光电效应分析可以得出：现阶段的有效发电时间仅仅与太阳能电池板对太阳能幅射的敏感程度有着密切的关联。因此可近似按日内不同光照强度的具体分布，找出对应发电时间的起止点，起点和终点的时间间隔即可认为是太阳能电池板对光的可感应时间，同时也是太阳能电池板的日内有效工作时间[5]。

风力发电机的日内有效工作时间具体体现在日内各时段风速的大小及风向的持续稳定性，可以通过类似于太阳能电池板的日内有效工作时间的分析方法，找出对应发电时间的起止点，确定风力发电机的日内有效工作时间。

建立数学模型对太阳能电池板、风力发电机的日内有效工作时间T进行描述：

式中：T为日内有效工作时间；n为日内发电周期数；Ti为日内某一发电周期内的有效工作时间；T1为某一发电周期内的发电的开始时间；T2为某一发电周期内的发电的结束时间。

与此同时，抽水蓄能系统要受当地的来水量、水质、可供水量和地形地势等因素的限制，但本系统的蓄能发电用水可通过抽水泵组和水力发电机组的运行从而构成自身的水循环，大大节约了用水量，外部的水源供给主要作为工作期间的蒸发、渗透等水量损失的补充用水，由此可得，本系统对需水量的要求并不高。

通过对太阳能电池板、风力发电机的日内有效工作时间进行计算，可以确定太阳能电池板、风力发电机组、抽水泵组和水力发电机组的装机容量。

4.2 子系统间的相互关系

由于本系统的开发方式是利用了水能、风能、太阳能三种能源在时空上分布的不均匀从而进行互补开发的，因此系统必须满足以下几个条件：

（1）理想状态下三种能源在能量转换的过程应保持能量的平衡。

建立数学模型对能量平衡进行描述：

式中：th1、th2、ts、tw为抽水泵组、水力发电机组、太阳能、风能的运行时间，单位为h；ICh1、ICh2、ICs、ICw为抽水泵组、水力发电机组、太阳能、风能发电系统的装机容量，单位为KW；Ps、Pw、Ph1、Ph2为太阳能、风能、抽水泵组、水力发电机组的能源利用效率。

（2）为保证系统内的所有电能转换为水的势能，抽水泵组的装机容量应为各个周期中在同一时间段的太阳能和风能输入电能最大值之和。

建立数学模型对抽水泵组的装机容量ICh1进行描述：

（3）理想状态下抽水蓄能系统的蓄能、发电过程中所构成的自身水循环的总水量应当保持平衡状态[5]。

式中：CPA为蓄水池的库容；QI为蓄水池的总进水量；QO为水力发电机组的总用水量；A为水库死库容；QS为利用太阳能发电系统的蓄水量；QW为利用风能发电系统的蓄水量。

通过配置各子系统间的合理容量，使它们相互匹配，达到最优。既要尽可能的提高水能、风能和太阳能的能源利用率，也不宜过多的增加投资，如若至此，开发一套多能互补抽水蓄能的发电系统是经济可行的。

5 系统作为独立供电电源在西藏应用评价

5.1 资源评价

西藏具有十分丰富的水能、太阳能、风能等自然资源，但面临着由于各种因素的限制导致不能运行亦或运用以上资源单独发电都存在各自的缺陷。多能互补抽水蓄能系统能够将水能、风能、太阳能发电系统进行优势互补，弥补了风能和太阳能发电系统由于气候的季节性变化而产生的不必要的能源消耗和发电不稳定的缺陷。

5.2 技术评价

风能发电系统出力受来风情况的影响，太阳能发电系统受云层情况的影响，都具有不连续性、不确定性和不可控性的特点[1]。风能、太阳能发电系统的大规模并网将在较大程度上影响到西藏电网的安全稳定运行，其主要表现在以下两个方面：

安全性方面，由于西藏地区昼夜温差大，天气条件极不稳定，加之风能和太阳能发电系统具有不确定性和局部反调峰性，当遇到有风或晴天时瞬间大规模并网、遇到无风或阴天时瞬间大规模停机，系统的频率稳定性和电压稳定性遭到影响的同时更对西藏电力系统造成非常大的冲击[1]。

经济性方面，西藏的电源结构以水电为主以其他清洁能源发电为辅。由于风能和太阳能发电系统的出力受天气条件影响巨大，其产生的不稳定电能大规模接入电网致使用户的供电质量波动较大。为保证西藏整体电网的供电质量，则需要根据并网的风能和太阳能发电系统波动情况，增加相应的旋转备用机组的装机容量。风能和太阳能发电系统上网的电量越多，旋转备用机组的装机容量也随之相应的增大，从而导致电力系统整体的经济投入增加。

本系统有效地解决了这些问题：利用抽水蓄能的理念，将风能和太阳能所产生的不稳定电能为水泵抽水提供机械能，使能量通过水的势能储存起来。多能互补抽水蓄能发电系统可根据西藏用电负荷特征和资源条件进行系统容量的合理配置，既可保证西藏地区系统供电的安全稳定性，又可降低发电系统的运行成本，在很大程度上提高了社会效益和经济效益。

6 结束语

西藏在以保护生态环境的理念下发展的必然趋势是大力发展新能源，加强对新能源发电技术的研究是改善西藏电力供给结构的重要组成部分。

（1）通过对多能互补抽水蓄能发电系统的分析，展现了这种多能互补开发方式突出的技术经济优势。与传统单纯的水能、风能和太阳能发电系统相比较，虽然成本略微升高，却能够解决西藏地区部分小水电站酷寒时期发电中断和能源浪费的问题，极大程度上提高了资源利用率并保护了当地的自然生态环境。可以得出多能互补抽水蓄能发电系统可作为西藏的一种能源的利用方案，是西藏地区提高各能源有效利用率的有效途径。

（2）提出了太阳能电池板和风力发电机的日内有效工作时段。应用此概念根据相关数据可以推算出水能、风能、太阳能的互补开发系统中各部分容量配置的最优值。同时，也可以在抽水蓄能电站的装机容量为定值的条件下，寻求风力发电机和太阳能电池板的最优容量比值。

基于西藏得天独厚的新能源分布优势及发电潜力对多能互补抽水蓄能发电系统进行理论上的初步探讨，为西藏地区供电、用电体系的选择提供相关的理论参考，为发展符合西藏特色的新能源利用模式的建立建言献策。

参考文献

[1]刘殿海.抽水蓄能是适应新能源大规模发展的最有效工具[N].中国能源报，2011-1-24（005）.

[2]王玉群，王俊乐.西藏太阳能开发存在的问题及几点建议[J].西藏科技，2007（2）：26-28.

[3]刘威，罗红英，余强，等.西藏新能源开发利用现状分析与对策[J].水电与新能源，2015（5）：76-78.

[4]洪亮，多吉，胡新凤.西部大开发中西藏发展新能源的重要性和展望[J].西藏科技，2000（5）：23-27.

[5]陈新，赵文谦，万久春.风光互补抽水蓄能电站系统配置研究[J].四川大学学报（工程科学版），2007，39（1）：53-57.