山區河流水上設施新能源復合供電應用

齊俊麟，潘 誠，袁成清，江 蓓，張 杰，梁 鍇

(1.長江三峽通航管理局，湖北宜昌443000;2.武漢理工大學能源與動力工程學院，武漢430063)

山區河流水上設施新能源復合供電應用

齊俊麟1，潘 誠1，袁成清2，江 蓓1，張 杰1，梁 鍇1

(1.長江三峽通航管理局，湖北宜昌443000;2.武漢理工大學能源與動力工程學院，武漢430063)

以三峽河段的躉船和航標船為研究對象,在原有船載發電裝置基礎上,提出建立風、光、水流新能源復合供電系統的總體方案,并成功在三峽河段三峽錨躉403和廟咀航道航標船上開展實際應用。

風、光、水流能;復合供電系統

在山區河段,較多的水上設施目前所采用的是資源消耗較高環境污染隱患較大的能源,例如,柴油發電、鉛酸蓄電池等,面對資源緊張和環境保護的壓力,積極推進綠色能源在山區河流水上設施供電中的應用,有利于加快降低能源資源消耗,減少污染物排放;有利于發展低碳經濟和建設資源節約型、環境友好型社會的總體要求。

1 新能源復合供電系統的總體方案

1.1 應用方式

山區河流躉船的日常生產、生活耗電量較大,同時對供電系統的峰值工作電流也有較高的要求。躉船具有較大的空余甲板,一般停泊在較空曠水流平緩的水面上,適宜光能和風能的利用,水流能可利用率較小［1］。因此,山區河流躉船以風、光復合能源系統為最適宜的應用模式。

山區河流航標標志船上一般采用LED航標燈,其日常工作耗電量很小,只需要配備少量的新能源發電裝置即可滿足要求,航標船整體結構尺寸較小,吃水較淺,甲板上存在空余面積,太陽能及水流能可較方便利用,風能在結構布置上不利于使用。因此,山區河流航標艇以光能、水流能發電為最適宜應用模式。

1.2 船載原有發電裝置應用研究

部分山區河流水上設施,如躉船,配備有生產、生活柴油發電機。其中,生產柴油發電機功率較大,主要用于船載大功率用電設備供電,如錨機;生活柴油發電機功率較小,主要用于船載日常生活和小功率生產設備供電,如空調、廚房設備、甚高頻通信等。生產柴油發電機通常年工作時間短,在考慮新能源復合供電系統應用時應保留單獨工作;將生活柴油發電機納入系統中作為急供電設備和資源條件不佳時為蓄電池組充電電源。

2 系統設計

選取三峽河段西陵峽峽谷航道中平善壩錨地,以三峽錨躉403躉船作為研究對象。403躉船上配備了值守人員必需的生產生活用電設備,包括甚高頻、探照燈、電視、空調、廚房用具、熱水器等。目前403躉船配備了兩套柴油發電機組,分別為12 kW和40 kW。12 kW發電機為日常生活生產供電,40 kW柴油發電機主要用于在汛期前后對躉船錨鏈長度進行調整的電動絞盤供電。

根據船員記錄的使用時間和單臺設備統計數據,403躉船供電系統的供電需求:①溫暖季節每日發電量不低于6 460W˙h,炎熱季節不得低于22 460W˙h,寒冷季節不得低于30 460 W˙h;②最大工作電流出現在兩臺壁掛式空調同時開啟時,為18 A(其他大功率用電設備通過管理措施錯開使用),考慮一定余量,新能源復合供電系統峰值工作電流應不低于20 A［2］。

2.1 流新能源適用性分析

依據國家氣象局關于宜昌地區年度光照輻射強度的統計數據,并結合平善壩錨地日照時間變化情況,按照光照輻射強度與日照時間成正比進行折算,平善壩錨地年度光照輻射強度見表1。

表1 平善壩錨地年度太陽輻射強度表

2011年7月22日～8月31日在403號躉船上觀測風速,觀測時間從每天08:00～22:00,每2 h觀測一次,累計觀測265點。風速大于3 m/s共計34點,占總數的12.8%;風速大于4 m/s共計11點,占總數的4.15%。所測風速過程線見圖1。實測的最大風速8 m/s,最小風速0.1 m/s,平均風速1.39 m/s。可見,該地風能資源相對匱乏［3］。

2011年11月14日～11月22日實地觀測平善壩403號躉船的水流條件。每天08:00、12:00及18:00,在403號躉船的船艏和船中岸舷側各測量一次。最大流速0.44 m/s,最小0.15 m/s。除洪水期外,該錨地水流流速緩慢,流速基本在1 m/s以下。

圖1 403號躉船時刻風速過程線

可見平善壩錨地太陽能資源相對豐富,每年3月～11月年日照輻射強度較大;平善壩地區風能可利用性低;根據平善壩錨地歷史數據和實測數據,除洪水期外平善壩錨地水流流速較緩。因此,新能源示范系統以太陽能作為新能源復合供電系統的主要電能來源,風能水流能作為補充電能來源。

2.2 躉船新能源復合供電系統構建

由于采用太陽能作為新能源復合供電系統的主要發電能源,風能作為輔助發電能源的方案,則所需主要設備包括:太陽能光伏電池板、太陽能控制器、風力發電機、風能控制器、蓄電池及蓄電池組管理系統、逆變器等［4-5］,見圖2。

圖2 新能源復合供電系統架構

2013年5月,在403躉船上完成了布線、設備安裝［6］、單機調試、供電系統聯調等現場施工,初步搭建了“躉船新能源復合供電應用示范系統”。2013年7月正式開始試運行,系統運行狀態良好,各模塊工作正常,系統對外輸出電壓穩定,合計供電2 957.6 kW˙h。該系統在節能減排的同時,大大降低了躉船值守人員對柴油機的巡視、加油等日常工作的強度,同時由于新能源復合供電較之傳統柴油機供電無噪聲,改善了躉船值守人員的工作、休息環境。

3 三峽河段航標的系統設計及應用

經實地調研,選取三峽河段廟咀航道航標船作為示范系統應用對象。航標燈具為LED直流燈具(DC6 V,2 W),一般采用鉛酸蓄電池組和太陽能光伏電池板構成的小型發電系統供電,其中鉛酸蓄電池組由3塊2 V 200 Ah電池串聯組成,太陽能光伏電池板額定功率為48W。

廟咀航道區域的太陽能資源與平善壩相同,光照時間更長,光能資源豐富。廟咀航道位于葛洲壩壩下,根據海事歷史記錄數據,葛洲壩下河段水流流速與河段流量有關,水流流速一般范圍為0.65～3.80 m/s,在非汛期時間段水流流速一般保持在0.65～1.20 m/s。

航標船新能源復合供電應用示范系統包含太陽能光伏電池板、磷酸鐵鋰蓄電池、低流速小型水流發電機［7］、風光互補控制器、直流電壓轉換模塊、流速儀和系統監控單元等,總體架構見圖3。

圖3 航標船新能源復合供電系統總體架構

2014年3月底完成航標船新能源復合供電應用示范系統的設備安裝和調試,見圖4。

試運行時間段系統運行平穩、負載供電正常。低流速小型水流發電機和太陽能電池工作正常,系統的整體供電情況良好,滿足設計要求。

本系統的應用提高了航標長時間工作的可靠和穩定性,并能直接減少鉛酸蓄電池的使用數量,大量減少鉛酸蓄電池更換的間接成本。

山區河流水上設施新能源復合供電系統的研究與應用可切實有效地保障航運,對降低環境污染和資源消耗具有十分重要的意義。

圖4 航標船新能源復合供電示范系統應用現場

［1］吳新憲.太陽能和風能在船舶上的應用分析［D］.武漢:武漢理工大學,2010.

［2］何勇琪.光儲聯合發電系統容量配置優化研究［D］.北京:華北電力大學.2012.

［3］楊宏青,劉敏,馮光柳,等.湖北省風能資源評估［J］.華中農業大學學報,2006,25(6):683-686.

［4］林 杰,袁成清,孫玉偉,等.太陽能電池板在不同類型船舶上的布置優化［J］.船海工程,2010,39(6): 116-120.

［5］叢 晶,宋 坤,魯海威,等.新能源電力系統中的儲能技術研究綜述［J］.電工電能新技術,2014,33(3): 53-59.

［6］魏 喬,孫玉偉,袁成清,等.大型遠洋運輸船舶太陽能光伏系統的構建［J］.船海工程,2010,39(6):138-140.

［7］朱占春,袁成清,孟維文,等.小型水流能發電裝置設計與仿真［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

交通運輸建設科技項目(2011-328-201 -1430)

齊俊麟(1964-),男,碩士,教授級高工

研究方向:通航管理

E-mail:QJLin001@163.com