西藏的多能互補(bǔ)抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)探討

李松旌+++趙素華

摘 要：如今，傳統(tǒng)能源儲(chǔ)量告急，環(huán)境問題日益顯著，能源的短缺和環(huán)境的保護(hù)成為我國乃至世界發(fā)展的一個(gè)極為重要的課題。本研究基于對水能、風(fēng)能、太陽能的應(yīng)用以及現(xiàn)有抽水蓄能電站理念的研究，結(jié)合西藏地區(qū)獨(dú)特的新能源分布優(yōu)勢及發(fā)電潛力，提出了“多能互補(bǔ)抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)”的理念，并對該系統(tǒng)做出了各方面的評價(jià)。結(jié)合西藏地區(qū)特點(diǎn)進(jìn)行探討得出：這種多能互補(bǔ)的開發(fā)方式可以改善目前水能、風(fēng)能和太陽能發(fā)電系統(tǒng)的缺點(diǎn)，具有獨(dú)特的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，能夠有效緩解西藏地區(qū)能源供應(yīng)的壓力。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站；多能互補(bǔ)利用；能量互補(bǔ)模型；西藏能源利用

1 概述

隨著社會(huì)的發(fā)展和化石燃料的開發(fā)，不可再生能源日趨枯竭，應(yīng)運(yùn)而生的水能、風(fēng)能、太陽能等新能源得以大規(guī)模發(fā)展。利用新能源發(fā)電其存在的缺陷給我國電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了較大的壓力。電力系統(tǒng)急需配置大容量的儲(chǔ)能裝置，優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，改變運(yùn)行方式，適應(yīng)新能源的大規(guī)模發(fā)展[1]。抽水蓄能是迄今為止較為經(jīng)濟(jì)、成熟的儲(chǔ)能技術(shù)，在電力系統(tǒng)中配置適當(dāng)規(guī)模的抽水蓄能系統(tǒng)，是當(dāng)前新能源發(fā)電并網(wǎng)過程中對電網(wǎng)所產(chǎn)生的安全穩(wěn)定問題的有效解決途徑。

多能互補(bǔ)抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)是利用風(fēng)能和太陽能發(fā)電產(chǎn)生的不穩(wěn)定電能直接帶動(dòng)抽水泵組進(jìn)行抽水蓄能，待到用電負(fù)荷回升時(shí)利用所儲(chǔ)存水的勢能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供電的發(fā)電系統(tǒng)。文章將按照以下思路進(jìn)行分析：首先，了解水能、風(fēng)能、太陽能等能源在西藏的分布形勢；其次，根據(jù)西藏的能源狀況來確定太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的日內(nèi)有效工作時(shí)間，分析多能互補(bǔ)抽水蓄能發(fā)電子系統(tǒng)之間的關(guān)系；最后，對此發(fā)電系統(tǒng)在西藏的應(yīng)用進(jìn)行合理評價(jià)。據(jù)此，全文展開探討。

2 西藏得天獨(dú)厚的新能源分布優(yōu)勢

擁有“世界屋脊”之稱的西藏位于平均海拔4KM的青藏高原之上，該地區(qū)的新能源主要有水能、風(fēng)能、太陽能與地?zé)崮埽茉吹臅r(shí)空分布存在不同程度的聚集，但大體來看分布特點(diǎn)還算明顯：西藏的太陽年平均輻射量達(dá)到了3300～4800MJ/m2，全區(qū)年均總輻射量達(dá)到了5850～8400MJ/m2，直接輻射量占總輻射量的56%～78%，6到8月份可達(dá)到71%～88%[2]。西藏年風(fēng)能儲(chǔ)量極為豐富，達(dá)到了93×108kW·h，年均有效風(fēng)能密度維持在130～200W/m2，年均有效風(fēng)力時(shí)數(shù)達(dá)到了3500～4000h[3]。西藏的河流眾多，全區(qū)水能資源的理論儲(chǔ)量大概為2×108kW，水能年發(fā)電總量為17600億kW·h，其中可供開發(fā)利用的水能資源產(chǎn)電量就高達(dá)5.6×107kW，占全國總量的17.1%[4]。西藏的地?zé)豳Y源高舉我國榜首，地?zé)犸@示點(diǎn)達(dá)到了666處。對350處顯示點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析，熱泉水的流速為20m3/s，地?zé)峥偰芰扛哌_(dá)276.28×104kJ/s，折合成標(biāo)準(zhǔn)煤炭3×106t/a，其發(fā)電潛力高達(dá)8×105kW[2-4]。

3 多能互補(bǔ)抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電體系

多能互補(bǔ)抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、抽水泵組、水力發(fā)電機(jī)組、蓄水池和尾水池等幾部分構(gòu)成。儲(chǔ)能時(shí)，系統(tǒng)利用風(fēng)能、太陽能分別通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能電池板產(chǎn)生的不穩(wěn)定電能，推動(dòng)抽水蓄能系統(tǒng)中抽水泵組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，將不穩(wěn)定的電能轉(zhuǎn)化為抽水泵組的機(jī)械能；抽水泵組利用其機(jī)械能將水抽到高處的蓄水池，此過程又將抽水泵組的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成了水的勢能儲(chǔ)存起來；發(fā)電時(shí)，打開蓄水池的放水閘門使抽上去的水從高處蓄水池流下，推動(dòng)水力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，其間將水的勢能轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的電能供給，穩(wěn)定的電能通過變壓器轉(zhuǎn)化成功率為50Hz的電并入電網(wǎng)。

4 系統(tǒng)的影響因素

4.1 外部環(huán)境及約束條件

西藏的年均總輻射高達(dá)7560MJ/m2，白天年均的太陽幅射量大，太陽幅射強(qiáng)度強(qiáng)。除去太陽的升起與落下的過程外，日內(nèi)的太陽能分布規(guī)律極為相似。根據(jù)太陽能發(fā)電材料的光電效應(yīng)分析可以得出：現(xiàn)階段的有效發(fā)電時(shí)間僅僅與太陽能電池板對太陽能幅射的敏感程度有著密切的關(guān)聯(lián)。因此可近似按日內(nèi)不同光照強(qiáng)度的具體分布，找出對應(yīng)發(fā)電時(shí)間的起止點(diǎn)，起點(diǎn)和終點(diǎn)的時(shí)間間隔即可認(rèn)為是太陽能電池板對光的可感應(yīng)時(shí)間，同時(shí)也是太陽能電池板的日內(nèi)有效工作時(shí)間[5]。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的日內(nèi)有效工作時(shí)間具體體現(xiàn)在日內(nèi)各時(shí)段風(fēng)速的大小及風(fēng)向的持續(xù)穩(wěn)定性，可以通過類似于太陽能電池板的日內(nèi)有效工作時(shí)間的分析方法，找出對應(yīng)發(fā)電時(shí)間的起止點(diǎn)，確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)的日內(nèi)有效工作時(shí)間。

建立數(shù)學(xué)模型對太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的日內(nèi)有效工作時(shí)間T進(jìn)行描述：

式中：T為日內(nèi)有效工作時(shí)間；n為日內(nèi)發(fā)電周期數(shù)；Ti為日內(nèi)某一發(fā)電周期內(nèi)的有效工作時(shí)間；T1為某一發(fā)電周期內(nèi)的發(fā)電的開始時(shí)間；T2為某一發(fā)電周期內(nèi)的發(fā)電的結(jié)束時(shí)間。

與此同時(shí)，抽水蓄能系統(tǒng)要受當(dāng)?shù)氐膩硭俊⑺|(zhì)、可供水量和地形地勢等因素的限制，但本系統(tǒng)的蓄能發(fā)電用水可通過抽水泵組和水力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行從而構(gòu)成自身的水循環(huán)，大大節(jié)約了用水量，外部的水源供給主要作為工作期間的蒸發(fā)、滲透等水量損失的補(bǔ)充用水，由此可得，本系統(tǒng)對需水量的要求并不高。

通過對太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的日內(nèi)有效工作時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，可以確定太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、抽水泵組和水力發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量。

4.2 子系統(tǒng)間的相互關(guān)系

由于本系統(tǒng)的開發(fā)方式是利用了水能、風(fēng)能、太陽能三種能源在時(shí)空上分布的不均勻從而進(jìn)行互補(bǔ)開發(fā)的，因此系統(tǒng)必須滿足以下幾個(gè)條件：

（1）理想狀態(tài)下三種能源在能量轉(zhuǎn)換的過程應(yīng)保持能量的平衡。

建立數(shù)學(xué)模型對能量平衡進(jìn)行描述：

式中：th1、th2、ts、tw為抽水泵組、水力發(fā)電機(jī)組、太陽能、風(fēng)能的運(yùn)行時(shí)間，單位為h；ICh1、ICh2、ICs、ICw為抽水泵組、水力發(fā)電機(jī)組、太陽能、風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量，單位為KW；Ps、Pw、Ph1、Ph2為太陽能、風(fēng)能、抽水泵組、水力發(fā)電機(jī)組的能源利用效率。

（2）為保證系統(tǒng)內(nèi)的所有電能轉(zhuǎn)換為水的勢能，抽水泵組的裝機(jī)容量應(yīng)為各個(gè)周期中在同一時(shí)間段的太陽能和風(fēng)能輸入電能最大值之和。

建立數(shù)學(xué)模型對抽水泵組的裝機(jī)容量ICh1進(jìn)行描述：

（3）理想狀態(tài)下抽水蓄能系統(tǒng)的蓄能、發(fā)電過程中所構(gòu)成的自身水循環(huán)的總水量應(yīng)當(dāng)保持平衡狀態(tài)[5]。

式中：CPA為蓄水池的庫容；QI為蓄水池的總進(jìn)水量；QO為水力發(fā)電機(jī)組的總用水量；A為水庫死庫容；QS為利用太陽能發(fā)電系統(tǒng)的蓄水量；QW為利用風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的蓄水量。

通過配置各子系統(tǒng)間的合理容量，使它們相互匹配，達(dá)到最優(yōu)。既要盡可能的提高水能、風(fēng)能和太陽能的能源利用率，也不宜過多的增加投資，如若至此，開發(fā)一套多能互補(bǔ)抽水蓄能的發(fā)電系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)可行的。

5 系統(tǒng)作為獨(dú)立供電電源在西藏應(yīng)用評價(jià)

5.1 資源評價(jià)

西藏具有十分豐富的水能、太陽能、風(fēng)能等自然資源，但面臨著由于各種因素的限制導(dǎo)致不能運(yùn)行亦或運(yùn)用以上資源單獨(dú)發(fā)電都存在各自的缺陷。多能互補(bǔ)抽水蓄能系統(tǒng)能夠?qū)⑺堋L(fēng)能、太陽能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，彌補(bǔ)了風(fēng)能和太陽能發(fā)電系統(tǒng)由于氣候的季節(jié)性變化而產(chǎn)生的不必要的能源消耗和發(fā)電不穩(wěn)定的缺陷。

5.2 技術(shù)評價(jià)

風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)出力受來風(fēng)情況的影響，太陽能發(fā)電系統(tǒng)受云層情況的影響，都具有不連續(xù)性、不確定性和不可控性的特點(diǎn)[1]。風(fēng)能、太陽能發(fā)電系統(tǒng)的大規(guī)模并網(wǎng)將在較大程度上影響到西藏電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，其主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

安全性方面，由于西藏地區(qū)晝夜溫差大，天氣條件極不穩(wěn)定，加之風(fēng)能和太陽能發(fā)電系統(tǒng)具有不確定性和局部反調(diào)峰性，當(dāng)遇到有風(fēng)或晴天時(shí)瞬間大規(guī)模并網(wǎng)、遇到無風(fēng)或陰天時(shí)瞬間大規(guī)模停機(jī)，系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定性遭到影響的同時(shí)更對西藏電力系統(tǒng)造成非常大的沖擊[1]。

經(jīng)濟(jì)性方面，西藏的電源結(jié)構(gòu)以水電為主以其他清潔能源發(fā)電為輔。由于風(fēng)能和太陽能發(fā)電系統(tǒng)的出力受天氣條件影響巨大，其產(chǎn)生的不穩(wěn)定電能大規(guī)模接入電網(wǎng)致使用戶的供電質(zhì)量波動(dòng)較大。為保證西藏整體電網(wǎng)的供電質(zhì)量，則需要根據(jù)并網(wǎng)的風(fēng)能和太陽能發(fā)電系統(tǒng)波動(dòng)情況，增加相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組的裝機(jī)容量。風(fēng)能和太陽能發(fā)電系統(tǒng)上網(wǎng)的電量越多，旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組的裝機(jī)容量也隨之相應(yīng)的增大，從而導(dǎo)致電力系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)投入增加。

本系統(tǒng)有效地解決了這些問題：利用抽水蓄能的理念，將風(fēng)能和太陽能所產(chǎn)生的不穩(wěn)定電能為水泵抽水提供機(jī)械能，使能量通過水的勢能儲(chǔ)存起來。多能互補(bǔ)抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)可根據(jù)西藏用電負(fù)荷特征和資源條件進(jìn)行系統(tǒng)容量的合理配置，既可保證西藏地區(qū)系統(tǒng)供電的安全穩(wěn)定性，又可降低發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行成本，在很大程度上提高了社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)束語

西藏在以保護(hù)生態(tài)環(huán)境的理念下發(fā)展的必然趨勢是大力發(fā)展新能源，加強(qiáng)對新能源發(fā)電技術(shù)的研究是改善西藏電力供給結(jié)構(gòu)的重要組成部分。

（1）通過對多能互補(bǔ)抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)的分析，展現(xiàn)了這種多能互補(bǔ)開發(fā)方式突出的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。與傳統(tǒng)單純的水能、風(fēng)能和太陽能發(fā)電系統(tǒng)相比較，雖然成本略微升高，卻能夠解決西藏地區(qū)部分小水電站酷寒時(shí)期發(fā)電中斷和能源浪費(fèi)的問題，極大程度上提高了資源利用率并保護(hù)了當(dāng)?shù)氐淖匀簧鷳B(tài)環(huán)境。可以得出多能互補(bǔ)抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)可作為西藏的一種能源的利用方案，是西藏地區(qū)提高各能源有效利用率的有效途徑。

（2）提出了太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的日內(nèi)有效工作時(shí)段。應(yīng)用此概念根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)可以推算出水能、風(fēng)能、太陽能的互補(bǔ)開發(fā)系統(tǒng)中各部分容量配置的最優(yōu)值。同時(shí)，也可以在抽水蓄能電站的裝機(jī)容量為定值的條件下，尋求風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能電池板的最優(yōu)容量比值。

基于西藏得天獨(dú)厚的新能源分布優(yōu)勢及發(fā)電潛力對多能互補(bǔ)抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行理論上的初步探討，為西藏地區(qū)供電、用電體系的選擇提供相關(guān)的理論參考，為發(fā)展符合西藏特色的新能源利用模式的建立建言獻(xiàn)策。

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