可與離岸風(fēng)電光伏電配套的海水抽水蓄能電站探討

李明陽 柴建峰* 凌 超

(國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京 100161)

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·水·暖·電·

可與離岸風(fēng)電光伏電配套的海水抽水蓄能電站探討

李明陽 柴建峰* 凌 超

(國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京 100161)

結(jié)合我國海島的地形地貌特點(diǎn)，探討了與風(fēng)電、光伏發(fā)電等可配套的海水抽水蓄能電站用于調(diào)峰填谷的作用，指出在島嶼周邊利用沉箱/沉管形成下水庫，采用低水頭、大流量的貫流式水輪機(jī)抽排其內(nèi)一定量的海水體作為抽水蓄能電站能量轉(zhuǎn)化的載體，不僅有利于高效利用風(fēng)電等清潔能源，且沉箱/沉管上覆蓋土壤還可作為生產(chǎn)生活用地。

海水抽水蓄能電站，光伏發(fā)電，貫流式水輪機(jī)，發(fā)電系統(tǒng)

目前，儲存能量、調(diào)峰填谷的形式有多種，其中抽水蓄能是當(dāng)前最經(jīng)濟(jì)、最成熟的大規(guī)模儲能和調(diào)節(jié)手段。常規(guī)抽水蓄能電站主要由上水庫、引水發(fā)電系統(tǒng)和下水庫組成，在電力系統(tǒng)高峰負(fù)荷時，利用上水庫的水通過引水系統(tǒng)管道等設(shè)施，將上水庫水的重力勢能轉(zhuǎn)變成動能推動水輪機(jī)發(fā)電。在用電低谷時，將下水庫的水再通過引水系統(tǒng)管道等設(shè)施抽回上水庫蓄積起來。一般上水庫位于高聳的山頂，人工擴(kuò)挖成庫。

我國南海中的海島，多為珊瑚礁構(gòu)成的島、礁、灘、沙和暗沙等，高程低，缺少修建常規(guī)抽水蓄能電站的天然地形地貌條件。離岸島礁風(fēng)能豐富、光照條件好，風(fēng)電和光伏發(fā)電可為海洋油氣開發(fā)及偏遠(yuǎn)島嶼開發(fā)和建設(shè)提供經(jīng)濟(jì)廉價的電力供給，但風(fēng)、光電受氣候條件影響大，無風(fēng)時或黑夜時電力供給又得不到保證。抽水蓄能電站在儲存能量和調(diào)峰填谷方面有較大的優(yōu)勢，可見探討與離岸風(fēng)電、光伏等清潔能源相配套的海水抽蓄電站具有一定的前瞻性和必要性。

以下根據(jù)我國南海島嶼地形和地貌之特征，結(jié)合島嶼填筑等開發(fā)工程，探討通過沉管/沉箱形成一個封閉的下沉蓄水池，將其作為抽水蓄能電站的下庫，用于調(diào)節(jié)風(fēng)電、光伏發(fā)電系統(tǒng)。

1 常規(guī)海水抽水蓄能電站介紹

1.1 日本沖繩山原抽水蓄能電站[1,2]

世界上首座海水抽水蓄能電站是日本1999年建成并運(yùn)行的沖繩山原抽水蓄能電站，電站位于日本沖繩本島北部，是利用太平洋作為下庫，裝機(jī)容量30 MW，額定水頭136 m。

上庫的建設(shè)場地是一處高程為150 m～170 m的小臺地，距海岸線約600 m。上庫有效庫容56.4萬m3，壓力管道、廠房和尾水管均為地下布置，地下廠房埋深150 m，長41 m，寬17 m，高32 m，是一座試驗(yàn)性的抽水蓄能電站。上庫從蓄水開始到蓄滿為止需要6 h，可供8 h發(fā)電用，發(fā)電效率將近70%。

1999年3月開始試運(yùn)行，并入沖繩本島電網(wǎng)，工程已經(jīng)運(yùn)行了11年多時間，為沖繩本島電網(wǎng)的負(fù)荷平衡和頻率穩(wěn)定起到了重要作用，2016年已停運(yùn)。該電站運(yùn)營狀況和監(jiān)測資料，很難從國內(nèi)文獻(xiàn)中收集到。

1.2 排水型海水蓄能電站

由于我國南海中的海島，多為珊瑚礁構(gòu)成的島、礁、灘、沙和暗沙。尤其是后期填筑或擴(kuò)大的島嶼，相對缺少修建常規(guī)抽水蓄能電站的地貌地形條件，這里所謂的常規(guī)，即在山頂?shù)认鄬Ω呗柕膮^(qū)域修建上庫。

侯平利(2015)提出在天然海灣采用攔水壩建造水庫，將海灣分為外部海洋及壩內(nèi)水庫，利用排水泵對水庫進(jìn)行排水以降低水位，而壩外海洋水位不變，從而獲得與壩外海洋水面的水位差進(jìn)行蓄能，并提供一定的水頭供水輪機(jī)發(fā)電[3]，文獻(xiàn)[3]對海水蓄能電站的開發(fā)具有重要意義。

考慮到我國沿海現(xiàn)今灘涂開發(fā)利用程度較高，海灣排水型蓄能電站專用庫選址有一定的難度，加之考慮風(fēng)電、光伏發(fā)電和珊瑚礁型島嶼的特點(diǎn)，選擇天然海灣修筑攔水壩形成下庫，在選址方面可能存有一些難度。

2 沉管/沉箱海水抽水蓄能電站

2.1 方案概述

根據(jù)我國南海島嶼地形、地貌和地質(zhì)特征，探討結(jié)合島嶼開發(fā)填筑工程，下沉混凝土沉管/沉箱等構(gòu)筑物形成一個封閉蓄水池，將封閉蓄水池作為抽水蓄能電站的下水庫(抽水蓄能專用庫)，上庫則為無限大的大海。采用低水頭、大流量的貫流式水輪機(jī)抽排其內(nèi)一定量的海水體作為抽水蓄能電站能量轉(zhuǎn)化的載體。

2.2 技術(shù)方案

圖1和圖2為方案示意圖。風(fēng)電、光伏等電力有剩余時，可連接水泵將沉管/沉箱蓄水池(下水庫)中海水抽出，形成水位差和有效庫容。需要電力補(bǔ)償時，由于蓄水池和海洋存在水位差，外側(cè)高高程海水推動貫流式水輪機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量和蓄水池大小由島嶼用電負(fù)荷、風(fēng)電光伏電的裝機(jī)容量綜合決定。

抽水系統(tǒng)由風(fēng)電、光伏等供電段和抽水泵組成，通過柔性或固定線纜連接，當(dāng)供電端發(fā)電量富裕時，啟動抽水泵，抽排沉管/沉箱海水抽蓄專用庫中的海水，形成有效庫容和水位差。抽水系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)為相互獨(dú)立系統(tǒng)。

發(fā)電系統(tǒng)，由貫流式水輪機(jī)組、變壓器和開關(guān)站組成，也通過線纜連接。需要電力供給時，專用庫外海水沖擊貫流式發(fā)電機(jī)組發(fā)電，所發(fā)電經(jīng)過變壓器處理，最終通過開關(guān)站為島上用戶提供穩(wěn)定電力。變壓器和開關(guān)站可放置在島上(見圖3)。

2.3 實(shí)施方案

可結(jié)合島嶼填筑開發(fā)等工程，通過下沉沉箱形成一個封閉的蓄水池(下水庫，即海水抽蓄專用庫)，上庫則為無限大的大海，蓄水池內(nèi)一定規(guī)模的海水體作為抽水蓄能電站能量轉(zhuǎn)化的載體。

由于沉管/沉箱主要涉及抗浮工程問題，對基底地層的強(qiáng)度要求較低，保證其均勻平整即可，下部巖土體可不做特殊地基處理。同時在沉管/沉箱上覆蓋土壤進(jìn)行壓重處理，所形成的場地還可作為生活生產(chǎn)用地。沉管/沉箱周圍也可通過拋石吹填等形成保護(hù)措施。

水輪機(jī)的選型：借鑒潮汐發(fā)電中應(yīng)用的低水頭、大流量的貫流式水輪機(jī)。

3 結(jié)語

離岸島礁的風(fēng)電、光伏電等清潔能源和抽排海水抽水蓄能電站結(jié)合，不僅可提高清潔能源的利用效率，同時在沉管/沉箱上覆蓋土壤，還可以增加島礁的生產(chǎn)和生活用地。除了預(yù)制好沉管/沉箱下沉施工外，也可先行圍堰抽排海水，形成干法施工場地，其施工工藝類似地下車庫的修建。

[1] 邱彬如.世界抽水蓄能電站新發(fā)展[M].北京：中國電力出版社,2006.

[2] 張文泉,何永秀.海水抽水蓄能發(fā)電技術(shù)[J].中國電力,1998,31(11)：16-17.

[3] 中廣核工程有限公司，中國廣核集團(tuán)有限公司.排水蓄能電站：ZL201520043551.6[P].2015-01-21.

Brief analysis on offshore wind power, photovoltaic power and seat water pumped storage station

Li Mingyang Chai Jianfeng* Ling Chao

(TechnologyCenter,StateGridXinyuanCompanyLtd,Beijing100161,China)

According to the landform characteristics of islands of the south China sea, analyses the seat water pumped storage station which can been supporting project for the marine offshore wind power, photovoltaic power, to undertake the tasks of filling valley and modulating peak lake surrounded by reclamation engineering can been used as the lower storage reservoir for pumped storage station, by pump to pump water of reservoir up into the sea that feed the tubular turbine. The station is beneficial to the efficient use of wind power and other clean energy, and can brings more land for production and living when immersed tube covered soil.

seat water pumped storage station, photovoltaic power generation, tubular turbine, generating system

1009-6825(2017)06-0135-02

2016-12-14

李明陽(1985- )，男，工程師

柴建峰(1977- )，男，博士，高級工程師

TV731

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