摘要：從目前可再生能源的資源狀況和技術發(fā)展水平看，利用水能、風能、太陽能發(fā)電，最為現(xiàn)實，前景廣闊。三者互補結合是一條有效的途徑。水電與風—光互補結合，可對風—光并網(wǎng)發(fā)電和儲能提供強有力的支撐，水電的綠色環(huán)境效益和生態(tài)效益成為其開發(fā)追求的新目標。
關鍵詞：風力發(fā)電;光伏發(fā)電;水力發(fā)電;互補結合
1 引言
能源和環(huán)境是當前人類生存和發(fā)展迫切需要解決的問題。常規(guī)化石能源如煤炭、石油、天然氣等，儲量隨利用時間的增長而日益減少，且?guī)韲乐氐沫h(huán)境污染問題，大力發(fā)展可再生能源的任務愈發(fā)緊迫。從目前可再生能源的資源狀況和技術發(fā)展水平看，利用水能、風能、太陽能發(fā)電，最為現(xiàn)實，前景廣闊。三者互補結合是一條有效的途徑。但光伏發(fā)電的時間局限性和風能發(fā)電的不穩(wěn)定性是這兩種電源的固有缺陷，必須具有相當規(guī)模和調(diào)節(jié)性能良好的備用電源，風—光出力才能成為國民經(jīng)濟發(fā)展的依靠。水電是規(guī)模大、調(diào)節(jié)性能良好的電源，可以充分利用水庫的調(diào)節(jié)能力，克服光伏和風能發(fā)電不連續(xù)、不穩(wěn)定的缺點，確保供電質(zhì)量。
2 風光水互補發(fā)電
風電、光電主要由風力發(fā)電機組、太陽能光伏電池組、控制器、蓄電池、逆變器、交流直流負載等部分組成，系統(tǒng)結構圖1。該系統(tǒng)是集風能、太陽能及蓄電池等多種能源發(fā)電技術及系統(tǒng)智能控制技術為一體的復合可再生能源發(fā)電系統(tǒng)。圖1示出風光水互補發(fā)電系統(tǒng)結構示意圖。
圖1 風光水互補發(fā)電系統(tǒng)結構示意圖
風力發(fā)電部分是利用風力機將風能轉(zhuǎn)換為機械能，通過風力發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能，再通過控制器對蓄電池充電，經(jīng)過逆變器對負載供電;
光伏發(fā)電部分利用太陽能電池板的光伏效應將光能轉(zhuǎn)換為電能，然后對蓄電池充電，通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電對負載進行供電。
所謂的風、光、水互補，就是把風力發(fā)電站、光伏發(fā)電站和水電站組合成一個電源。風光發(fā)電站因為間歇性、波動性和隨機性常被認為是“垃圾電”，而水電站的水輪機組正好有快速調(diào)節(jié)能力，如果用水輪機的功率調(diào)節(jié)風電、光伏發(fā)電的波動，使得風光和水電站能穩(wěn)定出力，形成優(yōu)質(zhì)電源，很好滿足電網(wǎng)負荷穩(wěn)定運行的要求。
但真正地將風光水互補實現(xiàn)不是那么容易的事，世界公認的看法是：間歇性的風光能源在常規(guī)電網(wǎng)中不得超過20%，否則會影響電網(wǎng)的運行困難甚至崩潰，對于雅礱江特高壓輸送，要求輸出的穩(wěn)定性更高，因此風光水互補的應用主要基于以下幾種基礎和技術之上:中央控制系統(tǒng)、實時監(jiān)測網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)支撐平臺,聯(lián)合功率預測及應用支持系統(tǒng),集群運行優(yōu)化及安全穩(wěn)定防線系統(tǒng)。
3 風光可再生能源的發(fā)電前景
(1)風能的發(fā)電前景
風力發(fā)電包括小型離網(wǎng)運行風力發(fā)電和大型并網(wǎng)風力發(fā)電，是繼水電后技術最成熟、最具有大規(guī)模開發(fā)利用前景的可再生能源發(fā)電方式，具有清潔無污染、永不枯竭、基建周期短、裝機靈活等優(yōu)點。
據(jù)統(tǒng)計，我國陸地可利用風能資源3億千瓦，加上近岸海域可利用風能資源，共計約10億千瓦，比水力總蘊藏量6.94億千瓦還多。風能資源主要分布兩大風帶：一是“三北地區(qū)”(東北、華北北部和西北地區(qū));二是東部沿海陸地、島嶼及近岸海域?！犊稍偕茉粗虚L期發(fā)展規(guī)劃》指出，在具備規(guī)?；_發(fā)條件的地區(qū)，進行集中連片開發(fā)，建成若干個風電大省、數(shù)個百萬千瓦級大型風電基地;到2020年全國風電總裝機容量達到3000萬千瓦。目前，我國規(guī)劃在甘肅、新疆、河北、吉林、內(nèi)蒙古、江蘇6個省區(qū)建設7個千萬千瓦級風電基地。
隨著風電技術的進步和規(guī)模的擴大，風電成本已接近常規(guī)能源，是近期最有市場的非水可再生能源,在今后相當長的時期內(nèi)將會保持較快發(fā)展。
到目前為止，我國已成為了全球排行第二的風力發(fā)電風電容量，在國內(nèi)東北、華北和東南沿海地區(qū)都有大規(guī)模開發(fā)建設，國內(nèi)風力發(fā)電站是實現(xiàn)集中連片式地開發(fā)建設，能夠開發(fā)出百萬千瓦的風電基地。隨著國內(nèi)風電技術的日益成熟，風電規(guī)模擴大，風電設施運行成本接近了常規(guī)性能源，而且在未來一段時間內(nèi)，會保持著快速增長發(fā)展態(tài)勢。
(2)光伏發(fā)電的前景
光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應原理，利用太陽能電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能，具有許多優(yōu)點，如無噪聲、無污染、無燃料消耗，能量隨處可得，維護簡便等。光伏發(fā)電最初作為獨立的分散電源使用，近年來規(guī)模逐漸增大，包括離、并網(wǎng)兩種類型，其中并網(wǎng)光伏增長尤為迅速。
我國擁有太陽能資源豐富，每年日照強度達到6000兆焦耳每平方米，但是當前國內(nèi)的光伏發(fā)電總體還處于起步階段，整體發(fā)電成本比較高。國內(nèi)光伏發(fā)電所產(chǎn)生電能與常規(guī)煤炭資源發(fā)電量不能夠相比，如果太陽發(fā)電設施成本降下來，那么就會得到更廣泛的應用。
一旦光伏發(fā)電的成本下降，將會得到大規(guī)模的應用。屆時，光伏發(fā)電不但會替代部分常規(guī)能源，還將發(fā)揮出巨大的環(huán)境效益。根據(jù)《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，在甘肅敦煌和西藏拉薩(或阿里)建設大型并網(wǎng)型太陽能電站示范項目;到2020年，我國大型太陽能并網(wǎng)光伏電站總?cè)萘繉⑦_到20萬千瓦。
光伏發(fā)電產(chǎn)生電能是可以再生利用能源，太陽能也是取之不盡的。在社會上大力推廣發(fā)展光伏發(fā)電，并大規(guī)模使用太陽能光板，能夠逐步緩解社會上煤炭資源消耗，減省化石燃料燃燒帶來的環(huán)境污染，光伏發(fā)電規(guī)模擴大，就會替代過去傳統(tǒng)的化石燃料，還可以發(fā)揮出巨大環(huán)境效能。
4 風能和光伏發(fā)電的問題分析
(1)大規(guī)模開發(fā)，占地面積較大
太陽光輻射在地面上最大功率會小于1000瓦每平方米。能量會小于8瓦每平方米。太陽能轉(zhuǎn)換為電能，也會出現(xiàn)損耗能量的問題，在每平方米，有效功率約為100瓦，而全年發(fā)電量為230千瓦小時。
風力發(fā)電單機設備容量小，陸地風力發(fā)電場大多數(shù)風機單機容量為1200～2000千瓦，風力發(fā)電機間距大，因此大規(guī)模風力發(fā)電和光伏電站要占有大量的面積。
(2)供電的不連續(xù)性和不穩(wěn)定性
太陽和風能發(fā)電，會受到外界風力、云層厚度、晝夜開關變化等因素的影響，因此發(fā)電具有間歇性、隨機性的特征，隨著國內(nèi)能源產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整、風力發(fā)電和太陽能供電比例在不斷擴大，供電具有階段性和不穩(wěn)定性，給供電網(wǎng)絡穩(wěn)定運行帶來比較大的影響。通過對美國電網(wǎng)運行進行估計分析，發(fā)現(xiàn)非水再生的能源發(fā)電量比例到23%,要通過一定煤電來調(diào)節(jié)。當比例達到35%,需要更大量的煤電來參與調(diào)峰。
(3)電量儲存的問題
對于小型離網(wǎng)運行的風電和光伏電系統(tǒng)，為了保證電力持續(xù)穩(wěn)健的供電，還需要配備足額電力儲能設備，比如各類型化學蓄電池設備、化學儲能設施，但設備應用也受到一些限制，不能夠為大中型風電光伏發(fā)電系統(tǒng)提供支持。相比常規(guī)的水電站、抽水蓄能電站技術相對比較成熟，要有相應的裝機規(guī)模和調(diào)節(jié)庫容的措施，可為風電和光伏發(fā)電提供支撐。
(4)并網(wǎng)問題
光伏發(fā)電和風力發(fā)電并網(wǎng)是未來新能源發(fā)展新趨勢，社會企業(yè)也建設大規(guī)模的風光發(fā)電設施，過去風力發(fā)電光能發(fā)電都有不連續(xù)性，而且供電的比重也會逐步上升，電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻壓力增大，這就給電力系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、電源和電網(wǎng)規(guī)劃等方面帶來一定的影響。
(5)環(huán)境問題
光伏發(fā)電與風力發(fā)電也存在一定的環(huán)境問題，前者在生產(chǎn)太陽能電池板的過程中所所耗電能的比率較大，后者風輪的旋轉(zhuǎn)及噪聲也對飛鳥和人群產(chǎn)生影響。
5 風—光—水協(xié)調(diào)發(fā)展互補優(yōu)化
(1)風光水互補發(fā)電
通過系統(tǒng)優(yōu)化，可以做到風—光—水立體化的三元互補發(fā)電融合，即在某一發(fā)電方式欠缺不足時，由其他發(fā)電方式來補充。
風—光—水三者之間存在著一定程度的天然互補性。(1)從時間上講，白天太陽光強，夜間風大;夏季陽光照射強度大，風力偏弱;冬春季節(jié)風力大，光照弱。(2)從地域上講，國內(nèi)不同省份，風能分布狀況如下，西部地區(qū)青海、西藏地區(qū)有著充足的太陽光照射，但是風能資源偏弱;在甘肅地區(qū)的光照資源雖遜于前二者，但風能資源儲備量大;在西北、華北、東北等內(nèi)陸區(qū)域風力資源多，在冬季、春季，風儲能量大，然而夏季和秋季的風力偏小，但是在夏季、秋季，水能資源相對豐富，與冬春季枯水正好形成互補特性。這樣就形成了風能、光能和水能之間的互補，構建起一個風—光—水互補系統(tǒng)，為其提供了必要自然條件。
(2)水電站開發(fā)的新目標，對大型風光發(fā)電的調(diào)節(jié)支持
風力發(fā)電、光發(fā)電與水力發(fā)電相協(xié)調(diào)，可大規(guī)模地使用，但使用起來也有一定的缺點，水力發(fā)電站就是在大型河流位置上建設水利工程，但是目前國內(nèi)水利工程建設會影響到周邊的生態(tài)環(huán)境。在風力發(fā)電站建設初期要尋找標準支撐。在發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)，有一個對等水力發(fā)電系統(tǒng)，水電站發(fā)電目標與傳統(tǒng)火電站發(fā)展發(fā)電目標不一樣，水力發(fā)電成為了風—光能源發(fā)電的重要補充組成，它也成為了為新能源提供效益必備基礎條件，而且新能源環(huán)境效益成為了水力發(fā)電的重要發(fā)展目的。
水電開發(fā)可對大型風光發(fā)電提供調(diào)節(jié)與支撐。百萬千瓦級的風力發(fā)電和光伏發(fā)電站只能與水電協(xié)調(diào)發(fā)展，才能得以大規(guī)模應用，否則，其固有的缺點將制約其大力發(fā)展。
依照國外的相關經(jīng)驗，風、光電站在建設之初，就應當尋找其支撐伙伴，如系統(tǒng)內(nèi)需要一個對等規(guī)模的水力發(fā)電系統(tǒng)。盡管同樣是供電，該水電站“發(fā)電”的開發(fā)目標就與傳統(tǒng)“發(fā)電”的開發(fā)目標不一樣了，它成為大型風(光)發(fā)電的調(diào)節(jié)、支撐條件，具有為新能源提供基礎條件的效益。鑒于此，新能源的環(huán)境效益也應當為水力發(fā)電分一杯羹，盡管水力發(fā)電本身就是清潔可再生的。
此外，假如太陽能發(fā)電的夜間缺位是由水電來補足的，那么，夜間低谷時段的低電價將使得水電成為犧牲的對象，對此必須在政策層面予以研究解決。
根據(jù)2003年全國水力資源復查成果，我國水能資源可開發(fā)水力發(fā)電裝機容量為5.4億千瓦，年發(fā)電量2.47萬億千瓦時。計劃到2020年，水力發(fā)電裝機容量將達到3.8億千瓦。我國豐富的水力資源為發(fā)展大型風電、光伏發(fā)電提供了條件，國家應結合地區(qū)的資源優(yōu)勢進行統(tǒng)籌規(guī)劃。
我國有著豐富的水資源，也要給國內(nèi)風電—光伏發(fā)電提供了條件支撐，國家政府統(tǒng)籌不同地區(qū)的資源，在青海內(nèi)，就形成了水力發(fā)電和光伏發(fā)電的互補，將水力發(fā)電站建設與黃河裝機容量達到了1100萬千瓦，而且太陽光能資源比較豐富，有著大片荒漠土地。甘肅風電資源豐富，在河西走廊建設風力發(fā)電設施，打造路上的三峽工程，將其作為新能源開發(fā)的重要發(fā)展戰(zhàn)略目標，在甘肅、青海等省份建立風—光—水的能源基地。
(3)抽水蓄能可對風、光發(fā)電提供儲能支撐
抽水蓄能可對風、光發(fā)電提供儲能支撐。隨著非水可再生能源的開發(fā)，風光互補抽水蓄能是一個發(fā)展趨勢。實踐表明，抽水蓄能發(fā)電站是滿足電力系統(tǒng)運行負荷劇烈變化的理想手段。研究認為，電力系統(tǒng)內(nèi)最好有10%的抽水蓄能發(fā)電站，這可以極大地提高電力系統(tǒng)的質(zhì)量，目前我國抽水蓄能的水力發(fā)電裝機比例尚很小。如果大力發(fā)展風光水互補，抽水蓄能的前景將更加廣闊。
據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，除常規(guī)機組外，抽水蓄能是現(xiàn)階段儲蓄風光出力的最現(xiàn)實的方式。抽水蓄能發(fā)電站的建設需要地形條件和水源條件，但對水量的要求并不大，只要水源足以補給因蒸發(fā)滲漏所導致的損耗即可。抽水蓄能的規(guī)模未必需要做得很大，只要能夠同風光電站配合就可以了?？紤]到與離網(wǎng)光伏、風電站配合，要重視小型抽水蓄能電站的建設。
6 結束語
國內(nèi)水力發(fā)電、光伏發(fā)電和風力發(fā)電，三種發(fā)電方式相互并行運行，能夠集成不同發(fā)電的優(yōu)勢，形成了一體化的多能互補能源開發(fā)新模式，調(diào)整國內(nèi)能源結構，大力發(fā)展光伏發(fā)電和風力發(fā)電，連傳統(tǒng)的水力發(fā)電，與之形成了水電與光伏發(fā)電、風力發(fā)電的互補，也為風—光并網(wǎng)發(fā)電儲能，提供了強有力的保障支持。水力發(fā)電本身也是可再生的,也是對非水可再生清潔能源的有效支撐，能夠突出展現(xiàn)出雙重的綠色可再生發(fā)電的效應，也是一類重要生態(tài)能源。抽水蓄能發(fā)電站在平衡非水可再生能源的供電穩(wěn)定方面，有著更好的儲能效果，而且是新能源發(fā)展的一個新方向。
參考文獻
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