多能源组合供电系统的优化研究

多能源组合供电系统的优化研究

由于可选能源的相对便利性（风能机械能势能），人们对未来新能源系统的作用表示担忧。随着对空气天气技术的深入研究，风扇的成本为1000kg，一台功率为5mw。1风能/氢能转化技术电是当今世界广泛使用的能源载体之一。氢是另一种洁净、高效、通用的能源载体。这两种能源载体的结合可以满足所有能源形式的需求,并且能形成一个持久、独立的能源系统。氢所具有的许多独特性质使其成为理想的能源载体。氢和电能以较高的效率转换;氢的制造原材料———水很丰富,并且由于氢使用后产生的是水,所以氢是完全可再生燃料;氢能以多种形式存储,气体形式———便于大规模存储,液体形式———便于空、天运输,金属氢化物———便于地面车辆和其它小量所需的存储;氢能通过管道或储存罐远距离传输;它的生产、储存、传输以及使用不会产生破坏大气层的污染物。利用风能产生电、制造氢的未来风能/氢能转化模式有以下几种,独立于电网的风能/氢能生产;电网辅助风能/氢能生产;风能供电网后富裕部分用于氢能生产;连接电网的、集成的风能/氢能利用能源系统;独立集成的风能/氢能利用能源系统(图1)。2典型的混合多能源组合系统风能固有的缺点之一就是风速的间歇性。对于一些不易于铺设电网的偏远地区,风能和太阳能是组成独立能源系统的一个可选方案。对于多能源组合供电系统,为追求最小成本,优化问题较为重要。较典型的混合多能源组合供电系统如图2所示。该系统由风力发电机、太阳能光电板、可充电电池、辅助柴油发电机组成。优化问题主要由目标函数和一些限制条件组成,其通用形式为:目标函数f(x)表示系统运行成本和发电机燃料消耗;h(x)、g(x)表示系统需考虑的一些限制条件,包括设计标准、用户需求和一些组件的物理限制等。优化的方法主要有:单变量优化;多变量优化;线性编程;非线性编程;动态编程;整数、混合整数编程和随机编程。通过对优化算法的研究,较好地解决了多能源组合供电系统的优化组合问题,可降低使用成本。3沿海风力发电系统风力发电机正向大型化和小型化两端发展。如:日本神钢电机公司的小型风力发电系统已进入普通百姓家,价格20～30万日元,在月平均风速7m左右的沿海地区,该风机月发电260kWh左右,基本可满足日本一个4口之家使用,小型风力发电系统在家庭应用领域的市场前景看好。在大型化发展方面,由于陆地土地资源宝贵,并且通常风力资源地处偏僻地区,这使风电传输成本增高。近年来,由于沿海近岸良好的风力资源环境,海上风力发电系统的设计开发有了很大发展,美国设计了新型沿海近岸大型风机(图3)。要产生10MW的输出,按12m/s额定风速,需要主转子直径约200mm,主转子外缘速度达到56m/s,主转子叶片弦长3m,叶片数量10个。主转子采用张线固定,其主轴迎风顶端支撑在直径300mm的支撑塔杆上,塔杆固定在海床上;主轴末端由小型飞艇悬挂,海面上浮船绞盘钢索拉住保持平衡,或采用海面上三角悬浮支撑方式。这样,主转子就可以随来风变化绕顶端旋转。主旋翼叶片由7段组成,最外段安装有4个直径3.6m的风机。如此设计的一个10MW沿海近岸大型风力发电系统,装机成本$560/kW,而陆上平均装机成本约$1000/kW,并且陆上通常风也要小得多。近岸海上风力资源开发在欧美取得了成功,欧洲未来风力发电增长的很大部分将来源于海上,美国能源部也制定了风力资源深海发展战略,将海上油、气开发技术经验与近岸浅水(0～30m)风能开发技术相结合,开展深海(50～200m)风能开发研究。海上风力资源的开发已成为欧美关注的焦点。4低风速风机技术风能的开发利用需要不断降低成本,提高风能竞争力。美国能源部风能发展计划通过不断提高风力机技术,已使风能成本从0.8$/kWh降低到0.04～0.06$/kWh。研究表明,风能成本还可降低30%到50%。美国能源部风能发展计划目标是:2004年,在6级风区,即离地面10m高处的年平均风速为6.7m/s的地区,风能成本达到0.03$/kWh;2010年,在4级风区,即离地面10m高处的年平均风速为5.8m/s的地区,风能成本达到0.03$/kWh。这些目标的实现是以大量科研研究为基础的。(1)低风速风机技术研究目前风机技术大都是针对较高风速开发研究的,而高风速区往往又是偏僻的内陆,这就加大了风电的传输成本。低风速风机技术的发展,将扩大风电的可利用区域,减小风电传输成本。低风速风机技术包括发展较高的塔杆、较轻的新材料、大尺度旋翼、提高旋翼翼型转换效率、改进控制效率等。(2)风机叶片翼型设计技术研究风机桨叶是捕获风能的重要部件,针对风机功率、使用环境等不同,国外在大型低速风洞中进行了大量翼型研究工作,建立了翼型实验数据库,发展了翼型和桨叶设计计算程序,并且利用大型低速风洞实验结果改进和修正计算方法。(3)桨叶的非定常空气动力学研究在自然环境中,风是紊乱的,研究风机时我们很难将风机的结构动态响应与非定常内流分离开来。因此,有必要在大型全尺寸风洞中,利用风洞的可控风环境,测量研究风机的性能。美国国家可再生能源实验室(NREL)与NASA合作,利用80×120英尺全尺寸风洞开展了桨叶直径10m、20kW风机的非定常气动力试验研究。在不同风速下,进行了桨叶、桨毂、塔杆的气动力和结构响应研究,模型实验状态超过了1700种。在桨叶翼尖部,安装了烟流发生器,观察风机后流场情况。风机气动力研究与风洞中进行的旋翼机研究有相似和可借鉴之处,NREL与NASA联合,利用NASA的直升机旋翼计算模型,研究改进计算方法。(4)桨叶噪声抑制技术研究风机噪声抑制技术研究已引起噪声研究人员的关注,主要原因有两个:一是随着风能利用技术的发展,风场规模扩大,风机已移近人口居住地密集区;二是风机噪声对噪声研究工作者是一个实实在在的挑战。因为风机桨叶外型已经比较流线光顺,但依然存在噪声,所以引起人们的研究兴趣。风机噪声主要包括:低频噪声、桨叶翼型固有噪声、内流的湍流噪声、后缘噪声等。利用风洞声学测量技术和航空声学研究成果,探索风机噪声估算方法,研究桨叶噪声抑制技术,可有效降低风机噪声(图4)。5中国风电开发的潜力我国是发展中国家,是能源消耗大国,开发多种能源体系,特别是清洁的可再生能源,对可持续发展具有重要意义。我