海岛的电力是如何保障的?

天气逐渐转暖,好多小伙伴们都进入了度假模式,美丽的海岛往往都是度假的天堂,但是供电问题与大陆相比存在许多问题。究竟采取哪种海岛供电方式才是最合理的呢?下面小编就带你一探究竟。

一般来说,海岛供电模式主要分为两种:联网和离网。

对于中大型群岛而言,由于对电力需求总量和可靠性均有较高的要求,因此往往通过海缆与大陆联网。例如舟山群岛地区的舟山主网通过220kV和110kV海缆与大陆电网相连;嵊泗电网通过±50kV直流海缆与上海电网互联,与舟山主网通过110kV海缆互连。而对于其他偏远小岛而言,由于最大负荷有限、输送距离较远、岛屿面积狭窄,铺设海缆在技术与经济方面需要付出更大代价,因此更需要围绕可再生能源为核心,开发清洁可靠的海岛电网。

联网型

联网型的海岛电力输送一般需要敷设海底电缆,但有时距离不太远时也需要考虑架空大跨越,需要做技术经济比较。

2009年6月30日投运的海南跨海联网一回500千伏交流工程,是我国第一个超高压、长距离、大容量海底电缆工程。

海岛的电力是如何保障的?

该联网工程在两方面发挥了重要作用:一是联网工程相当程度上解决了长期困扰海南电网的“大机小网”难题,海南电网“N-1”故障稳态频率波动幅度从±0.5Hz降低到±0.2Hz;二是联网工程释放了海南300MW瓦级机组的发电能力,减少了海南电网对网内发电备用容量的需求,有助于海南水电、风电等清洁能源的充分利用。

虽然联网工程能够确保供电的可靠性,但也存在一些不足。

1)建设费用惊人。联网一期工程设计输电容量为600MW,由于海底电缆采购价的增加,工程总投资大幅增加,由可研阶段批复的约12亿元增加到实际投资约25亿元。

2)运行维护困难。海缆故障判别与定位、封堵与打捞、电缆头接续等抢修关键技术被国外几家公司垄断,工程采用的充油式海缆只能由耐克森公司修复,国内尚无具备海缆抢修技术和能力的单位。一旦出现海缆损坏事故,两端的油罐通过海缆中心的油道不断向外冒油,以防止海水渗入导致整根电缆报废,需要尽快找到故障点实施封堵与打捞。

离网型

海岛离网供电的趋势肯定还是以可再生能源为核心的微电网

按照这些海岛独立电网规模,可划分小型(数百千瓦)、中型(兆瓦级)与大型海岛电网。

对于小型独立电网,由于使用的内燃发电机惯性与备用容量均较小,因此限制了可再生能源的接入,对储能设备的特性与容量也有较高要求;而对于中型独立微网,由于一般采用了多台内燃发电机,可借助旋转发电设备自身的惯性吸收部瞬时变动,有利于减少储能设备容量,增强对风电和光电的接纳能力,提高整个海岛电网的经济性;对于大型海岛电网,其主要目标是检验兆瓦级风/光电接入后对原有海岛电网的影响,以及利用多种储能装置抑制光伏发电波动性的可能性。

海岛的电力是如何保障的?

▲典型海岛微网体系结构图

海岛如果未与大陆主电网链接,一般情况用电普遍需要依靠岛上的自备柴油发电机组,居民无法获得稳定可靠的电能,且对环境污染较大,对海岛居民的生产生活和海岛经济的长远发展造成极大影响。

打造包括太阳能发电、风力发电、海浪发电和蓄电池储能系统在内的全新分布式供电系统,与海岛原有的柴油发电系统和电网输配系统集成为一个智能微电网系统,将是解决离网型海岛用电难问题的有效途径。接下来就对在海岛上应用的新能源发电系统逐一进行剖析。

光伏发电

海岛,尤其是我国西沙、南沙群岛的岛礁,自然环境特别严酷:高温、高湿、高盐雾,金属设施在“天然腐蚀箱”环境中受腐蚀严重,即使是不锈钢器件也不能幸免。海岛光伏发电建设,设施设备防腐是首先必须解决的问题。在实际工程中,将光伏组件框架整体深度氧化加工工艺,可以解决边框截断处防腐能力薄弱的问题。此外,采取的措施还包括:做好组件边框和支架问的原电池防腐蚀隔离;电子电力线路板和裸露接头处涂敷823防腐漆;配电装置防护等级选用IP65以上。

在我国南海,台风频繁,风力超强。光伏组件安装在屋顶上,设计人员必须对光伏发电设施的防护予以足够重视。施工阶段,要注意将光伏组件框架和屋顶结构紧密联接固定,不能简单支撑固定在屋顶上,框架和屋顶之间不能留有空隙。光伏组件框架用材要有足够厚度和强度。根据实践经验,框架板厚不宜小于2.5mm,户外配电箱箱体宜为3mm厚的不锈钢并加防腐漆涂敷。

光伏发电系统结构设计应尽可能降低运输、施工、安装难度。运上海岛的所有系统设备、器材须由大船运至海岛附近,在海上倒驳至小船转运,风大浪高条件下两条船均处于漂浮状态,不仅组织实施难度较大,而且危险系数较高;此外,海岛施工机具条件有限,施工、安装困难重重。因此,海岛光伏发电系统建设方案要综合考虑运输、安装、工艺所需配套的设施设备,装置应尽可能实现小型化、组装化,单体设备最大重量不宜超过1 t,确保既能满足设计需要,又便于施工、安装。系统设计要实现“傻瓜”化、模块化。

岛上的人员往往专业技术力量有限,只能从事日常简单操作,对设备的检修维护较为困难。系统设计要尽量提高灵活性、可靠性和维修互换性。建议故障后直接更换模块维持运行,减少使用维护技术复杂、难度大的设备,优先选用可靠性高、维护简单的设备。

风力发电

风力发电可与光伏发电实现互补,但自然风波动很大。极不稳定,风能发电时有时无,电压时高时低,因此风光互补发电必须建立一个稳压系统,以确保其正常供电。此外,由于低于3m/S的风速能量太小,没有利用价值,而风速大于20 m/s时对风力发电机的破坏性很大,又很难利用,所以海岛通常只对3 20 m/s的风加以开发,小型风力发电机组启动风速较低,一般3 m/s以上就能发电。

海岛风力发电设计要注重安全可靠和环境适用性,必须保证在一些极端情况下能经受住考验,避免大风天气叶片“不翼而飞”,以及频繁更换零配件情况的发生。海岛风力发电一般选用水平轴高速螺旋桨式三相交流发电机。功率10 kW 以下。所发的三相交流电经安装于控制器中的整流装置后输出直流电,汇入直流母排。此种风力发电机具有结构简单、低速发电性能好、便于安装和维护等优点,尤其是对海岛无线通信干扰要比直流发电机小得多。相同功率的风力发电机。当启动和额定风速不一样时。在同等环境下其输出功率差距较大。因此风力发电机选型最重要的考虑因素是使其设计风速值与当地的风能资源匹配,与之达到最大吻合,不可简单地用风机“铭牌”标定的额定功率值直接作为选配依据。

海岛风光互补发电系统设备大都安装于室外,具备湿、高耸、突出等易受雷击特征,尤其是风力发电机塔架、风轮和轮毂高度至少十几米,遭受雷击屡见不鲜。特别是在海岛,伴随电闪雷鸣释放出巨大能量,不仅造成光伏组件、风力发电机叶片损坏,而且常常引起发电系统过电压,造成发电机击穿、控制设备烧毁、电气设备损坏等事故,甚至危及人身安全。因此 筹划系统建设方案时应注意做好防雷设计。

海浪发电

相比风能与太阳能技术,波浪能发电技术要落后十几年。但是波浪能具有其独特的优势,波能能量密度高,是风能的4~30倍;相比太阳能,波浪能不受天气影响。波浪能发电电源是利用波浪发电制作成的电源,为海洋传感节点供电具有诸多优点:

1)波浪能分布广泛且储量巨大,可就地取能。

2)波浪发电装置受海况与气候影响较低。研究利用波浪能发电,为海洋无线传感器节点提供长期的能量供给,具有十分重要的意义。

风与海面作用产生海浪,海浪能是以动能形式表现的水能资源之一。1977年,有人对世界各大洋平均波高1米、周期1秒的海浪进行推算,认为全球海浪能功率约为700亿千瓦,其中可开发利用的约为25亿千瓦,与潮汐能相近。海浪中蕴藏有如此丰富的能量,如将海浪的动能转化为电能,使制造灾难的惊涛骇浪为人类服务,是人们多年来梦寐以求的理想。

面临的问题

波浪能装置的总发电效率大都比较低,提高装置各级能量转换结构转换效率问题需要亟待解决。目前,波浪能发电仍存在诸多问题,如制造成本昂贵、装置可靠稳定性及并网等。波浪能发电难以与常规能源相竞争,但是对于不便于应用常规能源的场合,波浪发电在一定程度上具有特有的优越性与生命力。当前,海洋无线监测传感网中各节点仍大多采用传统化学电池供电,但是化学电池的使用寿命有限,需定期更换。恶劣复杂的海洋环境给数ift庞大的传感器节点电池更换造成了极大的困难,然而化学电池能量一旦耗尽,传感器节点无法正常工作,将会影响整体传感器网络的性能。

为解决一直困扰着海浪发电机设计和建造的各种问题,制造更先进的海浪发电机,欧洲海洋能源中心在英国政府的资助下建立了奥克尼海浪发电试验场。该试验场中安装有抗风暴的系泊设备和铠装电缆,使得安装和测试海浪发电机变得方便而廉价。现在,在奥克尼海浪发电试验场,欧洲海洋能源中心能同时安装四台海浪发电机,研究人员能够同时对不同的海浪发电机进行直接比较,这样就有可能挑选出最好的海浪发电机,从而以很低的成本产生出更多的电能。进一步说,在试验场里还有与电网相连的接入口,这样一来,实验测试用的海浪发电机在开始试验时就可能为研制者带来收益,从而降低了研制成本。

奥克尼海浪发电试验场的第一个用户可能是“海蛇”。“海蛇”是英国海洋电力设备公司研制的一款海浪发电机的别称。该公司正在利用欧洲海洋能源中心建造的750千瓦的“海蛇”海浪发电机的样机。“海蛇”的设计寿命为 15-20年,能经受住百年一遇的巨浪的冲击。

海上浮动核电站

相比于以上供电方式,海上浮动核电站是近几年才发展起来的。这种小型的、可移动式的核电站将陆上核电站的缩小版安装在船舶上,既可为偏远岛屿供应安全、有效的能源供给,也可为远洋作业的海上石油、天然气开采平台提供电力、热力和淡水资源,有用电需求时将电站拉过来,不需要便可用船将电站拉走。

提到海洋、核电站,很多人往往想到的还是其安全性。海上浮动核电站(也称浮动堆)究竟安不安全?其实,离岸小型模块化浮动堆的安全性优于目前在运的陆基核电站。首先,浮动堆功率较小,设计上采用更先进的理念,本身固有的安全性就很高。浮动堆处于远离陆地的海上,不易受地震和海啸影响,即便发生地震,震源的地震波也不会被海水传递。而且海洋本身也可以作为一个应急的散热器,在极端事故情况下,浮动堆可将海水引入船体内,阻止堆芯熔化进程,保证反应堆安全。由于浮动平台体积小,它们可被牵引到专门的场所进行集中维护和处理。

浮动核电站的技术原理其实并不神秘,只是将原本建造在陆地上的核电站安装在船舶平台上。但是,由于陆地和海上条件差异很大,相关的技术要求不尽相同,海上浮动核电站的设计、建造和运行都面临特殊的技术难题。

目前,中广核正在开展ACPR50S小型堆示范项目的初步设计工作,预计2017年启动示范项目建设,2020年建成发电。

ACPR50S海上小型堆的技术先进性体现在,采用模块化设计,易于现场安装、运行及换料检修;紧凑型布置,反应堆压力容器与蒸汽发生器之间采用短套管连接,基本消除大破口事故发生;基于大型压水堆成熟经验开展小型化设计,依托成熟核级设备供应链。

ACPR50S海上小堆采用全非能动安全系统,半潜式深吃水设计,海水可作为最终热阱,安全性上超过了三代核电安全标准。根据用户需求提供特定的热力及电力供应,小型堆可广泛应用于偏远海岛中小型电网、海水淡化、工业供热、居民供暖等领域。

由于海上浮动小型堆换料检修周期长,可长期运行、持续不断地进行电能、热能、海水淡化等综合能源供给,用于海上资源开发时比利用柴油发电机实惠得多。后者不仅功率小,且燃料补给困难、使用维护成本高。

在一些特殊需求上,比如为海岛供电,柴油发电机的电价高达每度电5块钱,小堆在经济上就有很好的竞争力。据相关资料,目前渤海海上石油开采所需能源为原油或有限的伴生气,原油发电成本大约2.0元/千瓦时,而海上核能发电成本约0.9元/千瓦时 。

一旦海上浮动核电站能够成熟应用,将成为海上最强的移动电源,可有效解决偏远岛礁供电问题。

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