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多种电力资源组合“养育”未来电网

更新时间:2011-04-02
能源结构的重大变革,将给未来电网带来一系列重大挑战。如何从改变电网的结构和运行模式等方面入手,解决未来电网发展中的关键技术问题,就成为一个值得深入研究和探讨的问题。如果将大量的多种电力资源“打包”在一起,则资源的互补性可以使得“电力包”成为相对稳定和可控的资源。
 未来电网各种电力资源的互补性主要体现在以下几个方面:
时间上的互补性
 一些资源只在某一时段可获得,而另外一些资源则在另一些时段显得更加充足或在另一些时段根据需求被利用起来。由于时差的原因,东西部地区的太阳能就具有时间上的互补性。水电资源具有一定的可控性,可以通过调节水电站的发电功率和库容量来实现对太阳能或风能的补偿作用。例如,在24小时之内,可在风能和太阳能等充足的时候,适当减少水电功率并增加库容量;而在太阳能和风能减少的时候,适当增加水电功率。生物质能相对于其他可再生能源而言,具有更好的时间上的互补性,因为生物质能是一种可以大量储存的能源资源,只要任何时候缺少来自太阳能和风能的电力,均可以启动生物质能发电来予以补充。
 我国水电资源的理论储量为6.88亿千瓦,技术上可以开发利用的水电资源总量达到5.4亿千瓦,经济上可开发量达到4亿千瓦(相当于2010年发电总装机的40%),目前已开发的水电总装机超过了2亿千瓦,仍有很大的开发潜力。2010年,我国可以利用的各种生物质资源相当于3亿吨标准煤。据估计,到2050年,可利用的生物质能将达到10亿吨标准煤。按照年满发5500小时计算的话,就可以发电约5亿千瓦;如果只作为旋转备用的话,可以安装的生物质发电装机将大大高于5亿千瓦。据严陆光院士等研究报告的预测,到2050年,我国的总发电装机将达到24亿千瓦。即使2050年我国太阳能发电与风力发电的装机分别达到5亿千瓦和4亿千瓦,水电和生物质能在时间上可以与太阳能和风能等形成很好的互补,实际上可以起到大容量储能系统的作用。
空间上的互补性
 所谓空间上的互补性,是指在同一时刻不同地点的能源资源具有互补性。在可再生能源中,风能是最不稳定的能源。德国的有关研究表明:对单个风电场的24小时预测误差达到15%,单个控制区(400×400km)的误差则为7.5%~10%,而全德国(650×800km)的误差仅为5%~6.5%,这说明范围越大则资源互补性越强。美国特拉华大学和纽约石溪大学最近发表了有关不同地点风力的研究数据,美国东部沿海跨度达2500公里的11个气象站近5年的风力统计数据表明:尽管每一个观测点的风力出现很大的不稳定性,但如果利用输电线路将建立在这11个地点的风电场全部连起来作为一个统一的风电场,则很少会出现低功率或者满发的情况。与单个风电场相比,11个风电场的总功率变化会显得比较缓慢,而且永远不会出现没有风电的情况。由此可见,如果将大范围内的风电场联成一个统一的整体,其发电功率具有显著的互补性。
不同发电方式之间的互补性
 不同的可再生能源发电方式,其输出响应特性也不尽相同,这在形式上也可以表现为互补性。例如,光伏发电功率受光强度的变化而实时变化;而对于太阳能热发电来说,则由于热力系统的惯性时间常数较大,其发电功率不仅不会随光照强度变化而实时变化,而且还可以通过短时调节换热功率而调节其输出功率,因为热力系统可以储存部分热量。同样,对于风力发电来说,不同类型风力发电机的启动风速不尽相同。此外,不同高度下,单位面积的有效风功率也不同。因此,如果在同一风电场采用不同类型的风机并实施统一协调控制,则可以使整个风电场的功率输出变得更加平滑一些。
电动汽车的动力电池是未来电网中主要的负荷之一,事实上,这种负荷也同样可以看成是电源资源。因为,我们可以在风能或太阳能比较充足的时候提高充电速度,而在它们相对少的时候降低充电速度甚至向电网回馈部分电力,则充电系统可以起到平滑电网电源功率的作用。这里,我们认为换电池模式是未来电动汽车充电的主要模式,因此电动汽车电池充电系统可以根据电网的实际情况变化来充电。
 据估计,我国现有汽车保有量约8500万辆,到2020年,我国汽车保有量将达到1.5亿辆。如果按照2050年我国汽车保有量达到4亿辆计算,其中一半是电动汽车(即2亿辆)。假设平均每辆汽车的电池充电一次可以使用4天,则每天有大约5000万辆汽车需要充电。由于太阳能和风能的年有效利用小时数约为2000小时,则可折合为日平均有效利用时间为5.5小时。以每组动力电池的额定充电功率为15千瓦计算,并考虑到其充电速度可以根据太阳能或风能的变化而调节充电速度,以平均充电功率为10千瓦计算(即大约从5千瓦~15千瓦范围内调节),则5.5小时内可以充电约55度(相当于充满一次可行驶约275公里)。由此可以看出,太阳能和风能的日平均有效利用小时数大致相当于一组电动汽车动力电池的平均充电时间,而每组充电系统可以响应太阳能与风能变化的功率可以达到10千瓦,即全国的电动汽车充电设施可以用于电网功率调节的总功率可以达到5亿千瓦。考虑大范围内可再生能源电站之间本身已经具有的互补作用,则5亿千瓦的功率具有相当大的调节作用。
 综上所述,虽然可再生能源具有间歇性和不稳定性的特点,但是如果充分利用这些资源在时空上和发电方式上的互补性并利用水电、生物质发电和电动汽车充电系统的调节作用(即将各种资源有机“打包”在一起),那么即使不安装大量的储能系统,也可以使电源变得比较平滑稳定和可控,从而向用户输出满足要求的电力。