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我国首个南极风光柴储多能互补智能微电网 多家企业单位参与群策群力
来源:北极星储能网整理作者:日期:19.03.25

  近日,我国首套应用于南极地区的完整风光燃储互补智能微电网发电系统建成,并在南极泰山站投入运营。这也成为我国第35次南极科考的主要成果之一。

  从燃油到新能源

  日前,南极泰山站新能源微网供电系统顺利完成安装、调试、并网运行任务。这标志着,我国在南极的科学考察站从以燃油作为能量来源,向就地取材、循环利用的新能源迈出了坚实的一步,为保护南极提供了中国的系统性能源解决方案。

  南极洲年平均气温为-25℃,内陆高原平均气温为-56℃左右,极端最低气温曾达-89.8℃;冰层平均厚度1880米,最厚达4000米以上。泰山站所在区域具有典型的内陆气候,风大,吹雪严重,气候环境极其恶劣:海拔高度2621米,年平均温度-36.6℃,最低温度达-64℃,最高温度零下8℃;年均风速:6.5m/s,最大风速60m/s。如此恶劣的天气,对于科考站和科考工作者来说,必须有充足的能源供应。很长时间以来,南极考察基本依靠燃油作为保障。每个考察站都配备多台柴油发电机组,轮流发电和检修,保障考察站全年每天24小时不间断的电力供应。

  各国对南极科考的历史已经有100多年。目前,共有20个国家在南极洲建立了150多个科学考察站,我国目前有5个科考站在运行。据中国极地研究中心提供的资料显示,由于柴油发电所需,长城站和中山站每年至少需要补给高标柴油350吨,还需要少量的汽油、液化气等。2008~2009年度的内陆队考察和昆仑站建设共配备160吨航空煤油。这些燃料主要用于发电、取暖、运输机械等。因为南极地区使用的柴油必须靠油轮到几千米以外的霍巴特购买,加上运输费用耗资巨大,并且每次运送的数量也很有限。随着科技的发展和人类对环境保护意识的提高,越来越多的国家提出在南极建设新能源考察站。

  由于柴油发电噪音大,并且不利于环境保护,容易污染极为脆弱敏感的南极地区。因此,在南极推广应用绿色能源已迫在眉睫且具有十分重要的意义。随着新能源技术的进步与发展,南极的“风”与“光”开始为科考工作者所关注。

  为了摆脱对常规能源的依赖,形成有效的新能源利用机制,助力极地科考事业发展。我国的南极考察站多年来也在不断尝试新能源的应用。所以,在泰山站建站之初,中国极地中心就确立了大幅减少燃油的消耗,因地制宜,加大清洁能源的应用比重,实现能源就地取材、循环利用,打造自动化、智能化绿色供电系统,使之成为南极考察站中高科技与环境保护的示范站。

  定制化创新

  南极地区尤其是泰山站建设地,太阳能、风能充足,充分利用好光伏发电和风力发电的互补特性,柴油发电和新能源系统并网运行,搭建风光柴储多能互补智能微电网发电系统。光伏发电系统和风力发电系统提供的电能正常情况下(包括极夜期间)可以完全满足科考站内用电负载的用电需求,多余的电能还可以储存到储能系统中,作为备用电源。极端情况下,在新能源供电系统发电量或储能系统电量不足时,自动启动柴油发电机发电,待新能源发电系统发电满足供电状态时,再次自动无缝切换到新能源系统供电,同时关闭柴油发电机供电。通过智能化管理,适时调配能源供应,保证在任何时候、任何情况下,考察站的科学观测设备均可以获得安全、稳定、可靠的能源保障。

  该套新能源微网供电系统针对南极泰山站极寒、大风、高海拔、低气压等特殊环境,采用定制化风机、光伏和储能电池,并通过控制终端对整套系统进行智能控制。在夏季泰山站有人值守期间,新能源微网供电系统可以与泰山站的柴油发电机并网共同使用;在冬季泰山站无人值守期间,新能源微网供电系统还可以通过控制终端实现离网无人值守自主运行,为无人值守期间泰山站的科研仪器和站区配套设备进行供电。

  泰山站二期工程采用定制集装箱模块组合形式,将供配电系统、融雪系统、新风加热采暖系统、污水处理系统等,整合在集装箱模块内,实现快速安装,缩短南极现场施工周期。同时,创造性地采用雪下建筑的形式,变被动为主动,有效解决南极建筑被风雪掩埋的难题,最大程度减少对周围地形的影响,保证站区设施长期安全稳定运行。

  雪下建筑采用定制集装箱模块拼装和双层密封防水方式,有效解决极寒环境中雪下建筑的保温及防水密封。经测试,泰山站雪下建筑室内外温差达80摄氏度以上,雪下建筑的集装箱拼缝没有出现渗漏现象,集装箱外也没有出现融雪现象,为雪下建筑内各设备安全稳定运行提供了保障。

  优势互补群策群力

  据悉,南极泰山站电能源项目由中电力神子集团抓总,依托中电力神子集团18所高效能源系统设计经验,发挥蓝天太阳公司高原离网系统搭建能力,采用上海微系统所研发的高效率双面SHJ硅异质结太阳能电池、青岛安华公司的风电系统、及力神电池公司优质的储能电池产品,中国宝武集团总承包并设计、中冶集团负责施工的泰山站雪下建筑,宝钢工程承接建设安装等任务,优势互补,通力协作,短时间内完成了项目所需全套绿色能源系统研制部署工作。

  当前,泰山站新能源微电网系统已建设完成。经运行测试,最大标称功率10kW的光伏发电分系统在泰山站极昼期间实际最大发电功率达到10.5kW,而国内同等功率的光伏发电系统在夏季太阳光照最好时最大发电功率一般也不会超过7kW;最大标称功率5kW的风力发电分系统在泰山站大风时实际最大发电功率5.2kW,也充分达到了设计目标。

  此外,在本次科考过程中,由东南大学自动化学院的科研团队自主研发的“极地移动电源”将能够很好地解决能源问题。它可以通过能量转换,为泰山站提供全年不间断的电力供应。

  移动电源为整个装置和天文观测仪器设备提供电力支持。移动电源位于发电舱内,舱内有6台德国HATZ lB40发电机,发电舱为上下两层,下层为储油箱.上层安装了发电机组以及各种辅助设备。机组重要辅件有超级电容、润滑油箱以及油泵。这样一套系统可以进行持续供电。以柴油或者航空煤油为能源,采用柴油发电机发电,可以稳定输出交直流电,再经过一定的配送进行供电。考虑到发电机可能存在故障或者需要切换的情况存在,因此发电机发出的电一部分用于对外供电,另一部分输入蓄电池中进行储能。

  有了这个移动电源做辅助,南极科考的数据以及设备运行的数据就可以实时的传回来进行分析。可以在设备无人时提供一个稳定的电源,同时进行实时数据回传,为我们的科考做服务。

  数据显示,泰山站新能源微网发电系统在南极工作稳定、运行良好,整体发电效果突出。在我国第35次南极考察队离开泰山站之后,新能源系统仍然持续为泰山站内某科研设备供电,并通过微电网系统内部的铱星通讯网络可以将系统的运行状态时时发送到国内,保证了系统运行正常。

  众所周知,能源是制约我国在南极进行科学探索的关键因素之一。此前,我国在南极的科学考察站全部以燃油作为能量来源。随着科技的发展和人类对环境保护意识的提高,越来越多的国家提出在南极建设新能源考察站,并已有少数发达国家已成功在南极建设了新能源发电站,部分实现了利用新能源替代传统燃料能源的目的。今后,实现能源就地取材、循环利用是南极能源发展和使用的必经之路。

  “实现能源就地取材、循环利用是南极能源发展和使用的必经之路。如今,随着南极泰山站新能源微网供电系统的正式建成,中国南极科考的能源利用将变得更加绿色、高效、可持续。”吕冬翔说。

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