一种新型风光热电站的风光互补性研究及成本分析_徐欢
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（１．河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 ２１１１００； ２．河海大学 可再生能源发电技术教育部工程研究中心，江苏 南京 ２１００９８）
摘要：考虑到风电并网因风功率波动性所引起的电能质量与电网稳定性问题，提出了一种新型 的 风 能 利 用 形
式 风 热 装 置 ，并 将 风 热 装 置 引 入 槽 式 光 热 电 站 ，构 建 了 一 种 新 的 可 再 生 能 源 发 电 形 式 ——— 风 光 热 电 站 ，给 出 了
第 ３１ 卷 第 ３ 期
徐 欢 等 ：一 种 新 型 风 光 热 电 站 的 风 光 互 补 性 研 究 及 成 本 分 析
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图２ ３ ＭＷ ＰＭＳＧ 各部件造价 Ｆｉｇ．２ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｃｏｓｔ ｏｆ ａ ３ ＭＷ ＰＭＳＧ
分 ，节 约 了 一 定 成 本 ，但 考 虑 到 风 热 装 置 中 阻 性 负 荷 部 件 的 成 本 ，本文假 设 风 热 装 置 单 位 容 量 成 本 与 风力发电机组单位容量成本相同，为７ ０００元／ｋＷ。 １．３ 风 热 装 置 与 风 电 机 组 对 比
第３１卷 第３期 ２ ０ １ ３ 年 ３ 月
文 章 编 号 ：１０００－７７０９（２０１３）０３－０２４０－０５
水 电 能 源 科 学 Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ
Ｖｏｌ．３１ Ｎｏ．３ Ｍａｒ．２ ０ １ ３
一种新型风光热电站的风光互补性研究及成本分析
徐 欢１，２，袁 越１，２，张 新 松１，２，傅 质 馨１，２
２ 风光热电站
２．１ 光 热 电 站 根据太阳能收集方式光热电站主要分为槽式
光 热 电 站 、菲 涅 尔 式 光 热 电 站 、塔 式 光 热 电 站 与 碟 式光热电站。 其 中，槽 式 光 热 发 电 是 当 前 应 用 最 广、造价最低并可 大 规 模 投 入 商 业 运 行 的 一 种 成 熟的光热发 电 技 术。 因 此，本 文 选 取 槽 式 光 热 电 站研究其与风热装置互补发电的可行性。 ２．１．１ 槽 式 光 热 电 站 结 构 与 工 作 原 理
传统风电并网对风能的应用主要集中于电网 侧，需解决其 电 能 质 量 与 电 网 稳 定 性 问 题。 而 风 热装置将风力发 电 机 组 与 阻 性 负 荷 连 接，通 过 纯 电阻性负荷 发 热，将 风 能 有 效 地 转 化 为 热 能。 该 方法对风能的应用主要集中于传热侧。相对于传 统 风 电 并 网 ，风 热 装 置 的 优 势 主 要 表 现 在 ：① 规 避 了传统风电并网所带来的诸多电能质量问题及对 大 电 网 的 冲 击 ；② 对 电 能 质 量 要 求 较 低 ，可 省 去 电 力电子 设 备，且 结 构 更 为 简 单、可 靠 性 更 高；③ 不 仅可实现对楼宇 或 工 业 企 业 的 供 热，还 可 将 其 引 入 光 热 电 站 ，与 光 热 电 站 互 补 发 电 。
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水 电 能 源 科 学 ２０１３ 年
图 ４ 风 光 热 系 统 概 图
Ｆｉｇ．４ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｏｌａｒ／ｗｉｎｄ ｈｙｂｒｉｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｙｓｔｅｍ
３．１．１ 基 于 牛 顿 插 值 法 的 风 电 输 出 功 率 计 算
３．１．３ 槽 式 光 热 电 站 与 风 热 装 置 月 发 电 量 分 析
风电机组的输出功率取决于机组安装地点的
在风速已知情 况 下，利 用 牛 顿 插 值 法 求 解 对
风速条件。每种风力发电机均有其典型的风速— 应风电机组的输出功率。本文假设风电机组输出
本文 以 西 班 牙 Ａｎｄａｓｏｌ－１ 电 站 为 ［４］ 背 景，槽 式光热发电系统是利用槽形抛物面聚光器将太阳 光聚集 到 集 热 管 上 （集 热 管 位 于 抛 物 镜 面 焦 点 处），并将管内传 热 工 质 加 热，通 过 热 交 换 产 生 水 蒸汽，最后驱动热 动 力 装 置 并 带 动 同 步 发 电 机 发 电。西班牙 Ａｎｄａｓｏｌ－１槽式光热发电系统 包 括 聚 光集 热 子 系 统、换 热 子 系 统、发 电 子 系 统、储 能 子 系 统 和 辅 助 能 源 子 系 统 （图 ３）。 ２．１．２ 槽 式 光 热 发 电 主 要 优 缺 点
中 图 分 类 号 ：ＴＭ６１５；ＴＭ６１４
文 献 标 志 码 ：Ａ
随着全球经 济 的 发 展 和 社 会 的 飞 速 进 步，传 统的化石能源供 应 日 益 紧 张，以 太 阳 能 和 风 能 为 代 表 的 可 再 生 能 源 以 其 取 之 不 尽 、用 之 不 竭 、无 污 染的优势而成为关注的热点。目前主流的太阳能 发电技术主要有光热发电 与 ［１］ 光伏发电 两 ［２］ 种 形 式 ，其 中 光 热 发 电 是 通 过 光 学 聚 焦 原 理 ，将 太 阳 光 通过抛物形镜面 聚 集 起 来 产 生 高 温，加 热 传 热 介 质，最后通过工作 介 质 驱 动 热 动 力 装 置 并 带 动 同 步发电机发 电。 相 对 于 光 伏 发 电，光 热 发 电 能 实 现电网大容量供 电，是 太 阳 能 大 规 模 利 用 的 有 效 途径之一，当前投 资 成 本 过 高 是 限 制 光 热 电 站 发 展的主要障碍。风能利用的主流形式是采用风力 发电机组（如双馈 风 机、直 驱 永 磁 风 机 等）将 风 能 转换为５０ Ｈｚ的工 频 交 流 电，并 接 入 电 网。 与 常 规能源电站相比，风 功 率 的 可 预 测 性 和 可 控 性 均 较差，其大量接入 会 显 著 影 响 电 能 质 量 和 电 网 稳 定运行 。 ［３］ 为此，本 文 提 出 了 一 种 新 型 的 风 能 利 用形式风热装置，并 将 风 热 装 置 作 为 一 种 能 量 来 源接入光热电站，构 建 一 种 新 的 可 再 生 能 源 发 电 形 式 ——— 风 光 热 电 站 。 风 光 热 电 站 具 有 风 能 和 太 阳能两种能量来 源，能 在 很 大 程 度 上 克 服 新 能 源 电 站 所 固 有 的 间 歇 性 ，且 具 有 良 好 的 可 控 性 ，是 一 种电网友好型可再生能源发电形式。
１ 风热装置１ຫໍສະໝຸດ １ 风 热 装 置 结 构 与 风 机 类 型 选 取 风热装置主要由风力发电机组与阻性负荷两
部分组成。由于热负荷对电能质量的要求相对较 低，因此风力发电 机 组 中 一 些 确 保 电 能 质 量 的 电 力电子器件可省略。简化后的风热装置结构见图 １。图中采用直驱永磁同步风力发电机组（ＰＭＳＧ）将 风 能 转 换 为 电 能 ，与 其 他 类 型 风 力 发 电 机 组 相 比 ， ＰＭＳＧ 以其结构简 单、可 靠 性 高、维 护 量 少、运 行 成 本 相 对 较 低 、无 励 磁 损 耗 、电 机 温 度 较 低 等 优 势 而被采用。
出 功 率 ，从 风 热 装 置 与 槽 式 光 热 电 站 发 电 量 的 角 度 ，分 析 了 风 能 光 能 在 时 域 上 的 互 补 性 ，进 而 对 风 光 热 电 站 进
行 了 成 本 估 计 ，为 验 证 风 光 热 电 站 的 可 行 性 与 优 势 提 供 了 依 据 。
关 键 词 ：可 再 生 能 源 ；风 电 并 网 ；风 热 装 置 ；风 光 热 电 站 ；风 光 互 补
２．２ 风 光 热 电 站 与 风 热 装 置 接 入 方 式 考虑到风能与 光 能 具 有 一 定 的 互 补 性，且 风
热装置的单位容 量 成 本 相 对 低 廉，本 文 将 风 热 装 置引入槽式光热 发 电 系 统，构 成 一 种 新 型 可 再 生 能源发电系统风光热电站。风热装置接入槽式光 热电站的方式按接入点与安装容量大小的不同可 分为以下三 种 方 案：① 方 案 １。 若 风 热 装 置 在 风 光热电站中安装 容 量 较 小，风 热 装 置 可 与 热 熔 盐 储能装置相连，将 纯 电 阻 发 热 体 置 于 热 熔 盐 冷 盐 罐中，仅 用 于 冷 盐 罐 中 传 热 介 质 的 预 热 （图 ４ （ａ））。②方案２。若风 热 装 置 安 装 容 量 和 风 光 热 电站中光热集热器安装容量相当或在风光热电站 中安装容量占比 较 大，风 热 装 置 可 采 用 与 光 热 集 热 器 并 联 连 接 的 方 式 （图 ４（ｂ））。 ③ 方 案 ３。 若 风 热装置安装容量和风光热电站中光热集热器安装 容量相当或在风光热电站中安装容量占比较大， 亦可采用将风热 装 置 一 部 分 连 接 于 冷 盐 罐 中，用 于预热热传导介 质；一 部 分 与 光 热 集 热 器 直 接 并 联 连 接 ，对 传 热 工 质 加 热 （图 ４（ｃ））。
风热装置与槽式光热电站的连接方式，基于美国国家 新 能 源 研 究 所 在 科 罗 拉 多 州 戈 尔 登 地 区 实 测 的 ２０１１ 年
全 年 风 速 、光 照 强 度 数 据 ，利 用 牛 顿 插 值 法 计 算 风 电 输 出 功 率 ，同 时 采 用 槽 式 光 热 电 站 输 出 功 率 模 型 计 算 其 输
图 １ 风 热 装 置 简 图 Ｆｉｇ．１ Ｓｉｍｐｌｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｗｉｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｄｅｖｉｃｅ
１．２ 风 热 装 置 成 本 估 计 ２０１１ 年 风 力 发 电 机 组 单 位 容 量 装 机 平 均 成
本 为 １ １００＄／ｋＷ（约 合 ７ ０００ 元／ｋＷ）。 图２ 为３ ＭＷ ＰＭＳＧ 各部件造价。由 图 可 看 出，变 换 器 占 风机总 成 本 的 ６．０５％，而 风 热 装 置 无 变 换 器 部
槽式光热电 站 主 要 优 点 为：① 相 对 于 光 伏 发 电，功 率 输 出 较 稳 定；② 可 单 独 供 电，亦 可 热 电 联 供 ；③ 由 于 最 后 通 过 传 统 蒸 汽 轮 机 的 方 式 发 电 ，因
图３ 西班牙 Ａｎｄａｓｏｌ－１槽式光热电站系统 Ｆｉｇ．３ Ｓｐａｉｎ Ａｎｄａｓｏｌ－１ｔｒｏｕｇｈ ｓｏｌａｒ－ｔｈｅｒｍａｌ
摘要：考虑到风电并网因风功率波动性所引起的电能质量与电网稳定性问题，提出了一种新型 的 风 能 利 用 形
式 风 热 装 置 ，并 将 风 热 装 置 引 入 槽 式 光 热 电 站 ，构 建 了 一 种 新 的 可 再 生 能 源 发 电 形 式 ——— 风 光 热 电 站 ，给 出 了
第 ３１ 卷 第 ３ 期
徐 欢 等 ：一 种 新 型 风 光 热 电 站 的 风 光 互 补 性 研 究 及 成 本 分 析
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图２ ３ ＭＷ ＰＭＳＧ 各部件造价 Ｆｉｇ．２ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｃｏｓｔ ｏｆ ａ ３ ＭＷ ＰＭＳＧ
分 ，节 约 了 一 定 成 本 ，但 考 虑 到 风 热 装 置 中 阻 性 负 荷 部 件 的 成 本 ，本文假 设 风 热 装 置 单 位 容 量 成 本 与 风力发电机组单位容量成本相同，为７ ０００元／ｋＷ。 １．３ 风 热 装 置 与 风 电 机 组 对 比
第３１卷 第３期 ２ ０ １ ３ 年 ３ 月
文 章 编 号 ：１０００－７７０９（２０１３）０３－０２４０－０５
水 电 能 源 科 学 Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ
Ｖｏｌ．３１ Ｎｏ．３ Ｍａｒ．２ ０ １ ３
一种新型风光热电站的风光互补性研究及成本分析
徐 欢１，２，袁 越１，２，张 新 松１，２，傅 质 馨１，２
２ 风光热电站
２．１ 光 热 电 站 根据太阳能收集方式光热电站主要分为槽式
光 热 电 站 、菲 涅 尔 式 光 热 电 站 、塔 式 光 热 电 站 与 碟 式光热电站。 其 中，槽 式 光 热 发 电 是 当 前 应 用 最 广、造价最低并可 大 规 模 投 入 商 业 运 行 的 一 种 成 熟的光热发 电 技 术。 因 此，本 文 选 取 槽 式 光 热 电 站研究其与风热装置互补发电的可行性。 ２．１．１ 槽 式 光 热 电 站 结 构 与 工 作 原 理
传统风电并网对风能的应用主要集中于电网 侧，需解决其 电 能 质 量 与 电 网 稳 定 性 问 题。 而 风 热装置将风力发 电 机 组 与 阻 性 负 荷 连 接，通 过 纯 电阻性负荷 发 热，将 风 能 有 效 地 转 化 为 热 能。 该 方法对风能的应用主要集中于传热侧。相对于传 统 风 电 并 网 ，风 热 装 置 的 优 势 主 要 表 现 在 ：① 规 避 了传统风电并网所带来的诸多电能质量问题及对 大 电 网 的 冲 击 ；② 对 电 能 质 量 要 求 较 低 ，可 省 去 电 力电子 设 备，且 结 构 更 为 简 单、可 靠 性 更 高；③ 不 仅可实现对楼宇 或 工 业 企 业 的 供 热，还 可 将 其 引 入 光 热 电 站 ，与 光 热 电 站 互 补 发 电 。
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水 电 能 源 科 学 ２０１３ 年
图 ４ 风 光 热 系 统 概 图
Ｆｉｇ．４ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｏｌａｒ／ｗｉｎｄ ｈｙｂｒｉｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｙｓｔｅｍ
３．１．１ 基 于 牛 顿 插 值 法 的 风 电 输 出 功 率 计 算
３．１．３ 槽 式 光 热 电 站 与 风 热 装 置 月 发 电 量 分 析
风电机组的输出功率取决于机组安装地点的
在风速已知情 况 下，利 用 牛 顿 插 值 法 求 解 对
风速条件。每种风力发电机均有其典型的风速— 应风电机组的输出功率。本文假设风电机组输出
本文 以 西 班 牙 Ａｎｄａｓｏｌ－１ 电 站 为 ［４］ 背 景，槽 式光热发电系统是利用槽形抛物面聚光器将太阳 光聚集 到 集 热 管 上 （集 热 管 位 于 抛 物 镜 面 焦 点 处），并将管内传 热 工 质 加 热，通 过 热 交 换 产 生 水 蒸汽，最后驱动热 动 力 装 置 并 带 动 同 步 发 电 机 发 电。西班牙 Ａｎｄａｓｏｌ－１槽式光热发电系统 包 括 聚 光集 热 子 系 统、换 热 子 系 统、发 电 子 系 统、储 能 子 系 统 和 辅 助 能 源 子 系 统 （图 ３）。 ２．１．２ 槽 式 光 热 发 电 主 要 优 缺 点
中 图 分 类 号 ：ＴＭ６１５；ＴＭ６１４
文 献 标 志 码 ：Ａ
随着全球经 济 的 发 展 和 社 会 的 飞 速 进 步，传 统的化石能源供 应 日 益 紧 张，以 太 阳 能 和 风 能 为 代 表 的 可 再 生 能 源 以 其 取 之 不 尽 、用 之 不 竭 、无 污 染的优势而成为关注的热点。目前主流的太阳能 发电技术主要有光热发电 与 ［１］ 光伏发电 两 ［２］ 种 形 式 ，其 中 光 热 发 电 是 通 过 光 学 聚 焦 原 理 ，将 太 阳 光 通过抛物形镜面 聚 集 起 来 产 生 高 温，加 热 传 热 介 质，最后通过工作 介 质 驱 动 热 动 力 装 置 并 带 动 同 步发电机发 电。 相 对 于 光 伏 发 电，光 热 发 电 能 实 现电网大容量供 电，是 太 阳 能 大 规 模 利 用 的 有 效 途径之一，当前投 资 成 本 过 高 是 限 制 光 热 电 站 发 展的主要障碍。风能利用的主流形式是采用风力 发电机组（如双馈 风 机、直 驱 永 磁 风 机 等）将 风 能 转换为５０ Ｈｚ的工 频 交 流 电，并 接 入 电 网。 与 常 规能源电站相比，风 功 率 的 可 预 测 性 和 可 控 性 均 较差，其大量接入 会 显 著 影 响 电 能 质 量 和 电 网 稳 定运行 。 ［３］ 为此，本 文 提 出 了 一 种 新 型 的 风 能 利 用形式风热装置，并 将 风 热 装 置 作 为 一 种 能 量 来 源接入光热电站，构 建 一 种 新 的 可 再 生 能 源 发 电 形 式 ——— 风 光 热 电 站 。 风 光 热 电 站 具 有 风 能 和 太 阳能两种能量来 源，能 在 很 大 程 度 上 克 服 新 能 源 电 站 所 固 有 的 间 歇 性 ，且 具 有 良 好 的 可 控 性 ，是 一 种电网友好型可再生能源发电形式。
１ 风热装置１ຫໍສະໝຸດ １ 风 热 装 置 结 构 与 风 机 类 型 选 取 风热装置主要由风力发电机组与阻性负荷两
部分组成。由于热负荷对电能质量的要求相对较 低，因此风力发电 机 组 中 一 些 确 保 电 能 质 量 的 电 力电子器件可省略。简化后的风热装置结构见图 １。图中采用直驱永磁同步风力发电机组（ＰＭＳＧ）将 风 能 转 换 为 电 能 ，与 其 他 类 型 风 力 发 电 机 组 相 比 ， ＰＭＳＧ 以其结构简 单、可 靠 性 高、维 护 量 少、运 行 成 本 相 对 较 低 、无 励 磁 损 耗 、电 机 温 度 较 低 等 优 势 而被采用。
出 功 率 ，从 风 热 装 置 与 槽 式 光 热 电 站 发 电 量 的 角 度 ，分 析 了 风 能 光 能 在 时 域 上 的 互 补 性 ，进 而 对 风 光 热 电 站 进
行 了 成 本 估 计 ，为 验 证 风 光 热 电 站 的 可 行 性 与 优 势 提 供 了 依 据 。
关 键 词 ：可 再 生 能 源 ；风 电 并 网 ；风 热 装 置 ；风 光 热 电 站 ；风 光 互 补
２．２ 风 光 热 电 站 与 风 热 装 置 接 入 方 式 考虑到风能与 光 能 具 有 一 定 的 互 补 性，且 风
热装置的单位容 量 成 本 相 对 低 廉，本 文 将 风 热 装 置引入槽式光热 发 电 系 统，构 成 一 种 新 型 可 再 生 能源发电系统风光热电站。风热装置接入槽式光 热电站的方式按接入点与安装容量大小的不同可 分为以下三 种 方 案：① 方 案 １。 若 风 热 装 置 在 风 光热电站中安装 容 量 较 小，风 热 装 置 可 与 热 熔 盐 储能装置相连，将 纯 电 阻 发 热 体 置 于 热 熔 盐 冷 盐 罐中，仅 用 于 冷 盐 罐 中 传 热 介 质 的 预 热 （图 ４ （ａ））。②方案２。若风 热 装 置 安 装 容 量 和 风 光 热 电站中光热集热器安装容量相当或在风光热电站 中安装容量占比 较 大，风 热 装 置 可 采 用 与 光 热 集 热 器 并 联 连 接 的 方 式 （图 ４（ｂ））。 ③ 方 案 ３。 若 风 热装置安装容量和风光热电站中光热集热器安装 容量相当或在风光热电站中安装容量占比较大， 亦可采用将风热 装 置 一 部 分 连 接 于 冷 盐 罐 中，用 于预热热传导介 质；一 部 分 与 光 热 集 热 器 直 接 并 联 连 接 ，对 传 热 工 质 加 热 （图 ４（ｃ））。
风热装置与槽式光热电站的连接方式，基于美国国家 新 能 源 研 究 所 在 科 罗 拉 多 州 戈 尔 登 地 区 实 测 的 ２０１１ 年
全 年 风 速 、光 照 强 度 数 据 ，利 用 牛 顿 插 值 法 计 算 风 电 输 出 功 率 ，同 时 采 用 槽 式 光 热 电 站 输 出 功 率 模 型 计 算 其 输
图 １ 风 热 装 置 简 图 Ｆｉｇ．１ Ｓｉｍｐｌｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｗｉｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｄｅｖｉｃｅ
１．２ 风 热 装 置 成 本 估 计 ２０１１ 年 风 力 发 电 机 组 单 位 容 量 装 机 平 均 成
本 为 １ １００＄／ｋＷ（约 合 ７ ０００ 元／ｋＷ）。 图２ 为３ ＭＷ ＰＭＳＧ 各部件造价。由 图 可 看 出，变 换 器 占 风机总 成 本 的 ６．０５％，而 风 热 装 置 无 变 换 器 部
槽式光热电 站 主 要 优 点 为：① 相 对 于 光 伏 发 电，功 率 输 出 较 稳 定；② 可 单 独 供 电，亦 可 热 电 联 供 ；③ 由 于 最 后 通 过 传 统 蒸 汽 轮 机 的 方 式 发 电 ，因
图３ 西班牙 Ａｎｄａｓｏｌ－１槽式光热电站系统 Ｆｉｇ．３ Ｓｐａｉｎ Ａｎｄａｓｏｌ－１ｔｒｏｕｇｈ ｓｏｌａｒ－ｔｈｅｒｍａｌ
