适应沙漠戈壁荒漠能源基地的风光储综合开发技术研究

中国华能集团清洁能源技术研究院郭小江 2023年7月 1 沙戈荒能源基地开发面临挑战概述 适应沙戈荒的光伏发电技术与经济性 3 适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 2 沙戈荒大型能源基地综合开发技术 4 Contents 目录 5 相关建议 开发建设 消纳送出 生态治理 挑战 沙戈荒多处于海拔高度1000m以上，土地较为平坦，风光资源条件优越，但环境恶劣，浮尘日、雷暴日、沙尘暴较多，气温夏季高、冬季低，季节性温差变化大，为新型能源基地的规划、建设和经济开发带来了诸多挑战。 禀赋 风光资源好 年利用小时数高 新能源与火电 大规模、集约化 偏远无人 征地成本低 环境特点 数值 夏季气温 可达50℃ 冬季气温 可达-40℃ 风速 约为5~6m/s 风能密度 150~300�/�^� 1 地面温度高、昼夜温差大，沙漠边缘地区夏季最高气温超过40℃ 2 多大风扬尘，容易形成沙暴浮尘 3 含湿陷性黄土，地基承载力弱 4 水源少，气候突变情况多，不宜长 期居住 5 偏远无人，生态恶劣，降水量少 “沙戈荒”地区极端灾害性天气频发，特殊的气象条件、地质特性等不利因素对新能源设备的运行提出更高要求。宽温差、沙蚀、磨损、地基承载弱等问题交互产生，使设备方案定制更为复杂。 加速设备老化、氧化、变形——冷却、暴 露的管路电缆 磨损、阻塞堵塞及侵蚀——风机的叶片和密封性、光伏板能量损失 基础沉陷——影响机组安全运行 消纳送出——处于负荷较小地域，日常维护间隔尽可能延长 生态修复——修复难度较大，植被配置低 “沙戈荒”能源基地地域范围广，风光资源分布差异大，涉及新能源发电、配套灵活性资源等多种类型设施，汇集系统布局复杂，为保障系统安全、经济、绿色、高效送出，需在时间、空间尺度进行精细化综合规划研究。 绿色 高效 安全 经济 新能源占比供电可靠性主网支撑能力 新能源利用率 送端上网电价受端落地电价 “沙戈荒”能源基地送端系统网架结构薄弱，系统惯性低、抗扰动能力差；新能源发电机组对系统的暂态稳定支撑能力有限，送端系统面临频率、电压失稳风险；基地受到送出曲线、机组调控能力、系统安全稳定性等多重约束，对能源基地的调度控制带来挑战。 光伏场址 (261km2) 场址一光伏 风电场址 (1970km2) 场址二风电 场址四风电 · 至京津冀通道规划场址（自治区方案） 至中东部通道规划场址（自治区方案） 某基地项目规划图安全稳定保障7 1 沙戈荒能源基地开发面临挑战概述 适应沙戈荒的光伏发电技术与经济性 3 适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 2 沙戈荒大型能源基地综合开发技术 4 Contents 目录 5 相关建议 “沙戈荒”地区风电开发面临机组环境适应性要求高、机组大型化难度大、并网运维成本高三大难题，避免从传统风电机组局部改进带来的“基因缺陷”，亟需提高风电机组可靠性和环境适应性。 环境适应技术难点 沙粒磨损、散热故障、地基承载弱 机组大型化技术难点并网运维技术难点 新能源比例高，电力系统安全稳定性风险高 超长柔性叶片变形扫塔机舱增大、增重沙漠海洋，对机组稳定运行和运维管理要求高 外裸件防侵蚀内置件防沙尘 风大沙大 土地沙化 地基加强/桩基础提高基础稳定性 提升雷电流卸载能力 雷暴多 温差大辐射强 环境适应控制外裸件防老化 提高机组环境适应性，性能更优 提高机组可靠性，降低故障率 高适应的定制化 机组大型化可以显著降本增效 超前布局2024年技术发展程度 面向未来的大型化 智能感知、全景监测、故障预警和运维决策 提升智慧运维水平，减少人工维护 软硬一体的智慧化 通过机理分析、可靠设计、多级测试、深度感知保证定制化风机经济、安全、稳定和智能的设计目标，通过5大关键技术创新实现风机高适应定制，保证机组不出现叶片侵蚀、扫塔及倒塔事件。 海上技术反哺陆上 04 18MW机组 126m叶片下线150m叶片在研 防盐雾可靠设计 . . . 先进传感边缘计算趋势预测 02 FMEA法 概率设计多场优化 材料测试部件测试整机测试 深度感知 可靠设计 多级测试 机理分析 03 01 颤振涡激耦合振动结构失效 120米级避扫塔抗沙蚀低沙敏长柔叶片 轻量化、高可靠、防沙散热的机舱系统140米以上高稳定装配式钢混塔筒基础基于电压源控制的构网型并网技术 经济、安全、稳定、智能通用性智能传感、监控和运维技术 研制低沙尘敏感翼型及其气动设计方法，沙尘环境下机组年发电量提升1-3%；采用预弯优化设计、前缘铺层优化设计等技术，加装高耐磨防沙保护膜，实现叶片在风沙环境的高可靠性。 低沙尘敏感翼型族开发叶片避扫塔技术抗风沙前缘保护技术 研发出沙漠砂制备混凝土工艺，实现塔筒基础制造材料就地取材，节约20%混凝土材料成本；建立混塔-基础整体结构优化设计技术，研制140米以上高稳定装配式钢混塔筒基础。 沙漠砂制备混凝土工艺塔筒及基础高效结构优化设计 研发具有构网能力的大型风电机组电压源型并网控制技术，在惯量主动响应、极弱电网稳定运行、振荡抑制、故障穿越支撑等方面具有优势，适用于能源富集地区沙戈荒大基地弱交流网并网环境。 变流器弱网稳定性提升机理 变流器有源阻尼控制 变流器主动支撑控制策略 弱网下具备自主组网主动支撑变流器的能力 基于双内环稳定性提升的有源阻尼法提升强网稳定性 新能源单机与场站主动电压、频率支撑控制方法 对比当前6~7MW陆上主力风电机型，定制化风机造价预计减少15～20%，建设成本下降5～10%，年发电量提升7～10%，维护成本下降10～20%，度电成本降至0.15~0.2元/度。 效率瓶颈突出 施工/运维要求高 风电机组呈现着大容量、高效率特征，20MW级将达260米以上。但传统单叶轮风机难以突破CP为0.48-0.49的极限，受限于结构极限，增大风轮尺寸技术路径难以为继，亟需针对新型风力发电形式开展研究探索。 重量/成本增加 运输难度大 采用串列式双风轮风电机组技术路线，利用前后风轮协同，吸收第一个风轮后气流的剩余能量，实现风能梯级利用，显著提高风能利用系数和系统综合利用率。 更高风能捕获和发电效率 单风轮机组流过风轮后风速仅降低20%左右，具有很高的能量梯级利用价值，设计得当，双风轮Cpmax能突破0.5以上 更少占地和更高的资源利用率 风场机组布置间距与风轮直径相关，同容量双风轮机组较单风轮直径减小，同样的风场容量，占用的面积更小。 更低造价和成熟产业链 双风轮机组采用”化整为零、梯级利用”的思路，充分兼顾风电现有产业链，系统成本低、可靠性高。 17 高效串列式风轮风电机组潜在综合优势明显，能够满足风机大型化、高效率、并网友好性要求，并兼顾现有制造产业链基础和全寿命周期成本。风能利用系数、整机能量利用效率比传统单风轮机组提高10-20%，叶片长度减少30%以上，风场机位点减少30%~50%，综合效益提高40%~50%。 序号 对比内容 双风轮2.7MW-77&62 单风轮2.5MW-141 双风轮比单风轮 1 额定功率 2700kW 2500kW 增加8% 2 叶轮直径 前风轮：77.98m后风轮：62.98m 141m 减少44.6% 3 轮毂高度 70m 90m 降低22.2% 4 捕风效率 0.55 0.48 提升14.5% 5 综合效率 0.495 0.435 提升13.8% 中国华能成功突破双风轮仿真设计软件开发、成套关键装备制造和实验测试方法等关键技术，建立了一套风能高效紧凑梯次捕获利用的基础理论与技术体系。 双风轮风电机组风洞试验验证世界首台2.7MW高效串列式双风轮风电机组并网运行 单位面积风场的风能综合利用率相当于提升了50%~70%，可显著节约我国国土占地，大幅提升风能可开发规模，突破风电机组风能捕获效率低、叶片尺寸过大等长期限制产业发展的瓶颈。 1 沙戈荒能源基地开发面临挑战概述 适应沙戈荒的光伏发电技术与经济性 3 适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 2 沙戈荒大型能源基地综合开发技术 4 Contents 目录 5 相关建议 “沙戈荒”地区光伏开发面临环境适应性要求高、建设难度大、并网运维成本高三大难题，亟需研发具备高效发电能力、抗遮挡的新型电池组件技术和柔性支架技术，显著降低建设、运维成本。 施工面广，管控难度大，生态治理增加投资 环境适应技术难点 灰尘沉积遮挡、散热故障 灰尘沉积遮挡，高温差环境，组件性能衰减 建设过程管控技术难点并网运维技术难点 地基承载弱，基础造价高 组件数量庞大，故障排查困难 沙漠海洋，缺水，组件清洁难度大 高效钙钛矿光伏技术可进一步提高电站发电能力，转换效率提升空间大，性价比优势逐渐显现，有望在大基地建设中发挥重要作用。 25.7% 有机太阳能电池 第三代 钙钛矿太阳能电池 GdTe薄膜电池 第二代 太阳能电池 燃料敏化电池 多晶硅电池 第一代 单晶硅电池 量子点电池 CIGS薄膜电池 GaAs电池 第3代薄膜光伏技术技术经济优势 2022年11月，华能清能院3500cm^2级别钙钛矿组件转换效率突破18.5%，是国内外已有报道同级别组件的最高值，同时也是华能集团在钙钛矿太阳能电池从小面积研发到大面积产业化的阶段性重要进展成果，支撑建设了怀来风场2kW示范基地建设，为钙钛矿技术的产业化推广奠定了扎实的基础。 机构 面积 转换效率 Panasonic ~800cm2 17.9% 协鑫纳米 450mm*650mm1m×2m 15.3%产线建设中 华能 3500cm2 18.5%（纪录） 纤纳光电 ～20cm2 1245mm×635mm 21.8% / 极电光能 63.98cm2 1200×600mm 20.5% 150MW计划 Evolar（瑞典） 1180mm×630mm 无 异质结高效电池组件在高温及弱光条件下发电量高，双面率高，全寿命期发电量高，具有更高的发电效率和技术经济性，同时结合华能矩阵叠片技术，其抗遮挡、抗隐裂的高可靠特性，可以更好地适应沙戈荒地区的温度高、地面反射率高的环境条件。 经济性好 加“量”少加价 更美观 矩阵叠片组件 国内光伏组件 国外光伏组件 遮挡功率损失 -16.28% -33.78% -16.44%（遮挡面积更小） 热斑温度 95.7℃ 100-130℃ 100-130℃ 热斑耐久性 -0.55% -3~-5% -3~-5% 发电量 100.59% 100%（基准） / 全资IRR 7.37% 7.13% / 华能矩阵叠片 发电量高 电池技术 PERC TOPCon HJT 开压 670mV 700mV >740mV 温度系数 - 0.37%/℃ -0.32%/℃ -0.25%/℃ 50℃功率比例 90.75% 92% 93.75% =1+(50- 25)*(-无 0.25%)无 衬底 P-单晶硅 （有B-O 键） N-单晶硅（少B-O键） N-单晶硅全 （无B-O键发 ） PN结 N型扩散 （磷扩散） P型扩散（硼扩散） P型非晶硅 层（镀膜） 陷光 单面 单面 双面 双面率 75-80% ~80% 90-95%（增发1.5%电量） 理论最高效率 24.5% 27.1%(单面)-28.7%(双面) 28.5% 高温发电量高 可靠性高抗遮挡、抗隐裂；效率高 传统半片组件 PID，LID， 寿命期电量高 背面发电量高 栅栏沙障 针对沙戈荒地区“高风侵、强沙蚀、地质复杂”的环境特点，打造具有高抗风、高承载、低沉降敏感度特性的光伏柔性支架系统，可以更好地适应沙戈荒地区松软的地质条件和恶劣的风沙天气。 索网结构专用抗风系统定制化拉锚基础和防风沙侵蚀 高净空：2~9m，减少组件沙尘堆积 大跨距：15~40