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 Contents1 沙戈荒能源基地开发面临挑战概述 2 适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 目录 3 适应沙戈荒的光伏发电技术与经济性 4 沙戈荒大型能源基地综合开发技术 5 相关建议 一、沙戈荒能源基地开发面临挑战概述 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。 一、沙戈荒能源基地开发面临挑战概述 “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。 一、沙戈荒能源基地开发面临挑战概述 “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。 一、沙戈荒能源基地开发面临挑战概述 “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。 安全稳定保障 Contents1 沙戈荒能源基地开发面临挑战概述 2 适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 目录 3 适应沙戈荒的光伏发电技术与经济性 4 沙戈荒大型能源基地综合开发技术 5 相关建议 二、适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 “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。 二、适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 高适应的定制化 面向未来的大型化 软硬一体的智慧化 l智能感知、全景监测、故障预警和运维决策l提升智慧运维水平，减少人工维护 l提高机组环境适应性，性能更优 l机组大型化可以显著降本增效 l提高机组可靠性，降低故障率 二、适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 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。 基于电压源控制的构网型并网技术 二、适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 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。 二、适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 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。 二、适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 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。 新能源单机与场站主动电压、频率支撑控制方法 基于双内环稳定性提升的有源阻尼法提升强网稳定性 二、适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 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。 年发电↑7~10%发电量从当前3100小时提升到 二、适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 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。 二、适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 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。 更少占地和更高的资源利用率 更高风能捕获和发电效率 更低造价和成熟产业链 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 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。 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。 二、适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 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%。 二、适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 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。 二、适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 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。 Contents1 沙戈荒能源基地开发面临挑战概述 2 适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 目录 3 适应沙戈荒的光伏发电技术与经济性 4 沙戈荒大型能源基地综合开发技术 5 相关建议 三、适应沙戈荒的光伏发电技术与经济性 “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。 三、适应沙戈荒的光伏发电技术与经济性 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。 三、适应沙戈荒的光伏发电技术与经济性 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。 三、适应沙戈荒的光伏发电技术与经济性 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 可靠性高 三、适应沙戈荒的光伏发电技术与经济性 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。 专用抗风系统 p高净空：2~9m，减少组件沙尘堆积p大跨距：15~40m p抗风：预应力+L型结构+地锚p有效应对十二级飓风 p适用于沙戈荒地区的高承载拉锚基础p增设栅栏沙障，地基处理、铺设碎石 三、适应沙戈荒的光伏发电技术与经济性 沙戈荒地区拥有光照强、地广人稀等发展光伏产业的先天优势，光伏电站不仅可以实现固沙的作用，还能够吸收光照降低土地温度，减少水分蒸发，为动植物提供屏障，达到“板上发电；板下修复；板间种植”的生态模式。 p草方格p人工梭梭林、防护林p光伏方阵基础固沙p沙障设置 p光伏农业大棚p鸡鸭鹅禽类养殖p无犄角绵羊养殖 p种植肉苁蓉、甘草、黄芪、苜蓿p填土、移栽种植 三、适应沙戈荒的光伏发电技术与经济性 电站智能一体化管控平台 运维装备开发及应用 利用无人机、人工智能、大数据分析等技术，开发集成三维设计优化、可视化基建及故障诊断的智能一体化管控平台，支撑沙戈荒大容量电站开发及建设管理 面对沙戈荒大容量电站区域广、缺水、沙尘大等问题，开发基于大载重电动无人机、智能清扫机器人等运维装备，是实现电站良好运维的必要手段。 Contents1 沙戈荒能源基地开发面临挑战概述 2 适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 目录 3 适应沙戈荒的光伏发电技术与经济性 4 沙戈荒大型能源基地综合开发技术 5 相关建议 四、沙戈荒大型能源基地综合开发技术 开发集资源评估、选型选址、场群设计、并网分析、生产模拟于一体的大型能源基地规划优化平台，解决以往新能源场站在规划阶段各专业数据一致性较差，源网规划建设不匹配，源网调度运行经济性欠佳等问题，实现大型能源基地从资源评估—微观选址—一体化设计—并网安全—生产模拟的全流程一体化开发设计。 四、沙戈荒大型能源基地综合开发技术 综合考虑新能源消纳、经济性、安全性以及电网支撑等多维因素，实现陇东基地的友好并网、主动支撑、优化调度及快速控制，打造千万千瓦级多能互补大型能源基地一体化运行控制典型建设模式与整体解决方案。 l实现千万千瓦级多能互补大型能源基地的一体化经济优化调度，显著提升大型能源基地运行的经济效益。 l实现千万千瓦级多能互补大型能源基地的毫秒级功率控制，大幅提升大型能源基地的电网支撑能力。 l形成千万千瓦级多能互补大型能源基地一体化运行的系列规范、制度和流程，指导和支撑我国大型能源基地的开发和建设运行。 四、沙戈荒大型能源基地综合开发技术 “沙戈荒”地区储能开发主要面临安全性、电网适应性、环境适应性、运维困难等共性技术难题。从系统架构、管控、运维、集成方面突破，提高储能系统的可靠性和环境适应性，可满足“沙戈荒”大型储能电站要求。 四、沙戈荒大型能源基地综合开发技术 中国华能是我国最早开展CCUS技术研发和工程示范的单位之一，建立了具有完全自主知识产权的CCUS技术理论和成套技术体系，拥有多个国家级和省部级CCUS研发平台，获批了“国资委CCUS原创技术策源地”和“高效灵活煤电及CCUS全国重点实验室”（首批标杆实验室之一）。 碳捕集技术 碳利用：突破了CO2制甲烷/甲醇技术和甲醇制丙烯技术，建成国内首套全流程甲醇制丙烯循环流化床中试平台和两段式等温甲烷化工业侧线，实现工业示范应用。 碳捕集：建立了具有完全自主知识产权的燃煤/燃气电厂CO2捕集理论和成套技术体系，包括高性能CO2吸收剂技术、吸收剂回收纯化技术、碳捕集工艺设计及优化技术、高效分离设备开发技术、电厂集成优化设计技术等，成功建造并运行多个首台套大科学装置。 碳封存：开发了国内首套带独立监测系统的千吨级CO2驱替示范系统，揭示了CO2咸水层溶解封存机理，构建了面向碳源的CO2咸水层封存场地评价选址方法和指标体系，同步开展三维地震勘探、多层统注、“空-天-地”一体化监测等技术研发。 四、沙戈荒大型能源基地综合开发技术 中国华能成功建造并运行了多项国际/国内首台(套)CO2捕集装置并首次实现我国碳捕集技术出口发达国家，发起成立了“国家CCUS产业技术创新战略联盟”和“CCUS技术创新联合体”，持续引领CCUS产业发展。 四、沙戈荒大型能源基地综合开发技术 华能百万吨级CCUS技术示范：依托正宁电厂1000MW燃煤机组，CO2捕集烟气来自脱硫后烟道，占机组烟气量的28%，其温度约49℃，烟气压力：200Pa(g)，烟气中CO2浓度为12.61%。捕集规模为150万吨/年，CO2捕集率≥90%，纯度≥99.5%，再生热耗≤2.3GJ/tCO2，脱碳总成本≤220元/吨CO2，捕集后的CO2全部用于驱油与封存，CO2利用和封存率≥90%。 华能正宁电厂2×