㊀㊀收稿日期:2013-10-12
基金项目:2012年海洋公益性行业科研专项经费项目 海峡西
作者简介：肖亚苏(1981)，女，河北保定人，硕士研究生，工程师，从事海水淡化自动化控制技术研究与开发工作㊂
海岛适用的风光柴蓄一体化海水淡化装置研制
肖亚苏，俞永江，刘锡文，李㊀楠
(国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所，天津300192)
㊀㊀摘要：针对海岛淡水资源短缺，常规能源供应紧张，新能源单独使用不稳定等问题，研制了一套风光柴蓄一体化海水淡化装置，并从多能耦合发电设计㊁淡化工艺优化和监控系统设计等方面进行了分析和阐述㊂运行结果表明，该装置具有自动化程度高，环境适应能力强，吨水耗电低等优点，对解决孤立海岛地区的能源供应与水资源同时匮乏难题具有重要参考价值，推广应用前景广阔㊂
关键词：海岛；新能源；风光互补能源；海水淡化
中图分类号:TP202㊀㊀文献标志码:B㊀㊀文章编号:1000-0682(2014)02-0105-04
Development of wind -solar -firewood -battery integrated
seawater desalination device for island
XIAO Yasu,YU Yongjiang,LIU Xiwen,LI Nan
(Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization ,SOA <Tianjin >,Tianjin 300192,China )
㊀㊀Abstract :In order to solve the problems of the island,such as shortage of fresh water,supply ten-
sion of conventional energy,instability of single new energy,developed a kind of wind -solar -firewood -battery integrated seawater desalination device.This paper analyzed and introduced the design of multi -energy coupling power generation system,the optimization of desalination process and the development
of monitor -control system.The running results show that the device have the advantages of high degre
e of automation,environment adaptable and low power consumption of per ton water.It has important refer-
ence value and application prospect to simultaneously solve the problem of energy supply and water re-source shortage for isolated islands and remote areas.
㊀㊀Key words :island;new energy;wind -solar hybrid energy;seawater desalination
0㊀引言
孙湘海水淡化是从根本上解决海岛水资源短缺的重要途径㊂但对于边防哨所或孤立海岛，由于未能架设电网，往往需要自行解决电力供应㊂常用的柴油机发电方案受到能源价格㊁运输条件以及环境污染等因素限制，难以保障上述地区的持续供电需求㊂因此，寻求稳定可靠的海岛电力供应途径，是实现海水淡化的必要前提㊂而海岛优越的风㊁光等自然资源为解决这一难题提供了条件㊂
近年来，充分利用风能和太阳能等新能源，结合
蓄电池组㊁柴油发电机等常规方法，按照一定的配比关系进行优化组合，建立一种经济合理㊁高效稳定的海岛多能源耦合供电系统，在海岛经济开发方面得到了广泛应用㊂该文研制了一套适用于海岛的风光柴蓄一体化海水淡化装置，充分利用风光互补发电进行海水淡化，为解决海岛能源供应与水资源同时匮
乏的难题提供了技术途径㊂
1㊀新能源利用技术
新能源又称非常规能源，主要有太阳能㊁风能㊁核能㊁地热能和潮汐能等，主要利用方式是发电㊂其中，风能和太阳能发电是目前最具规模化开发条件与商业化前景的新能源发电技术㊂由于受各种因素制约，单独使用存在电力供应不足或电压波动的弊端，无法长期保障稳定供能㊂综合利用风力发电和光伏发电各自的优点进行优化组合，建立一种经济合理㊁稳定可靠的多能耦合供电系统，实现各种资源的最佳匹配和高效利用，是当前研究的热点之一㊂国内外科研机
㊃
501㊃2014年第2期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀工业仪表与自动化装置
构开展了系统计算机仿真和优化设计研究[1-3]，为新
能源发电技术的推广应用奠定基础㊂
将新能源发电与海水淡化技术相结合，可很好地利用海岛丰富的风光资源，根本解决水资源紧缺问题㊂迄今为止，利用风能㊁太阳能提供电能的海水淡化项目还比较少见，综合利用风光互补发电作为能量提
供端的海水淡化技术仍处于研究发展阶段[4-6]㊂基于多能源耦合供电的智能微网，提高供能系统与海水淡化系统的匹配性和操作弹性，是当前新能源海水淡化技术的研究热点㊂
2㊀装置研制
风光柴蓄一体化海水淡化装置总装机容量4.2
kW，设计产水规模5m 3
/d，图1为实际装置图㊂整套
系统由多能耦合发电单元㊁海水淡化单元㊁主控单元和辅助单元组成，是一种集多能源发电技术㊁海水淡化技术和智能控制技术于一体的复合新能源海水淡化装置，系统组成如图2所示㊂其中，多能耦合发电单元包括太阳能组件㊁风力发电机㊁柴油发电机㊁蓄电池组和逆变器等，为海水淡化单元提供动力；海水淡化单元包括取水㊁预处理㊁反渗透和产水等工艺过程；主控单元包括多能耦合发电控制和海水淡化装置控制，用于新能源发电系统的实时监测㊁调节与控制；辅助单元包括防雷㊁防风㊁防水㊁防腐及远程监控等设计
㊂
图1㊀
风光柴蓄海水淡化装置
图2㊀系统组成图
2.1㊀多能耦合发电单元
该文提出的多能耦合发电系统为离网型独立供电系统，其结构如图3所示
㊂
图3㊀多能耦合发电系统结构图
㊀㊀1)磁悬浮风机将风能转换为机械能，风力发电机将机械能转换为电能，通过控制器对蓄电池充电,
再经过逆变器为负载供电;
2)太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电
能，然后对蓄电池充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载供电;
3)逆变器包括三相逆变器和单相逆变器，把直流电变成标准交流电，保证负载设备正常使用㊂同时具有自动稳压功能，以改善新能源发电系统的供电质量;
4)智能控制器根据日照强度㊁风力大小及负载变化，不断对蓄电池的工作状态进行切换和调节，保证系统工作的连续性和稳定性;
5)蓄电池组由多块蓄电池组成，同时起到能量调节和平衡负载两大作用㊂将新能源发电系统的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用㊂
6)由于海水淡化单元高压泵电机启动电流较大,
如在系统电量不足的情况下启动，会引起蓄电池电压快速下降，系统无法保持长期正常运行㊂系统在电池选型和容量方面做了充分考虑，增加超级电容以保障电机负载的启动㊂主体设备清单如表1所示㊂
表1㊀主体设备清单
项目
规格
数量磁悬浮风力发电机
DS600W -10C(600W)1台太阳能电池板300WP /36V(3600W)
12块柴油发电机KDE6500E31台蓄电池150AH /12V 4组三相正弦波逆变器
HZRZI 4000kV 1台单相逆变器S1500-2481台超级电容
58V 125F
1块
㊀㊀风机每天满负荷发电7h，发电量4.2kW㊃h；太阳能板每天满负荷发电5.3h，发电量19kW㊃h㊂合计每天总发电量23.2kW㊃h㊂
2.1.1㊀光伏发电系统
光伏发电系统容量的确定以系统所在地区的地
㊃
601㊃工业仪表与自动化装置㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2014年第2期
理环境㊁太阳总辐射量等因素为依据，装机容量由下式决定[7]
WȡHβ
0.2778Q b Rη
式中:W为装机容量计算值(kW);H为用户用电量(kW㊃h);0.2778为年总辐射量换算为相当于标准光强(1000W/m2)下的日照小时数(hm2/ MJ);Q b为太阳能年总辐射量(MJ/m2);R为方阵表面接收到太阳能年总辐射量与水平面年总辐射量比值;β为光伏供电百分比;η为系统总效率㊂2.1.2㊀风力发电系统
风力发电机组的选择与当地的风能资源密切相关，风能资源以年有效风能量密度衡量㊂充分考虑风力发电机输出端到用户端电能传输㊁变换及利用效率[7]，风力发电机组输出端提供的最小保证电量为:
E w=E0K D/η
式中:E w为风力发电机组年最小保证发电量(kW㊃h); E0为负荷耗电量(kW㊃h);K D为风电供电百分比;η为风能传输效率(0.6~0.9)㊂
2.1.3㊀柴油发电系统
三相柴油发电机作为备用电源，用于当风速波动过大或风速过小及阴雨无光照天气供电不足时，保证海水淡化装置正常运行㊂
2.1.4㊀蓄电系统
蓄电池采用保障基本负荷连续供电容量计算[7]㊂计算公式为:
P=P0(1+δ)
式中:P为电池容量(kW㊃h);P0为基本负荷(kW㊃h);δ为电功率裕度(取0.2)㊂
2.1.5㊀系统运行模式及优点
根据风力和太阳辐射变化情况，系统有3种运行模式:①光伏发电系统单独向负载供电;②风力发电机组和光伏发电系统联合向负载供电;③柴油发电机作为备用电源能单独保证系统正常运行㊂多能耦合发电系统
较单独能源供电系统有如下优点:①太阳能㊁风能具有昼夜互补㊁季节性互补的特性，可产生较稳定的电能输出，增加了系统的稳定性;②保证同样供电的情况下，减小了蓄电池容量;
③对系统进行合理设计和匹配，可实现基本由新能源发电系统供电，减少启动备用电源㊂
2.2㊀海水淡化单元
海水淡化单元采用反渗透淡化工艺，如图4所示㊂其中高压泵选用能量回收一体机，减少占地面积，回收浓盐水能量，降低电能消耗50%~65%㊂该工艺在新能源海水淡化领域中应用最为广泛㊂是沿海地区解决水资源短缺的主要手段之一㊂其单位能耗较低，设备模块化程度高，适用于不同规模的淡化工程，而且在与新能源发电系统耦合时可通过关闭和启动部分反渗透处理单元来适应风光输出的能量变化，维持淡化单元运行参数的恒定[8]㊂
图4㊀工艺流程图
㊀㊀反渗透海水淡化工艺内主要耗能设备如表2所示，总装机负荷约4kW㊂
表2㊀负荷统计
序号设备名称功率/kW
1高压泵-能量回收一体机 2.2
2增压泵0.75
3加药泵0.04
4触摸屏0.3
5PLC电源0.5
6其他0.2 2.3㊀主控单元
多能耦合发电系统的运行状态由风速大小㊁光照强弱㊁蓄电池状态及负载用电需求等决定，它们之间互相联系，互相制约㊂风力发电和太阳能光伏发电随周围环境而变化，具有较大的随机性㊂因此系统监测与控制需考虑系统整体运行中的各种工作状态及其之间的切换㊂图5为设计的系统运行操作界面，可实时监测多能耦合发电及淡化装置运行状态，并采用跟踪控制策略实现系统监测与控制㊂
跟踪控制策略主要实现如下功能:
1)风力发电系统和光伏发电系统的最大功率跟踪控制;
2)合理调度使系统发电功率与负载所需功率相匹配，保证向负载提供连续电能，实现负载跟踪控制;
3)合理控制蓄电池充放电，并能防止过充和过放;
4)实时监测系统各参数，具有自动保护和报警功能，实现系统运行保护控制㊂
㊃701㊃
2014年第2期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀工业仪表与自动化装置
图5㊀系统运行操作界面
㊀㊀分析上述控制功能，结合实际情况，系统运行过程中，存在8种工作模式，如表3所示㊂其中,Q WT 为光伏发电量㊁Q PV为风力发电量㊁Q L为负载所需功率㊁Q B为蓄电池带载能力㊁U B为蓄电池端电压㊂
表3㊀系统的8种工作模式
工作模式系统能量状态风力发电机组光伏阵列蓄电池状态㊀㊀㊀1
㊀㊀㊀2㊀㊀㊀3㊀㊀㊀4㊀㊀㊀5P L>0
负载
工作
Q WT+Q PV>Q L U B<U high最大功率跟踪控制充电
U BȡU high切入卸荷负载防过充
Q WT+Q PV=Q L最大功率跟踪控制维持原状
Q WT+Q PV<Q L Q WT+Q PV+Q B=Q L or U B>U low最大功率跟踪控制放电
Q WT+Q PV+Q B<Q L or U B<U low断开负载，蓄电池充电
㊀㊀㊀6㊀㊀㊀7㊀㊀㊀8P L=0
负载
故障
Q WT+Q PV>0U B<U high最大功率跟踪控制断开负载㊁充电
U BȡU high切入卸荷负载断开负载㊁防过充Q WT+Q PV=0断开负载
2.4㊀辅助单元
考虑到装置在海岛环境中使用，系统做了充分的防雷㊁防水㊁防风㊁防腐设计㊂加入直流电源防雷器，选用高防护等级的仪表及控制柜，船级防水密闭门，热浸锌或热喷铝(锌)复合涂层法表面处理，关键部件加入阳极保护等㊂这些措施保障了装置在海岛环境中安全㊁可靠㊁稳定运行㊂
另外，考虑海岛远离大陆，无法实时掌握装置运行信息，且缺乏专业运行维护人员，加入VPDN远程监测模块，实现对岛用多能耦合淡化装置的数据采集㊁远程监控及维护管理等功能，以提高供水安全性㊂3㊀运行分析
装置研制成功后，已经过近2个月试运行㊂运行结果表明：装置运行参数稳定，性能指标达到设计
(下转第120页)
c㊀高转速1300r/min时的控制效果
图4㊀PID控制和CE-ADRC控制不同转速的控制结果㊀㊀从仿真中可以看出CE-ADRC有很好的控制效果且基本无超调；而PID在高转速整定的参数，用在中转速时超调量为5%，而用在低转速时超调量超过了20%㊂而CE-ADRC对各种转速的控制效果基本一致，达到了令人满意的效果㊂
4㊀结语
通过对基于CE-ADRC异步电机直接转矩控制调速系统的研究，解决了异步电机大范围调速性能差，快速性差，超调量大等问题㊂仿真结果表明，基于交叉熵算法整定的自抗扰控制器具有很强的适应能力㊂尤其是对于控制复杂耦合的多变量系统来说，控制效果很是理想㊂
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(上接第108页)
要求，吨水耗能约4.32kW㊃h，产品水符合国家生活饮用水标准(GB5749 2006)㊂部分运行参数见表4㊁表5㊂
表4㊀系统运行参数检测值
海水温度/ħ海水pH
产品水pH
(调质前)产品水pH
(调质后)
28~327.1~7.6 6.2~6.67.4~7.5
产水流量/m3㊃h-1进水流量
/m3㊃h-1
反渗透操作
压力/MPa
反渗透浓水
压力/MPa
0.2~0.220.68~0.76 4.2~4.5 4.0~4.3㊀㊀表5㊀系统运行水质理化指标
项目进料海水产品水去除率%电导率/μs㊃cm-161132.42226.8399.63 4㊀结语
我国沿海岛屿众多，分布很广，随着海岛地区水资源供需矛盾日益加剧，能源供应问题已构成了海岛水资源高效利用的重要内容，日益受到全社会的广泛关注㊂该文将海岛风㊁光及海水等自然资源有机地联系起来，兼顾海岛自然气候环境及远程运行监控等要求，实现了各种资源的最佳匹配和高效利用，在促进海岛开发利用方面有着广泛的应用前景和巨大需求㊂
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