【doc】美国夏威夷州自然能源的研究应用与发展

【doc】美国夏威夷州自然能源的研究应用与发展 美国夏威夷州自然能源的研究应用与发展 ?,一 l3f ? 国外见闻? 美目,白娠 美国夏威夷州自然能源的 研究应用与发展 陈东兵 作者曾以访问学者的身份于1989--1990 年在美国夏威夷自然能源研究所(HNEI: HawaiiNaturalEnergyInstitute)进 修学习.现将夏威夷自然能源的研究,应用 和发展状况作一介绍. 美国的夏威夷州由位于太平洋中部的一 群火山岛组成,地处北纬20度左右,呈东 南一西北方向绵延2,BOO多公里.其中较大 的岛屿有瓦胡岛(0ahu),夏威夷岛 (Hawaii),马尾岛(Maui)和考爱岛 (Kauai)等.全州人口约110万人,8O 以上在瓦胡岛.首府火奴鲁鲁(Honolulu, 即檀香山). 一 ,夏威夷的能源特点 夏威夷没有矿物燃料资源,水力资源也 极为有限.能源以石油为主,占9O,全部 依靠进i=i,每年耗资十几亿美元.石油主要用 于交通运输,其中35为各岛屿之间及与外 丧1夏戚夷与全美的能源构成(1988)() 汽油天然气I煤核电水电生物质船其他 夏威夷91.25l7.55,1.2 美国42.6923.07}23.5l7.0g3.30.35 裹2夏威夷爰美国能源用造(1988)() 发电l交通运输f.其他 夏成夷31.656.7l1.7 美国27.037,135.9 裹3夏戚夷备岛的能源构成(1988)?(簿) 汽油水电生物质船风能地热能 瓦胡岛08.11,60,3 一 夏成夏岛59.52.432.82.92.3 — 马尾岛78,22.8lg.00.02 —— 考爱岛5J.9l2.335.7 ?58?电I电能新技术 界的空中运输所消耗.夏威夷州的政府充分 认识到能源问题对夏威夷的环境,旅游以及 经济发展的重要意义,大力推动和促进自然 能源的研究和开发应用,取得显着成效.表 1及表2显示了夏威夷与美国大陆在能源结 构方面的不同特点.表3列出了夏威夷各主 要岛屿的能源构成情况. =,主要新能源研究机构 HNEI是夏威夷从事新能源研究的主导 机构,也是太平洋各岛屿自然能源研究和开 发应甩的先驱.HNEI由议会倡导组建 于l974年,隶属于夏威夷大学.其任务主 要是承担及协调组织有关自然能源的研究和 发展工作.近几年来,HNEI的研究活动领 域扩及海洋资源技术,包括海洋生物资源及 海底矿产,以及环境研究特别是温室效应. HNEI早期的研究工作集中于替代能源发电 上,在夏威夷的生物质能发电,风力发电及 地热发电方面都做出了贡献.现在的研究目 标之一是高值生物质能的生产及转换为运输 用燃料的研究.HNEI在新能源方面的主要 研究内容为: (1)能源状况预测及自然能源资源的调 查与评佶, (2)可再生能源生产,转换,贮存方面 的基础性研究J (3)研究成果的应用示范} (4)研究设施的管理与发展I (5)安装及监测,新能源装置的技 术水平; ("调研社会,环境及相关的财政问 题, (7)为新能源项目提供预研及资询. 现将HNEI在可再生能源领域各方面 的研究工作分别介绍如下. 1.地热研究:资源调查,评估经济 t992年第3期 性,确定地热井的位置和规模,评价地热并 的性能,研究地热流体的物理化学特性及对 环境的影响,地热利用所需的技术,材料, 设备等的研究,设计和试验,以及地热流体 热副产品和化学副产品的商业利用.l976年 曾主持打成第一口地热井并协助安装了 3,000kW井口电站,耗资达l,,100万美 元.目前正合作探查新的地热槽,准备大规 模开发利用. 2.风能研究:除进行了风能资源调查 与评.『占,风力田的选址咨询及效能预测而 外,还进行风力发电设备性能试验和示范, 风力田并网阊题,蓄电池储能系统研究,风 能的非电应用(如泵水),混合风力系统及 其他示范项目.HNEI在夏威夷岛的卡华 (Kahua)建有风能储能实验宣,正进行抽 水蓄能电站试验及风电制氢研究. 3.太阳能:开展了2O多项有关太阳 能应用的研究,包括资源调查,全州太阳辐 射强度的测定,示范工程及大型太阳能项目 的选址咨询和性能预测等.在热利用方面, 设计制造了太阳能空调系统,农作物干燥 器,太阳能暖房及发展,提高热水器技术设 计.在光伏技术方面,为能源部示范研究项 目设计安装了三十不同形式的居民家用光伏 系统,监测,收集,分析处理有关运行数 据l建立实验性光饫充电站给电动汽车充 电,小型光电一风电联合系统及其他探索性 项目.还开展了太阳池发电试验及光电化 学,光生物学制氢研究. 4.HNEI在生物质能源方面的研究工 作包括评估夏威夷的森林,树术,农作物的生 物质能蕴藏量,开展生物质能原料的生产及 热化学,生物化学转换过程研究,评价生物质 能转换技术,大规模种植巨杉及其他速生树 种的可行性研究,开辟能源种植场及进行生 物质能含量试验,分析检测研究等.正在进行 的工作集中在研究从植物和垃圾等生物质量B 原料中制取甲酵.酒精,沼气等液体,气体燃 料以及把太阳能应用于生物质能转换技术. 5.海洋能;HNEI的研究工作主要 涉及海洋热能转换(OTEC)技术,诸如热 交换器的腐蚀及海洋生物附着与侵蚀研究, OTEC结构的水动力负荷,海洋波动力对输 水管线的作用,OTEC浮动平台的选址与定 位,OTEC废水对海洋环境的影响j以及开 发和J用OTEC共生产物及副产品(如淡 水)等.现在HNEI正与太平洋国际高技 术研究中心(PICHTR)合作,在日本政 府的资助支持下,进一步完善在开环OTEC 过程中制取泼水自嫩术. 6.氢能是未来能源中最有希望的能 源.HNEI的研究重点在于氢的制取和储 存,自然能源制氢系统研究及发展国际国内 合作研究.主要工作包括:光化学及光电化 学制氢的电极等元器件基本性能研究j应用 基固工程的菌藻类光照制氢j高温高压超临 界水蒸气的生物质能制氢技术以及研究开发 氢的低温储存,同位肃储存和化合物储存技 术.HNEI曾作为东道主之一主持了1990 年的第八届世界氢能会议. 7.新能源交通工具方面:实施电动车 及甲醇车示范应用研究项目已有1O年之 久,现有电动车,甲醇车30多辆,主要进 行车辆实用性船分析评价,新型车辆和蓄电 池的可靠性,耐用性评估,探索改进电动车 性能及增加行程的新方法,例如建立光伏充 电站,加装发电机等. HNEI现有雇员4O多人,预算经费近 1,o00万美元.主要经费来源有州政府拨 款,能源部委托项目研究经费,与太阳能研 究所(SERI)及其他研究单位的合作项目 经费,以及公司企业的和捐赠资助等 等.HNEI先后承担过500多个研究课题, 总费用1,700多万美元.HNEI与我国的 一 些大学和研究单位都有良好的合作关系. ?60? 夏成夷州政府曾于1989年给HNEI的"夏 成夷一中国新能源合作项目拨款3O多万 美元.先后有20,多位中国留学生及访问学 者在HNEI学习及从事可再生能源研究工 作.多年来,HNEI与夏威夷大学,各级 政府组织,私人企业,社会团体及世界各地 的能源及海洋研究机关广泛协作,在撰写及 评估项目,提供新能源研究信息,支持 有关培调项目,出版技术和通讯报道, 组织技术讲座,专题报告和国际学术会议等 方面都做了大量的工作.对于淘通东西,联 络亚太发挥了积极的作用,在亚洲及太平洋 地区的新能源研究领域有一定的影响. 三,夏威夷新能源研究及 试验应用项目介绍 1.风力发电:因热带信风的吹袭,夏 威夷各岛都有一些风向固定(东北)的高密 度风能区.全,}I电力的1.5%来自风力发 电,风力发电机总装机容量已超过35,O0O kW(见表4),1,o00kW以上的风电场有 6处,其中较大的并网风电场有卡胡库 (Kahuku),卡华和卡马莫阿(Kamamoa). 卡胡库风电场位于瓦胡岛的北浩,装机 容量12,820kW,包括l5台西屋公司9ookW 风机,一台MOD-TB特大型风力发电机及 20台卡特(Car~er)型小型风机.风机布 列于群山之巅,面向兰色的大海,蔚为壮 观.其中MOD一5B建于1987年9月,是 世界上最大的风力发电机,额定输出功率 3,20okW.MOD一5B的桨叶直径达97.5 1TI,重量142L,安装在61m高的周锥形钢 质支撑塔上.发电机系统重量57.5t,三相 4.16kV输出.工作风速12--6omph(5.36 -- 26.am/s),额定风速26mph(11.6m/s), 转速为l3.0—17.5r/min.MOD一5B是波 音飞机公司根据与国家宇航局(NASA)所 电I电能新技术 签合同为美国能源部(USDOE)设计建造 的,耗资5,500万美元. 卡华风电场位于夏威夷岛北部卡华牧场 内,装机容量3,622kW,共有雅可布 (Jacobs)风力机207台,每台容量17.5 kW,分5排安装在两山之间,海拔高度近 1,40ore.在卡华的HNEI风能储能实验 室由总容量42.5kW的三台风力机,柴油 发电机组,储能蓄电池组,交直流变换系统 和抽水蓄能发电系统组成,用计算机控制和 分析,通过变电站并入2.3kV电网.抽水 蓄能发电系统的两个水库相距15km,水 位差约1Oom,有直径30cm钢管相通, 有效库容分别为40,o00m和4,O00m., 并铺有橡胶衬底以防渗漏.35kW的电动 /发电机组与水泵/水轮机相联,整个系统都 是可逆运行的,已于1990年建成投入试验 运行. 寝4夏威夷备岛风信和生物质信发电情况(198S年) 风能发电生物质能发电 容量年发电量比例窖量年发电量比例 (kW)(MkW—h)()(kW)(MkW.h)(菇) 夏威夷岛l6.350497.663,60024838 瓦胡岛13.057490.928,500l052 马尾岛5,5200.10.2 考爱岛300.0445.30013l36 — 全州合计35,0071141.5137,4006649 卡马莫阿风电场座落在夏威夷岛南部的 空旷平原上,建成于1988年,容量为9,250 kW.37台白色三桨叶的三菱250kW (MitsubishiMWT-250)风机分三行排 列,是美国最南的风力发电场. 2.生物质能源项目:夏威夷地处热 带,气傧常年湿热,适于植物生长,利于生 物质能的开发利用.将甘蔗棒糖后的废渣经 干燥,压缩制成块状,便于燃烧发电.蔗渣 发电已占夏威夷总用电量的9,而在夏威 夷岛甚至达40(见表4).位于夏威夷 岛希洛(Hilo)的海岸处理公司(coast ProcessingCo.)是夏威夷最大的蔗渣发 电厂,在每天的用电高峰期供电18,000 kW,应急供电可达20,o00kW,年发电量 11,700万kW?h. 夏威夷岛上的生物质能源发展公司 (BioEnergyDevelopmentCorpora一 1992年3期 tion)的生物质能实验林场,占地1,264公 顷,是1983年由美国能源部出资在美国森 林局(U.S.ForestService)专家帮助 下建立的.场内种植大量按树(可生产液体 燃料以代替汽油),进行树种,肥料,种植 密度,生长速度及其他方面的研究. 3.夏威夷有丰富的太阳能资源.家用 及商业应用的太阳能热水器已超过41,000 台,拥有率居垒美之首.光伏应用以小型家 庭用独立系统为主,各大小岛屿都有应用. 1984年建立了两套4kW家用光伏试验系 统(一套独立系统,一套并网运行),经4 年试用,取得各种数据,证明光伏系统在热 带海岛环境应用的可行性.位于Manoa夏 威夷大学校园附近的卡里加得(Cully Judd)家用光伏试验系统建成于1988年 10月.这是一个混合式系统,56块光电池 组件由ARC0Solar公司提供,峰值功率 3kW.太阳电池组件板全部安装在屋顶上. 储能蓄电池容量为24V1,40oA?h,配有 5kW的柴油发电机作为备用电源,并与电 力嗣相联以防万一. 考爱岛上的维尔考克斯纪念医院与保 健中心(aNWilcoxMemorialHos— pitalandHealthCareCenter)光电/光 热联合系统建于1982年,是美国最大的抛 物面聚光型太阳能电/热系统.该系统由8O 个铝制拄状抛物面聚光接受器组成,每个 1.83×3m,聚光率28倍.太阳电池安装 在聚光器的焦点轴线上.当水通过太阳电池 背面的水管时,冷却太阳电池并被加热.系 统设计光电功率35kW,光热功率200kW, 年发电量22,O00"kW-h,年产82~c的热 水2,350t,全部供医院使用.系统建成后, 运行结果不理想,原因是气象条件差及太阳 电池性能衰退.现仅用于向一家咖啡厅供应 热水.' 1989年10月建成于马尾岛(Maui) 上的20kW光伏系统,是美国能源部资助 的"公用电网规模光伏计划(PVUSA)" 的一个单元,是Sovonfcs公司承建的交 钥匙工程.用的是级联结非晶硅太阳电池组 件,总共1,200块,固定倾角22.,系统 效率3.7,运行正常. 马尾岛上的先锋制糖公司(Pioneer SugarMillCo.)从1980年开始设计建造 一 座塔式太阳能集热器,由568个定日镜把 阳光反射到79m高的集热塔上所产生的 蒸汽用于蔗糖榨制生产及发电.因预算经费 庞大(需4,000万美元)而暂时搁置,等待 投资.另一个被推迟的项目是奠洛凯(Mo— lokaf)岛上的分散集热式太阳能发电系统, 输出功率250kW.集热系统包括5个集热 点共400个碟式反光集热器.水在离反光镜 面18.3m的焦点位置被加热成蒸汽,集中 输送用来发电.该项目原计捌1989年建成. '6罢' 4.海洋热能转换(OTEC)工程主要 在夏威夷岛西海岸的夏威夷自然能源实验室 (NELH)进行.该实验室含水域822公顷, 表层水温24.一28?,600米深处水温低于 10~C,已安装一台1,000kW发电机组,采 取开式循环发电.从1983年起开始进行一 座40,000kW的OTEC电站设计,计划 在瓦胡岛近岸550m处建一座91×122m 的浮动水泥结构,用直径6米,长5700m 的大口径水管把823m深处的冷水抽取到海 面加以利用.总预算资金约需3亿美元.亦 已暂时搁置等待投资. 5.地热资源主要集中在夏威夷岛,仍 有活火山在喷吐岩浆.1976年钻成的第一口 地热井是世界最高温井之一,井深1,966m, 水温358?,井口压力12.3kg/cH,每小 时可获得70t的186?地热流体.井口电 站功率3,000kW,可供夏威夷岛电力需要 的3.已有计划到1998年再建造两座容 量各为12,500kW的地热电站.由政府资 助进行的一项研究是关于深海海底电力电缆 的研究,目的是想在不远的将来把夏威夷岛 地热发电的500MW电经海底高压电缆输 送到瓦胡岛.如能实施,到2o10年瓦胡岛 电力的41将可以由地热发电提供. 6.檀香山的火奴鲁鲁废物能再生利 用计划(H—POWER)一正在建设一座能 够每年处理垃圾57万t的工厂,燃烧垃圾 发电,容量约为4—5MW,计划1990年峻 工.在瓦胡岛的卡帕(Kapaa)已于1988 年建成一座垃圾沼气试验电站,容量3.2 MW,发出的电力除自用外,多余的售给电 力公司. 7.HNEI的夏威夷一中国新能源合 作项目展示实验场座落在夏威夷大学海洋研 究所的斯纳格港(SnugHarbor).场内安 装有一套1kW风机与200W光电的小型 (下转第57页) 《电I电能新技术 ? 科研简讯? 光纤电流测量仪通过鉴定 光纤电流测量仪于1991年l2月在郑 州通过鉴定. 电力系统正向大容量,高电压发展,目 前高压交流输电系统用电流互感器测量电 流由于互感器体积大,价格昂贵,绝缘要 求高,尤其是巨大的浪涌电流会}I起互感器 铁芯饱和及磁滞损耗,I起次级波形失真, 对很有价值的瞬态量得不到真实而精确的测 量. 光纤电流测量仪是7O年代末,80年代 初发展起来的一项综合性高新技术.它涉及 了光纤,激光和微机等新的学科.由于具有 优良的绝缘性能,不受电磁场干扰及响应 速度快,频带宽,体积小,损耗低,测量范 匿太和耐腐蚀等独特优点,它不但在50Hz 稳态下能高精度的测量,而且能测量高次谐 波及瞬态电流.故高压或超高压环境中断路 击穿时产生的冲击电流,故障时的塔脚电 流,雷击电流,特殊环境中的脉冲等离子体 电流及及直流上叠加交流的混台电流等,都 能应用该测量仪准确快速的划出. 另外我国对节能工作很重视.电力系统 存在一个很大的问题是每年有大量的电力消 耗在谐波功率上,而对电网中瞬态电流包括 高次谐波的测量一直未能很好解决.用光纤 电流溅量仪能很好的解决这一同题.它不但 能测出高次谐波,而且还可以利用微机同时 测出其它电量. 该仪器已成功的测量了50Hz稳态电 流,其范围为5,2700A,精度在1509A 范国内小于1.6B×10一,5个小时的相对漂 移量小于0.66×10一,在500—1500A范 围波形失真度小于1.3,10O一1500A范 围相角差小于0.73. 另外还成功的测量了阀型避雷器阀片的 放电(冲击)电流1276A,脉宽s级,脉 冲电机电流136.4A,脉宽2m}电容器放 电电流1540.5A,脉宽0.3ms.用户反映 测试很成功,对测试结果很满意.鉴定委员 一 致认为该技术属国内领先,技术指标达到 了国际8O年代先进水平. -r}?l-一日l?:l'ii-}?E《I--"-:-{j啦ijIl目目{jl:4|目iD日 (上接第62页) 混合系统,,台3kW和一台150W风力 发电系统,一台3O0W旋风式风能提水装 置,一套电解翻氢及储氯系统,以及光电黑 光灯杀虫器,光电太阳能路灯,气化炉,太 阳灶,太阳能热水器等小型新能源应用设 备.所有装置都来自中国各有关大学和研究 单位,展示新能源应用的各个方面和夏威夷 一 中国新能源合作研究的成果. 1992年摹3期 由于特殊的地理位置和得天独厚的自然 能源资源,加上政府各部门重视,公私企业 的兴趣,广大民众的关心,夏威夷已成为国 际可再生能源的研究,开发和商业化试验基 地.自然能源领域研究和应用的进展和成 就,特使夏威夷逐步改变依靠进口石油的能 源结构,过渡到以自然能源为主,达到能源 自给.刊2010年,夏威夷的电力将有60 来源于自然能源. ?57?