近日，我國(guó)首套應(yīng)用于南極地區(qū)的完整風(fēng)光燃儲(chǔ)互補(bǔ)智能微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)建成，并在南極泰山站投入運(yùn)營(yíng)。這也成為我國(guó)第35次南極科考的主要成果之一。

從燃油到新能源

日前，南極泰山站新能源微網(wǎng)供電系統(tǒng)順利完成安裝、調(diào)試、并網(wǎng)運(yùn)行任務(wù)。這標(biāo)志著，我國(guó)在南極的科學(xué)考察站從以燃油作為能量來(lái)源，向就地取材、循環(huán)利用的新能源邁出了堅(jiān)實(shí)的一步，為保護(hù)南極提供了中國(guó)的系統(tǒng)性能源解決方案。

南極洲年平均氣溫為-25℃，內(nèi)陸高原平均氣溫為-56℃左右，極端最低氣溫曾達(dá)-89.8℃；冰層平均厚度1880米，最厚達(dá)4000米以上。泰山站所在區(qū)域具有典型的內(nèi)陸氣候，風(fēng)大，吹雪嚴(yán)重，氣候環(huán)境極其惡劣：海拔高度2621米，年平均溫度-36.6℃，最低溫度達(dá)-64℃，最高溫度零下8℃；年均風(fēng)速：6.5m/s，最大風(fēng)速60m/s。如此惡劣的天氣，對(duì)于科考站和科考工作者來(lái)說(shuō)，必須有充足的能源供應(yīng)。很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，南極考察基本依靠燃油作為保障。每個(gè)考察站都配備多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，輪流發(fā)電和檢修，保障考察站全年每天24小時(shí)不間斷的電力供應(yīng)。

各國(guó)對(duì)南極科考的歷史已經(jīng)有100多年。目前，共有20個(gè)國(guó)家在南極洲建立了150多個(gè)科學(xué)考察站，我國(guó)目前有5個(gè)科考站在運(yùn)行。據(jù)中國(guó)極地研究中心提供的資料顯示，由于柴油發(fā)電所需，長(zhǎng)城站和中山站每年至少需要補(bǔ)給高標(biāo)柴油350噸，還需要少量的汽油、液化氣等。2008~2009年度的內(nèi)陸隊(duì)考察和昆侖站建設(shè)共配備160噸航空煤油。這些燃料主要用于發(fā)電、取暖、運(yùn)輸機(jī)械等。因?yàn)槟蠘O地區(qū)使用的柴油必須靠油輪到幾千米以外的霍巴特購(gòu)買，加上運(yùn)輸費(fèi)用耗資巨大，并且每次運(yùn)送的數(shù)量也很有限。隨著科技的發(fā)展和人類對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，越來(lái)越多的國(guó)家提出在南極建設(shè)新能源考察站。

由于柴油發(fā)電噪音大，并且不利于環(huán)境保護(hù)，容易污染極為脆弱敏感的南極地區(qū)。因此，在南極推廣應(yīng)用綠色能源已迫在眉睫且具有十分重要的意義。隨著新能源技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，南極的“風(fēng)”與“光”開(kāi)始為科考工作者所關(guān)注。

為了擺脫對(duì)常規(guī)能源的依賴，形成有效的新能源利用機(jī)制，助力極地科考事業(yè)發(fā)展。我國(guó)的南極考察站多年來(lái)也在不斷嘗試新能源的應(yīng)用。所以，在泰山站建站之初，中國(guó)極地中心就確立了大幅減少燃油的消耗，因地制宜，加大清潔能源的應(yīng)用比重，實(shí)現(xiàn)能源就地取材、循環(huán)利用，打造自動(dòng)化、智能化綠色供電系統(tǒng)，使之成為南極考察站中高科技與環(huán)境保護(hù)的示范站。

定制化創(chuàng)新

南極地區(qū)尤其是泰山站建設(shè)地，太陽(yáng)能、風(fēng)能充足，充分利用好光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的互補(bǔ)特性，柴油發(fā)電和新能源系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，搭建風(fēng)光柴儲(chǔ)多能互補(bǔ)智能微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)提供的電能正常情況下（包括極夜期間）可以完全滿足科考站內(nèi)用電負(fù)載的用電需求，多余的電能還可以儲(chǔ)存到儲(chǔ)能系統(tǒng)中，作為備用電源。極端情況下，在新能源供電系統(tǒng)發(fā)電量或儲(chǔ)能系統(tǒng)電量不足時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電，待新能源發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電滿足供電狀態(tài)時(shí)，再次自動(dòng)無(wú)縫切換到新能源系統(tǒng)供電，同時(shí)關(guān)閉柴油發(fā)電機(jī)供電。通過(guò)智能化管理，適時(shí)調(diào)配能源供應(yīng)，保證在任何時(shí)候、任何情況下，考察站的科學(xué)觀測(cè)設(shè)備均可以獲得安全、穩(wěn)定、可靠的能源保障。

該套新能源微網(wǎng)供電系統(tǒng)針對(duì)南極泰山站極寒、大風(fēng)、高海拔、低氣壓等特殊環(huán)境，采用定制化風(fēng)機(jī)、光伏和儲(chǔ)能電池，并通過(guò)控制終端對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行智能控制。在夏季泰山站有人值守期間，新能源微網(wǎng)供電系統(tǒng)可以與泰山站的柴油發(fā)電機(jī)并網(wǎng)共同使用；在冬季泰山站無(wú)人值守期間，新能源微網(wǎng)供電系統(tǒng)還可以通過(guò)控制終端實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)無(wú)人值守自主運(yùn)行，為無(wú)人值守期間泰山站的科研儀器和站區(qū)配套設(shè)備進(jìn)行供電。

泰山站二期工程采用定制集裝箱模塊組合形式，將供配電系統(tǒng)、融雪系統(tǒng)、新風(fēng)加熱采暖系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)等，整合在集裝箱模塊內(nèi)，實(shí)現(xiàn)快速安裝，縮短南極現(xiàn)場(chǎng)施工周期。同時(shí)，創(chuàng)造性地采用雪下建筑的形式，變被動(dòng)為主動(dòng)，有效解決南極建筑被風(fēng)雪掩埋的難題，最大程度減少對(duì)周圍地形的影響，保證站區(qū)設(shè)施長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

雪下建筑采用定制集裝箱模塊拼裝和雙層密封防水方式，有效解決極寒環(huán)境中雪下建筑的保溫及防水密封。經(jīng)測(cè)試，泰山站雪下建筑室內(nèi)外溫差達(dá)80攝氏度以上，雪下建筑的集裝箱拼縫沒(méi)有出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，集裝箱外也沒(méi)有出現(xiàn)融雪現(xiàn)象，為雪下建筑內(nèi)各設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

2018年11月出征，

2019年2月1日勝利安裝、調(diào)試并網(wǎng)運(yùn)行

2019年3月12日凱旋。

項(xiàng)目組的呂冬翔博士和鄭光恒工程師

優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)群策群力

據(jù)悉，南極泰山站電能源項(xiàng)目由中電力神子集團(tuán)抓總，依托中電力神子集團(tuán)18所高效能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)揮藍(lán)天太陽(yáng)公司高原離網(wǎng)系統(tǒng)搭建能力，采用上海微系統(tǒng)所研發(fā)的高效率雙面SHJ硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池、青島安華公司的風(fēng)電系統(tǒng)、及力神電池公司優(yōu)質(zhì)的儲(chǔ)能電池產(chǎn)品，中國(guó)寶武集團(tuán)總承包并設(shè)計(jì)、中冶集團(tuán)負(fù)責(zé)施工的泰山站雪下建筑，寶鋼工程承接建設(shè)安裝等任務(wù)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，通力協(xié)作，短時(shí)間內(nèi)完成了項(xiàng)目所需全套綠色能源系統(tǒng)研制部署工作。

當(dāng)前，泰山站新能源微電網(wǎng)系統(tǒng)已建設(shè)完成。經(jīng)運(yùn)行測(cè)試，最大標(biāo)稱功率10kW的光伏發(fā)電分系統(tǒng)在泰山站極晝期間實(shí)際最大發(fā)電功率達(dá)到10.5kW，而國(guó)內(nèi)同等功率的光伏發(fā)電系統(tǒng)在夏季太陽(yáng)光照最好時(shí)最大發(fā)電功率一般也不會(huì)超過(guò)7kW；最大標(biāo)稱功率5kW的風(fēng)力發(fā)電分系統(tǒng)在泰山站大風(fēng)時(shí)實(shí)際最大發(fā)電功率5.2kW，也充分達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

此外，在本次科考過(guò)程中，由東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的“極地移動(dòng)電源”將能夠很好地解決能源問(wèn)題。它可以通過(guò)能量轉(zhuǎn)換，為泰山站提供全年不間斷的電力供應(yīng)。

移動(dòng)電源為整個(gè)裝置和天文觀測(cè)儀器設(shè)備提供電力支持。移動(dòng)電源位于發(fā)電艙內(nèi)，艙內(nèi)有6臺(tái)德國(guó)HATZ lB40發(fā)電機(jī)，發(fā)電艙為上下兩層，下層為儲(chǔ)油箱．上層安裝了發(fā)電機(jī)組以及各種輔助設(shè)備。機(jī)組重要輔件有超級(jí)電容、潤(rùn)滑油箱以及油泵。這樣一套系統(tǒng)可以進(jìn)行持續(xù)供電。以柴油或者航空煤油為能源，采用柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電，可以穩(wěn)定輸出交直流電，再經(jīng)過(guò)一定的配送進(jìn)行供電?？紤]到發(fā)電機(jī)可能存在故障或者需要切換的情況存在，因此發(fā)電機(jī)發(fā)出的電一部分用于對(duì)外供電，另一部分輸入蓄電池中進(jìn)行儲(chǔ)能。

有了這個(gè)移動(dòng)電源做輔助，南極科考的數(shù)據(jù)以及設(shè)備運(yùn)行的數(shù)據(jù)就可以實(shí)時(shí)的傳回來(lái)進(jìn)行分析。可以在設(shè)備無(wú)人時(shí)提供一個(gè)穩(wěn)定的電源，同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)回傳，為我們的科考做服務(wù)。

數(shù)據(jù)顯示，泰山站新能源微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在南極工作穩(wěn)定、運(yùn)行良好，整體發(fā)電效果突出。在我國(guó)第35次南極考察隊(duì)離開(kāi)泰山站之后，新能源系統(tǒng)仍然持續(xù)為泰山站內(nèi)某科研設(shè)備供電，并通過(guò)微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部的銥星通訊網(wǎng)絡(luò)可以將系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)時(shí)發(fā)送到國(guó)內(nèi)，保證了系統(tǒng)運(yùn)行正常。

眾所周知，能源是制約我國(guó)在南極進(jìn)行科學(xué)探索的關(guān)鍵因素之一。此前，我國(guó)在南極的科學(xué)考察站全部以燃油作為能量來(lái)源。隨著科技的發(fā)展和人類對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，越來(lái)越多的國(guó)家提出在南極建設(shè)新能源考察站，并已有少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家已成功在南極建設(shè)了新能源發(fā)電站，部分實(shí)現(xiàn)了利用新能源替代傳統(tǒng)燃料能源的目的。今后，實(shí)現(xiàn)能源就地取材、循環(huán)利用是南極能源發(fā)展和使用的必經(jīng)之路。

“實(shí)現(xiàn)能源就地取材、循環(huán)利用是南極能源發(fā)展和使用的必經(jīng)之路。如今，隨著南極泰山站新能源微網(wǎng)供電系統(tǒng)的正式建成，中國(guó)南極科考的能源利用將變得更加綠色、高效、可持續(xù)。”呂冬翔說(shuō)。