CN114498705A - 一种露天矿分布式新能源供能***及其配置方法 - Google Patents

一种露天矿分布式新能源供能***及其配置方法 Download PDF

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Abstract

一种露天矿分布式新能源供能***，包括：清洁能源发电***，分布式储能***以及车载电池能量回收***，本发明还提供了其配置方法，通过计算电池能量回收系数、单位运距下的综合电耗、单台纯电动卡车的日充电需求、矿区年负载耗电量；可进一步计算得到光伏组件的布设面积和分布式储能***装机容量。本发明可提高露天矿生产的能源利用效率，保证矿区供电***的稳定性。

Description

一种露天矿分布式新能源供能***及其配置方法
技术领域
本发明属于露天矿生产开采技术领域，同时属于分布式能源应用领域，特别涉及一种露天矿分布式新能源供能***及其配置方法。
背景技术
通过降低露天矿山运输环节的碳排放，构建清洁能源的开采运输方式，将有利于矿山生态的可持续发展。近年来，纯电动卡车由于传动效率高、运输过程清洁低碳等优点，已经逐渐应用于矿山运输中。在露天矿建设新能源充电站，可以为纯电动卡车提供动力来源。但是充电站一般具有用电量大、负载波动大等特点，因此，可以通过配置供能***稳定电网供电，实现停电等紧急情况下的应急供电。露天矿区具有丰富的太阳能、风能等清洁能源，如何有效地利用这些可再生能源为矿区生产服务，目前仍没有可行的技术方案。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种露天矿分布式新能源供能***及其配置方法，以提高露天矿生产的能源利用效率，保证矿区供电***的稳定性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种露天矿分布式新能源供能***，包括：
清洁能源发电***，包括光伏组件、直流配电柜和并网逆变器；所述直流配电柜接收所述光伏组件的电能，所述直流配电柜通过所述并网逆变器接入电网的交流配电柜以向电网回馈电能；
分布式储能***，包括储能电池、储能变流器以及电池管理***，所述储能电池接所述直流配电柜获取电能并进行存储；
车载电池能量回收***，包括车辆充电站、卡车储蓄电池、电机驱动***、馈能控制***和充电***；所述车辆充电站以所述交流配电柜为主要电源，所述储能电池通过储能变流器接所述车辆充电站作为其备用能源；所述车辆充电站用于向所述卡车储蓄电池充电；所述车载电池能量回收***通过馈能控制***将纯电动卡车运输过程中由刹车制动、下坡滑行以及摩擦所产生的能量进行收集，经过充电***将回收的能量存储到卡车储蓄电池中。
本发明还提供了所述露天矿分布式新能源供能***的配置方法，步骤如下：
步骤1，根据纯电动卡车的机电参数、有效载重以及道路平均坡度，在运距确定的情况下，计算单台纯电动卡车的能量回收情况，得到电池能量回收系数；
步骤2：根据纯电动卡车运距和电池能量回收系数，计算纯电动卡车单位运距下的综合电耗，即每公里综合电耗；
步骤3：根据单台纯电动卡车的日平均运距、综合电耗、车载电池SOC系数，计算单台纯电动卡车的日充电需求；所述车载电池SOC系数指电池的荷电状态，即电池中剩余电能的可用状态，所述日平均运距指根据矿区日生产任务量计算得到的单日内的平均运输距离；
步骤4：根据纯电动卡车的日充电需求、数量、日平均运距、综合电耗、年均工作日，计算矿区年负载耗电量；
步骤5：根据矿区年负载耗电量、当地太阳光年总辐射能、光伏组件转换效率，计算光伏组件的布设面积；
步骤6：根据纯电动卡车的日充电需求、数量、分布式储能***效率，计算分布式储能***装机容量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明利用露天矿区丰富的太阳能资源，设计了清洁能源发电***进行发电，作为矿区电网的补充性能源，有效解决了矿区生产供能的可靠性和稳定性，为矿山纯电动卡车提供了新的供能方式。
2.本发明利用分布式储能***减少了集中储能电站的线路损耗和投资压力，通过“削峰填谷”起到降低配电网容量的作用，还可以弥补分布式的随机性对矿区电网安全的负面影响。
3.本发明设计了车载电池能量回收***，通过馈能控制***将卡车运输过程中消耗的能量进行回收，并存储到电池中进行循环利用，实现了能量利用率的最大化，节约了生产成本，提高了运输效率。
附图说明
图1是本发明的露天矿分布式新能源供能***原理图。
图2是本发明清洁能源发电***工作原理示意图。
图3是本发明车载电池能量回收***工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
参考图1，本发明的露天矿分布式新能源供能***，主要包括清洁能源发电***、分布式储能***和车载电池能量回收***。图中箭头表示能量的流动方向。
矿区纯电动卡车所需电能主要有两个来源，一是国家电网供电，二是矿区分布式新能源供能***。相对于传统的集中式供电方式而言，利用分布式新能源供能***进行供电，可以弥补电网在安全稳定性方面的不足，有效提高矿区用电的安全性和可靠性。另外，在纯电动卡车的用能端，通过设计车载电池能量回收***，将卡车在制动或滑行过程中消耗的能量进行重新收集，可以有效提高能源的利用效率。
本发明露天矿分布式新能源供能***首先由清洁能源发电***，对露天矿区丰富的光能资源进行有效捕捉，并通过光伏组件将其转化成电能；然后，通过配置储能电池将转化的电能进行存储，其余电能回馈到集中式供电电网中；最后，储能***用于向纯电动卡车充电站进行供能，通过电池能量回收***在车辆用能端实现能量的循环回收利用。
参考图2，本发明清洁能源发电***主要包括光伏组件、直流配电柜和并网逆变器；直流配电柜接收光伏组件的电能，直流配电柜通过并网逆变器接入电网的交流配电柜以向电网回馈电能。
清洁能源发电***利用环境监测传感器对环境的温度、湿度、光照强度等信息进行采集，并汇总到数据采集器，通过控制终端对数据进行分析。
本发明分布式储能***主要包括储能电池、储能变流器(PCS)以及电池管理***(BMS)，储能电池接直流配电柜获取电能并进行存储。
分布式储能***主要利用储能电池将清洁能源发电***产生的一部分电能进行存储，当电网断电或者光伏发电提供的电能不充足时，作为车辆充电站的备用能源。
参考图3，本发明车载电池能量回收***主要包括车辆充电站、卡车储蓄电池、电机驱动***、馈能控制***和充电***；车辆充电站以交流配电柜为主要电源，储能电池通过储能变流器接车辆充电站作为其备用能源；车辆充电站用于向卡车储蓄电池充电；车载电池能量回收***通过馈能控制***将纯电动卡车运输过程中由刹车制动、下坡滑行以及摩擦等所产生的能量进行收集，经过充电***将回收的能量存储到卡车储蓄电池中，以节约能源消耗，提高能源利用效率。
本发明中所涉及的矿区负载耗电量以纯电动卡车的电量消耗为主，因此，本发明供能***的配置方法，以矿区日生产任务量为依据，计算单台纯电动卡车在单位运距下的综合电耗，得到卡车日充电需求，进而确定矿区年负载耗电量，具体的配置步骤如下：
步骤1：根据纯电动卡车的机电参数(通过型号获取)、有效载重以及道路平均坡度等数据，在运距确定的情况下，计算单台纯电动卡车的能量回收情况，得到电池能量回收系数。
考虑露天矿的实际运输工况，车载电池能量回收***通过能量回收实现节能的目的，计算露天矿日均可回收能量。电池能量回收***可以回收的能量主要是卡车下坡过程中消耗的重力势能，减去滚动阻力、坡度阻力和空气阻力所造成的能量消耗。
下坡过程中消耗的重力势能Ee为：
Ee＝G×H (1)
式中，G表示纯电动卡车的有效载重，H表示斜坡段的高差。
阻力消耗的能量Ef为：
Ef＝G×L×(ωcosθ+μ)+C×L×S×V2/21.15 (2)
式中，L表示纯电动卡车的实际运输距离，ω为道路的滚动阻力系数；θ为斜坡路段的坡度角；μ是坡度阻力系数，μ＝cosθ，C是空气阻力系数，S表示纯电动卡车迎风面积，V表示纯电动卡车平均行驶速度。
由此可以得到回收的能量Er为：
Er＝Ee-Ef＝G×H-G×L×(ωcosθ+μ)+C×L×S×V2/21.15 (3)
电池能量回收系数R计算如下：
R＝Er/E (4)
式中，R表示电池能量回收系数，E表示纯电动卡车回收能量前消耗的电能。
步骤2：根据纯电动卡车运距和电池能量回收系数等参数计算纯电动卡车单位运距(km)下的综合电耗。
综合电耗指的是在运输工况一定的情况下，纯电动卡车单位运距所消耗的实际电能，即每公里综合电耗。由于所采用的车载电池能量回收***可以回收部分电能，因此需要计算纯电动卡车运输过程中实际消耗的电能。
实际消耗电能＝回收能量前电能消耗×(1-电池能量回收系数)，即：
Es＝E×(1-R) (5)
式中，Es表示实际消耗电能。
纯电动卡车单位运距下的综合电耗＝实际消耗电能/运距，即：
e＝Es/d (6)
式中，e表示纯电动卡车单位运距下的综合电耗，d表示实际运距。
步骤3：根据单台纯电动卡车的日平均运距、综合电耗、车载电池SOC系数等参数计算单台纯电动卡车的日充电需求。
车载电池SOC(State of Charge)系数即电池的荷电状态，指电池中剩余电能的可用状态，一般用一个百分比来表示。车载电池SOC系数＝电池当前储存的电量/电池额定总电量×100％，即：
SOC＝Eremain/Erated×100％ (7)
式中，SOC表示车载电池SOC系数，Eremain表示电池当前储存的电量，Erated表示电池额定总电量。
单台纯电动卡车的日充电需求＝日平均运距×综合电耗×车载电池SOC系数，即：
Ed＝Sd×e×SOC (8)
式中，Ed表示单台纯电动卡车的日充电需求，Sd表示日平均运距，e表示纯电动卡车综合电耗。
步骤4：根据纯电动卡车的日充电需求、数量、日平均运距、综合电耗、年均工作日等参数计算矿区年负载耗电量。卡车年负载耗电量＝卡车日充电需求×卡车数量×年均工作日，即：
Ey＝Ed×N×D (8)
式中，Ey表示矿区年负载耗电量，N表示纯电动卡车的数量，D表示纯电动卡车的年均工作日。
步骤5：根据矿区年负载耗电量、当地太阳光年总辐射能、光伏组件转换效率等参数计算光伏组件的布设面积。
光伏组件转换效率就是光伏组件将太阳能转化为电能的能力，也就是光伏组件的发电能力。光伏组件转换效率＝电池片的峰值功率/电池片面积×单位面积的入射光功率×100％，单位面积的入射光功率一般取值为1KW/m2；
计算光伏组件方阵面积：
Sp＝Ey/Q×η×K (9)
式中，Sp光伏组件的布设面积，Q表示当地年总辐射能，η表示光伏转换效率，K表示修正系数。
步骤6：根据纯电动卡车的日充电需求、数量、分布式储能***效率等参数，计算分布式储能***装机容量。
储能***效率是指储能元件储存电量与输入能量的比值，一般与储能电池自身构造、元件材质、制造工艺、电解液配置等方面有关。储能效率关系到蓄电池的寿命和成本，因此在配置储能***装机容量时，需要确定储能效率参数。
储能***装机容量＝卡车日充电需求×卡车数量/储能***效率，即：
C＝Ed×N/λ (10)
式中，C表示分布式储能***装机容量，λ表示储能***效率。
在本发明的一个具体实施例中，纯电动卡车有效载重为50t，经过测试，在运输距离为2.5公里，道路平均坡度为12.5％的运输工况下，车辆装运卸全流程一个循环耗电6％，可回收4％的电能，得到能量回收系数为66.7％，然后计算得到此种型号卡车的综合电耗约为5KWh/公里；以单日平均运输距离80公里计算，在车载电池SOC系数为0.8的情况下，单台卡车的日充电需求为320KWh；假设卡车数量为10台，除去检修、保养、休息日，以一年工作日为300天计算，卡车年负载耗电量为960000KWh；年总辐射能以2020年全国平均水平面总辐射量1490.8KWh/m2计算，组件转换效率为0.9，修正系数表示***长期运行的衰减系数，取值0.8。通过计算得到光伏组件的面积约为467m2；目前，单台卡车的日充电需求为320KWh，卡车数量为10台，在***效率为0.9的情况下，计算得到储能***所需的装机容量为3556KWh。
上面结合附图对本发明的整体技术路线进行了描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种露天矿分布式新能源供能***，其特征在于，包括：
清洁能源发电***，包括光伏组件、直流配电柜和并网逆变器；所述直流配电柜接收所述光伏组件的电能，所述直流配电柜通过所述并网逆变器接入电网的交流配电柜以向电网回馈电能；
分布式储能***，包括储能电池、储能变流器以及电池管理***，所述储能电池接所述直流配电柜获取电能并进行存储；
车载电池能量回收***，包括车辆充电站、卡车储蓄电池、电机驱动***、馈能控制***和充电***；所述车辆充电站以所述交流配电柜为主要电源，所述储能电池通过储能变流器接所述车辆充电站作为其备用能源；所述车辆充电站用于向所述卡车储蓄电池充电；所述车载电池能量回收***通过馈能控制***将纯电动卡车运输过程中由刹车制动、下坡滑行以及摩擦所产生的能量进行收集，经过充电***将回收的能量存储到卡车储蓄电池中。
2.权利要求1所述露天矿分布式新能源供能***的配置方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1，根据纯电动卡车的机电参数、有效载重以及道路平均坡度，在运距确定的情况下，计算单台纯电动卡车的能量回收情况，得到电池能量回收系数；
步骤2：根据纯电动卡车运距和电池能量回收系数，计算纯电动卡车单位运距下的综合电耗，即每公里综合电耗；
步骤3：根据单台纯电动卡车的日平均运距、综合电耗、车载电池SOC系数，计算单台纯电动卡车的日充电需求；所述车载电池SOC系数指电池的荷电状态，即电池中剩余电能的可用状态，所述日平均运距指根据矿区日生产任务量计算得到的单日内的平均运输距离；
步骤4：根据纯电动卡车的日充电需求、数量、日平均运距、综合电耗、年均工作日，计算矿区年负载耗电量；
步骤5：根据矿区年负载耗电量、当地太阳光年总辐射能、光伏组件转换效率，计算光伏组件的布设面积；
步骤6：根据纯电动卡车的日充电需求、数量、分布式储能***效率，计算分布式储能***装机容量。
3.根据权利要求2所述露天矿分布式新能源供能***的配置方法，其特征在于，所述步骤1，电池能量回收系数计算如下：
R＝Er/E
式中，R表示电池能量回收系数，E表示纯电动卡车回收能量前消耗的电能，Er表示回收的能量：
Er＝Ee-Ef
Ee表示下坡过程中消耗的重力势能：
Ee＝G×H
G表示纯电动卡车的有效载重，H表示斜坡段的高差；
Ef表示阻力消耗的能量：
Ef＝G×L×(ωcosθ+μ)+C×L×S×V2/21.15
L表示纯电动卡车的实际运输距离，ω为道路的滚动阻力系数；θ为斜坡路段的坡度角；μ是坡度阻力系数，μ＝cosθ，C是空气阻力系数，S表示纯电动卡车迎风面积，V表示纯电动卡车平均行驶速度。
4.根据权利要求3所述露天矿分布式新能源供能***的配置方法，其特征在于，所述步骤2，纯电动卡车单位运距下的综合电耗计算如下：
e＝Es/d
式中，e表示纯电动卡车单位运距下的综合电耗，d表示实际运距，Es表示实际消耗电能，Es＝E×(1-R)。
5.根据权利要求4所述露天矿分布式新能源供能***的配置方法，其特征在于，步骤3，单台纯电动卡车的日充电需求计算如下：
Ed＝Sd×e×SOC
式中，Ed表示单台纯电动卡车的日充电需求，Sd表示日平均运距，e表示纯电动卡车综合电耗，SOC表示车载电池SOC系数：
SOC＝Eremain/Erated×100％
式中，Eremain表示电池当前储存的电量，Erated表示电池额定总电量。
6.根据权利要求5所述露天矿分布式新能源供能***的配置方法，其特征在于，所述步骤4，矿区年负载耗电量计算如下：
Ey＝Ed×N×D
式中，Ey表示矿区年负载耗电量，N表示纯电动卡车的数量，D表示纯电动卡车的年均工作日。
7.根据权利要求6所述露天矿分布式新能源供能***的配置方法，其特征在于，所述步骤5，光伏组件的布设面积计算如下：
Sp＝Ey/Q×η×K
式中，Sp光伏组件的布设面积，Q表示当地年总辐射能，η表示光伏转换效率，K表示修正系数。
8.根据权利要求7所述露天矿分布式新能源供能***的配置方法，其特征在于，所述步骤6，分布式储能***装机容量计算如下：
C＝Ed×N/λ
式中，C表示分布式储能***装机容量，λ表示储能***效率。
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