東營(yíng)地區(qū)太陽(yáng)能風(fēng)能綜合發(fā)電的可行性研究

摘 要： 為了分析東營(yíng)地區(qū)太陽(yáng)能風(fēng)能綜合發(fā)電的可行性，研究中采用了以一小時(shí)為基準(zhǔn)的典型天氣數(shù)據(jù)，代替了東營(yíng)地區(qū)年氣象數(shù)據(jù)，建立了太陽(yáng)能風(fēng)能綜合發(fā)電模型，分析出東營(yíng)地區(qū)的太陽(yáng)能和風(fēng)能在時(shí)間上具有良好的互補(bǔ)性，使風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有很好的匹配性。通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性參數(shù)和供電成本實(shí)例分析，得出能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能減排的結(jié)論。其創(chuàng)新點(diǎn)在于典型天氣數(shù)據(jù)是以一小時(shí)為基準(zhǔn)代替了典型氣象年數(shù)據(jù)，并且建立了風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電功率模型。

關(guān)鍵詞： 太陽(yáng)能； 風(fēng)能； 綜合發(fā)電； 可行性研究

中圖分類號(hào)： TN911.7?34； X382 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）15?0168?03

Feasibility research of solar power and wind power generation in Dongying area

LAO Zhen?hua

（Dongying Vocation College， Dongying 257091， China）

Abstract： In order to analyze the feasibility of solar power and wind power generation in Dongying， the typical weather data based on 1 hour is taken to instead of the year meteorological data. The solar power and wind power generation model is established， it is analyzed that the solar power and wind power has good complementarity in Dongying， which makes wind and photovoltaic complementary power generation matches the resources well. Through the instance analysis of the economic parameter and power supply cost of the system， a conclusion is obtained that it is economical and it can realize energy conservation and emissions reduction. The innovation point is that the typical weather data takes an hour as a benchmark instead of the year meteorological data， and the model of wind power and solar power generation is established.

Keywords： solar power； wind power； integrative generation； feasibility study

結(jié)合東營(yíng)地區(qū)氣候環(huán)境特點(diǎn)，建立了太陽(yáng)能風(fēng)能綜合發(fā)電模型，研究中采用了以一小時(shí)為基準(zhǔn)的典型天氣數(shù)據(jù)，代替了東營(yíng)地區(qū)年氣象數(shù)據(jù)，探討東營(yíng)地區(qū)太陽(yáng)能風(fēng)能綜合發(fā)電潛力。

1 可行性分析方法

分析太陽(yáng)能風(fēng)能綜合發(fā)電系統(tǒng)可行性方法有很多種，最著名的是供電中斷概率法，即LPSP方法：指帶有一個(gè)電池存儲(chǔ)體的綜合系統(tǒng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)太陽(yáng)能風(fēng)能綜合發(fā)電系統(tǒng)不能滿足負(fù)載需要時(shí)的能量中斷概率[1?3]。在某一點(diǎn)上，記錄每天每小時(shí)的風(fēng)速和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，推斷出系統(tǒng)的概率密度分布曲線。對(duì)于給出的負(fù)載分布，使用LPSP（供電中斷概率）方法，就能得到電池存儲(chǔ)體的概率密度分布曲線與系統(tǒng)可行性有關(guān)的電池型號(hào)。

以前主要研究太陽(yáng)能風(fēng)能綜合系統(tǒng)和如何建立能量方程[4?7]，但是沒(méi)有合適的典型數(shù)據(jù)應(yīng)用到研究太陽(yáng)能風(fēng)能綜合系統(tǒng)中，而風(fēng)力的權(quán)衡標(biāo)準(zhǔn)只是小范圍，因此，典型氣象年數(shù)據(jù)對(duì)于太陽(yáng)能風(fēng)能混合系統(tǒng)是需要的。本文中典型天氣數(shù)據(jù)是以一小時(shí)為基準(zhǔn)研究的，代替了東營(yíng)地區(qū)年氣象數(shù)據(jù)；得出了典型氣象年數(shù)據(jù)，用于分析太陽(yáng)能風(fēng)能綜合發(fā)電可行性[8]。

2 可行性分析模型

2.1 天氣數(shù)據(jù)

太陽(yáng)能與風(fēng)能在時(shí)間上具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。從圖1看出，太陽(yáng)能風(fēng)能資源全年分布狀況：夏天太陽(yáng)輻射強(qiáng)風(fēng)力弱，相反，冬天太陽(yáng)輻射弱風(fēng)力卻相對(duì)強(qiáng)。日分布如圖2所示，太陽(yáng)輻射強(qiáng)的時(shí)候風(fēng)力弱，這種時(shí)間段持續(xù)3～5天，這樣的互補(bǔ)特點(diǎn)使綜合發(fā)電系統(tǒng)更可靠，為可再生能源提供了較好的利用系數(shù)。圖3中，典型的太陽(yáng)日，輻射峰值在1點(diǎn)左右?？捎锰?yáng)能風(fēng)能能滿足負(fù)載峰值時(shí)的需要。9月到次年3月風(fēng)速最大，因此，太陽(yáng)能和風(fēng)能在一整年內(nèi)都互補(bǔ)。

2.2 模型建立

對(duì)于風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的輸出功率，根據(jù)東營(yíng)地區(qū)風(fēng)速分布和風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型建模，下面的模型用來(lái)估算發(fā)電功率。

[Pw（v）=Prvr-vc?（v-vc），vc≤v≤vrPr，vr≤v≤vf0，otherwise] （1）

圖1 2000年月累計(jì)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和風(fēng)力強(qiáng)度分布

圖2 3月太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和風(fēng)力強(qiáng)度分布的日累計(jì)量

圖3 某典型日的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度分布

對(duì)于太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的輸出功率，發(fā)電模型由以下公式描述：

[I=C1+C2?G-C3?eVC4Tcs-1-C5?eVC6Tcs-1-VC7Tcs] （2）

[P=V?I] （3）

最大功率點(diǎn)由公式得出：

[?P?V=0] （4）

電池的充電狀態(tài)使用計(jì)算公式：

[SOCt+1=SOCt?σ+Ibatt?Δt?ηIbatt] （5）

在時(shí)間[t]內(nèi)，可能的最大電流速度[Ibatmax（t）]由公式?jīng)Q定：

[Ibatmaxt=max0，minImax，C?SOCmax-SOCt+SOCt-SOCmin?1-CΔt] （6）

[Ibatmaxt]取決于每一瞬間電池的狀態(tài)；電池的充電狀態(tài)由電池的充電電量，電流的跡象和電池的使用歷史決定。[Imax]由產(chǎn)品額定容量的20%給出。

儲(chǔ)存系統(tǒng)的功率輸入由式（7）決定。很明顯，混合系統(tǒng)產(chǎn)生的能量和儲(chǔ)存的能量由時(shí)間決定。

[Ct=Pt-Lt] （7）

[Pt=Pwt+Pv（t）] （8）

電池充電狀態(tài)下，即式（9）；此狀態(tài)下目標(biāo)函數(shù)如式（10）：

[Pwt+Pvt>Lt] （9）

[SOCt+1=SOCt?σ+Pwt+Pvt-LtVL?Δt?ηIbatt] （10）

考慮到電池的壽命，最大的充電速率上限是SOC/5；充電效率假定為0.75，放電效率假設(shè)是0；為避免過(guò)度放電，電池不能放電到20%或更少，[SOCmin]是所用電池額定容量的20%；故在充電狀態(tài)下有一些限制條件決策變量的范圍：

[Pwt+Pvt-Lt≤0.2SOC?VLΔt] （11）

[0.2SOC≤SOCt≤SOC] （12）

在放電狀態(tài)下，模型相關(guān)公式如下：[Pwt+Pvt

[Ineededt=Lt-Pwt-PvtVL?ηIbatt] （14）

[Isupply=minImax=0.2SOCΔt，SOCt?σ-SOCminΔt] （15）

[LPSP=i=1nhoursIsupplyt

3 實(shí)例分析

通過(guò)參考文獻(xiàn)[3，9]。參照濟(jì)南地區(qū)的風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)，年發(fā)電量大約為[10]2 200 W·h。對(duì)照對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電成本和經(jīng)濟(jì)性分析見(jiàn)表1。

目前，東營(yíng)市居民用電價(jià)格為0.546元/（kW·h），如果考慮節(jié)能減排和政府補(bǔ)貼，風(fēng)光發(fā)電的項(xiàng)目的成本還會(huì)下降，同時(shí)緩解東營(yíng)地區(qū)環(huán)境污染。每發(fā)一萬(wàn)度電可以替代4 t標(biāo)準(zhǔn)煤[11]。該設(shè)備的環(huán)境效益分析見(jiàn)表2。該設(shè)備每年發(fā)電2 200 kW·h，按15年計(jì)算，則總發(fā)電量33 000 kW·h，即節(jié)約13.2 t標(biāo)準(zhǔn)煤。因此該系統(tǒng)避免了13.2 t標(biāo)準(zhǔn)煤的CO2，SO2，煙塵等有害物質(zhì)的排放，同時(shí)節(jié)約了資金。

表1 系統(tǒng)的供電成本和經(jīng)濟(jì)性分析

[系統(tǒng)＼年發(fā)電量

/（kW·h）＼壽命期

/年＼初始投資

/元＼維修費(fèi)用

/（元/年）＼成本

/（元/（kW·h））＼風(fēng)電1 000 W

光電800 W＼2 200＼15＼36 460＼1 100＼2.01＼]

表2 系統(tǒng)的有害物質(zhì)減排以及減排效益

[減排項(xiàng)目＼排放系數(shù)＼減排量

/t＼單位減排效益

/（元/t）＼減排效益總量

/元＼CO2＼0.726＼9.58＼208.5＼1 997.43＼SO2＼0.022＼0.3＼1 260＼378＼NOx＼0.01＼0.132＼2 000＼264＼煙塵＼0.017＼0.22＼550＼121＼合計(jì)＼2 760.43 ＼]

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)風(fēng)光綜合發(fā)電模型的建立，實(shí)例分析了東營(yíng)地區(qū)風(fēng)光發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性和減排效能。通過(guò)風(fēng)光發(fā)電設(shè)施的建設(shè)，可有效地緩解環(huán)境污染，節(jié)約資金能源，保護(hù)東營(yíng)市的生態(tài)環(huán)境。

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