鄭州市風光互補發(fā)電經濟技術分析

周建強，屈衛(wèi)東

（鄭州電力高等專科學校，河南鄭州 450004）

隨著中原經濟區(qū)的建設，鄭州市社會經濟正在快速發(fā)展，人民生活水平不斷提高。社會對電力需求增長非常強勁，電網負荷壓力空前。據統(tǒng)計，鄭州市全社會用電量自2003年以來電網負荷4次創(chuàng)歷史新高，2011年8月15日更是達到了702.7萬 kW·h。與此同時，傳統(tǒng)化石能源的大量消耗不僅對國家能源安全有巨大威脅，而且?guī)砹艘幌盗协h(huán)境問題，如空氣污染、氣溫升高、水源惡化等。與傳統(tǒng)能源相比，可再生能源因具有環(huán)境友好和可持續(xù)等優(yōu)點而受到青睞[1]。低成本、規(guī)模化利用風能、太陽能等可再生能源，是解決能源與環(huán)境問題的必要途徑之一。

1 風光互補發(fā)電系統(tǒng)介紹

風光互補發(fā)電系統(tǒng)的基本構成如圖1所示，主要由風力發(fā)電機、伏組件、控制器、蓄電池和逆變器等構成。

風力發(fā)電機將風能轉化為電能，太陽能光伏電池把太陽能轉化為電能，二者共同構成了風光互補裝置的能量接收轉化設備。由于風能和太陽能的波動性，為了獲得穩(wěn)定的電能，獨立運行的風光互補發(fā)電系統(tǒng)儲能裝置——蓄電池?？刂破鲃t是調整光伏組件、風力發(fā)電機處于最佳工作狀態(tài)的設備，同時對蓄電池進行過充電、過放電保護。由于太陽能電池和蓄電池發(fā)出的是直流電，帶電交流負載時，還需要將直流電變換成交流電的逆變設備。

2 鄭州市風光互補發(fā)電技術分析

圖1 風光互補發(fā)電系統(tǒng)圖Fig.1 The schematic diagram of PV and wind hybrid power

風光互補發(fā)電系統(tǒng)是城市中一種廣泛使用的可再生能源發(fā)電形式，在鄭州地區(qū)開展風光互補發(fā)電有很多優(yōu)點。

首先，建筑風力發(fā)電屬于弱風發(fā)電，適合用于鄭州這樣的弱風地區(qū)。越來越多的城市高層建筑的出現為城市中利用風能進行發(fā)電提供了良好的條件。

其次，“光伏-建筑一體化”把光伏陣列布置到墻面和屋頂上，無需額外用地或建設其他設施，節(jié)省了土地資源，同時避免了墻面溫度和屋頂溫度過高，降低了空調負荷。原地發(fā)電，原地使用，節(jié)約電站送電網的投資和減少輸電損耗；通常夏季用電高峰也是光伏發(fā)電量最大的時期，可減少電網谷峰供需矛盾。

再次，鄭州屬于季風氣候區(qū)，冬季風大，太陽輻射量小，夏季風小，太陽輻射量大；風光互補發(fā)電系統(tǒng)可以互補兩種資源的季節(jié)差，獲得比較穩(wěn)定的電能輸出，減少儲能設備的容量。

3 鄭州地區(qū)太陽能與風能資源分析

3.1 鄭州地區(qū)太陽輻射資源

太陽能資源的情況是一個地區(qū)能否廣泛使用太陽能的先天要素。根據中國氣象局提供的太陽輻射數據[2]，鄭州地區(qū)屬于太陽能資源可以利用地區(qū)，其太陽輻射資源如表1。

從表1中可以看出：直接輻射和太陽總輻射的最大值都出現在6月份，分別為624.92 MJ/m2和710.16 MJ/m2；最小值出現在12月份，分別為145.6 MJ/m2和242.3 MJ/m2。月直接輻射占太陽月總輻射很大的份額，其中6月份占太陽總輻射的份額最大為88%，占份額最小的月并沒有出現在最冷的1月，相反出現在過渡季節(jié)11月，所占份額為58.97%。還可以看出：在1月份時，直接輻射占總輻射的份額77.01%，超過了夏季7月份71.92%和8月份61.94%?？梢?，在鄭州市冬季太陽能有很大的利用潛力。

表1 太陽輻射年的月總輻射和月總直射Tab.1 The monthly global solar radiation and monthlyglobal direct solar radiation in Zhengzhou (m/s)

3.2 鄭州市風資源

鄭州市位于黃淮平原和秦嶺山脈東延的交接帶，地勢西高東低。西北部的氣流順河西走廊沿秦嶺東行，受太行山的隔擋后，集中在兩個山系之間的黃河河道在鄭州附近涌出，沿黃河形成較強的氣流帶，使鄭州秋冬季偏西向強風較多[3]。表2～4給出了鄭州市風資源的情況。

3.3 建筑風光互補發(fā)電經濟分析

以某學生宿舍為例，進行風光互補發(fā)電的經濟分析。該建筑6層，建筑面積40000 m2，建筑屋頂面積為6666.7 m2，按屋頂傾斜布滿光伏陣列，光伏發(fā)電效率按20%，則光伏發(fā)電量為2166840 kW·h，詳見表5。

風力機安裝間距超過風機直徑的20倍，相鄰風機的輸出功率不至于削弱。下面以HY—400型風力發(fā)電機為例，風力機葉輪直徑1.5 m，所以風力發(fā)電機按30 m間距安裝，整個學生宿舍可安裝20臺風力發(fā)電機。表6所示為某學生宿舍風力發(fā)電分析。

表2 鄭州地區(qū)各月平均風速Tab.2 The monthly average wind speeds in Zhengzhou m/s

表3 鄭州地區(qū)各月平均風能功率密度Tab.3 The monthly average wind power density in Zhengzhou W/m2

表4 鄭州地區(qū)各月風能平均可利用時間Tab.4 The monthly average hours of applicable wind resource in Zhengzhou h

表5 某學生宿舍光伏發(fā)電量分析Tab.5 PV power generation on the roof of a certain students′dormitory

風光互補發(fā)電系統(tǒng)設備根據市場價估算，貸款利率按國家新能源的政策按最低貸款利率計算。系統(tǒng)安裝完成后，每個月發(fā)電量相差不大，每月都在回收成本，所以按等額回收計算。由于系統(tǒng)安裝完成后，不需要額外燃料，運行維護成本很低，所以運行維護成本忽略不計。

4 結論

通過表7可以看出，盡管鄭州風能和太陽能都不豐富，但開展風光互補發(fā)電每千瓦時也只有1.11元，如果考慮政府進行政策補貼，價格更低。隨著科技的發(fā)展，風光互補發(fā)電的價格必將進一步降低，在可預見的時間內，風光互補發(fā)電的價格將與傳統(tǒng)發(fā)電電價持平。而且，開展風光互補風力發(fā)電的社會效益、環(huán)境效益更不可估量。

表6 某學生宿舍風力發(fā)電分析Tab.6 Wind power generation on the roof of a certain students′dormitory

表7 某學生宿舍風光互補風力發(fā)電經濟分析Tab.7 The economic analysis on the PV and wind hybrid power for a certain students′dormitory

[1]方永，胡明輔．風力發(fā)電的現狀與進展[J]．能源與環(huán)境，2007（4）：58-60.FANG Yong，HU Ming-fu.The status and progress of wind power[J].Energy and Environment，2007（4）：58-60（in Chinese）．

[2]張遜寶，吳慶輝，寧傳科．我國太陽能建筑應用發(fā)展現狀及發(fā)展方向探討[J]．節(jié)能，2012（3）：15-18.ZHANG Xun-bao，WU Qing-hui，NING Chuan-ke．Trends andstatus of solar buildings in China[J].Energy Conservation，2012（3）：15-18（in Chinese）．

[3]王云釗，楊嶸春．伏發(fā)電技術與建筑一體化的實際應用[J]．陜西電力，2010（6）：72-75．WANG Yun-zhao，YANG Rong-chun．Practical application of PV technology and building integration[J]．Shaanxi Electric Power，2010（6）：72-75（in Chinese）．

[4]中國氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學建筑技術科學系．中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數據集[M]．背景：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[5]巴志剛．河南風能的估算與分析[J]．河南大學學報，1985（1）：15-19.BA Zhi-gang．The evaluation and analysis of wind resource of henan province[J]．Journal of Henan University，1985（1）：15-19（in Chinese）．

[6]高吉普，袁越，李強．獨立風光混合系統(tǒng)的控制與仿真[J]．電網與清潔能源，2010，26（5）：57-60．GAO Ji-pu，YUAN Yue，LI Qiang．Control and simulation of autonomous hybrid wind-PV system[J]．Power System and Clean Energy，2010，26（5）：57-60（in Chinese）．

[7]畢二朋，胡明輔，袁江，等．光伏系統(tǒng)設計中太陽輻射強度影響的分析[J]．節(jié)能技術，2012，30（171）：45-48．BI Er-peng，HU Ming-fu，YUAN Jiang，et al．Influence of solar radiation intensity in the design of PV system[J].Energy ConservationTechnology，2012，3（0171）：45-48（inChinese）．

[8]楊琦，魏賓．風光互補獨立供電系統(tǒng)設計及分析[J]．陜西電力，2009（1）：1-4．YANG Qi，WEI Bin．Design and analysis of stand-alone hybrid wind/PV power system[J]．Shaanxi Electric Power，2009（1）：1-4（in Chinese）．