何 震,李永光
(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院,上海 200090)
隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng),人們生活水平逐漸提高,汽車的使用也越來(lái)越普遍.據(jù)美國(guó)汽車行業(yè)權(quán)威雜志W(wǎng)ardsauto公布:截至2011年8月16日,全球各種汽車,包括轎車、卡車以及公共汽車等保有量已突破10億輛,中國(guó)達(dá)到1.058億輛,僅次于美國(guó).到2050年全球汽車保有量將升至25億輛.[1]經(jīng)檢測(cè),汽車尾氣中含有 NOx,CO,SO2,H2S以及鉛等有害成分,[2]龐大的汽車數(shù)量不僅給環(huán)境帶來(lái)了巨大的壓力,更侵蝕著人們的健康.
由于電動(dòng)汽車依靠電池行駛,能夠?qū)崿F(xiàn)零排放,可以在極大程度上緩解汽車尾氣污染,因此近幾年電動(dòng)汽車受到青睞,發(fā)展十分迅速.但也有學(xué)者提出了質(zhì)疑:電動(dòng)汽車是否完全清潔無(wú)污染.目前我國(guó)電力生產(chǎn)約80%來(lái)自于火電,電動(dòng)汽車從電網(wǎng)充電實(shí)質(zhì)上只是將燃料從汽油換成煤而已,并沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)無(wú)污染、零排放.為了真正實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車零排放的目標(biāo),新能源的利用必不可少.為此,學(xué)者們提出了建立風(fēng)能充電站或風(fēng)光互補(bǔ)充電站為電動(dòng)汽車充電.為了簡(jiǎn)化模型,本文僅考慮風(fēng)能充電.
利用風(fēng)能對(duì)電動(dòng)汽車充電的兩種形式為集中式充電和分布式充電.由于城市人口密集而集中式充電站占地面積較大,因此集中充電站一般建在人口稀少的地區(qū),適用于電動(dòng)汽車更換電池以補(bǔ)充能源.分布式充電即充電樁,由于其體積小,在城市中的應(yīng)用范圍相對(duì)更廣.
風(fēng)電利用方式主要有風(fēng)電上網(wǎng)和風(fēng)機(jī)直接對(duì)電動(dòng)汽車充電.兩種方式均可進(jìn)行集中式充電和分布式充電.由于風(fēng)能的隨機(jī)性,利用風(fēng)能直接對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行分布式充電時(shí),需要儲(chǔ)能裝置,以便于電動(dòng)汽車隨時(shí)充電.本文僅考慮風(fēng)能對(duì)電動(dòng)汽車電池集中充電的情況.
雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電動(dòng)汽車的充電技術(shù)和運(yùn)營(yíng)作了相關(guān)研究,但卻沒(méi)有進(jìn)行相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性分析.本文將風(fēng)電直接對(duì)電動(dòng)汽車充電與電網(wǎng)內(nèi)火電對(duì)電動(dòng)汽車充電進(jìn)行了對(duì)比,測(cè)算了投資成本和動(dòng)態(tài)投資回收期.
對(duì)一項(xiàng)工程的經(jīng)濟(jì)性分析,可以清晰地體現(xiàn)該工程的可行性,實(shí)現(xiàn)資源的有效利用,避免浪費(fèi).同時(shí),投資回收期是使累計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益等于最初投資費(fèi)用所需的時(shí)間,也是常用的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)之一.由于目前電動(dòng)汽車保有量很低,本文測(cè)算的是2020年上海電動(dòng)汽車集中充電、換電的經(jīng)濟(jì)性.劉立國(guó)提出,電動(dòng)汽車保有量的增長(zhǎng)與GDP的增長(zhǎng)基本一致,[3]將經(jīng)濟(jì)規(guī)模最大的浦東新區(qū)作為電動(dòng)汽車集中推行區(qū)域.
利用風(fēng)電對(duì)電動(dòng)汽車充電與利用火電進(jìn)行充電相比,收益為省煤費(fèi).投資為風(fēng)電機(jī)組的一次投資、充電設(shè)備的成本差價(jià)以及配送過(guò)程中貨車的燃油費(fèi).
采用資金動(dòng)態(tài)回收期[4]方法,凈現(xiàn)值可表示為:
式中:VNP——風(fēng)能對(duì)電動(dòng)汽車充電項(xiàng)目的凈現(xiàn)值;
m——每年省煤量,t;
d——煤價(jià),元/t;
e——排污費(fèi),元/t;
r——貼現(xiàn)率;
n——投資回收期,a;
CI——一次投資成本,元.
令VNP=0,可得到投資回收期為:
由式(2)可知,在一定的貼現(xiàn)率條件下,要得出投資回收期,首先要確定一次投資成本、省煤量和排污費(fèi),而這些量的確定與預(yù)測(cè)的電動(dòng)汽車保有量和電池配送路線相關(guān).
一次投資成本包括風(fēng)電機(jī)組成本和集中充電站成本.兩者與電動(dòng)汽車消耗的電量息息相關(guān).全年耗電量為用戶耗電量和經(jīng)營(yíng)耗電量之和,即:
式中:W——全年耗電量;
W1——用戶耗電量;
W2——經(jīng)營(yíng)耗電量.
其中,電動(dòng)汽車用戶的全年消耗電量為:
式中:Net——電動(dòng)汽車保有量;
s1——用戶平均每天的行駛距離,km;
W0——用戶每百千米的平均耗電量,kWh.
電動(dòng)貨車配送電池所耗電即為經(jīng)營(yíng)耗電量,可表示為:
式中:w2——貨車每百千米耗電量,kWh;
s2——全年配送行程.
為了計(jì)算風(fēng)電機(jī)組成本,需要確定風(fēng)機(jī)機(jī)組參數(shù)和裝機(jī)數(shù)量.通過(guò)計(jì)算額定風(fēng)速來(lái)確定風(fēng)機(jī)參數(shù)、選擇匹配機(jī)組,并由單機(jī)發(fā)電量來(lái)確定風(fēng)機(jī)機(jī)組的個(gè)數(shù),計(jì)算總投資.
本文采用Weibull分布來(lái)描述風(fēng)速分布規(guī)律.[5]Weibull 分布可表示為:
σ——風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差;
c——尺度參數(shù);
求得k和c后,可以確定該地區(qū)的額定風(fēng)速vr為:[6]
根據(jù)額定風(fēng)速選擇相應(yīng)風(fēng)力機(jī).通過(guò)風(fēng)葉界面的風(fēng)能功率可表示為:[7]
式中:A——掃風(fēng)面積,m2;
ρ——空氣密度,kg/m3;
v——上游風(fēng)速,m/s.
風(fēng)力機(jī)發(fā)電的理論最大功率系數(shù)可表示為:[8]
式中:Cp0——貝茲理論得出的理論風(fēng)能最大利用系數(shù),取 0.593;
η——風(fēng)力機(jī)效率,取 0.92;
ηg——變速齒輪的機(jī)械傳動(dòng)效率,取0.96;
ηp——發(fā)電機(jī)的產(chǎn)電效率,取 0.95;
ηz——整流器的效率,取 0.97;
ηn——逆變器的效率,取 0.96;
由以上條件可得出風(fēng)能發(fā)電理論最大功率因數(shù)Cp=0.463.單個(gè)風(fēng)力機(jī)發(fā)電輸出功率為:
風(fēng)機(jī)單價(jià)乘以風(fēng)機(jī)數(shù)量則可得到風(fēng)電機(jī)組成本.
在傳統(tǒng)充電模式下,電動(dòng)汽車的電力來(lái)自于電網(wǎng),而電網(wǎng)中的電絕大部分來(lái)自于火電.假設(shè)電網(wǎng)中的電全部來(lái)自于火電,不考慮電廠自用電和電力傳輸效率,則全年省煤量為:
代入W值,并化簡(jiǎn)得:
式中:q——每千克標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)熱量,取 29 270 kJ/kg;
ηb——鍋爐的效率,取 0.92;
ηp——管道的熱效率,取 0.94;
ηe——汽輪發(fā)電機(jī)的絕對(duì)電效率,取0.457;
上述省煤量是在標(biāo)準(zhǔn)煤的情況下,若轉(zhuǎn)化為原煤,則上述結(jié)果需除以原煤標(biāo)準(zhǔn)煤轉(zhuǎn)換系數(shù)η1,取為 0.714 3.
另外,每年油耗不僅與更換電池?cái)?shù)量有關(guān),還與配送線路相關(guān),這一部分的成本將在下面的實(shí)例中進(jìn)行測(cè)算.
由于風(fēng)電零排放,因此省下的排污費(fèi)應(yīng)計(jì)入收益中,計(jì)算公式為:
式中:A——排污費(fèi);
A1——廢氣污染物的污染當(dāng)量數(shù)之和;
A2——固體廢物總重量,t.
1 t煤的污染排放量和污染物當(dāng)量值如表1所示.
表1 1 t煤污染排放量與污染物污染當(dāng)量值 kg
上海位于東亞季風(fēng)盛行區(qū),受冬夏季風(fēng)的影響,是我國(guó)海洋風(fēng)能較為豐富的區(qū)域之一.并且上海作為經(jīng)濟(jì)、工業(yè)重鎮(zhèn),對(duì)電力有著大量的需求.上海東海地區(qū)近海2008~2009年10 m海面風(fēng)能分布特征[9]如表2所示.
表2 東海近海海面10 m風(fēng)速分布 m/s
根據(jù)平均風(fēng)功率密度等級(jí)表(GB/T 18710—2002),可以判斷出上海風(fēng)力資源較為豐富.上?,F(xiàn)在主要安裝的是輪轂高度為70 m的1.5 MW風(fēng)力機(jī)組,因此需要用下式對(duì)其進(jìn)行修正.[8]
式中:z0——海面粗糙度,取 0.003 m.
由此可得70 m風(fēng)速分布如表3所示.
表3 東海近海70 m風(fēng)速分布 m/s
計(jì)算后可得東海近海70 m的平均風(fēng)速為7.19 m/s.根據(jù)式(5)可得額定風(fēng)速vr=7.32 m/s,選取Aerodyn40.25風(fēng)葉時(shí),參數(shù)見(jiàn)表4.
表4 風(fēng)機(jī)參數(shù)
據(jù)統(tǒng)計(jì),該地區(qū)有效風(fēng)時(shí)均在5 500 h以上,由式(8)可得單個(gè)風(fēng)機(jī)年均發(fā)電量為3.21×106kWh.根據(jù)某公司報(bào)價(jià),風(fēng)電機(jī)組的價(jià)格按照3 800元/kW計(jì)算,則單機(jī)價(jià)格為570萬(wàn)元,該價(jià)格包括風(fēng)力機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)、自動(dòng)控制裝置及支撐鐵塔等成本.
利用Bass模型預(yù)測(cè),至2020年上海地區(qū)電動(dòng)汽車保有量為7.87萬(wàn)輛.據(jù)統(tǒng)計(jì),上海平均上下班往返距離為30.2 km.以比亞迪e6電動(dòng)汽車為基礎(chǔ)車型來(lái)進(jìn)行計(jì)算,e6每百千米能耗為21.5 kWh.若僅考慮滿足人們正常上下班的情況,則用戶一年的耗電量為1.865×108kWh.
比亞迪e6充滿一次電可以行駛約300 km.上海電動(dòng)汽車平均每天行駛30.2 km,e6電池容量為 62 kWh,能量密度為 95 Wh/kg,[10]則電動(dòng)汽車電池重量為625 kg.計(jì)算可得電動(dòng)汽車更換電池周期為9.55 d,平均每天更換電池?cái)?shù)量為8 240個(gè).汽車在城區(qū)內(nèi)的平均行駛速度為30 km/h.為了方便消費(fèi)者更換電池,每個(gè)電池更換點(diǎn)相距7.5 km.本文以浦東新區(qū)為電動(dòng)汽車實(shí)驗(yàn)區(qū).電池更換點(diǎn)和充電站如圖1所示.
圖1 浦東新區(qū)電池更換站與集中充電站分布
由圖1可知,電池更換站全部布置在環(huán)城公路以內(nèi),即城區(qū).集中充電站則布置在人口密度較小的郊區(qū).電池配送路線由 Dijkastra算法[11]確定.假設(shè)城區(qū)內(nèi)道路、交通情況相同,則節(jié)點(diǎn)間路線的權(quán)值只與配送路程的長(zhǎng)短相關(guān).
由Dijkastra算法得出的路線圖(粗實(shí)線為配送路線)如圖2所示.
由圖2可以得出,各電池更換站點(diǎn)與集中充電站之間的距離如表5所示.
圖2 電池配送路線
表5 電池更換站與集中充電站之間的距離 km
配送電池貨車往返運(yùn)行,由表5可知,全部站點(diǎn)均配送一次的總路程為583.8 km.由于每天更換電池?cái)?shù)量為8 240個(gè).采用載重30 t的集裝箱式貨車運(yùn)送電池,每個(gè)站點(diǎn)每天需要運(yùn)送次數(shù)為12.795次.全年配送電池總路程為2.726×106km.貨車能耗為121.6 kWh.經(jīng)營(yíng)全年耗電量為3.31×106kWh,則全年總耗電量為1.868 ×108kWh.
風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)為 1.868×108kWh/3.21×106kWh=58.1,因此風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)為59個(gè).風(fēng)機(jī)成本為33 630萬(wàn)元.目前利用火電為電動(dòng)汽車充電時(shí)廣泛使用的是充電樁,而利用風(fēng)電為電動(dòng)汽車充電則需要建集中充電站.雖然兩者存在差異,但基礎(chǔ)充電設(shè)施基本一致,成本不會(huì)相差太大.因此,可分3種不同情況進(jìn)行估算,分別為:集中充電站成本比充電樁總成本低50%;集中充電站成本與充電樁成本相同;集中充電站成本比充電樁總成本高50%.目前,充電樁的成本從幾千元到幾萬(wàn)元不等,本文采用蘇州潤(rùn)聯(lián)電子有限公司的報(bào)價(jià)為24 800元,充電功率參數(shù)為55 kW,則一臺(tái)e6充完電的時(shí)間為1.2 h.假設(shè)一天中電動(dòng)汽車充電時(shí)間為6:00~24:00,那么一臺(tái)充電樁一天可充15臺(tái)電動(dòng)汽車.因此,至少需要550臺(tái)充電樁,總成本為1 364萬(wàn)元.
經(jīng)計(jì)算,第1種情況時(shí),一次成本為32 948萬(wàn)元.第2種情況時(shí),一次成本為33 630萬(wàn)元.第3種情況時(shí),一次成本為34 312萬(wàn)元.
由式(14)得一年省煤量為 5.907×104t,轉(zhuǎn)換為原煤則為8.27×104t.每噸原煤價(jià)格為550元.按照式(16)、式(17)和表1可得每噸標(biāo)準(zhǔn)煤的排污量為35元/t,折換成原煤,則為25元/t,則m(d+e)=4 755萬(wàn)元.根據(jù)市場(chǎng)規(guī)律,貼現(xiàn)率按照8%計(jì)算,第1種情況下,投資回收期為10.5 a;第2種情況下,投資回收期為10.84 a;第3種情況下,投資回收期為11.18 a.由以上測(cè)算可知,充電設(shè)備的成本對(duì)投資回收期的影響不大,約11 a后可收回成本或?qū)崿F(xiàn)盈利.
通過(guò)以上測(cè)算,利用風(fēng)能對(duì)電動(dòng)汽車充電與利用火電充電相比,雖然初期投資較大,但經(jīng)營(yíng)成本較低,從長(zhǎng)期來(lái)看,前者將更有競(jìng)爭(zhēng)力.目前,煤價(jià)、排污費(fèi)總體上呈上升趨勢(shì),風(fēng)機(jī)成本則逐步下降.這種趨勢(shì)將導(dǎo)致投資回收期的進(jìn)一步縮短,使得利用風(fēng)能對(duì)電動(dòng)汽車充電的方式更加經(jīng)濟(jì).浦東新區(qū)作為電動(dòng)汽車實(shí)驗(yàn)區(qū),煤價(jià)為550元/t時(shí),投資回收期為11 a.煤價(jià)的上漲將導(dǎo)致投資回收期縮短.若煤價(jià)上漲50%,即煤價(jià)為825元/t,那么投資回收期為6.18 a.排污費(fèi)的增加,將縮短投資回收期.2014年,北京將部分氣體排污費(fèi)和非居民垃圾處理費(fèi)提高了12倍,在上海地區(qū),若按此新規(guī)定,則回收期縮短為6.26 a.風(fēng)機(jī)成本越低,投資回收期越短.風(fēng)機(jī)成本下降10%,則投資回收期為 9.25 a.
綜上所述,今后利用風(fēng)能對(duì)電動(dòng)汽車充電的經(jīng)濟(jì)性將更優(yōu)于利用火電,使電動(dòng)汽車的使用變得完全清潔.風(fēng)能資源較豐富地區(qū)可以推廣此種模式.
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