西北地區(qū)3種新能源發(fā)電技術(shù)效能評估

(中國人民解放軍陸軍工程大學(xué),重慶 400000)

我國西北地區(qū)為世界現(xiàn)代干旱區(qū)之一,具有典型的溫帶大陸性氣候特征。西北地區(qū)風力強勁,加之地表大部分為疏松的沙物質(zhì),容易出現(xiàn)風沙彌漫的天氣。

西北地區(qū)較為惡劣的地理環(huán)境和氣候特征導(dǎo)致了該地區(qū)的用電問題較多。雖然該地區(qū)用電量不多,但是仍然不能達到不間斷供電。

根據(jù)西北地區(qū)的地理特點以及國家電網(wǎng)輸電線路的局限性,可以選擇適合該地區(qū)的新能源供電方式,如太陽能光伏發(fā)電、太陽能熱發(fā)電、地熱發(fā)電、風力發(fā)電等,從而彌補供電不足和電力系統(tǒng)故障率高的缺點。

1 西北地區(qū)新能源資源概述

1.1 太陽能光照資源

西北地區(qū)云量少,空氣干燥,日照百分率一般在70%以上,年日照時數(shù)為2 800～3 400 h,其中內(nèi)蒙古西部、新疆東部、柴達木盆地和河西走廊地區(qū)年日照時數(shù)多達3 400 h,為全國最高[1]。

由于光照資源充足,因此太陽能發(fā)電成為了該地區(qū)供電的主要方式。太陽能發(fā)電具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、清潔無污染等優(yōu)點,但由于太陽能較為分散,因此這種發(fā)電方式又有著一定的局限性。

1.2 風力資源

西北地區(qū)很多地方以荒漠性土地為主,導(dǎo)致該地區(qū)常年有風,一般以春季與初夏風速最大。風速在地域分布上呈北大南小的特點。

西北地區(qū)風力強勁,而且地表大部分為疏松的沙物質(zhì),因此導(dǎo)致風沙彌漫,能見度極低。沙塵暴對人民的生產(chǎn)生活影響極大,同時也造成電力設(shè)備的嚴重磨損,線路的導(dǎo)電能力減弱甚至線路損壞。

1.3 地熱資源

我國西北地區(qū)的地熱資源早已得到開發(fā)和利用,尤其是西藏北部的高溫地熱田和青海、新疆地熱帶,所以利用好地熱這種新能源可以大大緩解西北地區(qū)的電力緊缺狀況。

西北地區(qū)特殊的自然環(huán)境對地熱發(fā)電存在一定的影響。風沙的侵蝕和溫差的變化以及技術(shù)水平的局限,使得地熱發(fā)電的作用需要進一步加強。

2 效能評估

結(jié)合西北地區(qū)的地理情況,通過數(shù)學(xué)方法,將適合于西北地區(qū)使用的3種新能源發(fā)電技術(shù)進行定量分析與評估,最終得出全面可靠的結(jié)論。本文運用層次分析法,將定性指標與定量指標相結(jié)合,對3種發(fā)電技術(shù)進行綜合比較。

層次分析法的核心是將復(fù)雜問題分解為多個構(gòu)成因素,將這些構(gòu)成因素按照支配關(guān)系進行分組,從而形成層次間自上而下的逐層支配關(guān)系結(jié)構(gòu),再綜合人的判斷來決定決策諸因素相對重要性的順序。

2.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)西北地區(qū)使用設(shè)備的環(huán)境和3種發(fā)電技術(shù)的特點,將影響設(shè)備使用的相關(guān)因素按層次進行排列,最終將結(jié)構(gòu)模型分為3層,包括目標層、指標層和評估對象層。將綜合效能作為目標層,將影響因素作為指標層,把要比較的系統(tǒng)作為評估對象層,如圖1所示。

2.2 構(gòu)造判斷矩陣

在建立層次結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上,逐層對各個因素進行兩兩比較,采用1～9尺度,具體如表1所示。

圖1 層次結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Hierarchy model

表1 指標權(quán)重標度

注:2、4、6、8為上述相鄰判斷的中值。

根據(jù)表1和圖1以及3種供電方式的性能差異,建立各影響因素對效能的相對重要程度比較關(guān)系,具體如表2所示。為便于分析,對指標層的各個因素用符號表示,依次為環(huán)境限制B1、故障率B2、安裝工序B3、維修方便B4、操作簡單B5、設(shè)備成本B6、供電能力B7。

表2 指標層與目標層判斷矩陣Tab.2 Judgment matrix of indicator layer and target layer

根據(jù)表2,建立中間層對目標層的判斷矩陣,具體如下所示:

2.3 層次的單排序及一致性檢驗

采用和積法計算判斷矩陣(指標層相對于總目標的判斷矩陣)的最大特征根及單排序權(quán)值。

將矩陣各列進行歸一化處理,計算結(jié)果如表3所示。

表3 歸一化處理后的數(shù)值Tab.3 Numerical value after normalization processing

根據(jù)表3得到各行求和后的算術(shù)平均值,即單排序權(quán)值,具體如表4所示。

表4 單排序權(quán)值Tab.4 Single-order weight

由表4可得到單排序優(yōu)先權(quán)重向量

W=(0.328 3,0.057 6,0.030 0,0.158 0,

0.117 7,0.042 0,0.257 7)T

記指標層與目標層判斷矩陣為R,計算R的最大特征根λmax。計算過程如下所示:

式中:(RW)i為RW的第i個元素;wi為W的第i個元素。判斷矩陣A的一致性檢驗如下所示:

RI=1.32

式中:RI為修正因子。RI是平均隨機一致性指標,不同的維度有不同的數(shù),通過查表可得[2]。由CI和RI可得

可見判斷矩陣A具有滿意的一致性。

對影響因素層(指標層)和方案層(評估對象層)建立評估對象對各影響因素的相對重要程度比較關(guān)系。

將評估對象層中風力發(fā)電、地熱發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電分別定義為C1、C2、C3。

采用同樣的方法分別建立判斷矩陣(見表5～11),并得到各自單排序權(quán)值及一致性檢驗結(jié)果。

表5 B1-C判斷矩陣Tab.5 B1-C judgment matrix

表6 B2-C判斷矩陣Tab.6 B2-C judgment matrix

表7 B3-C判斷矩陣Tab.7 B3-C judgment matrix

表8 B4-C判斷矩陣Tab.8 B4-C judgment matrix

表9 B5-C判斷矩陣Tab.9 B5-C judgment matrix

表10 B6-C判斷矩陣Tab.10 B6-C judgment matrix

表11 B7-C判斷矩陣Tab.11 B7-C judgment matrix

由表5～11得到的單排序優(yōu)先權(quán)重向量與一致性檢驗結(jié)果如下所示:

Y1=(0.234 4,0.077 8,0.687 7)T,λmax=3.076 7,

CR=0.066 1<0.1

Y2=(0.103 8,0.231 1,0.665 1)T,λmax=3.087 0,

CR=0.075 0<0.1

Y3=(0.687 7,0.077 8,0.234 4)T,λmax=3.077 5,

CR=0.066 8<0.1

Y4=(0.193 2,0.083 3,0.723 5)T,λmax=3.065 8,

CR=0.056 7<0.1

Y5=(0.633 3,0.106 2,0.260 5)T,λmax=3.038 7,

CR=0.033 4<0.1

Y6=(0.186 3,0.076 8,0.737 0)T,λmax=3.044 5,

CR=0.038 4<0.1

Y7=(0.186 3,0.076 8,0.737 0)T,λmax=3.044 5,

CR=0.038 4<0.1

由計算結(jié)果發(fā)現(xiàn),評估對象層相對于影響因素層的CR(一致性比例)均小于0.1,所以均具有滿意的一致性。

2.4 層次總排序

評估對象層3個可行方案對指標層各影響因素的優(yōu)先權(quán)重向量Yj(j=1,2,3,4,5,6,7)所構(gòu)成的矩陣為

3個可行方案對總目標的組合優(yōu)先權(quán)重向量

R總=YW=(1.849 6,0.628 8,4.457 7)T

從以上結(jié)果可以得出,這3種方案由優(yōu)到劣的順序依次為C3、C1、C2,即太陽能光伏發(fā)電技術(shù)效能最佳,其次為風力發(fā)電技術(shù),最后為地熱發(fā)電技術(shù)。

根據(jù)研究結(jié)果可以將太陽能光伏發(fā)電和風力發(fā)電2種發(fā)電技術(shù)結(jié)合起來投入使用,這樣效果更好,可靠性更高。

3 結(jié)語

通過本文研究可以認識到太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和風力發(fā)電技術(shù)仍然是比較可靠和實用的新能源發(fā)電技術(shù),尤其是將兩者結(jié)合起來使用可以最大程度地經(jīng)受住西北地區(qū)惡劣環(huán)境的考驗,提高供電有效性,大大增強供電保障能力。雖然前期投入成本較大,需要的工作量也比較多,并且在工作的過程中設(shè)備故障會時有發(fā)生,但是從長遠來看,這樣的發(fā)電方式對環(huán)境沒有污染。西北地區(qū)用電量不是特別大,如果這樣的新能源供電方式有著比較完善的配套管理維護機制,就會長期而有效地解決該地區(qū)供電保障問題。

參考文獻:

[1] 俞樹毅.西北地區(qū)區(qū)域環(huán)境資源法制研究調(diào)查[M].蘭州:蘭州大學(xué)出版社,2007.

YU Shuyi.Investigation of regional environmental resources law in Northwest China[M].Lanzhou:Lanzhou University Press,2007.

[2] 張杰.效能評估方法研究[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009.

ZHANG Jie.Research on effectiveness evaluation method[M].Beijing:National Defense Industry Press,2009.