張建生，張梅花，趙文舉

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，蘭州 730070；2.蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，蘭州 730050)

西北地區(qū)包括陜西、甘肅、寧夏、青海、新疆5省(區(qū))，面積共計304.3 萬km2，占全國陸地面積的31.7%；人口約0.9 億人，為全國的7%[1]。該區(qū)域大部分處于干旱、半干旱地區(qū)，降水時空分布不均，植被稀疏，生態(tài)環(huán)境脆弱，最集中的表現(xiàn)是荒漠化日益嚴(yán)重，在一些局部地區(qū)呈加速發(fā)展的趨勢。荒漠化地區(qū)遠(yuǎn)離電網(wǎng)，但當(dāng)?shù)赜志哂胸S富的風(fēng)能和太陽能，若充分利用當(dāng)?shù)刎S富的風(fēng)能、太陽能等自然資源用來發(fā)電，發(fā)揮現(xiàn)代科技的作用，對西北荒漠化地區(qū)進(jìn)行生態(tài)治理、環(huán)境保護(hù)、以及建立新型的用能模式，將起到積極的推動作用。但是，作為一種全新的供電方式，它的經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)能和環(huán)境效益等尚不明確，為此，本文在分析我國西北地區(qū)風(fēng)能資源和太陽能資源狀況基礎(chǔ)上，設(shè)計風(fēng)光互補(bǔ)提灌模式，并從經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)能和環(huán)境效益及社會效益等角度對風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的推廣價值進(jìn)行分析和評價，以期為西北地區(qū)大面積推廣應(yīng)用風(fēng)光互補(bǔ)提灌系統(tǒng)提供理論基礎(chǔ)。

1 西北地區(qū)風(fēng)能和太陽能資源的分布

1.1 風(fēng)能資源的分布

西北地區(qū)風(fēng)能資源儲量及分布情況見表1。從表1來看，西北地區(qū)風(fēng)力力量開發(fā)儲能的總量和技術(shù)開發(fā)儲能占全國的近30%，表明西北地區(qū)風(fēng)能資源豐富，開發(fā)利用潛力巨大。中國氣象科學(xué)研究院將我國風(fēng)能資源空間分布分為豐富區(qū)、較豐富區(qū)、可利用區(qū)及貧乏區(qū)4種類型區(qū)，西北地區(qū)的風(fēng)能主要處于前3個區(qū)，見圖1[1]，有效風(fēng)能密度的空間分布情況見圖2[1]。由圖2可知，西北地區(qū)有效風(fēng)能密度大于100 W/m2的區(qū)域基本上呈西北向東南的條帶狀分布。其中，新疆和甘肅的有效風(fēng)能密度最大，可用風(fēng)能資源量和條件較好；寧夏青海次之，陜西相對較差。

表1 西北地區(qū)風(fēng)能資源儲量及分布情況[2]Tab.1 Reserves and distribution of wind power resourcein the northwest region

圖1 西北地區(qū)風(fēng)能資源空間分布Fig.1 Spatial distribution of wind energy resource in northwest China

圖2 西北地區(qū)有效風(fēng)能密度的空間分布Fig.2 Spatial distribution of effective wind energy density in northwest China

1.2 太陽能資源分布

我國地處北半球，荒漠化地區(qū)多數(shù)地方年日照時數(shù)長達(dá)3 000 h以上，平均每天8 h，荒漠地區(qū)全年平均每平方米的太陽能輻射達(dá)10.62 萬kW，利用1 km2面積的太陽能全年所得熱能相當(dāng)于燃燒3 823.2 萬t標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)出的熱量，比全國水利資源蘊(yùn)藏能量大156倍[3]。西北地區(qū)的青海、新疆、甘肅、寧夏均為太陽能資源豐富地區(qū)，太陽能資源空間分布見圖3[4]。由圖3可知，西北地區(qū)年均太陽總輻射與年均日照時數(shù)的分布基本一致。其中，太陽總輻射的趨勢大致是在陜西東南部最低，由陜西東部向西部逐漸增加，在青海中部地區(qū)達(dá)到最高，再向新疆西部地區(qū)逐漸減少。

年均日照時數(shù)最高的地區(qū)位于青海北部，甘肅北部及新疆東部部分地區(qū)，基本處于青海、甘肅和新疆3省的交界處。西北地區(qū)日照時間最長地區(qū)可達(dá)3 500 h，年均日照時數(shù)相對較高的地區(qū)是新疆東南部、青海西南部及甘肅西南部等部分地區(qū)，其年均日照時數(shù)均在2 500 h以上。

圖3 西北地區(qū)太陽能資源空間分布Fig.3 Spatial distribution of solar energy resource in Northwest China

2 風(fēng)光互補(bǔ)提灌模式的設(shè)計

太陽能、風(fēng)能具有清潔環(huán)保、永不衰竭的特點(diǎn)，已成為目前發(fā)展速度最快的新能源，并被認(rèn)為是最具有潛力、未來最有可能代替化石能源的新能源。開發(fā)太陽能、風(fēng)能資源對增加能源供應(yīng)，改善能源結(jié)構(gòu)，保障能源安全，保護(hù)環(huán)境有重要作用，是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略措施，具有重大而長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。獨(dú)立的太陽能發(fā)電系統(tǒng)易受天氣的影響，夜間和陰雨天，該系統(tǒng)就不能正常發(fā)電；獨(dú)立的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)易受風(fēng)速的影響，當(dāng)風(fēng)速很小或沒風(fēng)的時候，該系統(tǒng)也不能正常工作。由于太陽能和風(fēng)能在時間上和地域上具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，風(fēng)光互補(bǔ)混合供電系統(tǒng)是可再生能源獨(dú)立供電系統(tǒng)的一種重要形式，與獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電或光伏發(fā)電比較能使電力輸出更平穩(wěn)、可靠，同時還降低對蓄電池的儲能要求。因此被證明是一種比單一光伏或風(fēng)力發(fā)電更經(jīng)濟(jì)、可靠的選擇[5-8]。另外，近些年來，光伏和風(fēng)力發(fā)電成本下降較快，同時傳統(tǒng)能源成本卻逐年上升，這就使得風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)具有了較好的應(yīng)用前景[9,10]。西北地區(qū)地處風(fēng)能和太陽能資源豐富或較豐富區(qū)，使該地區(qū)新能源開發(fā)利用具備了得天獨(dú)后優(yōu)勢。風(fēng)光互補(bǔ)提水灌溉模式是一種經(jīng)濟(jì)適用的綠色供水系統(tǒng)，主要是為解決荒漠化地區(qū)的提灌及人畜飲水等問題研究設(shè)計的，也可用在小型戶用雨水收集系統(tǒng)中從建設(shè)在低處的水窖中提水，把雨水送到安裝在高處的水箱，實(shí)現(xiàn)供水的自動化。風(fēng)光互補(bǔ)提水系統(tǒng)由發(fā)電系統(tǒng)、抽水設(shè)備、供水管路、供水箱及灌溉設(shè)備等部件組成，見圖4。

3 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的效益評價

3.1 經(jīng)濟(jì)效益評價

以柴油發(fā)電、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)為例對其經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行評價。由于這2種系統(tǒng)的抽水設(shè)備和灌水設(shè)備的成本相同，為此，文中不做分析，只對它們的發(fā)電成本進(jìn)行分析計算。表2中列出了柴油發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的初始投資、運(yùn)行費(fèi)用數(shù)據(jù)和按照動態(tài)平直成本定義計算的供電成本[11]。雖風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的初始投資較大，但目前柴油價格較高，經(jīng)計算，柴油發(fā)電的成本高達(dá)3.34 元/kWh，而風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的成本僅為1.64 元/kWh，是柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電的成本的一半。按年供電2 000 kWh計算，采用風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)發(fā)電年可節(jié)約3 400元，若系統(tǒng)運(yùn)行12 a，可節(jié)約資金40 800 元。未來隨著光伏電池產(chǎn)業(yè)制造規(guī)模的擴(kuò)大，技術(shù)效率的提高，生產(chǎn)成本的下降，其供電成本會不斷下降，該系統(tǒng)具有較好的發(fā)展前景。

圖4 風(fēng)光互補(bǔ)提水灌溉系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic of wind and light complementary water-pumping irrigation system

發(fā)電種類年發(fā)電量/kWh壽命/a初始投資/元維修費(fèi)用加運(yùn)行成本/(元·a-1)成本/(元·kW-1·h-1)柴油發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)20002000121524003500064293003．341．64

注.①貼現(xiàn)率按3.3%計算；②柴油價格按8.47 元/kg，1 kWh消耗350 g柴油。

3.2 節(jié)能和環(huán)境效益評價

從節(jié)能和環(huán)保等方面對風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)與常規(guī)能源煤、石油發(fā)電進(jìn)行比較分析。新能源每發(fā)電1 kWh，相當(dāng)于0.4 kg標(biāo)準(zhǔn)煤或0.58 L石油的發(fā)電量[12]。本風(fēng)光蓄發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電量為2 000 kWh，相當(dāng)于節(jié)約800 kg標(biāo)準(zhǔn)煤或1 160 L石油。以燃燒800 kg標(biāo)準(zhǔn)煤來發(fā)電為例，分析其減排效益，結(jié)果見表3。

表3 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)境效益Tab.3 Environmental benefits of wind solar hybridpower generation system

從表3來看，雖然本風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在1 a內(nèi)所創(chuàng)造的環(huán)境效益較小，但該項(xiàng)目的建設(shè)，將在節(jié)省燃煤、減少CO2、SO2、NOx、煙塵、灰渣等污染物排放效果上，都起到積極的示范作用。如在荒漠化地區(qū)或邊遠(yuǎn)山區(qū)大規(guī)模推廣該新能源發(fā)電系統(tǒng)，則所創(chuàng)造的節(jié)能效益和環(huán)境效益將相當(dāng)可觀。而且，這對全球氣候的改善、空氣質(zhì)量的提高和節(jié)能減排，都具有積極作用。由于風(fēng)能和太陽能發(fā)電都是利用可再生能源發(fā)電，可作為傳統(tǒng)火力發(fā)電的替代能源，在技術(shù)上和開發(fā)使用上都具備了廣泛推廣的條件，對于能源的節(jié)約起著重要的作用。風(fēng)電和光電相對于火電站和核電站而言，幾乎不產(chǎn)生環(huán)境污染，有利于減少自然環(huán)境的污染，還可避免灰渣的產(chǎn)生。因此，對實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有巨大的節(jié)能和環(huán)境效益。

3.3 社會效益評價

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)不僅能促進(jìn)當(dāng)?shù)卦牧系认嚓P(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，還能依靠特有的風(fēng)光發(fā)電機(jī)組將其發(fā)展成為新的旅游景點(diǎn)，對豐富和改善經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，拉動第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要作用，進(jìn)一步促進(jìn)偏遠(yuǎn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及居民生活水平。同時，在荒漠化地區(qū)大力發(fā)展風(fēng)光發(fā)電產(chǎn)業(yè)，將促進(jìn)區(qū)域土地增值，帶動周邊地區(qū)建筑業(yè)、商業(yè)等行業(yè)的發(fā)展，增加就業(yè)機(jī)會，提高人們生活水平，為改善荒漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)新能源的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。此外，風(fēng)光互補(bǔ)提灌系統(tǒng)的社會效益還包括減少用水、用電糾紛，改善鄰里之間的關(guān)系，穩(wěn)定社會秩序，促進(jìn)人與自然和諧的生態(tài)文明等方面。

4 結(jié) 語

西北地區(qū)荒漠化土地面積較廣，且遠(yuǎn)離電網(wǎng)，但當(dāng)?shù)赜志哂胸S富的風(fēng)能和太陽能，太陽能與風(fēng)能在時間上和地域上都有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，它們在時間上的互補(bǔ)性使風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有良好的匹配性，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用是解決西北荒漠化地區(qū)提灌所需電力的一個新的選擇。通過實(shí)例分析了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)能和環(huán)境效益及社會效益，表明該系統(tǒng)在此地區(qū)推廣有其經(jīng)濟(jì)和社會可行性。因此，充分利用當(dāng)?shù)刎S富的風(fēng)能、太陽能等可再生能源，是改善我國的能源結(jié)構(gòu)，對西北荒漠化地區(qū)進(jìn)行生態(tài)治理及恢復(fù)，實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要措施，同時對該地區(qū)保護(hù)生態(tài)環(huán)境、防止荒漠化和節(jié)能等具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和深遠(yuǎn)的社會意義。

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