謝晨希,易吉林,王 宇
(1.貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,貴州 貴陽(yáng) 550002;2.貴州省水利投資(集團(tuán))有限責(zé)任公司,貴州 貴陽(yáng) 550002)
黃家灣水利樞紐工程位于貴州安順市南部紫云縣境內(nèi),擬建壩址在紅水河的一級(jí)支流格凸河中游河段,壩址位置位于紫云縣板當(dāng)鎮(zhèn)黃家灣河道上。黃家灣水利樞紐是綜合利用的水利工程,主要任務(wù)是以城鄉(xiāng)生活和工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主,并結(jié)合發(fā)電。
黃家灣水庫(kù)位于紫云縣境內(nèi),屬濕潤(rùn)地區(qū)的北亞熱帶季風(fēng)氣候,具有山岳型氣候特點(diǎn)。冬春干燥,夏季濕潤(rùn),四季分明,冬暖夏涼。根據(jù)紫云縣氣象站多年資料統(tǒng)計(jì),多年平均氣溫15.3℃,極端最高氣溫33.8℃(1988年5月6日),極端最低氣溫-7.3℃(1977年2月9日)。年平均相對(duì)濕度79%,全年無(wú)霜期294.9 d;多年平均最大風(fēng)速12.8 m/s,30 a一遇最大風(fēng)速20.6 m/s,大風(fēng)日數(shù)8 d,以NE風(fēng)為主。根據(jù)紫云縣氣象站1961年~2018年資料統(tǒng)計(jì):紫云縣年平均日照時(shí)數(shù)為1308.5 h。
1)日照
紫云縣氣象站近5 a各季、月平均日照時(shí)數(shù)見(jiàn)表1~表2。由表1~表2可知:從季節(jié)上看紫云縣氣象站近5 a內(nèi),春季和夏季日照時(shí)長(zhǎng)最多,分別占全年的28.6%、32.4%,冬季最少,占比15.4%;紫云縣氣象站夏季日平均日照時(shí)數(shù)為4.25 h,分別為春季、秋季和冬季日平均日照時(shí)數(shù)的1.13倍、1.35倍和2.05倍。從月來(lái)看,4月~9月日照時(shí)數(shù)較多,占全年的62.9%,其中7月最多,為151.98 h,占全年的12.58%,12月最少,為53.06 h,占全年的4.39%。
表1 紫云站近5 a各季平均日照時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)表
表2 紫云站近5 a各月平均日照時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)表
紫云縣近5 a來(lái)年平均日照時(shí)數(shù)為1208.4 h,日平均日照時(shí)數(shù)為3.31 h,其保證率約為40%。
近5 a日平均日照時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)圖1~圖2、表3。
圖1 紫云站近5 a日照時(shí)數(shù)歷時(shí)曲線
圖2 紫云站近5 a日照時(shí)數(shù)保證率曲線
由圖1~圖2、表3可知:平均每年有204.8 d的日照時(shí)數(shù)大于等于1 h,其保證率為56.1%。根據(jù)統(tǒng)計(jì),紫云縣氣象站近5 a平均每日日照時(shí)數(shù)為3.31 h,其保證率約為40%。
表3 紫云站近5 a每日平均日照時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)表
2)風(fēng)速
紫云縣近5 a來(lái)平均風(fēng)速為1.91 m/s,其中,最大風(fēng)速為12.4 m/s,最小風(fēng)速為0 m/s,近5 a各季、各月平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表4~表5。
表4 紫云站近5 a各季平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)表
表5 紫云站近5 a各月平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)表
由表4~表5可知:從季節(jié)上看,紫云縣氣象站近5 a內(nèi),冬、春季風(fēng)速相對(duì)較大,分別為2.16 m/s和2.06 m/s,夏、秋季風(fēng)速相對(duì)較小,分別為1.63 m/s和1.80 m/s;以風(fēng)速最小的夏季為基準(zhǔn),春、秋、冬季的日平均風(fēng)速分別為基準(zhǔn)的1.33倍、1.10倍、1.26倍。從月份來(lái)看,1月~5月風(fēng)速較大,其中2月最大,為2.23 m/s,7月最小,為1.49 m/s。
由圖3~圖4、表6可知:紫云縣氣象站風(fēng)速大于等于1 m/s保證率為72.5%。根據(jù)統(tǒng)計(jì),紫云縣氣象站近5 a來(lái)平均有效風(fēng)力時(shí)數(shù)為10.75 h(風(fēng)速大于等于2 m/s),根據(jù)表6得其保證率為44.8%。
圖3 紫云站近5 a風(fēng)速歷時(shí)曲線
圖4 紫云站近5 a風(fēng)速保證率曲線
表6 紫云站近5 a逐小時(shí)平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)表
(1)光能
1)太陽(yáng)總輻射
前文中已分析得到紫云縣氣象站的日照及風(fēng)速等自然條件,為進(jìn)一步量化風(fēng)能、光能,本次根據(jù)紫云縣氣象站2014年~2018年的太陽(yáng)輻射觀測(cè)資料,并結(jié)合前文已分析的成果,對(duì)此區(qū)域內(nèi)可產(chǎn)生的光能進(jìn)行計(jì)算。
根據(jù)紫云縣氣象站2014年~2018年太陽(yáng)輻射資料,統(tǒng)計(jì)得到2014年~2018年年均、月均和日均太陽(yáng)總輻射,見(jiàn)表7。
2)太陽(yáng)輻照度
太陽(yáng)輻照的單位為MJ/m2,標(biāo)準(zhǔn)日照小時(shí)數(shù)的單位是 h,標(biāo)準(zhǔn)日照小時(shí)數(shù)是根據(jù)太陽(yáng)能組件在標(biāo)準(zhǔn)條件下(大氣質(zhì)量AM1.5,溫度25°,輻照強(qiáng)度1000 W/m2)的工作小時(shí)數(shù),輻照強(qiáng)度是不斷變化的,所以要進(jìn)行折算。折算公式如下:1 W=1 J/s;1 h=3600 s;1 kW·h=3.6 MJ;1 kW·h/m2=3.6 MJ/m2。
從紫云氣象站可直接獲取歷年的輻照數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。
3)發(fā)電量
發(fā)電量計(jì)算公式為:
Ep=HA×A×ηi×K
式中:HA為太陽(yáng)能總輻照量,kW·h/m2;A為光伏電池組件面積,m2;ηi指光伏電池組件的轉(zhuǎn)換效率,%;K為發(fā)電損耗率系數(shù),一般取0.7~0.8。
單塊太陽(yáng)能電池板尺寸為2 m×1.6 m的單晶硅板,組件轉(zhuǎn)換效率為18%~20%。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。
表7 紫云站近5 a太陽(yáng)輻照統(tǒng)計(jì)及折算總輻照量表
通過(guò)計(jì)算可得出,單塊光伏板全年平均發(fā)電量591 kW·h,平均每天發(fā)電量1.62 kW·h,而閘門和閥門系統(tǒng)配置的光伏板最少為2塊,多的可達(dá)4塊,足夠滿足設(shè)備的每日用電量需求。而且在11月~3月期間光照差,通過(guò)風(fēng)力發(fā)電,正好實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)特性,完全滿足使用要求。
(2)風(fēng)能
1)風(fēng)能密度
紫云縣氣象站已有風(fēng)速觀測(cè)資料,可根據(jù)此資料計(jì)算得到風(fēng)能密度。根據(jù)《全國(guó)風(fēng)能資源評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)定》,風(fēng)能密度按照下式進(jìn)行計(jì)算:
式中:Vt為各等級(jí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速值;Nt為各等級(jí)風(fēng)速出現(xiàn)的累計(jì)小時(shí)數(shù)(N1、N2、N3…Nn);N為總時(shí)數(shù),日為24 h,月為672 h~744 h,全年為8760 h;ρi為測(cè)站各月平均空氣密度值,取決于當(dāng)?shù)卦缕骄鶜鉁?、月平均氣壓、月平均水汽壓?/p>
式中:ρi為測(cè)站各月平均大氣壓;ei為測(cè)站各月平均水汽壓;ti為測(cè)站各月平均氣溫。
各月平均大氣壓、水汽壓、氣溫見(jiàn)表8。
表8 紫云站近5 a風(fēng)能密度統(tǒng)計(jì)表
2)風(fēng)力發(fā)電功率
風(fēng)力發(fā)電功率計(jì)算公式為:
P=E·A·Cp
式中:E為風(fēng)能密度,W;A為風(fēng)輪面積,A=πR2(葉輪R的取值0.675 m),π=3.14;Cp為風(fēng)輪效率,按最大理論值取0.593。
根據(jù)上式計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表8。
3)風(fēng)力發(fā)電量
風(fēng)力發(fā)電量計(jì)算公式為:
EP=P×10-3×H
式中:H為小時(shí)數(shù),一年為8760 h。
由上式計(jì)算紫云氣象站年均風(fēng)力發(fā)電量:
EP=5.334×24×365×10-3=46.726 kW·h
由上可知,葉輪直徑為1.3 m的200 W的風(fēng)機(jī)一年平均的總發(fā)電量46.726 kW·h。
通過(guò)黃家灣當(dāng)?shù)仫L(fēng)光氣象數(shù)據(jù)分析,并初步計(jì)算風(fēng)能光能的理論發(fā)電量,可得到黃家灣灌區(qū)各點(diǎn)位可發(fā)電量。通過(guò)理論計(jì)算可得出,光能的轉(zhuǎn)換中單塊光伏板全年平均發(fā)電量591 kW·h。風(fēng)能的轉(zhuǎn)換中葉輪直徑為1.3 m的200 W的風(fēng)機(jī)一年平均的總發(fā)電量46.726 kW·h。而且可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)特性,滿足用電設(shè)備的使用要求。針對(duì)輸水工程上的閘(閥)門等設(shè)備用電負(fù)荷較小(通常為0.25 kW~7.5 kW),使用頻次較低(最高使用頻率為2周一次),單次運(yùn)行時(shí)間較短、耗電量小等特點(diǎn),風(fēng)光互補(bǔ)直流供電系統(tǒng)能夠?yàn)檩斔こ烫峁┑统杀尽⒏呖煽啃郧也粫?huì)破壞生態(tài)環(huán)境的電力能源,能夠滿足輸水工程的需求,解決遠(yuǎn)離電網(wǎng)覆蓋地區(qū)供電難的問(wèn)題。