北京特種工程設(shè)計(jì)研究院 李龍剛 任建平 劉惠文

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目地處我國西北某地區(qū)，屬于無人區(qū)，最近的市電電源是距離約為70km的一座220/35/10kV變電站。該地區(qū)光照資源較為豐富，年日照時(shí)間較長，日照百分率為60%～80%，日照6h以上的天數(shù)在250～325天，水平地表年太陽輻射總量為5000MJ/m2～6500MJ/m2，年平均為5800MJ/m2，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳窘y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，由Meteonorm軟件（一款瑞士開發(fā)的綜合氣候數(shù)據(jù)庫，分析各地的氣象資料軟件，其數(shù)據(jù)來源全球8325個(gè)氣象站、5顆同步氣象衛(wèi)星以及WMO（世界氣象組織））得到該地區(qū)1～12月的輻射量(MJ/m2)數(shù)值分別為219.6、295.2、453.6、576、687.6、691.2、680.4、615.6、507.6、396、244.8、169.2，總計(jì)5536.8。

根據(jù)《太陽能資源等級(jí)總輻射》（GB/T31155-2014）太陽能資源評(píng)估方法，太陽能資源總量根據(jù)太陽總輻射資源總量劃分為四個(gè)等級(jí)（表1）。

表1 太陽能等級(jí)表

本工程場(chǎng)區(qū)年太陽輻射量為5536.8MJ/(m2.a)，資源豐富程度屬于資源很豐富等級(jí)。根據(jù)該地區(qū)氣象站多年風(fēng)速資料，該地區(qū)每年2月～8月風(fēng)速較大，9月～次年1月份風(fēng)速較少，具有較明顯的季節(jié)變化特點(diǎn)。即春夏季風(fēng)大，冬季風(fēng)略小，1～12月風(fēng)速（m/s）分別為1.5、2.0、2.6、2.8、2.7、2.5、2.4、2.3、2.0、1.7、1.4、1.3，年平均2.11。根據(jù)該地區(qū)多年觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，平均最低氣溫-24℃、平均最高氣溫33℃、年平均降水總量77.7mm。

該項(xiàng)目主要用電負(fù)荷的安裝功率（kW）、工作時(shí)長（h/d）、耗能（kWh）有：冬季采暖用電約為30/24/720，水設(shè)備用電約為28/8/224，通信設(shè)備用電約為5/24/120，照明用電約為15/10/150，辦公工作用電約為5/10/50，合計(jì)安裝功率約為83kW，合計(jì)耗能1264kWh；夏季用電設(shè)備的安裝功率（kW）、工作時(shí)長（h/d）、耗能（kWh）有：夏季空調(diào)用電約為20/6/120，水設(shè)備用電約為28/8/224，通信設(shè)備用電約為5/24/120，照明用電約為15/10/150，辦公工作用電約為5/10/50，合計(jì)安裝功率約為73kW，合計(jì)耗能664kWh。

2 電源方案

本站點(diǎn)電源可以選用市電電源、太陽能光伏電源、風(fēng)能發(fā)電，也可以采用柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電等方式。下面就四種電源在初期投入和全壽命階段的運(yùn)行成本做綜合比較。

2.1 市電電源

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的相關(guān)規(guī)定，各級(jí)電壓架空線輸送容量和距離的最佳的配置中，電壓等級(jí)（kV）、負(fù)荷量（MW）、輸送距離（km）分別為6/0.1～1.2/15～4、10/0.2～2/20～6、35/2～8/50～20、66/3.5～10/100～30、110/10～50/150～50。

本站點(diǎn)的冬季負(fù)荷為83kW，而夏季負(fù)荷73kW，按照最大的冬季負(fù)荷為最低保障條件，負(fù)載按83kW考慮。從線路損失方面考慮到不同等級(jí)電壓輸送電能對(duì)輸送距離的限制，可以選擇的電壓等級(jí)為35kV。以下以35kV架空線作為本站點(diǎn)供給電源進(jìn)行配置計(jì)算。在變電站內(nèi)設(shè)置一臺(tái)35/0.4kV的160kVA變壓器及相應(yīng)的35kV和0.4kV配電裝置，主要設(shè)備數(shù)量和投資見表2，市電電源的設(shè)備總投資為1562萬元。可以看得出，投資大部分都是在線路上，約占比接近90%。

表2 主要材料及投資表

2.2 光伏電源

用電設(shè)備的安裝功率為83kW。按冬至日光伏全功率發(fā)電時(shí)間為4.0小時(shí)，光伏的轉(zhuǎn)換效率為0.9。儲(chǔ)能容量按照1天設(shè)置。光伏發(fā)電量應(yīng)該大于1264kWh，則應(yīng)設(shè)置光伏功率為352kW，考慮一定的余量，按照光伏的設(shè)置規(guī)模為500kWp光伏發(fā)電，儲(chǔ)能規(guī)模暫時(shí)按150kW×8h的容量配置。光伏板占地面積約為100×50m2，電池采用高效鉛晶電池，儲(chǔ)能單元采用集裝箱型式。主要材料及投資表見表3。

表3 主要材料及投資表

2.3 風(fēng)能發(fā)電

本區(qū)域內(nèi)地勢(shì)最高海拔2800米，最低海拔700米。屬于干旱的溫帶大陸性氣候，晝夜溫差大、干燥少雨、地表植被稀少，有荒漠戈壁、丘陵山地、雅丹及沙漠等多種地貌。用電設(shè)備安裝功率為83kW，綜合考慮目前國內(nèi)小風(fēng)機(jī)制造商業(yè)績、技術(shù)成熟度、運(yùn)行穩(wěn)定性等因素，選擇FD25/100kW作為備選機(jī)型，該機(jī)型為低溫型風(fēng)電機(jī)組，技術(shù)指標(biāo)如下：額定功率100kW、功率調(diào)節(jié)方式為變槳變速調(diào)節(jié)、葉輪直徑25m、切入風(fēng)速3m/s、額定風(fēng)/11m/s、切出風(fēng)/25m/s、極限風(fēng)速52.5m/s、工作溫度-20～50℃、葉片數(shù)3、掃風(fēng)面/490m2、發(fā)電機(jī)類型為永磁直驅(qū)、額定電壓400V、額定轉(zhuǎn)速50、高度42m。

儲(chǔ)能規(guī)模按150kW×8h的容量配置，電池采用高效鉛晶電池，儲(chǔ)能單元采用集裝箱型式。主要材料及投資表見表4。

表4 主要材料及投資表

2.4 柴油發(fā)電機(jī)組

設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率為125kW，耗油量為42L/h，日耗油量為1008L，按照一個(gè)月的存儲(chǔ)油量為30m3。主要材料及投資表見表5。

表5 主要材料及投資表

3 方案比較

方案比較基于電氣設(shè)備使用年限為25年考慮。統(tǒng)計(jì)近兩年的采暖日期為10月15日到次年4月15日，共計(jì)182天，春（4.15～6.30）、秋（9.1～10.15）季兩季共計(jì)121天不考慮采暖，夏（7.1～8.31）共62天為制冷天。夏天的制冷按每天6小時(shí)（其使用系數(shù)為0.25）計(jì)算，冬采暖按照使用系數(shù)0.6計(jì)算。

表6 主要設(shè)備耗能表

市電電源。設(shè)備初期總投資約為1562萬元。架空線長度為70km，年巡檢線路費(fèi)用按4萬元/年計(jì)算，設(shè)備維修費(fèi)按每年1.8%，即2.92萬/年，總的用電量195856度，線路損耗按1%計(jì)算，按照當(dāng)?shù)?021年現(xiàn)行電價(jià)為0.515元/度。可以算出一年的運(yùn)行費(fèi)用約為25.92萬元/年。運(yùn)行25年的總費(fèi)用為1816.5萬元，平均每年費(fèi)用為72.66萬元。

光伏電源。設(shè)備總投資約為635萬元。碳晶電池的使用年限為5～8年，按5年完全更換一次，共更換4次，單晶硅光伏板的使用年限為25年，期間不需要更換，維修率按1%計(jì)算，需3.5萬/年，電池等設(shè)備日常維護(hù)量按1.5%考慮，需1.875萬/年，其它人工清掃按一人工資，每年工資3.6萬/年，25年總共費(fèi)用約為1070.375萬元，平均每年費(fèi)用為42.815萬元。

風(fēng)能電源。設(shè)備總投資約為395萬元。碳晶電池的使用年限為5～8年，按5年完全更換一次，共更換4次，風(fēng)力發(fā)電機(jī)使用年限為25年，期間不需要更換，維修率按3%計(jì)算，需5.4萬/年，電池等設(shè)備日常維護(hù)量按1.5%考慮，需1.875萬/年，25年總共費(fèi)用約為861.875萬元，平均每年費(fèi)用為34.475萬元。

柴油發(fā)電機(jī)組電源。設(shè)備總投資約為90萬元。柴油發(fā)電機(jī)組25000小時(shí)（34個(gè)月）大修一次，費(fèi)用約為機(jī)組價(jià)30%～40%，按35%計(jì)算，約為7萬元，大修次數(shù)一般不大于3次，按2次后（即5年半）更換發(fā)電機(jī)組考慮，大修6次、更換機(jī)組3次，設(shè)備投資約為337萬元，日常維護(hù)按照2萬/年計(jì)算，25年需要50萬元。按照年需要的電量為195856度計(jì)算，每300ml柴油發(fā)一度電，年消耗油量為58.76m3，按2021年7月市面上的油價(jià)6.19元/L計(jì)算，年需要36.37萬元/年。25年總的費(fèi)用為1296.25萬元，平均每年費(fèi)用為51.85萬元/年。

各種電源性能比較。根據(jù)正常運(yùn)行25年的數(shù)據(jù)分析，列出表7。

表7 性能比較表

4 結(jié)語

從上面四種電源的比較分析，不難看出：市電的主要造價(jià)在于線路部分，35kV線路在50km以內(nèi)，安裝容量大于1000kW時(shí)，市電的初期投資大，但在運(yùn)行中成本較低，綜合性價(jià)比較高；光伏發(fā)電初期投資較大，更換電池量較大，易受光照的影響，在新疆地區(qū)日照充足的地方有很大優(yōu)勢(shì)，長期來看平均年耗資較低；風(fēng)能電源需配一定量的蓄電池，并對(duì)所在場(chǎng)區(qū)風(fēng)力情況有一定要求，風(fēng)速在3m/S以上才能啟動(dòng)，然而整個(gè)場(chǎng)區(qū)內(nèi)年平均風(fēng)速為2.1m/s，在很長時(shí)間內(nèi)都有可能不能啟動(dòng)發(fā)電；柴油發(fā)電機(jī)電源較為靈活，受天氣變化的影響不大，工作時(shí)噪聲大，靠燃燒柴油來發(fā)電，對(duì)油料的依賴大，需要油料的保障，在邊遠(yuǎn)站點(diǎn)保障有一定難度。

在確定哪種方案作為應(yīng)用方案時(shí)，不僅僅要考慮造價(jià)方面的問題，還要充分結(jié)合場(chǎng)區(qū)內(nèi)的自然資源，并應(yīng)該考慮電源的可靠性和穩(wěn)定性問題。

綜上，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的比較，本站點(diǎn)選用光伏發(fā)電為主要電源，同時(shí)考慮到在這里存在極端天氣，有可能連續(xù)存在陰雨天氣，光伏發(fā)電量不充足，設(shè)置相應(yīng)容量柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源，儲(chǔ)油量可以兼顧各站點(diǎn)車輛的油料保障。