周建強(qiáng)，屈衛(wèi)東

（鄭州電力高等專(zhuān)科學(xué)校，河南鄭州 450004）

隨著中原經(jīng)濟(jì)區(qū)的建設(shè)，鄭州市社會(huì)經(jīng)濟(jì)正在快速發(fā)展，人民生活水平不斷提高。社會(huì)對(duì)電力需求增長(zhǎng)非常強(qiáng)勁，電網(wǎng)負(fù)荷壓力空前。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鄭州市全社會(huì)用電量自2003年以來(lái)電網(wǎng)負(fù)荷4次創(chuàng)歷史新高，2011年8月15日更是達(dá)到了702.7萬(wàn) kW·h。與此同時(shí)，傳統(tǒng)化石能源的大量消耗不僅對(duì)國(guó)家能源安全有巨大威脅，而且?guī)?lái)了一系列環(huán)境問(wèn)題，如空氣污染、氣溫升高、水源惡化等。與傳統(tǒng)能源相比，可再生能源因具有環(huán)境友好和可持續(xù)等優(yōu)點(diǎn)而受到青睞[1]。低成本、規(guī)模化利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源，是解決能源與環(huán)境問(wèn)題的必要途徑之一。

1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)介紹

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖1所示，主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、伏組件、控制器、蓄電池和逆變器等構(gòu)成。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，太陽(yáng)能光伏電池把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，二者共同構(gòu)成了風(fēng)光互補(bǔ)裝置的能量接收轉(zhuǎn)化設(shè)備。由于風(fēng)能和太陽(yáng)能的波動(dòng)性，為了獲得穩(wěn)定的電能，獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能裝置——蓄電池?？刂破鲃t是調(diào)整光伏組件、風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于最佳工作狀態(tài)的設(shè)備，同時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行過(guò)充電、過(guò)放電保護(hù)。由于太陽(yáng)能電池和蓄電池發(fā)出的是直流電，帶電交流負(fù)載時(shí)，還需要將直流電變換成交流電的逆變?cè)O(shè)備。

2 鄭州市風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)分析

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)圖Fig.1 The schematic diagram of PV and wind hybrid power

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是城市中一種廣泛使用的可再生能源發(fā)電形式，在鄭州地區(qū)開(kāi)展風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電有很多優(yōu)點(diǎn)。

首先，建筑風(fēng)力發(fā)電屬于弱風(fēng)發(fā)電，適合用于鄭州這樣的弱風(fēng)地區(qū)。越來(lái)越多的城市高層建筑的出現(xiàn)為城市中利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電提供了良好的條件。

其次，“光伏-建筑一體化”把光伏陣列布置到墻面和屋頂上，無(wú)需額外用地或建設(shè)其他設(shè)施，節(jié)省了土地資源，同時(shí)避免了墻面溫度和屋頂溫度過(guò)高，降低了空調(diào)負(fù)荷。原地發(fā)電，原地使用，節(jié)約電站送電網(wǎng)的投資和減少輸電損耗；通常夏季用電高峰也是光伏發(fā)電量最大的時(shí)期，可減少電網(wǎng)谷峰供需矛盾。

再次，鄭州屬于季風(fēng)氣候區(qū)，冬季風(fēng)大，太陽(yáng)輻射量小，夏季風(fēng)小，太陽(yáng)輻射量大；風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以互補(bǔ)兩種資源的季節(jié)差，獲得比較穩(wěn)定的電能輸出，減少儲(chǔ)能設(shè)備的容量。

3 鄭州地區(qū)太陽(yáng)能與風(fēng)能資源分析

3.1 鄭州地區(qū)太陽(yáng)輻射資源

太陽(yáng)能資源的情況是一個(gè)地區(qū)能否廣泛使用太陽(yáng)能的先天要素。根據(jù)中國(guó)氣象局提供的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)[2]，鄭州地區(qū)屬于太陽(yáng)能資源可以利用地區(qū)，其太陽(yáng)輻射資源如表1。

從表1中可以看出：直接輻射和太陽(yáng)總輻射的最大值都出現(xiàn)在6月份，分別為624.92 MJ/m2和710.16 MJ/m2；最小值出現(xiàn)在12月份，分別為145.6 MJ/m2和242.3 MJ/m2。月直接輻射占太陽(yáng)月總輻射很大的份額，其中6月份占太陽(yáng)總輻射的份額最大為88%，占份額最小的月并沒(méi)有出現(xiàn)在最冷的1月，相反出現(xiàn)在過(guò)渡季節(jié)11月，所占份額為58.97%。還可以看出：在1月份時(shí)，直接輻射占總輻射的份額77.01%，超過(guò)了夏季7月份71.92%和8月份61.94%?？梢?jiàn)，在鄭州市冬季太陽(yáng)能有很大的利用潛力。

表1 太陽(yáng)輻射年的月總輻射和月總直射Tab.1 The monthly global solar radiation and monthlyglobal direct solar radiation in Zhengzhou (m/s)

3.2 鄭州市風(fēng)資源

鄭州市位于黃淮平原和秦嶺山脈東延的交接帶，地勢(shì)西高東低。西北部的氣流順河西走廊沿秦嶺東行，受太行山的隔擋后，集中在兩個(gè)山系之間的黃河河道在鄭州附近涌出，沿黃河形成較強(qiáng)的氣流帶，使鄭州秋冬季偏西向強(qiáng)風(fēng)較多[3]。表2～4給出了鄭州市風(fēng)資源的情況。

3.3 建筑風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電經(jīng)濟(jì)分析

以某學(xué)生宿舍為例，進(jìn)行風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的經(jīng)濟(jì)分析。該建筑6層，建筑面積40000 m2，建筑屋頂面積為6666.7 m2，按屋頂傾斜布滿光伏陣列，光伏發(fā)電效率按20%，則光伏發(fā)電量為2166840 kW·h，詳見(jiàn)表5。

風(fēng)力機(jī)安裝間距超過(guò)風(fēng)機(jī)直徑的20倍，相鄰風(fēng)機(jī)的輸出功率不至于削弱。下面以HY—400型風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，風(fēng)力機(jī)葉輪直徑1.5 m，所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)按30 m間距安裝，整個(gè)學(xué)生宿舍可安裝20臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。表6所示為某學(xué)生宿舍風(fēng)力發(fā)電分析。

表2 鄭州地區(qū)各月平均風(fēng)速Tab.2 The monthly average wind speeds in Zhengzhou m/s

表3 鄭州地區(qū)各月平均風(fēng)能功率密度Tab.3 The monthly average wind power density in Zhengzhou W/m2

表4 鄭州地區(qū)各月風(fēng)能平均可利用時(shí)間Tab.4 The monthly average hours of applicable wind resource in Zhengzhou h

表5 某學(xué)生宿舍光伏發(fā)電量分析Tab.5 PV power generation on the roof of a certain students′dormitory

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備根據(jù)市場(chǎng)價(jià)估算，貸款利率按國(guó)家新能源的政策按最低貸款利率計(jì)算。系統(tǒng)安裝完成后，每個(gè)月發(fā)電量相差不大，每月都在回收成本，所以按等額回收計(jì)算。由于系統(tǒng)安裝完成后，不需要額外燃料，運(yùn)行維護(hù)成本很低，所以運(yùn)行維護(hù)成本忽略不計(jì)。

4 結(jié)論

通過(guò)表7可以看出，盡管鄭州風(fēng)能和太陽(yáng)能都不豐富，但開(kāi)展風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電每千瓦時(shí)也只有1.11元，如果考慮政府進(jìn)行政策補(bǔ)貼，價(jià)格更低。隨著科技的發(fā)展，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的價(jià)格必將進(jìn)一步降低，在可預(yù)見(jiàn)的時(shí)間內(nèi)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的價(jià)格將與傳統(tǒng)發(fā)電電價(jià)持平。而且，開(kāi)展風(fēng)光互補(bǔ)風(fēng)力發(fā)電的社會(huì)效益、環(huán)境效益更不可估量。

表6 某學(xué)生宿舍風(fēng)力發(fā)電分析Tab.6 Wind power generation on the roof of a certain students′dormitory

表7 某學(xué)生宿舍風(fēng)光互補(bǔ)風(fēng)力發(fā)電經(jīng)濟(jì)分析Tab.7 The economic analysis on the PV and wind hybrid power for a certain students′dormitory

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