东营地区太阳能风能综合发电的可行性研究
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摘 要： 为了分析东营地区太阳能风能综合发电的可行性，研究中采用了以一小时为基准的典型天气数据，代替了东营地区年气象数据，建立了太阳能风能综合发电模型，分析出东营地区的太阳能和风能在时间上具有良好的互补性，使风光互补发电系统在资源上具有很好的匹配性。通过对该系统的经济性参数和供电成本实例分析，得出能够实现经济性和节能减排的结论。其创新点在于典型天气数据是以一小时为基准代替了典型气象年数据，并且建立了风能、太阳能发电功率模型。
关键词： 太阳能； 风能； 综合发电； 可行性研究
中图分类号： TN911.7?34； X382 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）15?0168?03
Feasibility research of solar power and wind power generation in Dongying area
LAO Zhen?hua
（Dongying Vocation College， Dongying 257091， China）
Abstract： In order to analyze the feasibility of solar power and wind power generation in Dongying， the typical weather data based on 1 hour is taken to instead of the year meteorological data. The solar power and wind power generation model is established， it is analyzed that the solar power and wind power has good complementarity in Dongying， which makes wind and photovoltaic complementary power generation matches the resources well. Through the instance analysis of the economic parameter and power supply cost of the system， a conclusion is obtained that it is economical and it can realize energy conservation and emissions reduction. The innovation point is that the typical weather data takes an hour as a benchmark instead of the year meteorological data， and the model of wind power and solar power generation is established.
Keywords： solar power； wind power； integrative generation； feasibility study
结合东营地区气候环境特点，建立了太阳能风能综合发电模型，研究中采用了以一小时为基准的典型天气数据，代替了东营地区年气象数据，探讨东营地区太阳能风能综合发电潜力。
1 可行性分析方法
分析太阳能风能综合发电系统可行性方法有很多种，最著名的是供电中断概率法，即LPSP方法：指带有一个电池存储体的综合系统应用标准，当太阳能风能综合发电系统不能满足负载需要时的能量中断概率[1?3]。在某一点上，记录每天每小时的风速和太阳辐射强度的数据，推断出系统的概率密度分布曲线。对于给出的负载分布，使用LPSP（供电中断概率）方法，就能得到电池存储体的概率密度分布曲线与系统可行性有关的电池型号。
以前主要研究太阳能风能综合系统和如何建立能量方程[4?7]，但是没有合适的典型数据应用到研究太阳能风能综合系统中，而风力的权衡标准只是小范围，因此，典型气象年数据对于太阳能风能混合系统是需要的。本文中典型天气数据是以一小时为基准研究的，代替了东营地区年气象数据；得出了典型气象年数据，用于分析太阳能风能综合发电可行性[8]。
2 可行性分析模型
2.1 天气数据
太阳能与风能在时间上具有很强的互补性。从图1看出，太阳能风能资源全年分布状况：夏天太阳辐射强风力弱，相反，冬天太阳辐射弱风力却相对强。日分布如图2所示，太阳辐射强的时候风力弱，这种时间段持续3～5天，这样的互补特点使综合发电系统更可靠，为可再生能源提供了较好的利用系数。图3中，典型的太阳日，辐射峰值在1点左右。可用太阳能风能能满足负载峰值时的需要。9月到次年3月风速最大，因此，太阳能和风能在一整年内都互补。
2.2 模型建立
对于风能转换系统的输出功率，根据东营地区风速分布和风力发电机类型建模，下面的模型用来估算发电功率。
[Pw（v）=Prvr-vc?（v-vc），vc≤v≤vrPr，vr≤v≤vf0，otherwise] （1）
图1 2000年月累计太阳辐射强度和风力强度分布
图2 3月太阳辐射强度和风力强度分布的日累计量
图3 某典型日的太阳辐射强度分布
对于太阳能转换系统的输出功率，发电模型由以下公式描述：
[I=C1+C2?G-C3?eVC4Tcs-1-C5?eVC6Tcs-1-VC7Tcs] （2）
[P=V?I] （3）
最大功率点由公式得出：
[?P?V=0] （4）
电池的充电状态使用计算公式：
[SOCt+1=SOCt?σ+Ibatt?Δt?ηIbatt] （5）
在时间[t]内，可能的最大电流速度[Ibatmax（t）]由公式决定：
[Ibatmaxt=max0，minImax，C?SOCmax-SOCt+SOCt-SOCmin?1-CΔt] （6）
[Ibatmaxt]取决于每一瞬间电池的状态；电池的充电状态由电池的充电电量，电流的迹象和电池的使用历史决定。[Imax]由产品额定容量的20%给出。
储存系统的功率输入由式（7）决定。很明显，混合系统产生的能量和储存的能量由时间决定。
[Ct=Pt-Lt] （7）
[Pt=Pwt+Pv（t）] （8）
电池充电状态下，即式（9）；此状态下目标函数如式（10）：
[Pwt+Pvt>Lt] （9）
[SOCt+1=SOCt?σ+Pwt+Pvt-LtVL?Δt?ηIbatt] （10）
考虑到电池的寿命，最大的充电速率上限是SOC/5；充电效率假定为0.75，放电效率假设是0；为避免过度放电，电池不能放电到20%或更少，[SOCmin]是所用电池额定容量的20%；故在充电状态下有一些限制条件决策变量的范围：
[Pwt+Pvt-Lt≤0.2SOC?VLΔt] （11）
[0.2SOC≤SOCt≤SOC] （12）
在放电状态下，模型相关公式如下：[Pwt+Pvt
[Ineededt=Lt-Pwt-PvtVL?ηIbatt] （14）
[Isupply=minImax=0.2SOCΔt，SOCt?σ-SOCminΔt] （15）
[LPSP=i=1nhoursIsupplyt
3 实例分析
通过参考文献[3，9]。参照济南地区的风光发电系统，年发电量大约为[10]2 200 W·h。对照对系统进行发电成本和经济性分析见表1。
目前，东营市居民用电价格为0.546元/（kW·h），如果考虑节能减排和政府补贴，风光发电的项目的成本还会下降，同时缓解东营地区环境污染。每发一万度电可以替代4 t标准煤[11]。该设备的环境效益分析见表2。该设备每年发电2 200 kW·h，按15年计算，则总发电量33 000 kW·h，即节约13.2 t标准煤。因此该系统避免了13.2 t标准煤的CO2，SO2，烟尘等有害物质的排放，同时节约了资金。
表1 系统的供电成本和经济性分析
[系统＼&年发电量
/（kW·h）＼&寿命期
/年＼&初始投资
/元＼&维修费用
/（元/年）＼&成本
/（元/（kW·h））＼&风电1 000 W
光电800 W＼&2 200＼&15＼&36 460＼&1 100＼&2.01＼&]
表2 系统的有害物质减排以及减排效益
[减排项目＼&排放系数＼&减排量
/t＼&单位减排效益
/（元/t）＼&减排效益总量
/元＼&CO2＼&0.726＼&9.58＼&208.5＼&1 997.43＼&SO2＼&0.022＼&0.3＼&1 260＼&378＼&NOx＼&0.01＼&0.132＼&2 000＼&264＼&烟尘＼&0.017＼&0.22＼&550＼&121＼&合计＼&2 760.43 ＼&]
4 结 语
通过风光综合发电模型的建立，实例分析了东营地区风光发电的经济性和减排效能。通过风光发电设施的建设，可有效地缓解环境污染，节约资金能源，保护东营市的生态环境。
参考文献
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