山西各地區(qū)風光資源互補性研究

劉振宇，馮 華，楊仁剛

(1.山西農業(yè)大學工學院，山西 太谷030801;2.中國農業(yè)大學信息與電氣工程學院，北京100083)

風能和太陽能是可再生能源，具有能量密度低、穩(wěn)定性差的弱點，并且受地理分布、季節(jié)變化和晝夜變化等因素的影響。獨立的風能或者太陽能發(fā)電系統(tǒng)不能提供穩(wěn)定可靠的電能，但是風能和太陽能在時間分布上有很強的互補性，可以減弱或消除各自穩(wěn)定性差的弱點。夏季太陽光強度大風小，冬季太陽光強度弱而風大;白天太陽光最強時風很小，晚上光照很弱但風力加強。因此風光互補系統(tǒng)本身所特有的性質使該系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性，是一種較好的發(fā)電系統(tǒng)[1-3]。目前我國農村人口眾多，在偏遠農村若靠電網供電很不現(xiàn)實，若采用風光互補供電系統(tǒng)這樣低成本、可靠性高的供電系統(tǒng)可以基本滿足他們的生活及照明用電，可有效解決用電問題。風光互補系統(tǒng)雖然有諸多優(yōu)勢，但受氣象影響比較大，因此研究風光資源在時間分布上的互補性和互補系統(tǒng)的優(yōu)化匹配設計具有重要的工程應用價值。

1 風能和太陽輻射量計算

1.1 風能資源計算

空氣密度的大小亦關系到風能的多少，根據指定地點的溫度和壓強可對ρ進行校正[4]。

衡量一個地區(qū)風能資源的大小，可用風能密度(風電場功率密度)來評價。風能密度是氣流在單位時間內垂直通過單位截面積的風能[4]。計算公式為:

式中風能密度p單位為W/m2，ρ為空氣密度(kg/m3)，V為風速(m/s)。

1.2 傾斜面上太陽輻射量計算

1.2.1 水平面太陽輻射量計算

到達地面的太陽總輻射強度Q是太陽直接輻射強度S和天空輻射強度D的總和[6]。

1.2.2 最佳傾角及傾斜面上太陽輻射量計算

朝向赤道傾斜面上的太陽輻射量，通常采用Klein[5]計算方法，傾斜面上所接受到的太陽輻射總量HT由直接輻射量Hbt(Hbt=Hb·Rb)、天空散射輻射量Hdt及地面反射輻射量Hτt組成，即:

對于確定的地點，其太陽輻射量及地面反射率等均為常數，且HT為β的函數，可將HT對β求導，并令，可得傾斜面上獲得最大輻射量的最佳傾角:

則最佳傾角下傾斜面上太陽輻射總量的表達式為:

式中:HT為水平面上的總輻射量[6-8]。

2 山西各地區(qū)風能和太陽能資源互補性分析

2.1 山西風能、太陽能資源及分布

2.1.1 山西風能資源及分布

山西地處華北黃土高原，平均海拔較高。因季風環(huán)流和地理因素影響，山西氣候具有四季分明、南北氣候差異顯著、冬夏氣溫差別懸殊、晝夜溫差大等特征。由于山地地形對風起著阻擋和地形的狹管效應，各地風向風速差異較大，形成各地特色的地方性風。

綜合以往數據，山西風能資源總儲量為5 300×104kW，風能資源技術可開發(fā)量為460×104kW.山西風能資源較好區(qū)域主要分布在五臺山地區(qū)、管涔山、呂梁山脈西側和中條山附近[9-10]。為了實現(xiàn)對山西大部分地區(qū)風光互補性進行分析，對各地區(qū)風能資源進行了實際數據調查分析。從山西省抽取的11個市(縣)一年內每均風速的實際數據可以看出，山西省各地月平均風速基本在1.0 m/s～5.0 m/s之間，其中大部分地區(qū)各月平均風速在1.5 m/s～3 m/s之間。

2.1.2 山西太陽能資源及分布

山西省南北長550 km，東西寬約290 km.全年日照約3 000 h，僅次于青藏高原和西北地區(qū)，是太陽能資源較豐富的地區(qū)之一。由于省內地形復雜，年總輻射量的等值線不規(guī)則，其分布特點是由南向北逐漸增加。高值區(qū)主要集中在北部，低值區(qū)出現(xiàn)在恒山、五臺山、太岳山、中條山和太行山等山區(qū)。

根據我國太陽能資源分布情況可知，山西省北部全年日照時數3 000 h～3 200 h，太陽輻射總量5 900 MJ/m2·a ～6 700 MJ/m2·a;山西南部全年日照時數2 800 h～3 000 h，太陽輻射總量5 000 MJ/m2·a ～ 5 900 MJ/m2·a，分別屬于Ⅱ和Ⅲ區(qū)[11-12]。由此說明，山西地區(qū)開發(fā)利用太陽能有相當豐富的資源優(yōu)勢。

2.2 山西風能、太陽能資源互補性分析

圖1 山西各地區(qū)太陽能和風能資源互補性分析流程圖Fig.1 The program flow chart of complementary analysis on solar and wind energy resources of Shanxi province

通過MATLAB軟件為建模平臺，以山西省11個市(縣)某年各月平均風速的實際數據為依據，分別對這11個地區(qū)風能資源各月的儲能情況進行的分析計算;結合氣象學模型和求導方法對這些地區(qū)各月水平面太陽輻射總量及月最佳傾角進行了理論計算，并得到各月在最佳傾角下傾斜面上的太陽輻射總量。最后將這些地區(qū)一年月最佳傾角下傾斜面上的太陽輻射總量與風力機高度的風能儲能做互補性分析，其具體流程如圖1所示。

分別對山西省11個市(縣)某年各月最大太陽輻射總量與風力機高度的風能儲能進行計算并做互補圖，各地區(qū)太陽能風能資源和互補圖2所示。

從圖2可以看出，山西各地區(qū)各月傾斜面上太陽能儲量在100 kWh～400 kWh，較各月風能儲量多。對11個地區(qū)的太陽能儲量情況進行比較，單位面積上月太陽能總儲量隨緯度增加而有所增加，且全年日照小時數平均在3 000 h以上。可見山西各地區(qū)風能資源開發(fā)的潛力很大。

由山西11個市(縣)風能儲量曲線可以看出，山西風速季節(jié)變化較明顯，清徐、臨汾、懷仁、大同、運城、臨縣和長治都屬于風力春季強，冬季較強，夏季弱的類型;陽泉、原平、晉城和祁縣屬于冬季風力強，春季次之，夏季最弱的類型[13]。總的來看，一般春季風速較大，其次為冬季。全年最大月平均風速基本出現(xiàn)在春季的四月份，最小月平均風速出現(xiàn)相對分散，大部分地區(qū)出現(xiàn)在夏季的8、9月份。這與太陽能資源的年變化大體上正好相反，可以實現(xiàn)能源上的互補。理論分析可知，風能的大小與風速之間為3次方關系，風速對風力發(fā)電影響很大。由各地區(qū)風速的實測值和風能儲量可知，大多數地區(qū)風速較低，但可實現(xiàn)微風發(fā)電，有一定的開發(fā)利用價值。

綜上分析，山西多數地區(qū)風能與太陽能可實現(xiàn)能源上的互補。又由于部分本地區(qū)個別月份風光能量均較低，在考慮經濟效益的情況下，可以考慮引入第三種能源(例如沼氣)進行補充，實現(xiàn)三種能源互補。

3 風光互補發(fā)電實例分析

以山西太原清徐為例，進行風光資源優(yōu)化匹配分析。由清徐風光資源互補性圖可知:該地區(qū)風力資源在3～5月份豐富，其他各月風力資源較少;而太陽能資源總體上較平穩(wěn)，各月資源儲量均不低。選取1 kW風力發(fā)電機，價格以1.5萬元計;1 kW太陽能電池，價格以4.5萬元計算;建立1 m3沼氣池價格以0.8萬元計，1 kW沼氣發(fā)電機價格按0.3萬元計。結合一定的負荷情況，并取蓄電池在陰雨和無風時可維持天數為兩天，對該地區(qū)風光資源互補性進行分析。若負荷按1.5 kW計算，每天工作6 h，則蓄電池所需容量為18 kWh.

風/光互補發(fā)電方面存在著多種算法，主要有遺傳算法、改進微分進化算法、帶有修復算子的遺傳算法、小生境遺傳算法、線性規(guī)劃法、自動尋優(yōu)法等[14-15]。綜合考慮采用自動尋優(yōu)法，其分析流程圖如圖3所示。通過軟件編程計算可知:若全部用風力發(fā)電，風力及沼氣發(fā)電投資需62.678 3(萬元);若全部用太陽能發(fā)電，太陽能及沼氣發(fā)電投資需12.614 9(萬元)。

圖2 山西省各市(縣)太陽能風能資源互補圖Fig.2 Complementary graph on solar and wind energy resources of each city in Shanxi province

表1 全年采用風光互補發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量與盈余Tab.1 The generated power and profits of wind-solar power supply system per year

圖3 風/光發(fā)電量分析流程圖Fig.3 The program flow chart of wind/solar generator power

尋優(yōu)得到清徐地區(qū)風光比例為1.203 9∶1，即風力發(fā)電占54.63%，太陽能發(fā)電占45.37%時性價比最高。結果如表1所示，其中補償前盈余為采用風、光互補發(fā)電時對負荷的盈余，補償后盈余為在風、光互補發(fā)電基礎上加入沼氣發(fā)電進行補償后對負荷的盈余，另外系統(tǒng)的虧電量均在蓄電池的微調范圍內，故不需要沼氣補償。此時，太陽能發(fā)電需投資:17.171 7(萬元)，風力發(fā)電需投資:18.610 1(萬元)，沼氣發(fā)電需投資:0，總投資:35.781 8(萬元)。

4 結論

通過對山西省11市(縣)風能與太陽能資源儲量互補性分析，山西省大多數地區(qū)在資源儲量上，風能和太陽能可以實現(xiàn)時間分布上的互補。但大多數地區(qū)風速較低，且個別月份風光不能實現(xiàn)能量互補，可考慮引入第三種能源，提高供電可靠性。在充分研究各地區(qū)風能和太陽能資源在時間分布上的互補性后，根據資源狀況來確定風機與光電板的容量，再經過優(yōu)化配置，最終即可確定各地區(qū)風光互補的比例及容量，使風光互補供電系統(tǒng)廣泛應用于農村及偏遠地區(qū)。

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