西北地區發展風光互補提灌模式的效益評價

張建生，張梅花，趙文舉

(1.甘肅農業大學工學院，蘭州 730070；2.蘭州理工大學能源與動力工程學院，蘭州 730050)

西北地區包括陜西、甘肅、寧夏、青海、新疆5省(區)，面積共計304.3 萬km2，占全國陸地面積的31.7%；人口約0.9 億人，為全國的7%[1]。該區域大部分處于干旱、半干旱地區，降水時空分布不均，植被稀疏，生態環境脆弱，最集中的表現是荒漠化日益嚴重，在一些局部地區呈加速發展的趨勢。荒漠化地區遠離電網，但當地又具有豐富的風能和太陽能，若充分利用當地豐富的風能、太陽能等自然資源用來發電，發揮現代科技的作用，對西北荒漠化地區進行生態治理、環境保護、以及建立新型的用能模式，將起到積極的推動作用。但是，作為一種全新的供電方式，它的經濟效益、節能和環境效益等尚不明確，為此，本文在分析我國西北地區風能資源和太陽能資源狀況基礎上，設計風光互補提灌模式，并從經濟效益、節能和環境效益及社會效益等角度對風光互補發電系統的推廣價值進行分析和評價，以期為西北地區大面積推廣應用風光互補提灌系統提供理論基礎。

1 西北地區風能和太陽能資源的分布

1.1 風能資源的分布

西北地區風能資源儲量及分布情況見表1。從表1來看，西北地區風力力量開發儲能的總量和技術開發儲能占全國的近30%，表明西北地區風能資源豐富，開發利用潛力巨大。中國氣象科學研究院將我國風能資源空間分布分為豐富區、較豐富區、可利用區及貧乏區4種類型區，西北地區的風能主要處于前3個區，見圖1[1]，有效風能密度的空間分布情況見圖2[1]。由圖2可知，西北地區有效風能密度大于100 W/m2的區域基本上呈西北向東南的條帶狀分布。其中，新疆和甘肅的有效風能密度最大，可用風能資源量和條件較好；寧夏青海次之，陜西相對較差。

表1 西北地區風能資源儲量及分布情況[2]Tab.1 Reserves and distribution of wind power resourcein the northwest region

圖1 西北地區風能資源空間分布Fig.1 Spatial distribution of wind energy resource in northwest China

圖2 西北地區有效風能密度的空間分布Fig.2 Spatial distribution of effective wind energy density in northwest China

1.2 太陽能資源分布

我國地處北半球，荒漠化地區多數地方年日照時數長達3 000 h以上，平均每天8 h，荒漠地區全年平均每平方米的太陽能輻射達10.62 萬kW，利用1 km2面積的太陽能全年所得熱能相當于燃燒3 823.2 萬t標準煤發出的熱量，比全國水利資源蘊藏能量大156倍[3]。西北地區的青海、新疆、甘肅、寧夏均為太陽能資源豐富地區，太陽能資源空間分布見圖3[4]。由圖3可知，西北地區年均太陽總輻射與年均日照時數的分布基本一致。其中，太陽總輻射的趨勢大致是在陜西東南部最低，由陜西東部向西部逐漸增加，在青海中部地區達到最高，再向新疆西部地區逐漸減少。

年均日照時數最高的地區位于青海北部，甘肅北部及新疆東部部分地區，基本處于青海、甘肅和新疆3省的交界處。西北地區日照時間最長地區可達3 500 h，年均日照時數相對較高的地區是新疆東南部、青海西南部及甘肅西南部等部分地區，其年均日照時數均在2 500 h以上。

圖3 西北地區太陽能資源空間分布Fig.3 Spatial distribution of solar energy resource in Northwest China

2 風光互補提灌模式的設計

太陽能、風能具有清潔環保、永不衰竭的特點，已成為目前發展速度最快的新能源，并被認為是最具有潛力、未來最有可能代替化石能源的新能源。開發太陽能、風能資源對增加能源供應，改善能源結構，保障能源安全，保護環境有重要作用，是建設資源節約型、環境友好型社會和實現可持續發展的重要戰略措施，具有重大而長遠的戰略意義。獨立的太陽能發電系統易受天氣的影響，夜間和陰雨天，該系統就不能正常發電；獨立的風力發電系統易受風速的影響，當風速很小或沒風的時候，該系統也不能正常工作。由于太陽能和風能在時間上和地域上具有很強的互補性，風光互補混合供電系統是可再生能源獨立供電系統的一種重要形式，與獨立風力發電或光伏發電比較能使電力輸出更平穩、可靠，同時還降低對蓄電池的儲能要求。因此被證明是一種比單一光伏或風力發電更經濟、可靠的選擇[5-8]。另外，近些年來，光伏和風力發電成本下降較快，同時傳統能源成本卻逐年上升，這就使得風光互補供電系統具有了較好的應用前景[9,10]。西北地區地處風能和太陽能資源豐富或較豐富區，使該地區新能源開發利用具備了得天獨后優勢。風光互補提水灌溉模式是一種經濟適用的綠色供水系統，主要是為解決荒漠化地區的提灌及人畜飲水等問題研究設計的，也可用在小型戶用雨水收集系統中從建設在低處的水窖中提水，把雨水送到安裝在高處的水箱，實現供水的自動化。風光互補提水系統由發電系統、抽水設備、供水管路、供水箱及灌溉設備等部件組成，見圖4。

3 風光互補發電系統的效益評價

3.1 經濟效益評價

以柴油發電、風光互補發電系統為例對其經濟效益進行評價。由于這2種系統的抽水設備和灌水設備的成本相同，為此，文中不做分析，只對它們的發電成本進行分析計算。表2中列出了柴油發電系統和風光互補發電系統的初始投資、運行費用數據和按照動態平直成本定義計算的供電成本[11]。雖風光互補發電系統的初始投資較大，但目前柴油價格較高，經計算，柴油發電的成本高達3.34 元/kWh，而風光互補發電系統的成本僅為1.64 元/kWh，是柴油發電機發電的成本的一半。按年供電2 000 kWh計算，采用風光互補系統發電年可節約3 400元，若系統運行12 a，可節約資金40 800 元。未來隨著光伏電池產業制造規模的擴大，技術效率的提高，生產成本的下降，其供電成本會不斷下降，該系統具有較好的發展前景。

圖4 風光互補提水灌溉系統示意圖Fig.4 Schematic of wind and light complementary water-pumping irrigation system

發電種類年發電量/kWh壽命/a初始投資/元維修費用加運行成本/(元·a-1)成本/(元·kW-1·h-1)柴油發電系統風光互補發電系統20002000121524003500064293003．341．64

注.①貼現率按3.3%計算；②柴油價格按8.47 元/kg，1 kWh消耗350 g柴油。

3.2 節能和環境效益評價

從節能和環保等方面對風光互補發電系統與常規能源煤、石油發電進行比較分析。新能源每發電1 kWh，相當于0.4 kg標準煤或0.58 L石油的發電量[12]。本風光蓄發電系統年發電量為2 000 kWh，相當于節約800 kg標準煤或1 160 L石油。以燃燒800 kg標準煤來發電為例，分析其減排效益，結果見表3。

表3 風光互補發電系統的環境效益Tab.3 Environmental benefits of wind solar hybridpower generation system

從表3來看，雖然本風光互補發電系統在1 a內所創造的環境效益較小，但該項目的建設，將在節省燃煤、減少CO2、SO2、NOx、煙塵、灰渣等污染物排放效果上，都起到積極的示范作用。如在荒漠化地區或邊遠山區大規模推廣該新能源發電系統，則所創造的節能效益和環境效益將相當可觀。而且，這對全球氣候的改善、空氣質量的提高和節能減排，都具有積極作用。由于風能和太陽能發電都是利用可再生能源發電，可作為傳統火力發電的替代能源，在技術上和開發使用上都具備了廣泛推廣的條件，對于能源的節約起著重要的作用。風電和光電相對于火電站和核電站而言，幾乎不產生環境污染，有利于減少自然環境的污染，還可避免灰渣的產生。因此，對實現清潔生產，保護生態環境具有巨大的節能和環境效益。

3.3 社會效益評價

風光互補發電系統不僅能促進當地原材料等相關產業的快速發展，還能依靠特有的風光發電機組將其發展成為新的旅游景點，對豐富和改善經濟結構，拉動第三產業的發展有著重要作用，進一步促進偏遠地區經濟的發展以及居民生活水平。同時，在荒漠化地區大力發展風光發電產業，將促進區域土地增值，帶動周邊地區建筑業、商業等行業的發展，增加就業機會，提高人們生活水平，為改善荒漠化地區生態環境，實現新能源的可持續發展奠定基礎。此外，風光互補提灌系統的社會效益還包括減少用水、用電糾紛，改善鄰里之間的關系，穩定社會秩序，促進人與自然和諧的生態文明等方面。

4 結 語

西北地區荒漠化土地面積較廣，且遠離電網，但當地又具有豐富的風能和太陽能，太陽能與風能在時間上和地域上都有很強的互補性，它們在時間上的互補性使風光互補發電系統在資源上具有良好的匹配性，風光互補發電系統的應用是解決西北荒漠化地區提灌所需電力的一個新的選擇。通過實例分析了風光互補發電系統的經濟效益、節能和環境效益及社會效益，表明該系統在此地區推廣有其經濟和社會可行性。因此，充分利用當地豐富的風能、太陽能等可再生能源，是改善我國的能源結構，對西北荒漠化地區進行生態治理及恢復，實施可持續發展戰略的重要措施，同時對該地區保護生態環境、防止荒漠化和節能等具有重要的經濟意義和深遠的社會意義。

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