西北地區3種新能源發電技術效能評估

(中國人民解放軍陸軍工程大學,重慶 400000)

我國西北地區為世界現代干旱區之一,具有典型的溫帶大陸性氣候特征。西北地區風力強勁,加之地表大部分為疏松的沙物質,容易出現風沙彌漫的天氣。

西北地區較為惡劣的地理環境和氣候特征導致了該地區的用電問題較多。雖然該地區用電量不多,但是仍然不能達到不間斷供電。

根據西北地區的地理特點以及國家電網輸電線路的局限性,可以選擇適合該地區的新能源供電方式,如太陽能光伏發電、太陽能熱發電、地熱發電、風力發電等,從而彌補供電不足和電力系統故障率高的缺點。

1 西北地區新能源資源概述

1.1 太陽能光照資源

西北地區云量少,空氣干燥,日照百分率一般在70%以上,年日照時數為2 800～3 400 h,其中內蒙古西部、新疆東部、柴達木盆地和河西走廊地區年日照時數多達3 400 h,為全國最高[1]。

由于光照資源充足,因此太陽能發電成為了該地區供電的主要方式。太陽能發電具有設備結構簡單、安裝方便、清潔無污染等優點,但由于太陽能較為分散,因此這種發電方式又有著一定的局限性。

1.2 風力資源

西北地區很多地方以荒漠性土地為主,導致該地區常年有風,一般以春季與初夏風速最大。風速在地域分布上呈北大南小的特點。

西北地區風力強勁,而且地表大部分為疏松的沙物質,因此導致風沙彌漫,能見度極低。沙塵暴對人民的生產生活影響極大,同時也造成電力設備的嚴重磨損,線路的導電能力減弱甚至線路損壞。

1.3 地熱資源

我國西北地區的地熱資源早已得到開發和利用,尤其是西藏北部的高溫地熱田和青海、新疆地熱帶,所以利用好地熱這種新能源可以大大緩解西北地區的電力緊缺狀況。

西北地區特殊的自然環境對地熱發電存在一定的影響。風沙的侵蝕和溫差的變化以及技術水平的局限,使得地熱發電的作用需要進一步加強。

2 效能評估

結合西北地區的地理情況,通過數學方法,將適合于西北地區使用的3種新能源發電技術進行定量分析與評估,最終得出全面可靠的結論。本文運用層次分析法,將定性指標與定量指標相結合,對3種發電技術進行綜合比較。

層次分析法的核心是將復雜問題分解為多個構成因素,將這些構成因素按照支配關系進行分組,從而形成層次間自上而下的逐層支配關系結構,再綜合人的判斷來決定決策諸因素相對重要性的順序。

2.1 建立層次結構模型

根據西北地區使用設備的環境和3種發電技術的特點,將影響設備使用的相關因素按層次進行排列,最終將結構模型分為3層,包括目標層、指標層和評估對象層。將綜合效能作為目標層,將影響因素作為指標層,把要比較的系統作為評估對象層,如圖1所示。

2.2 構造判斷矩陣

在建立層次結構模型的基礎上,逐層對各個因素進行兩兩比較,采用1～9尺度,具體如表1所示。

圖1 層次結構模型Fig.1 Hierarchy model

表1 指標權重標度

注:2、4、6、8為上述相鄰判斷的中值。

根據表1和圖1以及3種供電方式的性能差異,建立各影響因素對效能的相對重要程度比較關系,具體如表2所示。為便于分析,對指標層的各個因素用符號表示,依次為環境限制B1、故障率B2、安裝工序B3、維修方便B4、操作簡單B5、設備成本B6、供電能力B7。

表2 指標層與目標層判斷矩陣Tab.2 Judgment matrix of indicator layer and target layer

根據表2,建立中間層對目標層的判斷矩陣,具體如下所示:

2.3 層次的單排序及一致性檢驗

采用和積法計算判斷矩陣(指標層相對于總目標的判斷矩陣)的最大特征根及單排序權值。

將矩陣各列進行歸一化處理,計算結果如表3所示。

表3 歸一化處理后的數值Tab.3 Numerical value after normalization processing

根據表3得到各行求和后的算術平均值,即單排序權值,具體如表4所示。

表4 單排序權值Tab.4 Single-order weight

由表4可得到單排序優先權重向量

W=(0.328 3,0.057 6,0.030 0,0.158 0,

0.117 7,0.042 0,0.257 7)T

記指標層與目標層判斷矩陣為R,計算R的最大特征根λmax。計算過程如下所示:

式中:(RW)i為RW的第i個元素;wi為W的第i個元素。判斷矩陣A的一致性檢驗如下所示:

RI=1.32

式中:RI為修正因子。RI是平均隨機一致性指標,不同的維度有不同的數,通過查表可得[2]。由CI和RI可得

可見判斷矩陣A具有滿意的一致性。

對影響因素層(指標層)和方案層(評估對象層)建立評估對象對各影響因素的相對重要程度比較關系。

將評估對象層中風力發電、地熱發電和太陽能光伏發電分別定義為C1、C2、C3。

采用同樣的方法分別建立判斷矩陣(見表5～11),并得到各自單排序權值及一致性檢驗結果。

表5 B1-C判斷矩陣Tab.5 B1-C judgment matrix

表6 B2-C判斷矩陣Tab.6 B2-C judgment matrix

表7 B3-C判斷矩陣Tab.7 B3-C judgment matrix

表8 B4-C判斷矩陣Tab.8 B4-C judgment matrix

表9 B5-C判斷矩陣Tab.9 B5-C judgment matrix

表10 B6-C判斷矩陣Tab.10 B6-C judgment matrix

表11 B7-C判斷矩陣Tab.11 B7-C judgment matrix

由表5～11得到的單排序優先權重向量與一致性檢驗結果如下所示:

Y1=(0.234 4,0.077 8,0.687 7)T,λmax=3.076 7,

CR=0.066 1<0.1

Y2=(0.103 8,0.231 1,0.665 1)T,λmax=3.087 0,

CR=0.075 0<0.1

Y3=(0.687 7,0.077 8,0.234 4)T,λmax=3.077 5,

CR=0.066 8<0.1

Y4=(0.193 2,0.083 3,0.723 5)T,λmax=3.065 8,

CR=0.056 7<0.1

Y5=(0.633 3,0.106 2,0.260 5)T,λmax=3.038 7,

CR=0.033 4<0.1

Y6=(0.186 3,0.076 8,0.737 0)T,λmax=3.044 5,

CR=0.038 4<0.1

Y7=(0.186 3,0.076 8,0.737 0)T,λmax=3.044 5,

CR=0.038 4<0.1

由計算結果發現,評估對象層相對于影響因素層的CR(一致性比例)均小于0.1,所以均具有滿意的一致性。

2.4 層次總排序

評估對象層3個可行方案對指標層各影響因素的優先權重向量Yj(j=1,2,3,4,5,6,7)所構成的矩陣為

3個可行方案對總目標的組合優先權重向量

R總=YW=(1.849 6,0.628 8,4.457 7)T

從以上結果可以得出,這3種方案由優到劣的順序依次為C3、C1、C2,即太陽能光伏發電技術效能最佳,其次為風力發電技術,最后為地熱發電技術。

根據研究結果可以將太陽能光伏發電和風力發電2種發電技術結合起來投入使用,這樣效果更好,可靠性更高。

3 結語

通過本文研究可以認識到太陽能光伏發電技術和風力發電技術仍然是比較可靠和實用的新能源發電技術,尤其是將兩者結合起來使用可以最大程度地經受住西北地區惡劣環境的考驗,提高供電有效性,大大增強供電保障能力。雖然前期投入成本較大,需要的工作量也比較多,并且在工作的過程中設備故障會時有發生,但是從長遠來看,這樣的發電方式對環境沒有污染。西北地區用電量不是特別大,如果這樣的新能源供電方式有著比較完善的配套管理維護機制,就會長期而有效地解決該地區供電保障問題。

參考文獻:

[1] 俞樹毅.西北地區區域環境資源法制研究調查[M].蘭州:蘭州大學出版社,2007.

YU Shuyi.Investigation of regional environmental resources law in Northwest China[M].Lanzhou:Lanzhou University Press,2007.

[2] 張杰.效能評估方法研究[M].北京:國防工業出版社,2009.

ZHANG Jie.Research on effectiveness evaluation method[M].Beijing:National Defense Industry Press,2009.