黃家灣當?shù)仫L能光能資源能量轉(zhuǎn)換研究

謝晨希，易吉林，王 宇

(1.貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002；2.貴州省水利投資(集團)有限責任公司，貴州 貴陽 550002)

1 工程概論

黃家灣水利樞紐工程位于貴州安順市南部紫云縣境內(nèi)，擬建壩址在紅水河的一級支流格凸河中游河段，壩址位置位于紫云縣板當鎮(zhèn)黃家灣河道上。黃家灣水利樞紐是綜合利用的水利工程，主要任務是以城鄉(xiāng)生活和工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，并結合發(fā)電。

2 黃家灣供水灌溉區(qū)自然條件

黃家灣水庫位于紫云縣境內(nèi)，屬濕潤地區(qū)的北亞熱帶季風氣候，具有山岳型氣候特點。冬春干燥，夏季濕潤，四季分明，冬暖夏涼。根據(jù)紫云縣氣象站多年資料統(tǒng)計，多年平均氣溫15.3℃，極端最高氣溫33.8℃(1988年5月6日)，極端最低氣溫-7.3℃(1977年2月9日)。年平均相對濕度79%，全年無霜期294.9 d；多年平均最大風速12.8 m/s，30 a一遇最大風速20.6 m/s，大風日數(shù)8 d，以NE風為主。根據(jù)紫云縣氣象站1961年～2018年資料統(tǒng)計：紫云縣年平均日照時數(shù)為1308.5 h。

1)日照

紫云縣氣象站近5 a各季、月平均日照時數(shù)見表1～表2。由表1～表2可知：從季節(jié)上看紫云縣氣象站近5 a內(nèi)，春季和夏季日照時長最多，分別占全年的28.6%、32.4%，冬季最少，占比15.4%；紫云縣氣象站夏季日平均日照時數(shù)為4.25 h，分別為春季、秋季和冬季日平均日照時數(shù)的1.13倍、1.35倍和2.05倍。從月來看，4月～9月日照時數(shù)較多，占全年的62.9%，其中7月最多，為151.98 h，占全年的12.58%，12月最少，為53.06 h，占全年的4.39%。

表1 紫云站近5 a各季平均日照時數(shù)統(tǒng)計表

表2 紫云站近5 a各月平均日照時數(shù)統(tǒng)計表

紫云縣近5 a來年平均日照時數(shù)為1208.4 h，日平均日照時數(shù)為3.31 h，其保證率約為40%。

近5 a日平均日照時數(shù)統(tǒng)計情況見圖1～圖2、表3。

圖1 紫云站近5 a日照時數(shù)歷時曲線

圖2 紫云站近5 a日照時數(shù)保證率曲線

由圖1～圖2、表3可知：平均每年有204.8 d的日照時數(shù)大于等于1 h，其保證率為56.1%。根據(jù)統(tǒng)計，紫云縣氣象站近5 a平均每日日照時數(shù)為3.31 h，其保證率約為40%。

表3 紫云站近5 a每日平均日照時數(shù)統(tǒng)計表

2)風速

紫云縣近5 a來平均風速為1.91 m/s，其中，最大風速為12.4 m/s，最小風速為0 m/s，近5 a各季、各月平均風速統(tǒng)計情況見表4～表5。

表4 紫云站近5 a各季平均風速統(tǒng)計表

表5 紫云站近5 a各月平均風速統(tǒng)計表

由表4～表5可知：從季節(jié)上看，紫云縣氣象站近5 a內(nèi)，冬、春季風速相對較大，分別為2.16 m/s和2.06 m/s，夏、秋季風速相對較小，分別為1.63 m/s和1.80 m/s；以風速最小的夏季為基準，春、秋、冬季的日平均風速分別為基準的1.33倍、1.10倍、1.26倍。從月份來看，1月～5月風速較大，其中2月最大，為2.23 m/s，7月最小，為1.49 m/s。

由圖3～圖4、表6可知：紫云縣氣象站風速大于等于1 m/s保證率為72.5%。根據(jù)統(tǒng)計，紫云縣氣象站近5 a來平均有效風力時數(shù)為10.75 h(風速大于等于2 m/s)，根據(jù)表6得其保證率為44.8%。

圖3 紫云站近5 a風速歷時曲線

圖4 紫云站近5 a風速保證率曲線

表6 紫云站近5 a逐小時平均風速統(tǒng)計表

3 風光資源能量轉(zhuǎn)換

(1)光能

1)太陽總輻射

前文中已分析得到紫云縣氣象站的日照及風速等自然條件，為進一步量化風能、光能，本次根據(jù)紫云縣氣象站2014年～2018年的太陽輻射觀測資料，并結合前文已分析的成果，對此區(qū)域內(nèi)可產(chǎn)生的光能進行計算。

根據(jù)紫云縣氣象站2014年～2018年太陽輻射資料，統(tǒng)計得到2014年～2018年年均、月均和日均太陽總輻射，見表7。

2)太陽輻照度

太陽輻照的單位為MJ/m2，標準日照小時數(shù)的單位是 h，標準日照小時數(shù)是根據(jù)太陽能組件在標準條件下(大氣質(zhì)量AM1.5，溫度25°，輻照強度1000 W/m2)的工作小時數(shù)，輻照強度是不斷變化的，所以要進行折算。折算公式如下：1 W=1 J/s；1 h=3600 s；1 kW·h=3.6 MJ；1 kW·h/m2=3.6 MJ/m2。

從紫云氣象站可直接獲取歷年的輻照數(shù)據(jù)見表7。

3)發(fā)電量

發(fā)電量計算公式為：

Ep=HA×A×ηi×K

式中：HA為太陽能總輻照量，kW·h/m2；A為光伏電池組件面積，m2；ηi指光伏電池組件的轉(zhuǎn)換效率，%；K為發(fā)電損耗率系數(shù)，一般取0.7～0.8。

單塊太陽能電池板尺寸為2 m×1.6 m的單晶硅板，組件轉(zhuǎn)換效率為18%～20%。計算結果見表7。

表7 紫云站近5 a太陽輻照統(tǒng)計及折算總輻照量表

通過計算可得出，單塊光伏板全年平均發(fā)電量591 kW·h，平均每天發(fā)電量1.62 kW·h，而閘門和閥門系統(tǒng)配置的光伏板最少為2塊，多的可達4塊，足夠滿足設備的每日用電量需求。而且在11月～3月期間光照差，通過風力發(fā)電，正好實現(xiàn)互補特性，完全滿足使用要求。

(2)風能

1)風能密度

紫云縣氣象站已有風速觀測資料，可根據(jù)此資料計算得到風能密度。根據(jù)《全國風能資源評價技術規(guī)定》，風能密度按照下式進行計算：

式中：Vt為各等級對應的風速值；Nt為各等級風速出現(xiàn)的累計小時數(shù)(N1、N2、N3…Nn)；N為總時數(shù)，日為24 h，月為672 h～744 h，全年為8760 h；ρi為測站各月平均空氣密度值，取決于當?shù)卦缕骄鶜鉁亍⒃缕骄鶜鈮骸⒃缕骄麎骸?/p>

式中：ρi為測站各月平均大氣壓；ei為測站各月平均水汽壓；ti為測站各月平均氣溫。

各月平均大氣壓、水汽壓、氣溫見表8。

表8 紫云站近5 a風能密度統(tǒng)計表

2)風力發(fā)電功率

風力發(fā)電功率計算公式為：

P=E·A·Cp

式中：E為風能密度，W；A為風輪面積，A=πR2(葉輪R的取值0.675 m)，π=3.14；Cp為風輪效率，按最大理論值取0.593。

根據(jù)上式計算出來的數(shù)據(jù)見表8。

3)風力發(fā)電量

風力發(fā)電量計算公式為：

EP=P×10-3×H

式中：H為小時數(shù)，一年為8760 h。

由上式計算紫云氣象站年均風力發(fā)電量：

EP=5.334×24×365×10-3=46.726 kW·h

由上可知，葉輪直徑為1.3 m的200 W的風機一年平均的總發(fā)電量46.726 kW·h。

4 結語

通過黃家灣當?shù)仫L光氣象數(shù)據(jù)分析，并初步計算風能光能的理論發(fā)電量，可得到黃家灣灌區(qū)各點位可發(fā)電量。通過理論計算可得出，光能的轉(zhuǎn)換中單塊光伏板全年平均發(fā)電量591 kW·h。風能的轉(zhuǎn)換中葉輪直徑為1.3 m的200 W的風機一年平均的總發(fā)電量46.726 kW·h。而且可以實現(xiàn)互補特性，滿足用電設備的使用要求。針對輸水工程上的閘(閥)門等設備用電負荷較小(通常為0.25 kW～7.5 kW)，使用頻次較低(最高使用頻率為2周一次)，單次運行時間較短、耗電量小等特點，風光互補直流供電系統(tǒng)能夠為輸水工程提供低成本、高可靠性且不會破壞生態(tài)環(huán)境的電力能源，能夠滿足輸水工程的需求，解決遠離電網(wǎng)覆蓋地區(qū)供電難的問題。