城市風光互補充電/照明微網(wǎng)系統(tǒng)可行性分析

任 巖，孫 袁，戴敏章

(1.華北水利水電大學電力學院，河南鄭州450046；2.可再生能源電力技術(shù)湖南省重點實驗室(長沙理工大學)，湖南長沙410114)

城市風光互補充電/照明微網(wǎng)系統(tǒng)可行性分析

任 巖1,2，孫 袁1，戴敏章1

(1.華北水利水電大學電力學院，河南鄭州450046；2.可再生能源電力技術(shù)湖南省重點實驗室(長沙理工大學)，湖南長沙410114)

為了更加有效地利用城市的風能和太陽能資源，提出了一種風光互補照明/充電微網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計方案。以城市中常見的路燈基樁為載體，安裝風光互補發(fā)電設(shè)備，在幾乎不增加占地面積的情況下，組建小型風光互補電站，同時設(shè)置充電裝置，借助于電動自行車這種移動的“儲能”設(shè)備，實現(xiàn)電能的即發(fā)即用，來降低系統(tǒng)的儲能成本。并且建立系統(tǒng)的成本/收益模型，結(jié)合實例對其進行了可行性分析。結(jié)果表明，該系統(tǒng)運營成本較低，且有良好的環(huán)保和經(jīng)濟效益，是一種利用城市風能和光伏資源的有效途徑，有較好的應(yīng)用和推廣價值。

風光互補發(fā)電；微電網(wǎng)；儲能；照明/充電；可行性分析

0 引言

能源與人類的生活息息相關(guān)，作為蘊含量最大的2種可再生能源，風能和太陽能的開發(fā)利用，越來越受到人們的重視[1]。風光互補發(fā)電系統(tǒng)正是在這個背景下發(fā)展起來的，它利用了風能和太陽能所具有的天然互補性[2-3]，通過風電機組和光伏組件把這些自然資源轉(zhuǎn)化為電能，具有很好的發(fā)展前景。然而，由于成本和空間的限制，其在城市并沒有得到廣泛的推廣。同時，截至2014年底，我國電動自行車數(shù)量已達2億輛以上[4]，有巨大的用電需求，而現(xiàn)階段我國配套的“充電站”卻明顯不足[5]，大部分用戶都遇到過電動自行車中途“拋錨”的情況。

鑒于此，本文提出一種風光互補充電/照明微網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計方案，以城市中常見的路燈基樁為載體，安裝風光互補發(fā)電設(shè)備，組建小型風光互補電站，借助于電動自行車這種移動的“儲能”設(shè)備，最大限度實現(xiàn)電能的即發(fā)即用，從而有效地降低系統(tǒng)的儲能成本。同時，建立了系統(tǒng)的成本/收益模型，結(jié)合實例對其進行了可行性分析。

1 方案設(shè)計

據(jù)有關(guān)資料顯示，截至2015年9月底，我國的光伏規(guī)模已達37.95 GW，累計發(fā)電量306億kW·h；風電機組累積的裝機容量也已達到23.2 GW，位居世界第一[1]5。然而，由于空間和成本的限制，風光互補發(fā)電系統(tǒng)在城市并沒有得到廣泛的推廣。為此，本文根據(jù)城市的特點提出了一種與之相適應(yīng)的應(yīng)用方案：以城市中常見的路燈基樁為載體，對其進行適當?shù)募庸蹋惭b風光互補發(fā)電設(shè)備，以城市中數(shù)量龐大的電動自行車為主要用電負荷，最大限度地實現(xiàn)電能的即發(fā)即用，降低系統(tǒng)的儲能成本，組建城市風光互補照明/充電微網(wǎng)系統(tǒng)，其流程如圖1。

圖1 系統(tǒng)流程簡圖

從圖1中可以看出，本系統(tǒng)包括光伏組件、風電機組、控制器、蓄電池、充電樁及路燈，外面與電網(wǎng)相連。參照現(xiàn)有的小型風光互補系統(tǒng)電量優(yōu)先自用，多余電量上網(wǎng)的供電模式，光伏組件和風電機組產(chǎn)生的電能，經(jīng)過控制器1的整流，優(yōu)先對蓄電池進行充電，以保證充電系統(tǒng)的正常運行以及用電高峰時段(18:00～22:00)路燈的照明；當監(jiān)測到蓄電池充滿電時，控制柜1控制的并網(wǎng)開關(guān)打開，系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電經(jīng)過控制器2中并網(wǎng)逆變器主電路的調(diào)制、濾波、升壓達到并網(wǎng)要求后，向電網(wǎng)供電，以減輕城市的供電壓力；在用電低谷時，且檢測到蓄電池還有容余時，電網(wǎng)經(jīng)過控制器2整流后給蓄電池充電，從而減少電能的浪費，形成一個比較完整的發(fā)電/儲能/照明/充電微網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)資源的充分利用，且有較高的可靠性。

2 系統(tǒng)技術(shù)分析

本系統(tǒng)根據(jù)城市的特點，以常見的路燈基樁充當載體，在幾乎不增加占地面積的情況下，使分布式風光互補發(fā)電系統(tǒng)在城市中安了家，同時以電動自行車為主要負載，形成小型的微電網(wǎng)系統(tǒng)。開展此系統(tǒng)有很多優(yōu)點：

(1)有較豐富的資源。我國大部分地區(qū)都屬于風能可利用區(qū)，年均日照時間超過2 000 h的地區(qū)占全國總面積的2/3以上[6～8]。且絕大多數(shù)地區(qū)都屬于溫帶季風氣候區(qū)，風能和太陽能資源具有天然的互補性[9]，風光互補發(fā)電系統(tǒng)能夠互補2種資源的季節(jié)差，獲得比較穩(wěn)定的電能輸出，減少儲能設(shè)備的容量。

(2)有充足的空間和載體。以中部城市鄭州為例，鄭州市區(qū)現(xiàn)有道路737條，合計長度為1 232.3 km，路燈基3.6萬樁[10]。空間和載體充足，為機組的安裝提供了良好的條件。

(3)用電需求較大。以鄭州市為例，截止2014年5月，鄭州市電動自行車數(shù)量已突破200萬輛[11]，充電需求巨大，通過為過往的電動車輛充電，可以最大限度地實現(xiàn)電能的即發(fā)即用，減少儲能設(shè)備的容量，在方便人們出行的同時，能夠獲得不錯的收益。

(4)可以有效緩解城市的用電壓力，提高照明系統(tǒng)的可靠性。同時，電動自行車充電高峰與居民電高峰并不重合。

3 經(jīng)濟分析

項目投資的好壞，主要取決于項目的成本和收益2個部分，本文從投資和收益2個方向建立經(jīng)濟模型，對系統(tǒng)可行性進行分析。

3.1 投資成本分析

本系統(tǒng)主要包括光伏發(fā)電部分、風電機組部分和充電3個部分。參照分布式風光互補發(fā)電系統(tǒng)，本系統(tǒng)的投資成本Ctotal可表示為：

(1)

式中：CPV為光伏系統(tǒng)設(shè)備和安裝的費用；Cwind為風電機組部分設(shè)備和安裝的費用；Cload為充電裝置的費用。

光伏系統(tǒng)的初期投資費用可表示為[12]：

Ig=WCw

(2)

式中：Ig為光伏系統(tǒng)前期投入費用；W為裝機容量；Cw為單位容量的成本，約為8元/W[13]。由文獻[14]可知，光伏系統(tǒng)的年運行維護費用一般占初始投資成本的1%～5%，這里取3%。則：

(3)

據(jù)統(tǒng)計，在我國風電機組的設(shè)備費用約為初始投資的82%[15]；運行維護成本約占總成本的15%～25%[16]，這里取20%。則：

(4)

因此，總成本可以表示為：

(5)

其中，前期成本為：

(6)

3.2 收入分析

系統(tǒng)有充電樁、路燈和電網(wǎng)3個供電對象，因此收益也應(yīng)由充電收益、路燈節(jié)省用電收益以及電網(wǎng)售電收益3個部分組成。由于風光互補發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池一般為免維護的，使用壽命為5～8年[17]，蓄電池的故障時長可忽略不計，則年收益Rtotal可表示為：

(7)

式中：Rc為充電系統(tǒng)的年收益；Rl為路燈節(jié)電收益；Re為電網(wǎng)供電收益。目前，市場上電動車充電價格為6元/kW·h[18]；路燈用電為非居民用照明用電價；向電網(wǎng)售電包含風電和光電2個部分，且2部分的上網(wǎng)電價不同。由于風力發(fā)電和光伏發(fā)電的互補性，上網(wǎng)電價可近似表示為：

(8)

式中：ηw、ηpv分別為系統(tǒng)風電和光電所占的比重。

因此，年收益Rtotal可表示為：

Rtotal=6Nc+Nlpl+Nepe

(9)

式中：Nc、Nl、Ne分別為系統(tǒng)的充電電量、路燈用電電量和向電網(wǎng)售電電量；Pl、Pe分別為非居民用照明用電價和上網(wǎng)電價。

4 實例分析

選取鄭州市車流量較少的水科路為例，進行經(jīng)濟分析。該路段長約1.3 km，共有69盞路燈，路燈為150 W，現(xiàn)有私設(shè)充電樁5個，每天營業(yè)時間為8:00～21:00，平均工作時間約為總營業(yè)時間的1/3，最高時段有4輛同時進行充電，絕大多數(shù)充電車輛為3輛以下。

根據(jù)所處路段的實際情況，選取30個條件較好路燈基樁，在每個基樁上安裝4塊規(guī)格為1 200×540×25 mm的單晶太陽能板及1臺規(guī)格為EW1 kW(直徑1.96 m)的風電機組，連接10個這樣的系統(tǒng)為一個整體，組建小型的風光互補電站，配置配電器、逆變器，設(shè)置1套8×12 V/100 AH 的蓄電池，設(shè)置3臺超天雙路充電裝置，替換私設(shè)的充電裝置。

參照現(xiàn)有風光互補發(fā)電系統(tǒng)，光伏組件市場價為8元/W(包括發(fā)電、儲能和安裝費用)，由公式(3)得光伏系統(tǒng)的成本為143 600元，單個風力發(fā)電機組的成本約為4 300元；由公式(4)得30套風電機組的總成本約為140 853.66元(含機組安裝及維護費用)，詳細信息如表1。

表1 系統(tǒng)成本

由文獻[6～7]117，74中鄭州市的光伏和風能資源數(shù)據(jù)，計算得到系統(tǒng)的年均產(chǎn)能情況如表2、3。

表2 風力機組產(chǎn)能情況

表3 光伏發(fā)電產(chǎn)能

由表2～3可知，該系統(tǒng)每年可產(chǎn)出電能38 514.28 kW·h，其中，風電機組產(chǎn)生的交流電為15 767.77 kW·h，光伏組件產(chǎn)生的直流電為22 746.51 kW·h。設(shè)損耗為30%，則整個系統(tǒng)每年可輸出電能約為269 60 kW·h/元，其中風電占41%，光電占59%。根據(jù)河南省現(xiàn)行的電價標準(自用電電價為0.659 2 kW·h/元；光伏上網(wǎng)電價為0.96 kW·h/元；風電上網(wǎng)電價為0.8 kW·h/元)，由公式(7)～(9)得年收益為62 853.3元，詳細情況如表4。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算該系統(tǒng)的回本年限為3.58年(詳細情況如表5)，在整個生命周期內(nèi)(20年)的年均利潤率為16.7%，遠遠高于銀行的貸款和存款利率，該系統(tǒng)是一筆不錯的投資。

表4 年收益情況

表5 經(jīng)濟效益評估

5 結(jié)論

為了更加有效地利用城市的風能與太陽能資源，本文根據(jù)現(xiàn)代城市的特點，提出了一種風光互補照明/充電微網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計方案：以城市道路兩旁的路燈基樁為載體，安裝小型風光互補發(fā)電設(shè)備，以城市中的電動自行車為主要用電負荷，最大限度地實現(xiàn)電能的即發(fā)即用，降低系統(tǒng)的儲能成本。并且建立系統(tǒng)的成本/收益模型，結(jié)合實例對其進行了經(jīng)濟分析，結(jié)果顯示該系統(tǒng)在充分利用城市的風能和光伏資源的同時，年利潤率可達16.7%，遠遠高于同期的銀行存款和貸款利率，是現(xiàn)階段有效利用城市風能和光伏資源的可行途徑，有著較好的推廣和應(yīng)用價值。

現(xiàn)階段，電動自行車已成為我國居民最常見的交通工具，大力推廣該系統(tǒng)，可以有效地改善城市基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施，方便人們的出行，還可以獲得收益。同時，隨著技術(shù)的發(fā)展，風光發(fā)電系統(tǒng)的成本會持續(xù)降低[18]，其所帶來的社會效益、環(huán)境效益更不可估量。

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Feasibility Analysis of Urban Hybrid Wind/PV Power Charging /Lighting Microgrid System

REN Yan1,2, SUN Yuan1, DAI Minzhang1

(1. School of Electric Power, North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 450046, China; 2. Hunan Provincial Key Laboratory of Renewable Energy Electric-Technology(Changsha University of Science and Technology), Changsha 410114, China)

In order to make best of the city’s wind and solar energy resources, this paper puts forward a new design scheme for the urban hybrid wind/PV power lighting/charging microgrid system. The city common lampposts acting as a carrier, the wind-light complementary equipment is installed. With almost no increase in the floor area, a small hybrid wind/PV power station is constructed, and at the same time, the charging devices are set up. By means of movement “storage” device, the electric bicycles, the energy can be produced and consumed almost at the same time. And hence the cost of energy storage system is remarkably reduced. A model for the system of cost / benefit is created, and the feasibility analysis is carried out with an example. Results show that the system operation cost is low, and has good environmental and economic benefits. It is an effective way to utilize urban wind energy and photovoltaic resources, and it is worth to be applied and generalized.

hybrid wind/PV power; microgrid; energy storage; lighting/storage; analysis of the feasibility

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.02.010

2016-10-10。

河南省科技攻關(guān)項目(162102210076)；可再生能源電力技術(shù)湖南省重點實驗室(長沙理工大學)開放基金資助項目(2016ZNDL001)。

TM615

A

1672-0792(2017)02-0055-05

任巖(1979-)女，博士，副教授，主要從事新能源方面的研究。