新能源發(fā)電特性與經(jīng)濟(jì)性分析研究

李彥榮,王康民

(1.山西能源學(xué)院，晉中 030600;2.山西省高效太陽能光電轉(zhuǎn)換工程技術(shù)研究中心，太原 030000)

0 引 言

近幾年，光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢十分迅速。從2007年開始，我國便已經(jīng)成為世界上太陽電池生產(chǎn)的第一大國，當(dāng)前市場中可以生產(chǎn)太陽電池片的光伏企業(yè)數(shù)量已經(jīng)多達(dá)數(shù)百家。經(jīng)過近一段時間發(fā)展，我國在生產(chǎn)光伏產(chǎn)品方面已經(jīng)形成了產(chǎn)業(yè)鏈。隨著規(guī)模化的生產(chǎn)及金剛線的應(yīng)用，光伏組件生產(chǎn)成木不斷下降。此外，隨著晶體硅技術(shù)不斷進(jìn)步，光伏轉(zhuǎn)化效率不斷提高，也使光伏電站單位千瓦投資不斷下降。根據(jù)國家太陽能光伏產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(CPVT)的測試認(rèn)證，隆基樂葉單晶PERC轉(zhuǎn)換效率最高水平已達(dá)到23.26%。近年來，我國在利用新能源方面取得了較大的進(jìn)步。

1 能源發(fā)電特性

為了減少環(huán)境污染、提高能源綜合利用效率，未來新能源和可再生能源將進(jìn)入一個快速發(fā)展的時期。因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電受到季節(jié)、天氣等因素的影響較大，而且目前這兩種新能源在實(shí)際中開發(fā)利用的較多。

1.1 風(fēng)力發(fā)電模型及其動態(tài)特性分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組原動機(jī)的能量來源為自然界中風(fēng)的動能。由于風(fēng)速的易變性和不可控性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組幾乎每時每刻都遭受到較大程度的擾動，這種擾動無論對機(jī)組本身還是對與之相連的電力系統(tǒng)，都將產(chǎn)生一定程度的影響。因此，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)仿真分析就需要建立與之相適應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。在風(fēng)的移動過程中，既有動能的變化，又有勢能的變化。在一定時間和空間范圍內(nèi)，風(fēng)速的變化具有隨機(jī)性。為了能夠在模擬風(fēng)速變化時準(zhǔn)確地反映出風(fēng)能的隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn)，通常用基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和噪聲風(fēng)這4種典型模型來模擬風(fēng)速變化的時空模型。

1.2 太陽能光伏發(fā)電模型與動態(tài)特性分析

地球繞地軸自西向東自轉(zhuǎn)形成晝夜交替，地球自轉(zhuǎn)的同時繞太陽公轉(zhuǎn)。地球的自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)運(yùn)行軌道面(黃道面)的法線傾斜成23.45度夾角，而且在地球公轉(zhuǎn)時自轉(zhuǎn)軸的方向始終指向地球的北極，這就使得太陽光線直射赤道的位置有時偏南，有時偏北，形成地球上季節(jié)的變化。由于地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，相對地平面來說，太陽的位置不停地在變化。在赤道坐標(biāo)系中，太陽位置由時角和赤緯角兩個變量決定。

2 新能源發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)

2.1 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)

目前風(fēng)力發(fā)電具有兩種運(yùn)行方式：獨(dú)立運(yùn)行的離網(wǎng)運(yùn)行電和接入電力系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行。離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電與并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電相比其風(fēng)力發(fā)電規(guī)模較小，其通過電能存儲裝置或者與其他發(fā)電技術(shù)相結(jié)合可以為沒有電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)供電。并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電是世界風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的主要方向，其發(fā)電容量較大，通常為幾兆瓦到幾百兆瓦，由于其與大電網(wǎng)相連，從而可以得到大電網(wǎng)的補(bǔ)償和支撐，可以使風(fēng)資源更加充分的開發(fā)和利用。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電的成本也在不斷降低，在考慮環(huán)境效益等因素的情況下，風(fēng)力發(fā)電在經(jīng)濟(jì)上具有很大的吸引力。

2.2 太陽能發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)

太陽能發(fā)電可分為太陽能熱發(fā)電和太陽能光發(fā)電兩大類。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要由集熱部分、傳輸部分、儲熱部分構(gòu)成。根據(jù)聚光式系統(tǒng)的不同可以分為塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)、槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)以及碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。太陽能光發(fā)電是指無需通過熱過程直接將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電形式，包括光伏發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電和光生物發(fā)電，目前最常用的為光伏發(fā)電。光伏發(fā)電是利用太陽能級半導(dǎo)體電子器件吸收太陽光輻射能，并將其轉(zhuǎn)變成為電能的一種直接發(fā)電方式。目前世界上應(yīng)用最廣泛的太陽能電池為單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、薄膜太陽能電池等。

2.3 分布式能源系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)

分布式能源(Distributed Generation，DG)是指電源靠近用戶側(cè)，發(fā)出的電能可以被附近用戶就地利用，其接入電網(wǎng)的電壓等級在10 kV及以下，并且單臺裝機(jī)容量不超過6 MW的發(fā)電項(xiàng)目。分布式能源的能量來源主要以太陽能、天然氣、生物質(zhì)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能等為主。分布式能源和電力系統(tǒng)之間存在著四種關(guān)系：一為分布式能源獨(dú)立運(yùn)行向周圍的用戶供電；二為分布式能源和本地的電網(wǎng)之間接入了自動轉(zhuǎn)換裝置；三為分布式能源和系統(tǒng)直接并聯(lián)運(yùn)行，分布式能源對本地電網(wǎng)無電能輸出；四為分布式能源和系統(tǒng)直接并聯(lián)運(yùn)行，并且能夠向本地電網(wǎng)輸送電能。目前，分布式能源接入配電網(wǎng)的方式主要有三種方式：低壓分散接入模式；中壓分散接入模式；專線接入模式。

3 高風(fēng)力發(fā)電經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)研究

3.1 風(fēng)電供暖技術(shù)

所謂風(fēng)電供暖，就是利用過剩風(fēng)電即棄風(fēng)電力進(jìn)行供暖。當(dāng)系統(tǒng)中風(fēng)電過剩時，要降低熱電機(jī)組強(qiáng)迫出力來增加風(fēng)電上網(wǎng)空間以接納一部分過剩的風(fēng)電，對于熱電機(jī)組由于電熱約束減少的發(fā)電量所導(dǎo)致的供熱不足部分，則由安裝在熱電廠中的電鍋爐消耗另一部分過剩的風(fēng)電進(jìn)行補(bǔ)償供給，這樣就能夠在保證供熱的情況下實(shí)現(xiàn)對過剩風(fēng)電的消納。從宏觀上講，棄風(fēng)供暖方案的本質(zhì)就是在風(fēng)電棄風(fēng)時段，使用棄風(fēng)電力替代熱電機(jī)組進(jìn)行供電和供熱。因此，從短期來看，可降低整個系統(tǒng)的煤耗量，具有明顯的節(jié)煤效益。同時，電鍋爐設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、能源轉(zhuǎn)換效率高；而且，電鍋爐運(yùn)行靈活，可通過調(diào)整電流大小或者加熱棒的投切來調(diào)整其消耗電功率的大小。

3.2 風(fēng)電場經(jīng)濟(jì)性分析

利用過剩風(fēng)電(棄風(fēng)電力)進(jìn)行供暖的原理為：當(dāng)系統(tǒng)中風(fēng)電過剩時，要降低熱電機(jī)組強(qiáng)迫出力來增加風(fēng)電上網(wǎng)空間以接納一部分過剩風(fēng)電；而對于熱電機(jī)組由于電熱約束減少發(fā)電量所導(dǎo)致的供熱不足部分，則利用安裝在熱電廠中的電鍋爐消耗另一部分過剩風(fēng)電進(jìn)行補(bǔ)償供給，這樣就能夠在保證供熱的情況下實(shí)現(xiàn)對過剩風(fēng)電的消納。

3.3 風(fēng)電儲能技術(shù)

目前，主要的儲能技術(shù)包括壓縮空氣儲能技術(shù)、抽水蓄能技術(shù)、電池儲能技術(shù)、飛輪儲能技術(shù)、超導(dǎo)儲能技術(shù)等。一般來說，燃料電池消耗的能量較少，但是與飛輪儲能相比其消耗的電能相對較高。為了滿足短期充放電的需求，目前的電容儲能裝置容量建造的都非常小，大型電容儲能技術(shù)還沒有發(fā)展到可以實(shí)際應(yīng)用的階段。電能存儲裝置在電網(wǎng)低谷時期存儲風(fēng)力發(fā)出的多余電量，這部分電量在電網(wǎng)用電量高峰時釋放出來。電能存儲裝置不僅提高了風(fēng)電場的發(fā)電量，也提高了風(fēng)電的電網(wǎng)穿透率。同時，電能存儲裝置在輸電和配電過程中還能起到保證電能質(zhì)量的作用，同時也可以起到削減風(fēng)電波動性的作用。

3.4 風(fēng)電儲能技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

成本是選擇儲能技術(shù)的主要指標(biāo)之一。對于一種新興技術(shù)，阻礙其廣泛應(yīng)用的因素之一就是成本。合理有效的儲能成本，不僅能促進(jìn)儲能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，也可以提高可再生能源的電網(wǎng)滲透率。儲能成本與儲能容量成正比。能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)作為一個連接組件，連接能量用戶和儲能設(shè)備，主要由控制開關(guān)、控制器、轉(zhuǎn)換器等設(shè)備組成。能量轉(zhuǎn)換成本也正比于儲能系統(tǒng)的容量。其他成本還包括廠房設(shè)施成本、控制系統(tǒng)成本、連接成本等等。這個成本也與儲能系統(tǒng)的容量成正比。這三個關(guān)鍵成本也都是儲能系統(tǒng)的初始投資成本。