郑州市风光互补发电经济技术分析

周建强，屈卫东

（郑州电力高等专科学校，河南郑州 450004）

随着中原经济区的建设，郑州市社会经济正在快速发展，人民生活水平不断提高。社会对电力需求增长非常强劲，电网负荷压力空前。据统计，郑州市全社会用电量自2003年以来电网负荷4次创历史新高，2011年8月15日更是达到了702.7万 kW·h。与此同时，传统化石能源的大量消耗不仅对国家能源安全有巨大威胁，而且带来了一系列环境问题，如空气污染、气温升高、水源恶化等。与传统能源相比，可再生能源因具有环境友好和可持续等优点而受到青睐[1]。低成本、规模化利用风能、太阳能等可再生能源，是解决能源与环境问题的必要途径之一。

1 风光互补发电系统介绍

风光互补发电系统的基本构成如图1所示，主要由风力发电机、伏组件、控制器、蓄电池和逆变器等构成。

风力发电机将风能转化为电能，太阳能光伏电池把太阳能转化为电能，二者共同构成了风光互补装置的能量接收转化设备。由于风能和太阳能的波动性，为了获得稳定的电能，独立运行的风光互补发电系统储能装置——蓄电池。控制器则是调整光伏组件、风力发电机处于最佳工作状态的设备，同时对蓄电池进行过充电、过放电保护。由于太阳能电池和蓄电池发出的是直流电，带电交流负载时，还需要将直流电变换成交流电的逆变设备。

2 郑州市风光互补发电技术分析

图1 风光互补发电系统图Fig.1 The schematic diagram of PV and wind hybrid power

风光互补发电系统是城市中一种广泛使用的可再生能源发电形式，在郑州地区开展风光互补发电有很多优点。

首先，建筑风力发电属于弱风发电，适合用于郑州这样的弱风地区。越来越多的城市高层建筑的出现为城市中利用风能进行发电提供了良好的条件。

其次，“光伏-建筑一体化”把光伏阵列布置到墙面和屋顶上，无需额外用地或建设其他设施，节省了土地资源，同时避免了墙面温度和屋顶温度过高，降低了空调负荷。原地发电，原地使用，节约电站送电网的投资和减少输电损耗；通常夏季用电高峰也是光伏发电量最大的时期，可减少电网谷峰供需矛盾。

再次，郑州属于季风气候区，冬季风大，太阳辐射量小，夏季风小，太阳辐射量大；风光互补发电系统可以互补两种资源的季节差，获得比较稳定的电能输出，减少储能设备的容量。

3 郑州地区太阳能与风能资源分析

3.1 郑州地区太阳辐射资源

太阳能资源的情况是一个地区能否广泛使用太阳能的先天要素。根据中国气象局提供的太阳辐射数据[2]，郑州地区属于太阳能资源可以利用地区，其太阳辐射资源如表1。

从表1中可以看出：直接辐射和太阳总辐射的最大值都出现在6月份，分别为624.92 MJ/m2和710.16 MJ/m2；最小值出现在12月份，分别为145.6 MJ/m2和242.3 MJ/m2。月直接辐射占太阳月总辐射很大的份额，其中6月份占太阳总辐射的份额最大为88%，占份额最小的月并没有出现在最冷的1月，相反出现在过渡季节11月，所占份额为58.97%。还可以看出：在1月份时，直接辐射占总辐射的份额77.01%，超过了夏季7月份71.92%和8月份61.94%。可见，在郑州市冬季太阳能有很大的利用潜力。

表1 太阳辐射年的月总辐射和月总直射Tab.1 The monthly global solar radiation and monthlyglobal direct solar radiation in Zhengzhou (m/s)

3.2 郑州市风资源

郑州市位于黄淮平原和秦岭山脉东延的交接带，地势西高东低。西北部的气流顺河西走廊沿秦岭东行，受太行山的隔挡后，集中在两个山系之间的黄河河道在郑州附近涌出，沿黄河形成较强的气流带，使郑州秋冬季偏西向强风较多[3]。表2～4给出了郑州市风资源的情况。

3.3 建筑风光互补发电经济分析

以某学生宿舍为例，进行风光互补发电的经济分析。该建筑6层，建筑面积40000 m2，建筑屋顶面积为6666.7 m2，按屋顶倾斜布满光伏阵列，光伏发电效率按20%，则光伏发电量为2166840 kW·h，详见表5。

风力机安装间距超过风机直径的20倍，相邻风机的输出功率不至于削弱。下面以HY—400型风力发电机为例，风力机叶轮直径1.5 m，所以风力发电机按30 m间距安装，整个学生宿舍可安装20台风力发电机。表6所示为某学生宿舍风力发电分析。

表2 郑州地区各月平均风速Tab.2 The monthly average wind speeds in Zhengzhou m/s

表3 郑州地区各月平均风能功率密度Tab.3 The monthly average wind power density in Zhengzhou W/m2

表4 郑州地区各月风能平均可利用时间Tab.4 The monthly average hours of applicable wind resource in Zhengzhou h

表5 某学生宿舍光伏发电量分析Tab.5 PV power generation on the roof of a certain students′dormitory

风光互补发电系统设备根据市场价估算，贷款利率按国家新能源的政策按最低贷款利率计算。系统安装完成后，每个月发电量相差不大，每月都在回收成本，所以按等额回收计算。由于系统安装完成后，不需要额外燃料，运行维护成本很低，所以运行维护成本忽略不计。

4 结论

通过表7可以看出，尽管郑州风能和太阳能都不丰富，但开展风光互补发电每千瓦时也只有1.11元，如果考虑政府进行政策补贴，价格更低。随着科技的发展，风光互补发电的价格必将进一步降低，在可预见的时间内，风光互补发电的价格将与传统发电电价持平。而且，开展风光互补风力发电的社会效益、环境效益更不可估量。

表6 某学生宿舍风力发电分析Tab.6 Wind power generation on the roof of a certain students′dormitory

表7 某学生宿舍风光互补风力发电经济分析Tab.7 The economic analysis on the PV and wind hybrid power for a certain students′dormitory

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