西北地区发展风光互补提灌模式的效益评价

张建生，张梅花，赵文举

(1.甘肃农业大学工学院，兰州 730070；2.兰州理工大学能源与动力工程学院，兰州 730050)

西北地区包括陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆5省(区)，面积共计304.3 万km2，占全国陆地面积的31.7%；人口约0.9 亿人，为全国的7%[1]。该区域大部分处于干旱、半干旱地区，降水时空分布不均，植被稀疏，生态环境脆弱，最集中的表现是荒漠化日益严重，在一些局部地区呈加速发展的趋势。荒漠化地区远离电网，但当地又具有丰富的风能和太阳能，若充分利用当地丰富的风能、太阳能等自然资源用来发电，发挥现代科技的作用，对西北荒漠化地区进行生态治理、环境保护、以及建立新型的用能模式，将起到积极的推动作用。但是，作为一种全新的供电方式，它的经济效益、节能和环境效益等尚不明确，为此，本文在分析我国西北地区风能资源和太阳能资源状况基础上，设计风光互补提灌模式，并从经济效益、节能和环境效益及社会效益等角度对风光互补发电系统的推广价值进行分析和评价，以期为西北地区大面积推广应用风光互补提灌系统提供理论基础。

1 西北地区风能和太阳能资源的分布

1.1 风能资源的分布

西北地区风能资源储量及分布情况见表1。从表1来看，西北地区风力力量开发储能的总量和技术开发储能占全国的近30%，表明西北地区风能资源丰富，开发利用潜力巨大。中国气象科学研究院将我国风能资源空间分布分为丰富区、较丰富区、可利用区及贫乏区4种类型区，西北地区的风能主要处于前3个区，见图1[1]，有效风能密度的空间分布情况见图2[1]。由图2可知，西北地区有效风能密度大于100 W/m2的区域基本上呈西北向东南的条带状分布。其中，新疆和甘肃的有效风能密度最大，可用风能资源量和条件较好；宁夏青海次之，陕西相对较差。

表1 西北地区风能资源储量及分布情况[2]Tab.1 Reserves and distribution of wind power resourcein the northwest region

图1 西北地区风能资源空间分布Fig.1 Spatial distribution of wind energy resource in northwest China

图2 西北地区有效风能密度的空间分布Fig.2 Spatial distribution of effective wind energy density in northwest China

1.2 太阳能资源分布

我国地处北半球，荒漠化地区多数地方年日照时数长达3 000 h以上，平均每天8 h，荒漠地区全年平均每平方米的太阳能辐射达10.62 万kW，利用1 km2面积的太阳能全年所得热能相当于燃烧3 823.2 万t标准煤发出的热量，比全国水利资源蕴藏能量大156倍[3]。西北地区的青海、新疆、甘肃、宁夏均为太阳能资源丰富地区，太阳能资源空间分布见图3[4]。由图3可知，西北地区年均太阳总辐射与年均日照时数的分布基本一致。其中，太阳总辐射的趋势大致是在陕西东南部最低，由陕西东部向西部逐渐增加，在青海中部地区达到最高，再向新疆西部地区逐渐减少。

年均日照时数最高的地区位于青海北部，甘肃北部及新疆东部部分地区，基本处于青海、甘肃和新疆3省的交界处。西北地区日照时间最长地区可达3 500 h，年均日照时数相对较高的地区是新疆东南部、青海西南部及甘肃西南部等部分地区，其年均日照时数均在2 500 h以上。

图3 西北地区太阳能资源空间分布Fig.3 Spatial distribution of solar energy resource in Northwest China

2 风光互补提灌模式的设计

太阳能、风能具有清洁环保、永不衰竭的特点，已成为目前发展速度最快的新能源，并被认为是最具有潜力、未来最有可能代替化石能源的新能源。开发太阳能、风能资源对增加能源供应，改善能源结构，保障能源安全，保护环境有重要作用，是建设资源节约型、环境友好型社会和实现可持续发展的重要战略措施，具有重大而长远的战略意义。独立的太阳能发电系统易受天气的影响，夜间和阴雨天，该系统就不能正常发电；独立的风力发电系统易受风速的影响，当风速很小或没风的时候，该系统也不能正常工作。由于太阳能和风能在时间上和地域上具有很强的互补性，风光互补混合供电系统是可再生能源独立供电系统的一种重要形式，与独立风力发电或光伏发电比较能使电力输出更平稳、可靠，同时还降低对蓄电池的储能要求。因此被证明是一种比单一光伏或风力发电更经济、可靠的选择[5-8]。另外，近些年来，光伏和风力发电成本下降较快，同时传统能源成本却逐年上升，这就使得风光互补供电系统具有了较好的应用前景[9,10]。西北地区地处风能和太阳能资源丰富或较丰富区，使该地区新能源开发利用具备了得天独后优势。风光互补提水灌溉模式是一种经济适用的绿色供水系统，主要是为解决荒漠化地区的提灌及人畜饮水等问题研究设计的，也可用在小型户用雨水收集系统中从建设在低处的水窖中提水，把雨水送到安装在高处的水箱，实现供水的自动化。风光互补提水系统由发电系统、抽水设备、供水管路、供水箱及灌溉设备等部件组成，见图4。

3 风光互补发电系统的效益评价

3.1 经济效益评价

以柴油发电、风光互补发电系统为例对其经济效益进行评价。由于这2种系统的抽水设备和灌水设备的成本相同，为此，文中不做分析，只对它们的发电成本进行分析计算。表2中列出了柴油发电系统和风光互补发电系统的初始投资、运行费用数据和按照动态平直成本定义计算的供电成本[11]。虽风光互补发电系统的初始投资较大，但目前柴油价格较高，经计算，柴油发电的成本高达3.34 元/kWh，而风光互补发电系统的成本仅为1.64 元/kWh，是柴油发电机发电的成本的一半。按年供电2 000 kWh计算，采用风光互补系统发电年可节约3 400元，若系统运行12 a，可节约资金40 800 元。未来随着光伏电池产业制造规模的扩大，技术效率的提高，生产成本的下降，其供电成本会不断下降，该系统具有较好的发展前景。

图4 风光互补提水灌溉系统示意图Fig.4 Schematic of wind and light complementary water-pumping irrigation system

发电种类年发电量/kWh寿命/a初始投资/元维修费用加运行成本/(元·a-1)成本/(元·kW-1·h-1)柴油发电系统风光互补发电系统20002000121524003500064293003．341．64

注.①贴现率按3.3%计算；②柴油价格按8.47 元/kg，1 kWh消耗350 g柴油。

3.2 节能和环境效益评价

从节能和环保等方面对风光互补发电系统与常规能源煤、石油发电进行比较分析。新能源每发电1 kWh，相当于0.4 kg标准煤或0.58 L石油的发电量[12]。本风光蓄发电系统年发电量为2 000 kWh，相当于节约800 kg标准煤或1 160 L石油。以燃烧800 kg标准煤来发电为例，分析其减排效益，结果见表3。

表3 风光互补发电系统的环境效益Tab.3 Environmental benefits of wind solar hybridpower generation system

从表3来看，虽然本风光互补发电系统在1 a内所创造的环境效益较小，但该项目的建设，将在节省燃煤、减少CO2、SO2、NOx、烟尘、灰渣等污染物排放效果上，都起到积极的示范作用。如在荒漠化地区或边远山区大规模推广该新能源发电系统，则所创造的节能效益和环境效益将相当可观。而且，这对全球气候的改善、空气质量的提高和节能减排，都具有积极作用。由于风能和太阳能发电都是利用可再生能源发电，可作为传统火力发电的替代能源，在技术上和开发使用上都具备了广泛推广的条件，对于能源的节约起着重要的作用。风电和光电相对于火电站和核电站而言，几乎不产生环境污染，有利于减少自然环境的污染，还可避免灰渣的产生。因此，对实现清洁生产，保护生态环境具有巨大的节能和环境效益。

3.3 社会效益评价

风光互补发电系统不仅能促进当地原材料等相关产业的快速发展，还能依靠特有的风光发电机组将其发展成为新的旅游景点，对丰富和改善经济结构，拉动第三产业的发展有着重要作用，进一步促进偏远地区经济的发展以及居民生活水平。同时，在荒漠化地区大力发展风光发电产业，将促进区域土地增值，带动周边地区建筑业、商业等行业的发展，增加就业机会，提高人们生活水平，为改善荒漠化地区生态环境，实现新能源的可持续发展奠定基础。此外，风光互补提灌系统的社会效益还包括减少用水、用电纠纷，改善邻里之间的关系，稳定社会秩序，促进人与自然和谐的生态文明等方面。

4 结 语

西北地区荒漠化土地面积较广，且远离电网，但当地又具有丰富的风能和太阳能，太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性，它们在时间上的互补性使风光互补发电系统在资源上具有良好的匹配性，风光互补发电系统的应用是解决西北荒漠化地区提灌所需电力的一个新的选择。通过实例分析了风光互补发电系统的经济效益、节能和环境效益及社会效益，表明该系统在此地区推广有其经济和社会可行性。因此，充分利用当地丰富的风能、太阳能等可再生能源，是改善我国的能源结构，对西北荒漠化地区进行生态治理及恢复，实施可持续发展战略的重要措施，同时对该地区保护生态环境、防止荒漠化和节能等具有重要的经济意义和深远的社会意义。

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