黄家湾当地风能光能资源能量转换研究

谢晨希，易吉林，王 宇

(1.贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002；2.贵州省水利投资(集团)有限责任公司，贵州 贵阳 550002)

1 工程概论

黄家湾水利枢纽工程位于贵州安顺市南部紫云县境内，拟建坝址在红水河的一级支流格凸河中游河段，坝址位置位于紫云县板当镇黄家湾河道上。黄家湾水利枢纽是综合利用的水利工程，主要任务是以城乡生活和工业供水、农业灌溉为主，并结合发电。

2 黄家湾供水灌溉区自然条件

黄家湾水库位于紫云县境内，属湿润地区的北亚热带季风气候，具有山岳型气候特点。冬春干燥，夏季湿润，四季分明，冬暖夏凉。根据紫云县气象站多年资料统计，多年平均气温15.3℃，极端最高气温33.8℃(1988年5月6日)，极端最低气温-7.3℃(1977年2月9日)。年平均相对湿度79%，全年无霜期294.9 d；多年平均最大风速12.8 m/s，30 a一遇最大风速20.6 m/s，大风日数8 d，以NE风为主。根据紫云县气象站1961年～2018年资料统计：紫云县年平均日照时数为1308.5 h。

1)日照

紫云县气象站近5 a各季、月平均日照时数见表1～表2。由表1～表2可知：从季节上看紫云县气象站近5 a内，春季和夏季日照时长最多，分别占全年的28.6%、32.4%，冬季最少，占比15.4%；紫云县气象站夏季日平均日照时数为4.25 h，分别为春季、秋季和冬季日平均日照时数的1.13倍、1.35倍和2.05倍。从月来看，4月～9月日照时数较多，占全年的62.9%，其中7月最多，为151.98 h，占全年的12.58%，12月最少，为53.06 h，占全年的4.39%。

表1 紫云站近5 a各季平均日照时数统计表

表2 紫云站近5 a各月平均日照时数统计表

紫云县近5 a来年平均日照时数为1208.4 h，日平均日照时数为3.31 h，其保证率约为40%。

近5 a日平均日照时数统计情况见图1～图2、表3。

图1 紫云站近5 a日照时数历时曲线

图2 紫云站近5 a日照时数保证率曲线

由图1～图2、表3可知：平均每年有204.8 d的日照时数大于等于1 h，其保证率为56.1%。根据统计，紫云县气象站近5 a平均每日日照时数为3.31 h，其保证率约为40%。

表3 紫云站近5 a每日平均日照时数统计表

2)风速

紫云县近5 a来平均风速为1.91 m/s，其中，最大风速为12.4 m/s，最小风速为0 m/s，近5 a各季、各月平均风速统计情况见表4～表5。

表4 紫云站近5 a各季平均风速统计表

表5 紫云站近5 a各月平均风速统计表

由表4～表5可知：从季节上看，紫云县气象站近5 a内，冬、春季风速相对较大，分别为2.16 m/s和2.06 m/s，夏、秋季风速相对较小，分别为1.63 m/s和1.80 m/s；以风速最小的夏季为基准，春、秋、冬季的日平均风速分别为基准的1.33倍、1.10倍、1.26倍。从月份来看，1月～5月风速较大，其中2月最大，为2.23 m/s，7月最小，为1.49 m/s。

由图3～图4、表6可知：紫云县气象站风速大于等于1 m/s保证率为72.5%。根据统计，紫云县气象站近5 a来平均有效风力时数为10.75 h(风速大于等于2 m/s)，根据表6得其保证率为44.8%。

图3 紫云站近5 a风速历时曲线

图4 紫云站近5 a风速保证率曲线

表6 紫云站近5 a逐小时平均风速统计表

3 风光资源能量转换

(1)光能

1)太阳总辐射

前文中已分析得到紫云县气象站的日照及风速等自然条件，为进一步量化风能、光能，本次根据紫云县气象站2014年～2018年的太阳辐射观测资料，并结合前文已分析的成果，对此区域内可产生的光能进行计算。

根据紫云县气象站2014年～2018年太阳辐射资料，统计得到2014年～2018年年均、月均和日均太阳总辐射，见表7。

2)太阳辐照度

太阳辐照的单位为MJ/m2，标准日照小时数的单位是 h，标准日照小时数是根据太阳能组件在标准条件下(大气质量AM1.5，温度25°，辐照强度1000 W/m2)的工作小时数，辐照强度是不断变化的，所以要进行折算。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。

从紫云气象站可直接获取历年的辐照数据见表7。

3)发电量

发电量计算公式为：

Ep=HA×A×ηi×K

式中：HA为太阳能总辐照量，kW·h/m2；A为光伏电池组件面积，m2；ηi指光伏电池组件的转换效率，%；K为发电损耗率系数，一般取0.7～0.8。

单块太阳能电池板尺寸为2 m×1.6 m的单晶硅板，组件转换效率为18%～20%。计算结果见表7。

表7 紫云站近5 a太阳辐照统计及折算总辐照量表

通过计算可得出，单块光伏板全年平均发电量591 kW·h，平均每天发电量1.62 kW·h，而闸门和阀门系统配置的光伏板最少为2块，多的可达4块，足够满足设备的每日用电量需求。而且在11月～3月期间光照差，通过风力发电，正好实现互补特性，完全满足使用要求。

(2)风能

1)风能密度

紫云县气象站已有风速观测资料，可根据此资料计算得到风能密度。根据《全国风能资源评价技术规定》，风能密度按照下式进行计算：

式中：Vt为各等级对应的风速值；Nt为各等级风速出现的累计小时数(N1、N2、N3…Nn)；N为总时数，日为24 h，月为672 h～744 h，全年为8760 h；ρi为测站各月平均空气密度值，取决于当地月平均气温、月平均气压、月平均水汽压。

式中：ρi为测站各月平均大气压；ei为测站各月平均水汽压；ti为测站各月平均气温。

各月平均大气压、水汽压、气温见表8。

表8 紫云站近5 a风能密度统计表

2)风力发电功率

风力发电功率计算公式为：

P=E·A·Cp

式中：E为风能密度，W；A为风轮面积，A=πR2(叶轮R的取值0.675 m)，π=3.14；Cp为风轮效率，按最大理论值取0.593。

根据上式计算出来的数据见表8。

3)风力发电量

风力发电量计算公式为：

EP=P×10-3×H

式中：H为小时数，一年为8760 h。

由上式计算紫云气象站年均风力发电量：

EP=5.334×24×365×10-3=46.726 kW·h

由上可知，叶轮直径为1.3 m的200 W的风机一年平均的总发电量46.726 kW·h。

4 结语

通过黄家湾当地风光气象数据分析，并初步计算风能光能的理论发电量，可得到黄家湾灌区各点位可发电量。通过理论计算可得出，光能的转换中单块光伏板全年平均发电量591 kW·h。风能的转换中叶轮直径为1.3 m的200 W的风机一年平均的总发电量46.726 kW·h。而且可以实现互补特性，满足用电设备的使用要求。针对输水工程上的闸(阀)门等设备用电负荷较小(通常为0.25 kW～7.5 kW)，使用频次较低(最高使用频率为2周一次)，单次运行时间较短、耗电量小等特点，风光互补直流供电系统能够为输水工程提供低成本、高可靠性且不会破坏生态环境的电力能源，能够满足输水工程的需求，解决远离电网覆盖地区供电难的问题。