黃瑩燦 李夢 王燕楠 張榕

［摘要］本文基于能源危機(jī)及環(huán)境惡化等背景下,從風(fēng)電工程與傳統(tǒng)能源相比的優(yōu)勢出發(fā),對風(fēng)電的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行計(jì)算評估,通過建立數(shù)學(xué)模型,定量分析效益成果。最后結(jié)合國華東臺海上風(fēng)電三期工程實(shí)例,將數(shù)據(jù)代入模型中,測算出環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益的具體結(jié)果值。

［關(guān)鍵詞］風(fēng)電項(xiàng)目；環(huán)境效益；經(jīng)濟(jì)效益；綜合評估

［中圖分類號］F2942［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A［文章編號］1005-6432（2014）24-0135-05

1引言

自然環(huán)境是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ),人類維持正常生產(chǎn)、生活的所有物質(zhì)及能量均來自于自然環(huán)境。但是,隨著人口數(shù)量的激增,人類消耗自然資源的速度呈指數(shù)化增長。與此同時,爆發(fā)式的工業(yè)化擴(kuò)張也給社會帶來了嚴(yán)重后果,如全球變暖引起的海平面升高、氣候異常以及物種滅絕,還有全球大面積的酸雨、土地荒漠化等環(huán)境問題,這些問題已經(jīng)引起了國際社會的廣泛關(guān)注。目前,人類迫切需要開發(fā)新能源來解決上述問題。

在面臨諸多全球化問題的情況下,對風(fēng)能的利用已受到各國的普遍關(guān)注。風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源,蘊(yùn)藏量巨大,全球風(fēng)能約為274億兆瓦(MW,1MW=1000kW),其中可利用的風(fēng)能為2000萬兆瓦,是地球上可開發(fā)利用的水能總量的10倍。此外,由于風(fēng)能在利用過程中不產(chǎn)生有害廢棄物和溫室氣體,因此被認(rèn)為是當(dāng)前最廉價、技術(shù)最可靠的可再生資源。就我國實(shí)際情況來看,目前我國自然資源總量豐富,排世界第7位,能源資源量約為4萬億t標(biāo)準(zhǔn)煤,居世界第3位。然而,由于人口眾多、能源技術(shù)不夠成熟所帶來的使用率不高和浪費(fèi),人均能源資源占有量非常匱乏,我國人口占世界總?cè)丝诘?2%,已探明煤炭儲量僅占世界儲量的11%,人均常規(guī)能源資源占有量為135t標(biāo)準(zhǔn)煤,僅為世界平均水平264t標(biāo)準(zhǔn)煤的1/2。人均能源資源占有量相對不足,成為制約我國社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的一個因素。節(jié)能減排被提上政治日程,《“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案》中明確了“十二五”期間萬元GDP能耗比2010年下降16%的目標(biāo)［1］,節(jié)能減排工作刻不容緩。

中國繼2009年超越美國成為全球新增風(fēng)電裝機(jī)容量最多的國家以后,2010年中國累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量也實(shí)現(xiàn)了對美國的超越,成為全球風(fēng)電裝機(jī)容量最多的國家,累計(jì)裝機(jī)容量418GW,約占全球總?cè)萘康?15%。我國的風(fēng)能資源儲量豐富,且國際上技術(shù)比較成熟,風(fēng)電產(chǎn)業(yè)化發(fā)展時機(jī)已經(jīng)到來。2012年,中國風(fēng)電并網(wǎng)總量達(dá)到6083萬千瓦,發(fā)電量達(dá)到1004億千瓦時,風(fēng)電已超過核電成為繼煤電和水電之后的第三大主力電源?！犊稍偕茉捶ā返膶?shí)施對風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也有了很大的促進(jìn)作用,人們對風(fēng)能利用的環(huán)境效益也有了一致性認(rèn)可,如風(fēng)電的“減排”效益、節(jié)約能源效益、改善水質(zhì)和生態(tài)效益。在全球環(huán)境日益惡化和節(jié)能減排的背景下,環(huán)境效益成為風(fēng)力發(fā)電最突出的效益［2］。江蘇省風(fēng)能資源相對豐富,風(fēng)電產(chǎn)業(yè)具有廣闊的發(fā)展空間。綜上所述,當(dāng)前嘗試對風(fēng)電節(jié)能減排的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行計(jì)算,有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

本文對環(huán)境效益以及經(jīng)濟(jì)效益的評估方法進(jìn)行了闡述,借助數(shù)學(xué)模型將風(fēng)電效益貨幣化,以體現(xiàn)其價值,并且介紹了影響測算的主要因素。在此基礎(chǔ)上,選取江蘇省東臺市海上風(fēng)電三期工程這一具體實(shí)例,分析開發(fā)風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)效益。

2文獻(xiàn)綜述

對于風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景,國際能源署進(jìn)行預(yù)測,認(rèn)為2020年全球風(fēng)電容量將達(dá)到126億千瓦,總投資估算約需6300億美元,中國的風(fēng)電投資將達(dá)到近1000億美元。因此,吸引了眾多國際頂級風(fēng)機(jī)制造商紛紛進(jìn)入中國。以GWEC秘書長Steve Sawer為代表的國際風(fēng)電領(lǐng)軍人物,在密切關(guān)注全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時,對中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行了大量研究,認(rèn)為中國政府對本土風(fēng)機(jī)制造企業(yè)的適度保護(hù)是明智的,也是卓有成效的；固定電價與配額制是發(fā)展風(fēng)電的寶貴經(jīng)驗(yàn),值得中國借鑒。國內(nèi)學(xué)者賀德馨長期以來從事新能源(風(fēng)能)研究,在理論和實(shí)踐上積極發(fā)展可再生能源的使用和技術(shù)創(chuàng)新,參與國家“六五”、“七五”、“八五”、“九五”風(fēng)能科技攻關(guān)項(xiàng)目和“十五”期間國家863項(xiàng)目兆瓦級風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)工作,主持完成多項(xiàng)風(fēng)能利用國家重點(diǎn)科技項(xiàng)目,對我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略及政策制定發(fā)揮了積極影響。施鵬飛對比分析了我國發(fā)展風(fēng)電的優(yōu)勢和制約條件,探討了中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的廣闊前景,積極推動中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的培育和發(fā)展,跟蹤研究了中國及世界風(fēng)電裝機(jī)及風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)發(fā)展情況,進(jìn)行連續(xù)十多年不間斷的統(tǒng)計(jì)分析工作。在我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)走過試驗(yàn)示范期之后,面對近年來風(fēng)電產(chǎn)業(yè)爆炸式發(fā)展的新局面,國內(nèi)還有許多學(xué)者、專家從不同角度對我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景和戰(zhàn)略問題進(jìn)行了深入研究,如李俊峰、路正南、王正明、趙子建、遲元英、胡其穎、莊幸、芮曉明、周鶴良等發(fā)表了相關(guān)研究成果,他們所得出的結(jié)論基本上是一致的,即我國風(fēng)能資源豐富,風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景廣闊,國家應(yīng)制定積極的產(chǎn)業(yè)扶持政策促進(jìn)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。

3風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的環(huán)境效益分析

31模型假設(shè)與構(gòu)建

傳統(tǒng)的化石能源,如煤炭、天然氣、石油等發(fā)電產(chǎn)生的污染物主要有SO2、NOx、CO2、煙塵等廢氣排放物及廢水、灰渣等,這些污染物對環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。與此同時,以水力和核物質(zhì)等能源為原料的電力開發(fā)也造成了氣候異常、放射性廢物處理等環(huán)境負(fù)擔(dān)。與之相比,風(fēng)力發(fā)電實(shí)現(xiàn)了污染物的零排放,極大程度上減少了環(huán)境污染,因此風(fēng)電環(huán)境效益十分顯著。［1］近年來我國風(fēng)電節(jié)能減排效益如表1所示。

表1近年來中國風(fēng)電節(jié)能減排效益年份裝機(jī)容量(GW)并網(wǎng)比例(%)利用小時(h)廠用電率(%)節(jié)煤量(萬噸)CO2減排(萬噸)SO2減排(萬噸)NOX減排(萬噸)煙塵減排(萬噸)20062558242050214352414950290270152007587716205022870883001059055030200812026992050257391165926118110060200925816822050212023534762124723012620104473695205022123456139284364062222011623669520502302081873370620578315

由表1可以看出,通過風(fēng)力發(fā)電,2006年我國節(jié)煤量、CO2減排量、SO2減排量、NOx減排量和煙塵減排量總計(jì)達(dá)到55918萬噸,2007年總計(jì)達(dá)到111853萬噸,為2006年減排量的2倍。今后各年,節(jié)能減排量每年都以2倍的速度增加。到2011年,我國風(fēng)電節(jié)能減排總量已達(dá)到1176964萬噸?？梢灶A(yù)見,未來我國風(fēng)電節(jié)能減排效益將以更大的幅度提升,從而更好地推進(jìn)我國環(huán)境友好型社會的建設(shè)進(jìn)程。未來我國風(fēng)電節(jié)能減排的效益如表2所示。

表2中國未來風(fēng)電節(jié)能減排效益預(yù)測年份裝機(jī)容量

(GW)并網(wǎng)比例

(%)利用小時

(h)廠用電率

(%)發(fā)電煤耗

(g/(kW·h)-1)煤炭替代

(Mice)CO2減排

(億噸)SO2減排

(萬噸)NOX減排

(萬噸)TSP減排

(萬噸)2015110~

13080~852050~

21502330625~

82317~22120~

158112~

14761~

802020200~

23085~902050~

215023301170~

149432~40224~

287209~

267114~

146

由表2可以看出,到2015年,我國風(fēng)電節(jié)能減排總量將在17億噸到23億噸之間；到2020年,將在32億噸到41億噸之間。其中,CO2減排量占絕大部分,這將有效地緩解溫室效應(yīng)和氣候變暖等問題,更利于我國經(jīng)濟(jì)又好又快地發(fā)展。總之,表1和表2的數(shù)據(jù)均顯示,我國風(fēng)電節(jié)能減排效益正在逐步提高,并且風(fēng)電的應(yīng)用也將越來越廣泛,因此風(fēng)電必會成為節(jié)能減排不可忽視的一部分。

相比定性分析,定量評估計(jì)算風(fēng)電工程效益可以更直觀地說明風(fēng)電的環(huán)境效益,對于風(fēng)電產(chǎn)業(yè)決策及我國實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展等有重要意義。而與傳統(tǒng)能源相比,風(fēng)電的環(huán)境效益主要體現(xiàn)在污染物的排放上,以產(chǎn)出同等電量,節(jié)約燃煤火電的能耗及減少的污染物排放量值作為風(fēng)電的環(huán)境效益指標(biāo)［3］。因此,使用數(shù)學(xué)模型計(jì)算污染物排放量定量分析風(fēng)電效益,目前燃煤火電在我國能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)絕對的主導(dǎo)地位,由此需要將風(fēng)電和火電的污染物排放進(jìn)行比較。燃煤火電所消耗的能源主要是煤炭和水,所產(chǎn)生的污染物主要包括SO2、NOx、CO2、煙塵等大氣排放物及廢水、灰渣等,其大氣綜合排放量約占全國大氣污染物總量的1/3。

311SO2排放量測算

影響SO2排放量的主要因素是燃煤中的含硫量,其次是燃燒過程中煙氣硫的轉(zhuǎn)化率。

GSO2=B×Sy×KSO2×λSO2×(1- 瘙 窞 s)

式中,GSO2為SO2排放量,B為耗煤量,Sy為燃煤應(yīng)用基含硫率,KSO2為燃煤硫向煙氣硫轉(zhuǎn)化率,λSO2為SO2與S的摩爾質(zhì)量比,等于32/16, 瘙 窞 S為脫硫效率。

影響計(jì)算的因素有煤炭含硫率、轉(zhuǎn)化率、摩爾質(zhì)量比和脫硫效率。

312NOx排放量測算

NOx的生成機(jī)理較為復(fù)雜,基本來源于燃煤中氮化物熱分解后再氧化和空氣中氮的高溫氧化這兩種途徑,其中燃料氮占主要地位。在目前常規(guī)燃燒方式下,NOx主要由NO和NO2構(gòu)成,其中NO量約占95%。

GNOx=B×n×KNOx×λNOx×(1- 瘙 窞 s)/m

式中,GNOx為NOx排放量,n為燃煤含氮率,KNOx為燃煤氮向煙氣氮轉(zhuǎn)化率,m為燃料氮生成的NOx占全部NOx排放量的比率,其他參數(shù)取值同前。

式中將燃料氮和空氣氮生成的NOx量進(jìn)行了合算,也可單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算,相應(yīng)公式為：

GNOx=B×λNOx×(1- 瘙 窞 N)×(n×KNOx+Vy×CNOx)

其中Vy為單位燃料生成的煙氣量,CNOx為燃燒時生成的溫度型NO的濃度,通常取938mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))。

影響計(jì)算的因素有煤炭含氮率、轉(zhuǎn)化率、摩爾質(zhì)量比和脫氮效率。

313CO2排放量測算

CO2排放量與多種因素有關(guān),其生成是一個復(fù)雜的變化過程。

GCO2=B×Q×E×KCO2×λCO2

式中,GCO2為CO2排放量,Q為煤炭的單位熱值,E為單位熱值下潛在的排放量,KCO2為燃料中碳的氧化率,λCO2為CO2與C的摩爾質(zhì)量比,等于44/12。

影響計(jì)算的因素有單位熱值、潛在排放量、摩爾質(zhì)量比和碳氧化率。

314煙塵排放量測算

煙塵排放量與煤的灰分及煙氣中煙塵占灰分比例有關(guān)。

Gd=B×A×dfh×(1- 瘙 窞 d)/(1-Cfh)

式中,Gd為煙塵排放量,A為煤的灰分,dfh為煙氣中煙塵占灰分的百分?jǐn)?shù),其值與燃燒方式有關(guān),Cfh為煙塵中可燃物的百分含量,與煤種、燃燒狀態(tài)和爐型等因素有關(guān), 瘙 窞 d為除塵系統(tǒng)的除塵效率。

影響計(jì)算的因素有煤灰分、煙塵比例、可燃物比例和除塵效率。

因?yàn)轱L(fēng)電基本不排放污染物,所以風(fēng)電單位污染物減排量等于燃煤火電單位污染物排放量,根據(jù)風(fēng)電的發(fā)電量來計(jì)算其總減排量。

32影響測算的因素分析

計(jì)算公式涉及了較多的參數(shù)指標(biāo),其取值需要根據(jù)燃煤火電項(xiàng)目的具體工藝技術(shù)、規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)及燃料特性等確定。

321火電污染物排放以及原材料消耗

采用中國電力企業(yè)聯(lián)合會每年定期發(fā)布的全國電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)快報(bào)中相應(yīng)的年度供電煤耗指標(biāo)。2011年,全國6000kW及以上電廠供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗333g/kW·h,發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗312g/kW·h；江蘇6000千瓦及以上電廠供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗322g/kW·h,發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗302g/kW·h。

我國煤炭含硫量平均值介于095%～105%之間,含硫量小于1%的煤炭大約占全國煤炭產(chǎn)量的70%,煤炭含氮率一般為05%～25%。根據(jù)中國煤炭實(shí)測平均數(shù)值,單位熱值為212MJ/kg,潛在排放2474kg/MJ,碳的氧化率為09。通常,煤灰分一般為10%～50%,煙塵比例為5%～60%,可燃物比例為0%～55%。燃煤污染物的排放率如表3所示。

表3燃煤污染物排放率指標(biāo)排放率/

(kg/t)指標(biāo)排放率/

(kg/t)SO288CO21731NOx77煙塵58322風(fēng)電“擠出效應(yīng)”

通常情況下,風(fēng)力發(fā)電替代火力發(fā)電能夠有效降低系統(tǒng)發(fā)電成本和實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排(減少煤炭等化石能源消耗、降低火力發(fā)電產(chǎn)生的溫室氣體和污染物排放),從而使風(fēng)能成為一種重要的替代能源。為了實(shí)現(xiàn)降低發(fā)電成本和節(jié)能減排兩大目標(biāo),往往希望既有電力系統(tǒng)盡可能多地接納風(fēng)電,使風(fēng)電“全額上網(wǎng)”成為電網(wǎng)調(diào)度的重要原則。但是,在一些特定的運(yùn)行條件下,增加風(fēng)電接入容量并不能使電能生產(chǎn)過程中的能源消耗及相應(yīng)的溫室氣體和污染物排放明顯下降,反而使全系統(tǒng)的發(fā)電成本增加,甚至還會影響系統(tǒng)頻率質(zhì)量［4］。

323地區(qū)政策

風(fēng)電投資各地區(qū)的投資收益差別很大,導(dǎo)致這種現(xiàn)象的直接原因是各地區(qū)采取的風(fēng)電發(fā)展政策有所不同。由于受到上網(wǎng)限制、電價較低等多方面影響,使得有些地區(qū)風(fēng)電項(xiàng)目設(shè)計(jì)的生產(chǎn)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到預(yù)期水平,盡管這些地區(qū)有著較為豐富的風(fēng)資源。地區(qū)政策對傳統(tǒng)能源產(chǎn)生污染物的控制,各地區(qū)對污染物排放的標(biāo)準(zhǔn)不一樣,由于稅利與火電排放的指標(biāo)要求,許多工業(yè)企業(yè)因?yàn)椴辉柑岣叱杀?同時,政府也需要這些企業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)效益,所以,工業(yè)企業(yè)和政府之間達(dá)成的平衡和默契導(dǎo)致風(fēng)電相對于火電的節(jié)能減排效益不能體現(xiàn)。

33風(fēng)電環(huán)境效益實(shí)例分析

由中國神華國華能源投資有限公司投資的國華東臺海上風(fēng)電三期工程,這一項(xiàng)目建于江蘇省東臺市東沙島東側(cè)150萬平方千米海域,總投資達(dá)66億元人民幣。根據(jù)布置方案,在場址內(nèi)布設(shè)單機(jī)容量為36MW的風(fēng)機(jī)機(jī)組84臺,總裝機(jī)3024MW,工程建成運(yùn)行后,取每年平均發(fā)電小時數(shù)為2000(2500),則每年可向電網(wǎng)輸送6048億kW·h的上網(wǎng)電量。

根據(jù)2011年,江蘇6000kW及以上電廠供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗322g/kW·h,發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗302g/kW·h。計(jì)算得國華東臺海上風(fēng)電三期工程每年可節(jié)約用煤量為182650t。

根據(jù)表3所示的各污染物排放率,計(jì)算得國華東臺海上風(fēng)電三期工程的各污染物減排量如表4所示。

表4國華東臺海上風(fēng)電三期工程污染物減排總量指標(biāo)排放總量(t)指標(biāo)排放總量(t)SO216073CO2316萬NOx14064煙塵106萬

根據(jù)表1及表2,風(fēng)電產(chǎn)業(yè)所帶來的節(jié)能減排效益正逐年增加,國華東臺海上風(fēng)電三期工程各污染物減排量可占到2011年風(fēng)電節(jié)能減排總效益的0025%～004%。2010年全國風(fēng)電裝機(jī)容量為1892799g/kW·h,增長速度為104%,而中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展正處于上升期,市場遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有飽和。

隨著每年裝機(jī)容量的增加,以及高新科技的推動,風(fēng)電產(chǎn)業(yè)所帶來的環(huán)境效益將會越來越顯著,成為可再生能源中不可分割的一部分。

4風(fēng)電節(jié)能減排經(jīng)濟(jì)效益分析

作為分布式能源的一種,風(fēng)電具有分布式發(fā)電典型的優(yōu)點(diǎn)：地理分布廣,可以在負(fù)荷中心地區(qū)就近發(fā)電；高度模塊化,容量能夠隨著逐漸增長的負(fù)荷遞增；與傳統(tǒng)電廠相比,建設(shè)周期明顯縮短,降低了資金和管理的風(fēng)險。這些特點(diǎn)都使風(fēng)電投資具有顯著的經(jīng)濟(jì)性［5］。

41風(fēng)電經(jīng)濟(jì)模型分析

411風(fēng)電場風(fēng)能與風(fēng)機(jī)功率

風(fēng)能的利用主要就是將它的動能轉(zhuǎn)化為其他形式的能,因此計(jì)算風(fēng)能的大小也就是計(jì)算氣流所具有的動能在單位時間內(nèi)流過垂直于風(fēng)速截面積A(m2)的風(fēng)能,即風(fēng)功率為：

ω=12ρν3A

ρ=12761+000366t·p-0378·pw1000

式中,ω為風(fēng)能,單位為W,ρ為空氣密度,單位為kg/m2,ν為風(fēng)速,單位為m/s。p為氣壓,單位為hp,t為氣溫,單位為℃,pw為水氣壓,單位為hpa。當(dāng)A=1時,ω為風(fēng)能密度。

額定風(fēng)速為風(fēng)力機(jī)工作在額定功率時的風(fēng)速,在這種風(fēng)速下,風(fēng)力機(jī)功率達(dá)到最大。啟動風(fēng)速為風(fēng)力機(jī)開始運(yùn)行做功時的風(fēng)速。切出風(fēng)速為極限風(fēng)速,風(fēng)力機(jī)必須停止運(yùn)行,否則會造成損壞。

412風(fēng)速概率密度

風(fēng)速分布一般為正偏態(tài)分布,因此威布爾(weibull)分布雙參數(shù)曲線最適用于風(fēng)速作統(tǒng)計(jì)描述的概率密度函數(shù)。

威布爾分布是一種單峰的,兩參數(shù)的分布函數(shù)簇,其概率密度函數(shù)可表達(dá)為：

p(v)=kc·(vc)k-1·e-(vc)k

式中,k為形狀參數(shù),c為尺度參數(shù),是威布爾分布的兩個參數(shù)。

413風(fēng)機(jī)功率

功率是力和速度的乘積,因?yàn)轱L(fēng)力和速度的平方成正比,所以風(fēng)的功率與速度的三次方成正比,

P=12CPAρν3

A=πR2

式中,P為風(fēng)輪輸出功率,Cp為風(fēng)輪的功率系數(shù),A為風(fēng)輪掃掠面積,ρ為空氣密度,ν為風(fēng)速,R為風(fēng)輪半徑。

年平均輸出功率為

Pa=∫v1v0Ps(v)·p(v)dv

式中,v0與vi分別表示風(fēng)力機(jī)啟動風(fēng)速和停機(jī)(截止)風(fēng)速,p(v)為風(fēng)速概率密度函數(shù),Ps(v)為輸出功率特性。

額定功率為(風(fēng)速為額定風(fēng)速時)：

Pr(vr)=12p·Cp·A·v3r

414風(fēng)機(jī)特性

(1)輸出功率特性Ps(v)

Ps(v)=00≤v≤v0

瘙 窞 （v）·Pr(vr)v0≤v≤vr

Pr(vr)vr≤v≤vi

0v≥vi

式中, 瘙 窞 (v)是輸出特性,是一個與風(fēng)速有關(guān)的復(fù)雜函數(shù)。

(2)容量系數(shù)F

F=Pa/Pr(vr)

式中,Pa為年平均輸出功率,Pr為額定功率。

415風(fēng)機(jī)發(fā)電量

風(fēng)力機(jī)年發(fā)電量：

W=8760·F·Pr(vr)

式中,F為風(fēng)力機(jī)容量系數(shù),Pr(vr)為風(fēng)力機(jī)額定功率。［6］

42風(fēng)電成本量化分析

在節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展等概念的刺激下,資本市場勁吹“風(fēng)電風(fēng)”。眾多擁有風(fēng)電概念的公司股價開始“迎風(fēng)起舞”；國產(chǎn)風(fēng)電技術(shù)水平與國際差距大、國產(chǎn)化率低,因而導(dǎo)致國內(nèi)風(fēng)電成本居高不下,風(fēng)電價格高過火電價格數(shù)倍。

421風(fēng)電成本

與火力發(fā)電相比,風(fēng)電運(yùn)行費(fèi)用較低,但建場投資大,所以風(fēng)電工程需要較長的資本回收期。

風(fēng)力發(fā)電成本:

C=r·(1+r)n(1+r)n-1·［19760］(1)

式中,C為單位風(fēng)電成本,單位為元/kW·h；Q為單位建廠投資,單位為元/kW；n建廠投資回收時間,也即風(fēng)電場使用壽命期望值；r投資貸款年利率。

令D1=r·(1+r)n(1+r)n-1·［19760］,代入式(2)得：

C=D1·(2)

式中,D1為經(jīng)濟(jì)系數(shù),可視為常數(shù)。

根據(jù)風(fēng)力機(jī)投資與風(fēng)電場投資關(guān)系,可令Q=D2·R,R為風(fēng)力機(jī)每kW的投資,即風(fēng)力機(jī)價格,D2為比例系數(shù),取值范圍為12~14,準(zhǔn)確值取決于風(fēng)力機(jī)容量及其價格,風(fēng)力機(jī)容量越大,D2越小,此時：

C=D1·D2·R/F(3)

令D=D1·D2,得：

C=D·R/F(4)

由式(5)可知,若要降低風(fēng)電成本,最直接最有效的辦法就是降低風(fēng)力機(jī)投資和提高風(fēng)力機(jī)容量系數(shù)。由于風(fēng)力發(fā)電的一次能源費(fèi)用可視為零,因此發(fā)電成本就是建場投資與發(fā)電量之比［7］。

422風(fēng)力機(jī)對風(fēng)電成本的影響

風(fēng)力機(jī)參數(shù)Pr、H以及vi、vr和v0相關(guān)數(shù)據(jù)如表5所示?？紤]到現(xiàn)有國產(chǎn)大型風(fēng)力機(jī)的容量,選擇200kW和600kW兩個容量級別,每級都有一國產(chǎn)機(jī)組和兩個進(jìn)口機(jī)組,共6種機(jī)型。

表5風(fēng)力發(fā)電成本主要影響因素分析與計(jì)算序號型號產(chǎn)地P(kW)H(m)vi(m·s)vr(m·s)vc(ms)1Xw ec-Jacobs中國60065315242tache600德國600603515253NM 600/43丹麥60056415254FD-24-20中國200304514285MS-2-2英國200255125256M 30意大利2003051120

目前我國風(fēng)力機(jī)國產(chǎn)化率不高,依賴進(jìn)口,風(fēng)力機(jī)價格居高不下,提高風(fēng)力機(jī)的國產(chǎn)化率水平可以極大降低風(fēng)力機(jī)價格,推進(jìn)風(fēng)電工程建設(shè)。

43風(fēng)電經(jīng)濟(jì)效益實(shí)例分析

由中國神華國華能源投資有限公司投資的國華東臺海上風(fēng)電三期工程,這一項(xiàng)目建于江蘇省東臺市東沙島東側(cè)150萬平方千米海域,北緯32°33′～32°57′,東經(jīng)120°07′～120°53′,地勢平坦,地面高程14～51米,大部分地區(qū)在26～46米。

該項(xiàng)目總投資達(dá)66億元人民幣,根據(jù)布置方案,其工程全部采用上海電氣風(fēng)電設(shè)備有限公司制造的36MW風(fēng)機(jī)共84臺,總裝機(jī)3024MW。

此類風(fēng)機(jī)額定功率為36MW,切入風(fēng)速35m/s,額定風(fēng)速12m/s,切出風(fēng)速25m/s,風(fēng)輪直徑116米,掃風(fēng)面積10568m2,輪轂高度80米,轉(zhuǎn)速范圍83～154/min。如圖1是W3600-116標(biāo)準(zhǔn)功率曲線。

圖1W3600-116標(biāo)準(zhǔn)功率曲線

東臺沿海地區(qū)各季節(jié)及全年70米高度Weibull參數(shù)、相當(dāng)風(fēng)速、有功風(fēng)功率密度及平均風(fēng)能密度如表6所示。

表6東臺市70米高度Weibull參數(shù)、相當(dāng)風(fēng)速、有功風(fēng)功率密度及平均風(fēng)能密度［8］

季節(jié)統(tǒng)計(jì)量形狀參數(shù)k尺度因子c(m/s)相當(dāng)風(fēng)速(m/s)有功風(fēng)功率密度(W/m2)平均風(fēng)能密度(W/m2)春季27679664832043209夏季23971460625282536秋季29071157622272233冬季27472859524572464全年26673860726022609

根據(jù)文獻(xiàn)8的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果,東臺市全年55～75m/s的風(fēng)速最常出現(xiàn),風(fēng)機(jī)功率為600kW。根據(jù)公式

W=8760·∫7555266738·（v738）166·e-(v738)266dv

計(jì)算得風(fēng)力機(jī)風(fēng)電機(jī)年發(fā)電量為38Mw·h。

根據(jù)全國發(fā)展和改革委員會2009發(fā)布的完善風(fēng)力發(fā)電上網(wǎng)電價政策的通知,江蘇省屬于IV類資源區(qū),其風(fēng)力發(fā)電標(biāo)桿上網(wǎng)電價為061元/(kW·h)。所以此項(xiàng)目建成運(yùn)行后年收入可達(dá)232億元。

5結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們環(huán)保意識的不斷提高,“低碳”的生活概念正在影響著人們的日常生活,風(fēng)能作為一種可持續(xù)供給的清潔能源,具有低價、環(huán)保、便捷等特點(diǎn),因此一度被認(rèn)為是最具開發(fā)和利用前景的可再生資源。風(fēng)力發(fā)電與火力發(fā)電、水力發(fā)電等其他發(fā)電方式相比,在環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和發(fā)展?jié)摿Φ确矫嬗兄薮蟮膬?yōu)勢。目前,風(fēng)電已成為具有較強(qiáng)經(jīng)濟(jì)競爭力的可再生能源發(fā)電技術(shù)。因此對風(fēng)電節(jié)能減排工程效益做好評估已變得至關(guān)重要。

本文從風(fēng)電工程與傳統(tǒng)能源相比的優(yōu)勢出發(fā),對風(fēng)電的兩個主要效益——環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了計(jì)算和評估。在環(huán)境效益部分分析并建立了相應(yīng)的簡化計(jì)算方法,將便于規(guī)范統(tǒng)一和快速計(jì)算風(fēng)電項(xiàng)目的環(huán)境效益。其中的定量分析主要依據(jù)燃煤火電的污染物排放量來界定風(fēng)電項(xiàng)目同等發(fā)電量情況下的減排量,由于火電行業(yè)未來的可能的發(fā)展趨勢和技術(shù)發(fā)展,簡化計(jì)算公式中的各污染物排放率也會發(fā)生相應(yīng)改變,因此簡化計(jì)算方法關(guān)鍵在于其理論基礎(chǔ)和行業(yè)發(fā)展。在經(jīng)濟(jì)效益部分主要分析了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)投資目前的狀況,以及產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中所帶來的收益。通過相互的關(guān)聯(lián)比較,分析風(fēng)電產(chǎn)業(yè)投資機(jī)會條件,以及可以遇到的風(fēng)險問題。鑒于風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈帶動經(jīng)濟(jì)的相關(guān)關(guān)聯(lián),分析了風(fēng)電相關(guān)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r。除此之外,本文基于大量的資料收集和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)整理,對風(fēng)電經(jīng)濟(jì)模型及風(fēng)電成本量化進(jìn)行分析,運(yùn)用經(jīng)濟(jì)學(xué)和數(shù)學(xué)方法建立模型,定量分析效益成果,并從宏觀分析其經(jīng)濟(jì)意義。

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［基金項(xiàng)目］國家自然科學(xué)基金(71373005);江蘇省教育廳重點(diǎn)基地項(xiàng)目(2012ZDIXM012,2012JDXM004);航空科學(xué)基金(2013ZG52079);2013年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201310287051,江蘇風(fēng)電節(jié)能減排貢獻(xiàn)的測算與政策選擇)資助。