一种综合性新能源发电生态系统模型及其站址选择

内蒙古电力勘测设计院有限责任公司 内蒙古电力经济技术研究院 ■ 塔拉 宿东升 阿力夫

0 引言

随着全球环保问题日益严峻、化石能源越发枯竭，人类对清洁能源、可再生能源的关注和探索达到了前所未有的高度。随着我国能源战略的调整，特别是《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014～2020年)》及《“十三五”国家科技创新规划》发布后，在我国大范围建设煤电机组的可能性越发减少，新能源发电领域遇到了空前的发展空间。

风能和太阳能有着无限的利用空间，在过去一段时间，风力发电和光伏发电在我国电力行业得到很好的发展。但由于风力发电和光伏发电的波动性，使其存在发电不稳定和发电时间不确定等天然属性的弱点，若每种能源都独立运转，将无法克服其弱点，效益和作用也将有限。结合自然环境条件，选择合适的可再生能源种类，通过相互整合转换，给电网提供一种稳定的、持续的电力将是新能源发电急需解决的问题。

业内曾经提出过风光互补系统、风光油互补系统来解决上述问题。风光互补系统是风力发电和光伏发电的互补性发电系统，其理念是利用风能和光伏在时间上的互补性，即太阳光最强时，风能往往很小，而光照变弱时，风能因地表和空中温差变大而加强，夏季太阳光强度大而风小，冬季太阳光强度弱而风大。风光油互补系统是在风光互补系统基础上加入柴油发电系统，可提高整个系统电力输出的稳定性和持续性。

但上述两种系统均有各自的局限性。首先，风光互补系统中所述的风能和光伏的时间互补性为相对概念，而不是绝对概念。随着低风速风电机组的推广，风力发电机组全天候运行成为可能，而光伏发电无法夜间发电，使整个系统无法持续稳定的供电。其次，风光油互补系统虽能保证持续稳定供电，但它依然离不开对化石能源的依赖。

本文所论述的综合性新能源发电生态系统主要基于内蒙古地区的自然和经济环境，将风能、光伏、光热、生物质气化的互补发电与发电生态系统及区域经济体相结合。该系统将完全依靠清洁可再生能源发电，给系统提供一种稳定的、持续的电力，并与当地居民的生活、经济融为一体。

1 综合性新能源发电系统

综合性新能源发电系统为综合性新能源发电生态系统的主要组成部分，它在系统中承担有机结合各发电子系统并将所发电量稳定输出的任务。

1.1 综合性新能源发电系统的设想

以发挥各发电子系统的优点、互补其弱点为出发点，建立一种以风能、光伏、光热、生物质气化发电子系统组成的综合性新能源发电系统，可达到整个系统的最优性能；同时，为达到整个系统的最佳经济性，风力发电和光伏发电系统中不设置蓄电池储能，而是在槽式太阳能热发电和塔式太阳能热发电系统中设置储热系统。各子系统所发电量并到同一个汇流站，从汇流站统一向电网或用户供电。

综合性新能源发电系统中，生物质气化发电可提供不间断可调的电力，因此根据站址自然条件、电网需求、当地政策及经济状况，在确定整个系统的容量情况下，以生物质气化发电作为可调电力，有机分配其他子系统的容量，克服风力发电和太阳能发电的波动性。同时，用生物质气化系统向全系统提供生活用气、冬季供暖和光热发电系统的防凝用气，可解决对外部化石能源的依赖。最终完全依靠系统本身给电网提供稳定的、可调性的电量，甚至具备独立微网运行的条件。

1.2 综合性新能源发电系统的容量和配比分析方法

确定发电系统的整体容量时可采用两种方法，一种是根据电网或独立微网用户的需求来确定，称之为正推法；另一种是根据当地的生物质气化原料的供应能力来确定生物质气化发电站容量，在此基础上进一步确定其他发电系统的容量，称之为反推法。正推法是建立在电力需求的基础上，然后根据生物质气化发电系统的需要扩展或缩小生物质气化原料的采购量，它的优点是符合电力需求市场，适合于向独立微网系统供电；反推法是建立在生物质气化原料的供应能力上，它的优点是符合当地的经济状况，有利于建设围绕当地资源的循环生态系统，适合于向大电网系统供电。

整个系统中生物质气化发电是作为调节剂参与，所以其系统容量配比很关键。影响各发电系统配比的主要因素有：1)太阳能发电站满负荷发电运行的有效时间为9:00～15:00；2)在目前的技术条件下，根据不同的地区和容量，槽式太阳能热发电和塔式太阳能热发电系统的储热能力为6～10 h；3)当地气候的变化对风力发电和太阳能发电的影响；4)生物质气化发电系统中需考虑部分电站生活用气、冬季供暖和光热发电系统的防凝用气量； 5)用户系统的电量峰谷值和所呈现的时间规律；6)当地自然资源条件，即光资源、风资源、水资源、土地资源；7)建设单位的投资决策，即在风能、光伏、槽式太阳能热发电和塔式太阳能热发电中资金的分配意向。在正推法中，对上述几个因素进行技术经济性分析后即可确定生物质气化发电系统的容量；在反推法中，需先确定生物质气化发电系统的容量，然后根据上述几个因素的技术经济性分析确定各发电子系统的容量。

2 综合性新能源生态系统

综合性新能源生态系统为综合性新能源发电生态系统的另一个主要组成部分，由内部生态系统和外部生态系统组成。它的主要任务是发电系统与林业、养殖业、农业有机结合，把发电系统带给自然和经济活动的负面影响减少到最小，以达到和谐发展的目的。

2.1 内部生态系统

发电系统中，风力发电机组用地为点征，其场地属于开放性区域；其他发电系统的场地均属于封闭式区域，其中生物质气化发电站内无可用空地。在光伏发电站的光伏组件之间、槽式太阳能热发电站的集热场集热器回路之间或塔式太阳能热发电站的定日场定日镜之间，为保证采光，常留有一定空间。其中，槽式太阳能热发电站集热场内不宜采取大面积绿化，因为一旦高温导热油泄露，大面积绿化会扩大火灾影响面。所以各发电子系统中，只有光伏发电站和塔式太阳能热发电站内有条件发展养殖业，可种植牧畜草和农作物。

农业光伏是当前较为流行的一种概念，主要是利用光伏组件与组件之间的阴影空地，种植一些对阳光照射需求较小的农作物，如菌类等。相比农作物，牧畜草对阳光的照射需求较小，且无需每年进行种植作业，对光伏组件及站内管线的干扰非常小，更适合在光伏发电站中种植。

笔者发现在有些光伏发电项目中结合了羊群养殖，但这并不是最理想的方式。为避免羊对光伏组件的冲撞和摩擦，必定要加高光伏组件支架的高度，这将增加光伏发电工程的造价。所以为了不增加光伏发电工程的造价，在光伏发电站内养殖家禽及小型动物(如鸡、鸭、兔子等)将是更符合实际的选择。

图1 综合性新能源发电生态系统示意图

塔式太阳能热发电站中，为满足运行检修时大面积单体定日镜的竖放需求，定日镜支架高度均较高(一般在3 m以上)；若要满足定日镜水平放置要求，定日镜之间的间距也需较大，并且相邻定日镜的间距随与吸热器支撑塔距离的增加而增大。所以，塔式太阳能热发电站中可养殖绵羊、种植牧畜草和农作物，特别是定日镜采用径向错列布置时，可满足农作物种植条件。

综合上述，可在光伏发电站内种植牧畜草和养殖鸡、鸭、兔子等小型动物，可根据具体情况在塔式太阳能热发电站中养殖绵羊、种植牧畜草和农作物。同时，还可将动物粪便、牧畜草和农作物的残渣作为生物质气化发电站的原料，从而建立内部有机循环生态系统。这将是一个非常好的经济亮点。

2.2 外部生态系统

外部生态系统主要是指当地林业、牧业、农业与生物质气化发电系统的相互关系，其作用方式与内部生态系统相似，不同之处在于生物质气化发电站的原料来源主要是如木屑、农作秸秆、动物粪便、居民生活污水和垃圾、工业有机废水和固体垃圾等废弃物。除此之外，生物质气化发电系统需考虑向当地居民提供生活用气、夏季供冷及冬季供暖用气，保证当地居民利用清洁、高效的能源。

3 建立综合性新能源发电生态系统的优势及意义

综合性新能源发电生态系统对国家可持续发展、节能减排、能源安全、废弃物综合循环利用、生态环境保护、发展生态农业等都具有实质性的意义。

1)符合国家政策和地区特点。2016年8月8日正式发布的《国务院关于印发“十三五”国家科技创新规划的通知》中强调，要发展可再生能源大规模开发利用技术，重点加强高效低成本太阳电池、太阳能热发电、太阳能供热制冷、大型先进风电机组、海上风电建设与运维、生物质发电供气供热及液体燃料等技术的研发及应用；要大力发展清洁低碳、安全高效的现代能源技术，支撑能源结构优化调整和温室气体减排，保障能源安全，推进能源革命[1]。综合性新能源发电生态系统涉及了上述《通知》中提到的多项技术，并把这些技术有机结合成一个系统；内蒙古地区风资源、光资源丰富，并有大范围的林业、牧业、农业经济基础，非常适合发展综合性新能源发电生态系统。

2)改进新能源发电的结构，优化新能源发电供电特性。综合性新能源发电生态系统通过各子发电系统的科学有机融合后，完全具备依靠清洁、可再生能源为大电网系统、独立微电网系统提供稳定、持续可调的电能的能力，为新能源发电真正成为电网主力军提供条件。

3)促进经济发展，提升对环境的保护，改变能源利用模式，建立循环经济模式，造福于当地全体居民。综合性新能源发电生态系统建立后必然会刺激当地林业、牧业、农业及农贸交易市场的发展，同时能解决广大农牧业地区的林业、牧业、农业残余物的焚烧，以及生活、餐饮垃圾等带来的环境污染问题；改变当地传统的能源利用模式，提高能源利用率，为当地居民使用清洁高效能源提供保障。生物质气化工程中产生的排渣物，如沼渣、沼液、液态生物二氧化碳等有机肥可用于林业、农业，能使废品全部高效回收利用。综合性新能源发电生态系统可与当地经济活动紧密相连、相互作用，形成循环经济发展模式，造福于当地全体居民。

4)解决了太阳能热发电依赖化石能源的缺点。太阳能热发电的传热介质、储热介质均涉及防凝问题，防凝热源的原料以前大多依靠煤、油、天然气，而综合性新能源发电生态系统依靠生物质气化系统来解决太阳能热发电的防凝热源原料，整个系统运行无需依靠化石能源。

5)起到实验性基地的作用。综合性新能源发电生态系统为新型发展模式，在多种新能源发电系统同一平台上对比分析、联合运行等技术领域起到实验性作用。

4 站址选择

站址选择需考虑多种因素，本章节主要从太阳能资源、风资源、土地资源、交通运输条件、机场及航道、区域经济活动等方面对综合性新能源发电生态系统站址选择应注意的事项进行论述。

4.1 太阳能资源

综合性新能源发电生态系统中，光伏发电和太阳能热发电系统对太阳能资源的要求最为明显，其中太阳能热发电系统的要求更为苛刻。国际上一般认定，太阳年直射辐射量达到l700 kWh/(m2·a)才满足电站运营经济性要求，才具有开发价值[2]；项目地年直射辐射量达1870 kWh/(m2·a)才满足商业开发聚光太阳能电站的要求[3]。这个认定可作为衡量站址太阳能资源是否合格的一个标准，站址所在地太阳年直射辐射量可收集站址附近具有太阳直射辐射长期观测记录的气象站的数据，若无相关观测记录，则需要设立测光设备进行收集[4]。

4.2 风资源

对单个风力发电系统而言，站址风资源越丰富越好，但风速对光伏组件和支架刚度、槽式太阳能热发电集热器聚焦、塔式太阳能热发电定日镜稳定反光均有负面影响，这是站址选择中需特别注意的事项。为了有利于风力发电系统，且不影响其他系统的安全稳定发电，站址选择时应尽量避开风速超过15 m/s的地区。

4.3 土地资源

站址土地资源主要包括用地面积和站址地势地形两方面。

1)用地面积。相对于传统的燃煤发电机组，综合性新能源发电生态系统的单位用地指标较大。其中，光伏发电系统光伏组件采用固定式安装的占地面积约为2.0 hm2/MW，采用平单轴跟踪的占地面积约为3.0 hm2/MW，采用双轴跟踪的占地面积约为7.5 hm2/MW；且随着地势复杂程度变大，占地面积会随之变大。槽式太阳能热发电系统占地面积约为4.0 hm2/MW；塔式太阳能热发电系统占地面积约为6.0 hm2/MW。风力发电机组为分散性布置，所以风力发电系统占地无固定指标，一般风力发电机组之间的间距为5倍的叶片高度(轮毂高度加叶片长度)。生物质气化发电系统根据不同的生产流程和功能性质，所占地面积浮动较大，一般约为1.0 hm2/MW。

2)站址地势地形。综合性新能源发电生态系统中，槽式太阳能热发电系统对场地地势地形要求最为严格：对于北回归线以北的地区，站址尽量选择北高南低且坡度小于2%、东西方向基本相平的场地；若选择在南高北低地区时，坡度不宜大于1%[4]。生物质气化发电系统对站址地势地形的要求与常规燃煤发电厂基本一致。光伏发电和塔式太阳能热发电系统对站址的地势地形较为灵活，可有一定的地势起伏和地形坡度，但尽量选择地势起伏和地形坡度较小的地方。风力发电系统对站址地势地形要求最为灵活，在满足其建设期间和运行维护期间车辆行驶的要求下，可选择地势起伏和地形坡度较大的地区或山区。

相比常规燃煤发电厂，综合性新能源发电生态系统占地均较大，对站址地势地形要求较高，使其土地资源问题显得非常突出。站址选择时，可选择站区及山前缓坡地和平原地区，尽量选择在荒漠化和沙漠化地区，不宜考虑草原、林地、耕地等区域；在满足系统要求的前提下，应尽量降低征地费用和对自然环境的影响。

4.4 交通运输条件

对外交通运输条件对综合性新能源发电生态系统非常重要。首先，交通运输条件承担着系统建设期间大量的各种类型的设备材料和人员运输；其次，其承担着系统运行后大量生物质气化系统原料，以及人员和普通物流的运输；再次，它承担着系统运行后副产品的对外运输，这极为重要。外部运输所经公路等级、路径均需要满足生物质气化系统原料和系统副产品的对外运输的要求。电站离主干公路的距离、主干公路的等级、主干公路的路径等因素可作为衡量站址交通运输条件的指标[4]。

4.5 机场及航道

综合性新能源发电生态系统对机场及航道的影响主要来自3方面：1)高大建筑物，如风机、塔式太阳能热发电系统的吸热塔、槽式太阳能热发电系统和塔式太阳能热发电系统的烟囱，都会对机场和航道有较大的影响；2)阳光在槽式太阳能热发电系统的反射镜和塔式太阳能热发电系统的定日镜上部分反射对周围机场跑道及航线的影响；3)风机对风流、云彩、鸟类活动产生的改变对周围机场跑道及航线有一定的影响。

4.6 区域经济活动

区域经济活动对综合性新能源发电生态系统站址的影响主要来自3方面：1)生物质气化系统原料均来自于站址周围的林业、养殖业、农业的残余物及废弃物和生活、工业垃圾，区域内是否有与原料供给相关的产业及其场所位置将直接影响原料供给的方便可靠和成本；2)内部生态系统的畜禽等副产品销售需要有方便可靠的交易场所，区域经济活动的特点和位置对此有较大影响；3)生物质气化系统可供给当地居民生活用气、生活用气、夏季供冷及冬季供暖用气，站址与所服务对象之间的距离将影响供气的安全可靠性和经济性。

站址应尽量选择在以林业、牧业、农业、养殖业作为主要经济活动的区域，并选择在距当地居民和主要经济活动场所较近的位置，有利于整个系统的安全可靠运行和降低成本。

5 结语

综合性新能源发电生态系统是一种由各种新能源发电和当地经济活动有机结合组成的新型系统，它的立足点在于独立、持续、可调性的新能源发电特点和与当地经济和谐发展的模式。本文分析了综合性新能源发电生态系统各发电子系统的特点，并提出建立综合性新能源发电系统及生态系统的设想，论述其优势及意义，总结其站址选择的注意事项，为投资方、设计单位提供一种新的发展模式和参考。

[1]国家发展和改革委员会.国务院关于印发“十三五”国家科技创新规划的通知[R].北京,2016.

[2]International Energy Agency.Renewable Solar Power Generation Status & Prospects[R].Paris,2003.

[3]闫晓宇.CPS电站设计中光资源评估方法分析[A].2015年度锅炉汽轮机专业技术交流大会论文集[C].南京,2015.

[4]塔拉,韩淑秀,魏巍．槽式太阳能热发电站站址选择与总图运输设计[J]．内蒙古电力技术，2016,34(3):5－10.