西北地区3种新能源发电技术效能评估

(中国人民解放军陆军工程大学,重庆 400000)

我国西北地区为世界现代干旱区之一,具有典型的温带大陆性气候特征。西北地区风力强劲,加之地表大部分为疏松的沙物质,容易出现风沙弥漫的天气。

西北地区较为恶劣的地理环境和气候特征导致了该地区的用电问题较多。虽然该地区用电量不多,但是仍然不能达到不间断供电。

根据西北地区的地理特点以及国家电网输电线路的局限性,可以选择适合该地区的新能源供电方式,如太阳能光伏发电、太阳能热发电、地热发电、风力发电等,从而弥补供电不足和电力系统故障率高的缺点。

1 西北地区新能源资源概述

1.1 太阳能光照资源

西北地区云量少,空气干燥,日照百分率一般在70%以上,年日照时数为2 800～3 400 h,其中内蒙古西部、新疆东部、柴达木盆地和河西走廊地区年日照时数多达3 400 h,为全国最高[1]。

由于光照资源充足,因此太阳能发电成为了该地区供电的主要方式。太阳能发电具有设备结构简单、安装方便、清洁无污染等优点,但由于太阳能较为分散,因此这种发电方式又有着一定的局限性。

1.2 风力资源

西北地区很多地方以荒漠性土地为主,导致该地区常年有风,一般以春季与初夏风速最大。风速在地域分布上呈北大南小的特点。

西北地区风力强劲,而且地表大部分为疏松的沙物质,因此导致风沙弥漫,能见度极低。沙尘暴对人民的生产生活影响极大,同时也造成电力设备的严重磨损,线路的导电能力减弱甚至线路损坏。

1.3 地热资源

我国西北地区的地热资源早已得到开发和利用,尤其是西藏北部的高温地热田和青海、新疆地热带,所以利用好地热这种新能源可以大大缓解西北地区的电力紧缺状况。

西北地区特殊的自然环境对地热发电存在一定的影响。风沙的侵蚀和温差的变化以及技术水平的局限,使得地热发电的作用需要进一步加强。

2 效能评估

结合西北地区的地理情况,通过数学方法,将适合于西北地区使用的3种新能源发电技术进行定量分析与评估,最终得出全面可靠的结论。本文运用层次分析法,将定性指标与定量指标相结合,对3种发电技术进行综合比较。

层次分析法的核心是将复杂问题分解为多个构成因素,将这些构成因素按照支配关系进行分组,从而形成层次间自上而下的逐层支配关系结构,再综合人的判断来决定决策诸因素相对重要性的顺序。

2.1 建立层次结构模型

根据西北地区使用设备的环境和3种发电技术的特点,将影响设备使用的相关因素按层次进行排列,最终将结构模型分为3层,包括目标层、指标层和评估对象层。将综合效能作为目标层,将影响因素作为指标层,把要比较的系统作为评估对象层,如图1所示。

2.2 构造判断矩阵

在建立层次结构模型的基础上,逐层对各个因素进行两两比较,采用1～9尺度,具体如表1所示。

图1 层次结构模型Fig.1 Hierarchy model

表1 指标权重标度

注:2、4、6、8为上述相邻判断的中值。

根据表1和图1以及3种供电方式的性能差异,建立各影响因素对效能的相对重要程度比较关系,具体如表2所示。为便于分析,对指标层的各个因素用符号表示,依次为环境限制B1、故障率B2、安装工序B3、维修方便B4、操作简单B5、设备成本B6、供电能力B7。

表2 指标层与目标层判断矩阵Tab.2 Judgment matrix of indicator layer and target layer

根据表2,建立中间层对目标层的判断矩阵,具体如下所示:

2.3 层次的单排序及一致性检验

采用和积法计算判断矩阵(指标层相对于总目标的判断矩阵)的最大特征根及单排序权值。

将矩阵各列进行归一化处理,计算结果如表3所示。

表3 归一化处理后的数值Tab.3 Numerical value after normalization processing

根据表3得到各行求和后的算术平均值,即单排序权值,具体如表4所示。

表4 单排序权值Tab.4 Single-order weight

由表4可得到单排序优先权重向量

W=(0.328 3,0.057 6,0.030 0,0.158 0,

0.117 7,0.042 0,0.257 7)T

记指标层与目标层判断矩阵为R,计算R的最大特征根λmax。计算过程如下所示:

式中:(RW)i为RW的第i个元素;wi为W的第i个元素。判断矩阵A的一致性检验如下所示:

RI=1.32

式中:RI为修正因子。RI是平均随机一致性指标,不同的维度有不同的数,通过查表可得[2]。由CI和RI可得

可见判断矩阵A具有满意的一致性。

对影响因素层(指标层)和方案层(评估对象层)建立评估对象对各影响因素的相对重要程度比较关系。

将评估对象层中风力发电、地热发电和太阳能光伏发电分别定义为C1、C2、C3。

采用同样的方法分别建立判断矩阵(见表5～11),并得到各自单排序权值及一致性检验结果。

表5 B1-C判断矩阵Tab.5 B1-C judgment matrix

表6 B2-C判断矩阵Tab.6 B2-C judgment matrix

表7 B3-C判断矩阵Tab.7 B3-C judgment matrix

表8 B4-C判断矩阵Tab.8 B4-C judgment matrix

表9 B5-C判断矩阵Tab.9 B5-C judgment matrix

表10 B6-C判断矩阵Tab.10 B6-C judgment matrix

表11 B7-C判断矩阵Tab.11 B7-C judgment matrix

由表5～11得到的单排序优先权重向量与一致性检验结果如下所示:

Y1=(0.234 4,0.077 8,0.687 7)T,λmax=3.076 7,

CR=0.066 1<0.1

Y2=(0.103 8,0.231 1,0.665 1)T,λmax=3.087 0,

CR=0.075 0<0.1

Y3=(0.687 7,0.077 8,0.234 4)T,λmax=3.077 5,

CR=0.066 8<0.1

Y4=(0.193 2,0.083 3,0.723 5)T,λmax=3.065 8,

CR=0.056 7<0.1

Y5=(0.633 3,0.106 2,0.260 5)T,λmax=3.038 7,

CR=0.033 4<0.1

Y6=(0.186 3,0.076 8,0.737 0)T,λmax=3.044 5,

CR=0.038 4<0.1

Y7=(0.186 3,0.076 8,0.737 0)T,λmax=3.044 5,

CR=0.038 4<0.1

由计算结果发现,评估对象层相对于影响因素层的CR(一致性比例)均小于0.1,所以均具有满意的一致性。

2.4 层次总排序

评估对象层3个可行方案对指标层各影响因素的优先权重向量Yj(j=1,2,3,4,5,6,7)所构成的矩阵为

3个可行方案对总目标的组合优先权重向量

R总=YW=(1.849 6,0.628 8,4.457 7)T

从以上结果可以得出,这3种方案由优到劣的顺序依次为C3、C1、C2,即太阳能光伏发电技术效能最佳,其次为风力发电技术,最后为地热发电技术。

根据研究结果可以将太阳能光伏发电和风力发电2种发电技术结合起来投入使用,这样效果更好,可靠性更高。

3 结语

通过本文研究可以认识到太阳能光伏发电技术和风力发电技术仍然是比较可靠和实用的新能源发电技术,尤其是将两者结合起来使用可以最大程度地经受住西北地区恶劣环境的考验,提高供电有效性,大大增强供电保障能力。虽然前期投入成本较大,需要的工作量也比较多,并且在工作的过程中设备故障会时有发生,但是从长远来看,这样的发电方式对环境没有污染。西北地区用电量不是特别大,如果这样的新能源供电方式有着比较完善的配套管理维护机制,就会长期而有效地解决该地区供电保障问题。

参考文献:

[1] 俞树毅.西北地区区域环境资源法制研究调查[M].兰州:兰州大学出版社,2007.

YU Shuyi.Investigation of regional environmental resources law in Northwest China[M].Lanzhou:Lanzhou University Press,2007.

[2] 张杰.效能评估方法研究[M].北京:国防工业出版社,2009.

ZHANG Jie.Research on effectiveness evaluation method[M].Beijing:National Defense Industry Press,2009.