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1、中国西部农村电气化过程中非联网可再生能源的选择 中国西部农村电气化过程中非联网可再生能源的选择 执行单位：美国德拉瓦大学 能源环境政策中心 资助单位：中华人民共和国农业部 美国国家可再生能源实验室 课题指导:John Byrne Young-Doo Wang 沈波 课题组成员：周爱明 赵吉宏 山口卓勇 Jessie Manuta William Smith，Jr.Govind Gopakumar Subid Wagley Christopher Linn Johanna Gregory Kenneth Wicker Venkatesh R Iyer i 中国西部农村电气化过程中非联网可再生能源
2、的选择 中国西部农村电气化过程中非联网可再生能源的选择 执行单位：美国德拉瓦大学能源环境政策中心 资助单位：中华人民共和国农业部 美国国家可再生能源实验室 课题组成员：周爱明 赵吉宏 山口卓勇 Jessie Manuta William Smith，Jr.Govind Gopakumar Subid Wagley Christopher Linn Johanna Gregory Kenneth Wicker Venkatesh R Iyer 课题指导:德拉瓦大学能源环境政策中心 主 任 John Byrne 副主任 Young-Doo Wang 博士后 沈波 ii联系办法：电子邮件：jbbyr
3、neudel.edu 电 话：(302)831-8405 传 真：(302)831-3098 网 址：http:/www.udel.edu/ceep/iii 前言 非常高兴向美国国家可再生能源实验室(NREL)提交这份研究报告。在美中能源效率和可再生能源技术发展与利用领域合作议定书伞型框架下，本研究报告对非联网可再生能源系统进行了深入分析，同时对中国西部可再生能源利用作了全面的社会经济性评价。能源环境政策中心(CEEP)对报告的研究结果负责。在项目实施过程中，得到中国农业部，中国科学院政策管理所和可再生能源发展中心(CRED)大力合作和许多建议，在此一并表示感谢。希望此报告对今后中国农村地区可
4、再生能源利用领域的后续研究有所帮助。John Byrne 德拉瓦大学 能源环境政策中心主任 iv目 录 概概 要要.1 1.背景和介绍背景和介绍.4 1.1 背景.4 1.2 目标.4 1.3 方法.5 1.4 可再生能源与农村电气化.5 2.中国西部概况中国西部概况.6 2.1 内蒙古自治区.7 2.2 青海省.8 2.3 新疆维吾尔族自治区.9 3.独立的可再生能源系统的经济性独立的可再生能源系统的经济性.10 3.1 独立的可再生能源系统.10 3.2 RREAD 概述.11 3.3 能量分析.14 3.4 经济学分析.18 3.5 敏感度分析.20 3.6 小结.21 4.西部地区独立
5、的可再生能源系统的经济性西部地区独立的可再生能源系统的经济性.22 4.1 内蒙古、青海和新疆的资源评价.22 v4.2 均摊成本分析.23 5.非联网用户的社会经济评价模型非联网用户的社会经济评价模型.34 5.1 社会经济性评价概述.34 5.2 农村可再生能源调查.34 5.3 数据整理.36 5.4 描述性和比较性的统计分析.37 5.5 影响对可再生能源系统态度的社会经济条件.39 5.6 小结.40 6.西部农村可再生能源系统市场潜力预测西部农村可再生能源系统市场潜力预测.41 6.1 对数回归模型的建立.41 6.2 确定可再生能源系统购买者关键参数的对数回归模型.42 6.3
6、对数回归分析的结果.51 6.4 模型的统计鲁棒性.52 6.5 西部地区潜在的可再生能源市场大小预测.52 6.6 内蒙古、青海和新疆农村未来的可再生能源系统潜力.52 6.7 结论.54 7.加速西部地区可再生能源商业化的政策选择加速西部地区可再生能源商业化的政策选择.55 7.1 建立机构框架.55 7.2 推动对可再生能源市场投资.55 7.3 增强融资.56 vi7.4 利用可再生能源技术，改善技术服务和训练.57 7.5 国际合作.57 7.6 总结.57 参考文献参考文献.58 附录 A:运行 RREAD 所需数据附录 A:运行 RREAD 所需数据.59 附录 B:西部地区农村
7、能源使用家庭调查表附录 B:西部地区农村能源使用家庭调查表.63 附录 C:西部地区省级和县级社会经济评估调查表附录 C:西部地区省级和县级社会经济评估调查表.81 vii 缩略语 AC 交流电 BOS 平衡系统 CAMS 中国气象科学院 CEEP 能源环境政策研究中心 CRED 可再生能源发展中心 DC 直流电 DOD 充放深度 DSM 需求侧管理 EOR 估计奇偶比 IMAR 内蒙古自治区 LRM 对数回归模型 MEP 中国国家电力部 NPV 净现值 NREL 美国国家可再生能源实验室 O&M 运行和维护 POA 光伏阵平面 REEZ 可再生能源企业开发区 REHH 可再生能源家庭 RER
8、F 可再生能源滚动基金 RREAD 农村可再生能源分析和设计软件 SHS 户用太阳能系统 TMY 典型气象年 UEHH 无电户 1概 要 背景 背景 近二十多年，中国已向成千数百万农牧民提供电力(中国电力年鉴，1996)。农村电气化主要是通过电网扩建以及开发当地小水电或微型水电来实现。尽管农村电气化收效显著，但在中国农村，仍然有 6000 万人没有通电，这其中有五分之一生活在中国西部地区(中国电力年鉴，1996)。由于在这些偏远地区扩建电网成本高，同时这些地区也缺乏可开发的水电资源，因此中国政府的一项重要任务是探索如何能够为西部地区提供合适的电力。在美国能源部与中国科技部的美中能源效率和可再生
9、能源议定书双边协议下，美国国家可再生能源实验室(NREL)和美国德拉瓦大学能源环境政策中心共同实施了为期八年的研究项目，对中国西部地区农村电气化过程中非联网可再生能源的选择进行了探讨和研究。项目对 CEEP 所开发农村可再生能源资源和经济分析方法及软件进行了扩展和更新。项目涉及的地区包括内蒙古自治区，青海省和新疆维吾尔自治区三省区域。同时，对小风机(风机容量小于 300 W)和小光电系统(容量小于 120 Wp)市场潜力和大小进行评估。项目总体上分两阶段实施。第一阶段是对中国西部农村中运行的非联网可再生能源系统的经济性进行分析。经济性分析的目的在于：(1)评估中国西部风能和太阳能的资源潜力；(
10、2)开发能用于评价为边远农村家庭提供电力服务的非联网风能和太阳能技术供电能力和经济可行性的综合分析工具；(3)比较不同配置的独立光伏系统和风能系统的性能（即：纯光伏、纯风机和风光互补系统）和其他选择(可再生能源与柴油发电机相比)；(4)通过计算各系统的均摊成本，确定不同系统配置和技术选择成本有效性。项目第二个阶段，对中国西部地区可再生能源的利用进行了全面综合的社会经济评估。评估的目的是：(1)找出农村能源消费者对可再生能源系统的需求和偏好特征；(2)弄清影响中国西部地区可再生能源选择的社会经济条件；(3)评价中国西部地区可再生能源系统市场潜力和大小；(4)对开拓中国西部可再生能源市场提供政策建
11、议。在项目实施过程中，项目组开发了一套软件，还设计了具体的抽样方法。为了进行经济分析，项目组开发了电子表格式的计算模型，称作农村可再生能源分析和设计工具(RREAD)。该软件可用于评价非联网可再生能源技术（其中包括光电，风电和风光互补系统）的能源和经济运行指标，并与传统的汽/柴发电设备进行比较。RREAD可以分析各类户用 PV 系统(22 Wp 到 120 Wp)，风机(100W 到 300W)以及风光互补系统(小型系统为 300W 风机带 35-60Wp PV，较大系统为 300W 风机带 100-120Wp PV)的 2出力和经济性能。为了评价内蒙古，青海和新疆三省区可再生能源利用的社会经
12、济情况，项目组设计一套适用于家庭调查和抽样的理论和方法。同时，项目组与中方研究人员密切合作，调查了 22 个县内的 531 户农户，把他们作为所研究地区能源消费者样本。这些调查数据与所在县或地区的社会经济信息结合在一起，通过二分变量和对数回归的统计方法，找出影响中国西部农村家庭中对可再生能源的选择的社会的，经济的和技术的方面的因素。在抽样数据基础上，建立市场选择模型，找出可用来预测中国西部非联网可再生能源系统市场潜力和大小重要指标。主要结果和建议 主要结果和建议 我们认为充分利用当地风能和太阳能资源是解决中国西部农村无电户用电问题最经济可行的办法。当前该地区的社会经济条件已经孕育了一个巨大的风
13、能，PV 和风光互补系统市场。但要完全打开市场，必须克服一些重要的经济和机制障碍。本报告的主要结论和建议如下：?我们的资源评价显示在调查的地区中，大多数县有丰富的风能和/或太阳能资源。新疆在该地区中有最好的太阳能资源，而内蒙古有最好的风能资源。青海有很强的太阳能辐射和较高的日照时数。在内蒙古，风能和太阳能资源互相补充，因此可以采用风光互补系统，能够保证全年度稳定的电力供应。风光互补的技术在青海和新疆也有市场。第 4 章有我们详尽的资源评估。?详细的均摊成本比较分析表明小风机，PV 或者风光互补系统比三省区农村地区使用的普通化石燃料技术更经济（即非联网汽/柴发电机，参见第4 章）。?对现有和潜在
14、的市场分析结果显示，三省地区可再生能源市场潜力巨大。具体说来，有望达到 212.4 亿美元的市场销售额.第 5 章和第 6 章具体介绍了 CEEP 研究人员对市场潜力和大小的分析过程和结果。?虽然我们认为可靠经济的可再生能源系统可以满足中国西部农村的电力需要，但是许多障碍因素阻碍了这些分散式可再生能源技术商业化。这些障碍，从初始投资额大到资金缺乏以及不利的机构体制，阻碍了中国西部可再生能源潜力的实现。消除这些障碍，充分实现本报告所提出的可能潜力，需要为农村可再生能源的发展设计专门政策和具体的机制及对策。我们建议如下：?建立促进可再生能源发展的机制框架；?加大对可再生能源的资金支持；3?建立可再
15、生能源信息系统，支持市场开发；?加强对可再生能源技术利用的服务和培训；?增强国际合作，为中国西部农户推广规模适当，价格合适并且运行可靠的可再生能源技术。在研究基础上，第 7 章详细地介绍了政策建议。41.背景和介绍 1.1 背景 自七十年代以来，中国已经把电力供应和服务扩展到广袤的农村地区。能够向农村地区居民提供可靠电力是一个重大的进步。虽然成绩显著，但在中国的农村地区，依然有超过 6000 万人口没有用上电，其中五分之一生活在西部的内蒙古，青海和新疆地区(电力部,1996)。由于在该地区扩建电网成本高昂，许多该地区的居民仍然依赖于薪材或者汽/柴发电机为他们日常生活提供能源。该地区的特点是人口
16、密度低，大多数居民为少数民族，而且收入低。该区域的居民绝大多数生活在国家贫困线水平以下(中国农村扶贫调查报告，1999)。另外，经济的增长带动化石能源消费，从而产生许多环境问题(阎，1996)。中国西部地区有丰富的太阳能和风力资源，在该地区发展可再生能源可以减少经济快速增长所造成对环境的负面影响。为了研究中国西部农村利用可再生能源向居民提供可靠的电力服务的可行性，美国能源部和中国科技部签定了共同进行研究和市场开发的双边协议。根据协议(美中能源效率和可再生能源技术发展与利用领域合作议定书)，美国国家可再生能源实验室(NREL)，美国德拉瓦大学能源环境政策中心(CEEP)与中国科学院政策管理所，中
17、国农业部规划设计研究院能源环保所，中国内蒙古自治区政府新能源办公室一起合作，承担了此研究课题。这个为期八年研究项目已经向中国政府提供了一套比较全面的分析结果和政策建议，可以用于促进西部地区利用可再生能源解决无电问题。1.2 目标 此研究项目分为两阶段实施。第一阶段是可行性研究，对三省区（内蒙古，青海省和新疆）的非联网可再生能源系统的经济性和资源可获得性进行可行性研究。可行性研究的目的是：(1)开发一套综合分析软件工具，该工具可以对偏远农村家庭采用非联网光伏系统(PV)技术提供电力服务进行评估；(2)评估该地区潜在的可再生能源资源；(3)比较不同配置(即单一或者互补系统)和其他可选技术(汽/柴发
18、电机)的性能；(4)通过均摊成本的计算，确定不同配置系统的性能价格比。项目的第二个阶段是对西部地区可再生能源利用进行全面综合的社会经济评估。评估的目的在于：(1)找出农村能源用户的需求和偏好特征；(2)明晰影响西部地区可再生能源选择的社会经济条件；(3)预测该地区可再生能源系统的市场潜力和大小；同时(4)，为开发西部的可再生能源市场制订政策和提供建议。51.3 方法 为了评价太阳能和风能资源的可获得性和可再生能源系统的经济可行性，CEEP开发了农村可再生能源分析和设计工具(RREAD)，该软件工具是电子表格式计算机模型。该软件可以用于评估非联网的光伏系统，风力系统以及风光互补系统的能源和经济指
19、标，将结果与常规的汽/柴发电机进行比较(John Byrne，沈波，William Wallace，1998)。CEEP 使用 RREAD 来考察各类户用光伏系统(22 Wp 到 120Wp)，风力系统(100W 到 300W)和风光互补系统(小型互补系统：300W 风机带 35-60Wp PV；大型互补系统：300W 风机带 100-120Wp PV)的经济性能。为了对内蒙古、青海和新疆的可再生能源利用进行社会经济性能评估，CEEP 设计了一份综合调查问卷和统计抽样方法，使调查尽可能代表西部农村能源用户的现状。通过与中方紧密合作，CEEP 调查了西部二十二个县，总共 531 户农户。农牧户调
20、查资料与各县和/或地区的社会经济统计信息相结合，通过统计分析，找出影响该地区可再生能源技术使用的社会、经济和技术因素。基于抽样调查数据，课题组建立了分对数回归模型，确定用于预测中国西部非联网可再生能源系统市场潜力和大小重要指标。1.4 可再生能源与农村电气化 中国的可持续发展纲领性文件 中国 21 世纪议程（中国环境出版社，1994）建议如果中国要实现经济，能源和环境的可持续发展，就需要大力推广可再生能源。这份文件在扶贫和减缓因贫穷而引起的环境退化起积极作用。中国要实现农村可持续发展的长期目标，可再生能源是非常重要的选择。本项目指出了有助于实现该长期目标的各种可再生能源技术选择。本报告强调走使
21、用替代能源之路，促进可持续和平等合理发展的重要性。同时，本研究还突出了当前农村发展中存在的非持续性现象，特别强调了农村用户能源消费中存在的矛盾。当前发展道路中的得到的经验教训表明了需要有一个新的发展模式，将可再生能源纳入其中，以满足农村地区和农业经济的特殊需要。研究也着重强调了农村地区使用可再生能源所产生的经济，社会和环境效益。此报告是在美中能源效率和可再生能源议定书框架下面，CEEP 八年多来辛苦研究的成果。6 2.中国西部概况 光伏系统，风力系统和风光互补系统的潜在目标市场由两个主要部分组成：(1)当前还没有通电或者在今后 5年内没有电网扩建的地区内的无电户家庭和商业机构；(2)仅有季节性
22、或有限电力供应的家庭和商业机构(比如，由小水电提供六个月的电力)。1)无电地区的家庭和商业1)无电地区的家庭和商业 在内蒙古，青海和新疆，到 1996 年底，还有 858,485 户家庭没有可靠的电力供应(中国电力年鉴，1997)。这些家庭有的从事牧业，有的务农，还有的经商。在本研究中，考虑到农村电气化的快速进程，在今后五年期间，已经安排要通电的家庭将排除在研究之外。政府目标是在2000年，农村居民实现100%通电，消灭无电村。但不论地方政府所付出多大努力，这个目标是不可能实现的。表 2-1 说明了为何选择新疆，内蒙古和青海作为项目的研究地区。该三省区，有大量的分散居住人口，除了使用可再生能源
23、，很难采用其他方式给他们提供电力。某些家庭从事牧业，平均收入要比农民高。因为他们有较高的购买力，所以是风光互补等大系统的潜在用户。2)供电不足地区的家庭和商业2)供电不足地区的家庭和商业 潜在市场还包括那些没有足够电力供应的农村家庭和商业。这些地区由小水电供电，经常一年中仅能提供 50-75%的需求量1。但是，对于有多少这样的住户，没有确切的统计数据资料来估计。表 2-1：中国西部地区农村无电户数情况 表 2-1：中国西部地区农村无电户数情况 1996 年农村家庭总数 1996 年农村无电户数 内蒙古 4,807,977 348,618 新疆 3,157,602 407,685 青海 649,
24、853 100,186 合计 8,617,428 858,485 数据来源:1997 年中国电力年鉴 1 由于青海位于青藏高原，小水电资源不太好；新疆有一些小水电资源，主要在天山山脉，但是该区域与我们本项目研究的区域没有重叠在一起；内蒙古小水电资源也不好。三省区可供开发的小水电分别为：青海，2000.0 MW,新疆，3979.0 MW，内蒙古 387.0 MW（数据来源：童建栋,1998）。7 数据来源：1997 年中国统计年鉴，北京：中国统计出版社。图 2-1：19781997 年三省区农村人均年纯收入 图 2-1：19781997 年三省区农村人均年纯收入 农村人均年纯收入，内蒙古自治区(
25、内蒙古)是三省区中最高的，新疆其次和青海最低（见图 2-1）。主要是因为由于内蒙古的牧业比例比新疆和青海要高，而牧业收入比农业收入高。2.1 内蒙古自治区 内蒙古自治区是新中国成立后设立的第一个自治区，也是最大的行政区之一，总面积约 118.3 百万平方公里，占全国陆地面积的八分之一(1999 年内蒙古统计年鉴)。内蒙古的许多地区是内陆高原,海拔 1000 米左右，有戈壁沙漠和黄河。许多城市沿黄河流域分布。该地区的气候是典型的干燥内陆式，夏季温暖，冬季干冷。植被以草原为主，可以承受大量的食草动物，如绵羊，山羊，骆驼和马。1998 年内蒙古的人口是 2345 万(1999 年内蒙古统计年鉴)，其
26、中 2/3 居住在农村地区。在传统上，内蒙古的经济是农业为主，外加畜牧业和林业。高速公路连接内蒙古的城市,并与其他省区的城市相连；航空运输把区内的大中城市与其他大城市，如北京，相连。然而，内蒙古许多地区仍然是交通不便。内蒙古是中国风电商业化发展潜力最大的地区之一。该地区有丰富的风力资源和对电力需求很大。当地的政府和电力局已经制定了一些经济手段来推动风电发展。05010015020025030019781980198519901994199519961997美元美元全国农村平均全国农村平均内蒙古内蒙古青海青海新疆新疆 8 内蒙古农牧民家庭的人均纯收入从 1978 年到 1996 年稳定地增长(图
27、 2-2)。由图 2-2，1996 年内蒙古农牧民家庭的人均年纯收入是 194 美元，而牧民家庭的人均年纯收入要高于农民家庭的人均年纯收入。数据来源：1997 年内蒙古统计年鉴 北京：中国统计出版社 图 2-2：内蒙古历年人均年纯收入情况 图 2-2：内蒙古历年人均年纯收入情况 在内蒙古，农村家庭户均 4 口人。这就是说每个家庭年纯收入为 776 美元。这一收入足够可以让无电户家庭支付户用 PV，风力或者风光互补系统。因而，内蒙古的可再生能源市场潜力是非常大的。根据中国气象科学院的研究，内蒙古的风力和太阳能资源都是国内最好的资源之一(朱，1988；何和石，1995 以及阎，1994)。中国气象
28、科学院将中国的可再生资源划分成为三种等级地区：丰富，一般和较差。按照中国气象科学院的分类，风能密度大于 150 W/平方米，年均太阳辐射量大于 1510 kWh/平方米的地区为资源丰富去。在内蒙古，按照中国气象科学院的定义，风力和太阳能资源属于丰富区。2.2 青海省 青海省位于青藏高原，总面积为全国面积的十三分之一(约 721,000 平方公里)，是中国人口最少省份，1997 年人口约 496 万(1998 年青海统计年鉴)。省会西宁是唯一的大城市。汉族人口仅占总人口的三分之一；蒙，藏，回，哈萨克是主要的少数民族。青海是黄河和长江的源头省，有国家最大咸水湖青海湖。青海省有广阔的草原，有大量的野
29、生动物，是鸟儿理想的栖息地。青海的现代化建设始于五十年代，050100150200250197819801985199019951996美元美元农牧民农牧民农民农民牧民牧民 9以开采矿物资源和建设从西宁到华东的铁路为标志。煤，石油和铁矿石在国内和国际的市场销售额很大，为青海省经济支柱。1996 年底，青海省大约有 100,000 多户农牧民家庭没有通电。青海省政府已开始计划通过向其中的 70，00 户家庭提供电力服务来帮助他们脱贫致富。计划安装 1.4 MW 的太阳能户用系统，主要以 20 Wp，40 Wp 为主；同时，在县或者乡镇一级以及几千个小型社区，计划安装 340 kW 的光伏系统。在
30、青海省，主要有两个光伏销售服务公司，占该省市场销售份额的 80%。2.3 新疆维吾尔族自治区 新疆维吾尔自治区是中国最大行政区，面积为 164.7 万平方公里，是全国整个陆地面积的六分之一，1995 年新疆人口约为 1660 万。新疆大多数的城市位于天山山脉山脚，沿着古丝绸之路分布。农业是新疆的传统经济基础。新兴工业主要是开发当地资源为主，其中包括石油，天然气，和煤。近年来，与周边的中亚的独联体国家的日常消费品和工业用品边境贸易增长迅速。无庸置言，该地区十分低人口密度阻碍了其中五分之一人口的电气化。1996 年，在新疆农村人口有 876 万。根据1997 年中国农村统计年鉴，新疆农村家庭人均纯
31、收入是$156，比全国农村平均收入低得多。另外，虽然从 1995 年到 1997年间，人均纯收入增加了$19，但增长率还低于通货膨胀率。这样过去几年内，该地区人民的实际收入没有增加。在新疆农村地区，家庭户均人口数为 46 人。按此计算，每户家庭纯收入大约在$624 和$936 之间。如果一户家庭想要购买光伏系统(比如 22Wp 单晶硅系统)，一般的支付意愿为$125。由此可见，新疆的无电户家庭是能够支付得起户用光伏系统，因此，新疆潜在的光伏市场很大。然而，由于缺乏相应的户用光伏系统的信息，大多数农牧民无电户不知道去哪里可以购买这样的系统或者如何与销售单位联系。因此，亟需中央和地方政府，与国际机
32、构合作，来开拓新疆的光伏市场。随着收入水平的提高，许多偏远地区的家庭希望能够在不久的将来用上电。因而，对于可再生能源的利用和开发的政策就非常值得研究。10 3.独立的可再生能源系统的经济性 为了评估农村非联网光伏，风力和风光互补系统的技术及经济指标，CEEP 研究人员开发了农村可再生能源分析和设计软件工具(RREAD)。在对 RREAD具体介绍之前，先描述一下 RREAD 评估的独立可再生能源系统。3.1 独立的可再生能源系统 一般的独立的可再生能源系统(即，没有与电网相连)包括光伏系统和小风机系统。另外，不太常用但越来越受到关注的小型风光互补系统，通常是由光伏板和风机两部分组成。光伏板的工作
33、原理是通过半导体材料把太阳能直接转换成电能。风机是一种由风力驱动的发电机，风轮在风力的作用下旋转，把风的动能转变为电能。除了光伏板和风力发电机这些发电设备之外，独立的可再生能源系统还配备有平衡系统(BOS)，诸如蓄电池、充放控制器和逆变器。由于光伏和风力发电技术都有间歇性特点(即，每天只能在某段时间发电)，因此储能就显得格外重要。为了在用户需要电力的时候，向用户提供电力，必须要安装储能设备。蓄电池是其中的一种储存技术。光伏板和/或风机在有太阳能和/或风能资源的时候，对蓄电池充电，然后把存储的电力送到负载。为了防止蓄电池过放过充，需要安装一个充放控制器保护，当达到充放极限时，充放控制器可以自动切
34、断充放电路。另外，给使用交流电的电器供电，需要安装一个逆变器将直流电转换为交流电。一套完整的小型光伏或者风力系统，一般由发电设备(光伏电池板或风力发电机)和其他必要的平衡系统组成(即，蓄电池、控制器和逆变器)。风光互补系统有光伏板和风力发电机，还有上面提到辅助设备。一般的独立风光互补系统设计如图 3-1所示。11 直流直流/交流逆变器交流逆变器充放控制器充放控制器 +-蓄电池蓄电池 图 3-1：独立的风光互补可再生能源系统的概念图 图 3-1：独立的风光互补可再生能源系统的概念图 3.2 RREAD 概述 RREAD 是一个多维仿真工具，它可以从多个角度 技术，经济，社会和环境 对在农村推广的
35、可再生能源系统进行评价。RREAD 包括三个模块：数据输入模块，计算模块和输出模块(参见图 3-2)。与技术配置和相关的社会和环境的因素相结合，来处理资源，经济和财务数据。RREAD 能评估独立的光伏，风机或者风光互补系统的能源产出能力，经济可行性以及社会和环境的价值。它也能够把这些可再生能源系统与独立的汽/柴发电机相比较。输入模块由六个数据包组成：资源数据，负载数据，系统配置，资本和运行成本，财务情况和政策方案(例如，税收减免，补贴，和一些想把社会效益和费用内部化的计划)。资源负载数据和系统配置情况用于评价系统的总的运行情况，包括发电输出，资源-负载匹配情况以及服务的可靠性。成本，财务，以及
36、政策信息可以衡量使用可再生能源系统所产生的经济，社会和环境价值。运行 RREAD 所需要的数据清单详见附录 A。通过计算模块，RREAD 能列出可再生能源系统和柴油发电机性能指标，计算系统的电力输出，评估蓄电池的存储要求，把资源可利用性与负载要求相比较，确定电力短缺，并且计算系统的经济成本。图 3-3 所提供的逻辑流程图解释 RREAD 运行原理。12 图 3-2：RREAD 的总体结构 图 3-2：RREAD 的总体结构 输出输出 系统评估结果 能源产出 能源储存 资源季节性互补 在欠缺日的能源欠缺情况 按月能源欠缺 的天数 经济评估结果 净现值成本 均摊能源成本 敏感性分析 系统价格高低
37、系统效率升降 设备寿命长短 政策干预大小 输入输入 资源数据 太阳能辐射 风速 环境温度 负荷数据 电器清单 电器日使用情况 系统配置数据 光伏板 风力机 平衡系统 内燃式发电机 成本数据 系统成本 运输费用 安装费用 运行和维修费用 燃料运输费用 (对内燃式发电机)系统更换成本 系统残值 财务数据 贴现率 汇率 折旧 关税和税收 政策数据 现金激励 税收杠杆 环境价值 社会效益 RREAD能源评估 经济 评估 13 否 读入/更新气象数据，系统参数，负荷数据和 财务数据 确定 BOS组件容量A 计算光伏系统和/或风力系统 每日能源净产出(1)B 是否当前日的(1)=同日 总用电负荷量?是否蓄
38、电池已经 完全充足?继续给蓄电池 充电直到 充电极限 今天是否为今年最后一天？下一天 B把每个月的 能源欠缺天数加和 是否接受此系统能源欠缺天数？计算系统 均摊成本A蓄电池可释放的电量(2)=电池已蓄电量 电池储量下限 是否(2)0?是否(1)+(2)=当天的负荷 需求?把今天记录为 能源欠缺日 结束调整系统大小 或者负荷是 否是 否 是是否是否 否是 图 3-3：RREAD 的逻辑流程图 图 3-3：RREAD 的逻辑流程图 14 3.3 能源分析 有关系统技术方面的问题，包括系统设计，供电能力和电力可靠性，将在不同的独立可再生能源系统中进行评估。本章通过描述 RREAD 如何设置系统，确定
39、系统大小，和系统组件来讨论这些技术问题，同时还估计系统发电能力，评价了系统可靠性。3.3.1 确定可再生能源系统的大小 一个可再生能源系统的 BOS 组件需要大小合适地组合在一起，不正确地的使用组件不利于系统的有效运行。汽车电瓶设计时，主要考虑在瞬间产生大电流来发动汽车；与汽车电瓶不同，可再生能源系统的电瓶设计，考虑在某时间段内，为家用电器提供稳定的电流。用于可再生能源系统的蓄电池阵的大小由若干方面决定，包括蓄电池的日供电量，放电深度和最小蓄电量。从供电角度，蓄电池大小应该与每天从系统发出的电相匹配；但是从用户角度看，蓄电池大小应该与每一天用户使用的电器所需要的电力相匹配。从供需的不同角度，所
40、确定的蓄电池大小会不一样，RREAD 用这两个方式来计算蓄电池的大小。从供应角度，蓄电池的日供电能力用安培小时(Ah)来衡量，它是蓄电池日供电量（kWh）被蓄电池电压除以后得到的值。例如，如果它与 100W 风机相配套，风机日发电量为 1.5 kWh，12 伏的蓄电池阵的日供电能力可以是 125Ah(即，1,500Wh 12V=125Ah)。从用户的角度出发，蓄电池的日供电能力(Ah)是由用户的日需求量(kWh)除以蓄电池电压(V)确定。必须注意的是，用户的每日需求量必须包括从蓄电池和逆变器的电力损失(在电池放电和直流电变为交流电时，会有电力损失)。一般来说，蓄电池一个工作流程（电流由发电设备
41、流入电池，再由电池输出到用电设备，完成一个工作流程）会有 10%到 30%的能源损失，同时还有 5%到 10%损失发生在能量转换过程中。在各组件效率被确定之后，RREAD 可以自动地计算能量损失。由于能量损失会随组件质量和使用年限变化，RREAD 允许用户自己规定 BOS 组件的效率值。BOS 组件效率除以总能量负荷来计算蓄电池的每日总能量传送要求 (蓄电池提供的总电量包括所有电器运行所需电力外加电力损失)。例如，如果某家庭每天要用 1.5 kWh，蓄电池电压为 12V，效率 75%以及逆变器效率 90%，则电池的日总能量传送值至少不小于 185 Ah(即，1,500Wh/天 75%90%12
42、V=185Ah/天)。蓄电池会由于频繁的过放而遭到严重损坏。为防止过放，蓄电池的大小需要足够大，这样将每次只使用电池的部分容量。这一指标由放电深度(DOD)确定。例如，40%DOD 是说每天只使用电池容量的 40%。按电池的使用年限和质量，DOD 的范围可以在 1530%到 80%之间。新型优质并且特殊设计的太阳能蓄电池可以承受很高的放电深度，但旧式劣质或汽车电瓶，设计时没有考虑高的放电深度，只能承受很低的放电深度。RREAD 允许用户按照电池具体性能和已使用年限，指定 DOD 的值。当天气不好而中断可再生能源系统的发电时，可再生能源系统供电会有空缺，此时蓄电池应该有储备空间以保证在遇到不可预
43、料天气时仍有电力供应。蓄电池的作用像水库一样，储存系统发出的额外电能，而当系统供电不足时，又可以把以前存储的电能释放出来。一般来讲，蓄电池的储备能力可以维持供电 23 天。这就是说，在重新充电以前，蓄电池应该至少有 23 天的供电能力5。根据当地的气候和用户需求，RREAD 允许用户自己确定电池储备可以使用的天数。当计算出电池的日供电量，确定了放电深度和储备使用天数之后，RREAD 将电池日供电量除以放电深度，然后乘以储备天数。例如，一个家用的 12 伏蓄电池，日耗电是 1.5 kWh，需要总储存能力是 926Ah(12V)。此结果可分下列三步进行计算：第一步：计算蓄电池日供电量要求：1,50
44、0Wh/天(每日能源负荷)75%(电池效率)90%(逆变器效率)12V(电池电压)=185Ah/天。第二步：计算 40%放电深度限制的蓄电池的日储能要求：185Ah/天 40%(DOD)=463Ah/天。第三步：计算有 2 天储备的电池总容量：463Ah/天2 天(储能要求)=926Ah。充电控制器和直/交流逆变器的大小确定过程相对比较简单。在 RREAD 中，充电控制器的容量大小是等于发电设备的功率。例如，如果风机的额定功率是 200W，充电控制器则也是 200W。对于逆变器，从供电角度看，RREAD 将其设定为发电设备的额定功率，如果从需求角度讲，RREAD 则把它设定为可能同时运行的所有
45、电器的总负荷(单位用瓦特计)6。如果用户电器的总功率是 500W，则需要 500W 直/交流逆变器。3.3.2 可再生能源系统电能产出 为了确定独立的光伏、风机或者风光互补系统的发电量，首先必须计算光伏面板 5 技术上讲，因为放电深度（DOD）可以保护蓄电池免受过放损害，所以蓄电池组的容量需要比预计的最小储量大。举例如下，如果每天需要 100 Wh 电量，假设 DOD 为 40%，最小储量是 3 天，那么一个充足了电的蓄电池可以服务（100 Wh 40%3 天）100 Wh=7.5 天。6 理论上，逆变器的尺寸要比额定的电器功率大，这样才能满足冰箱和水泵感应电机的过压要求以及超时运行的要求。实
46、际上，现在的逆变器设计已经考虑到过压和连续输出保护，因此可以启动高过压负载，也能提供连续输出。比如，一个 500 W 逆变器可以运行 500 W 的连续负载和 800 W 的过压负载。167和/或风机的发电能力。为了模拟在某一指定地点光伏板的电力输出情况，需要以下数据全球水平辐射(太阳能的衡量指标，以瓦/平方米为单位)和环境温度8。该指定地点典型气象年(TMY)的数据文件可以提供以上所需信息。根据该地的纬度和光伏板角度，将全球水平辐射量转换为光伏板平面日照辐射量。把光伏板平面日照辐射量，光伏板的光电转换效率，光伏板面积和环境温度输入 RREAD 中，就可模拟系统每小时的能量输出。计算风机的电力
47、输出，风速是最重要的因数。因为风机出力与风速是 3 次方关系。利用测风仪得到的小时风速，与风机的出力曲线一起，来计算每小时电力输出值。出力曲线将风速与风机的电量输出联系起来。由于各年的小时风速数据会有较大变化，RREAD 要求把多年的风速数据综合在一起，制订一个全年 8760 小时风速分布。如果万一某一特定地点的风速数据没有，RREAD 就采用该地的月风速分布9以及与该地点相近的另外一个地点的风速数据来模拟该地点全年 8760 小时的风速分布。一旦独立的可再生能源系统的每小时电力输出值计算完毕，RREAD 把每小时的值综合起来，计算出每日、每月和每年的电力输出值。用日发电量来进行资源-负荷匹配
48、分析，旨在评估系统能否比较可靠地满足终端用户日常能源需求。每年的发电量可以用于计算系统均摊发电成本，而每月发电量可用来评价系统季节性运行性能。3.3.3 可再生能源系统的可靠性 对可再生能源系统的可靠性分析可以用于确定系统向终端用户提供能源服务的可靠程度。通过比较终端用户要求和系统容量的来确定系统可靠性。在 RREAD 中，用“欠缺天数”和在这些天的能源缺乏程度来衡量系统的可靠性。能源缺乏的程度是能源需求和可供能源之间的差额。当总能源需求超过总供给时，就出现欠缺。RREAD按日欠缺量评估能源欠缺程度，同时计算每月的“欠缺天数”。每个月的欠缺天数可以看出能源缺乏的季节性曲线，而每天的欠缺额可以说
49、明能源缺乏的程度。为了对一指定可再生能源系统进行可靠性分析，必须知道系统用户的最大用能需求。家用电器总量和这些电器的每日使用时间表能够推算出该家庭用电要求。例如，某家庭有一 60W 电视机，平均每天看 4 小时，两个 25W 的灯，每个每晚用 4 小时，一个 12W 的灯，每晚用 5 个小时和一台 100W 冰箱，冰箱的压缩机日运行 10 小时，该家庭一天的电力最大需求为 1.5kWh(即，60W 4 个小时+2 25W 4 个小时+12W 5 个小时+100W 10 个小时=1.5 kWh)。7 光伏板的大小通常用峰瓦（Wp）来衡量。峰瓦输出量是指，在标准的测试条件下，即太阳辐射量为 100
50、0 W/平方米，环境温度为 25C，系统的最大发电功率。但是，实际情况中，如果太阳辐射强度比上述标准条件要强的话，光伏板的实际输出功率会大于峰瓦输出量 8 典型气象年（TMY）数据是在多年气象数据的基础上，编辑成一个典型气象年的数据。大多数典型气象年的数据是在 30 年数据的基础上得出的。9 月风速分布是特定地点每月风速在 030 米/秒之间的时数。17值得一提的是，随着季节的变化，每天的能源需求会有所变化。例如，在夏季由于日照时间延长，家庭对照明的需求量就会减少。为了能真实反映用能的季节性曲线，需要确定某家庭的 365 天负荷曲线。这可以通过能源审计和家庭能源调查来建立。有了家庭年负荷曲线的