新能源发电特性与经济性分析研究

新能源发电特性与经济性分析研究

窦砚林

（国华能源投资有限公司北京市100007）

摘要：新能源具有资源潜力大、环境污染低、可持续利用的特点，将成为人与自然和谐发展的重要能源。目前虽然国内新能源发展面临诸多制约，但从长远来看，新能源在电网建设、产业政策、技术研发、融资渠道和碳资产交易机制等方面面临的挑战正逐渐向机遇转化。未来新能源发展将受到能源结构变化、新能源发展经济性提高、智慧能源与微电网快速发展和电动汽车发展冲击传统油品市场等因素的驱动，将促进传统能源油气公司向新能源跨界。新能源的发展关键是价格，只有在价格竞争中，新型能源和传统能源具有可比性，才能使新型能源的应用通过市场竞争逐渐完成。本文通过对新型能源发电技术发展过程中遇到的经济、技术、政策问题进行分析，为新型能源的发展提出一些建议。

关键词：新能源；发电特性；经济性；分析研究

1、前言

随着社会经济的不断发展，人们对资源的开发利用程度在不断提高，传统的能源开发带来了气候变化和资源枯竭等一系列的环境问题，打破了生态平衡，严重威胁人类的发展繁荣。本文将从新能源的背景出发，以新能源发电特性为例，从新能源发电的经济性和政策两方面，进行对比讨论分析，并且提出相关的可行性建议，为新型能源的开发推广起到一些积极作用。

2、新型能源的时代背景

众所周知，我们日常生活所需的能源的主要来源都是煤炭，随着社会的不断发展，维持正常生活的能源需求也越来越大，这也就不可避免的带来了一系列的问题：土地退化、地面沉降以及气候变化等等；相对于资源的需求量，传统能源的利用率越来越低，也就意味着经济发展和自然资源的矛盾愈演愈烈，这不仅仅严重威胁着可持续发展道路方针的执行，也很大程度上限制了我国经济的发展速度。在这样的基础背景之下，如何更好地协调经济发展和自然环境的关系、淡化能源开采和有限资源之间的矛盾，成为我国经济发展道路上的重要课题。近年来，风力、太阳能资源的研究和开发，得到了社会相关团体的普遍认可，新型能源的成功应用案例，也证实了低碳能源的开发是我国发展的必经之路。

3、新型能源发电技术的发展现状与趋势

新型能源，顾名思义，是指区别于传统能源的可再生资源，较传统能源而言，我国的新型能源具有种类繁多、范围广泛和具有明显的区域性的特点。与此同时，新型能源的开发面临着开发价格昂贵、相应支持政策不完善和技术条件有限等现实问题。煤炭资源的日渐匮乏，成就了新型能源的发展之路。我国传统的电力资源支持都是煤炭，虽然近年来我国大力发展和利用新型能源产业，研究新型的发电技术，但是总体发展状态较欧洲国家还是相对滞后，因此，更加完美的协调风力、水力和太阳能等新型能源的均衡利用，对于我国可持续发展的发展经济方针的实施起到至关重要的作用。

4、新型能源的发电特性与经济性

4.1新能源的政策分析

首先，所有的电网公司都要接受新能源所发出的电资源，并且为新能源上网提供相应的支持条件。分布式新能源发电系统也得到了各个地方政府的支持，太阳能热水器、太阳能制冷技术、太阳能发电技术的广泛应用，都得到了各地区部门的大力推广和人民群众的接受。其次，新能源的上网电价是国家的主管部门根据不同地区和不同的新能源所规定的，各电网机构要遵循国家规定的价格全部收购新能源发电量。再次，国际财政设立了新能源的专项基金，并且支持一些利用新能源的建设工程设立为标准化模范工程；还有就是国际规定金融信贷机构对于新能源技术的贷款要进行优惠，并可以根据国家规定的范围对于一些可再生资源项目进行税收减免。最后，对于新能源相关政策的执行过程中，对于一些违背政策的行为根据程度不同，追究责任人的行政甚至是刑事责任。

4.2新能源的经济支持

新型能源的大力开发除了相关政策的支持之外，也是需要大量的电子设备技术支持的，这也就意味着新型能源的发电特性会直接影响电网的安全性能，想要维护这一特性的正常运转，需要具备相应的经济基础。不论是风力、电力或是太阳能资源，虽然具备清洁、可再生的可贵特性，但是其波动性和局限性也是我们在开发新能源的时候不可忽视的一面；正因如此，对于新能源的开发过程是复杂漫长的，也就意味着经济投入的数额是非常大的。目前我国已经有很多新能源应用的产业在逐步完善发展，但是想要加大力度推广实施，还是需要一个符合实际现状的落实计划。首先，在新能源的开发过程中，不能手高眼低，可以先行应用具有可操作性的小型技术发明，深入到日常生活中去，利用产生的效益来支持下一步的投入；其次，在新能源的应用中，可以根据政策支持，优先使用新能源技术设备，相同市场下，使得新能源技术优先落实；最后，虽然新能源应用技术的开发成本较高，但是能全部依赖政府补贴，自主开发经济效益，才是长期发展的重要保障。

5、光伏发电系统经济性分析建模

5.1物理模型

太阳能光伏发电系统主要是由太阳能电池方阵、控制器和逆变器等组成，如图1所示。

图1中小型太阳能光伏发电系统结构图

图1中，太阳能电池方阵是指由多个太阳能组件互联拼装后成为可以满足负载所要求的输出功率的方阵，而太阳能组件又是由多个单体太阳能电池互联封装而成。控制器的主要功能是使太阳能发电系统始终处于发电的最大功率点附近，以获得最高效率。在温差较大的地方，控制器还具有温度补偿的功能。另外光伏发电系统的控制器还具有下列功能:第一、状态和参数检测。第二、蓄电池的充、放电控制。充电控制通常采用脉冲宽度调制技术即PWM控制方式，使整个系统始终运行于最大功率点附近区域。放电控制主要是指当电池缺电、系统故障，如电池开路或接反时切断开关。第三、设备的保护及设备故障诊断的定位。第四、运行状态指示。目前日立公司研制出了既能跟踪调控点，又能跟踪太阳移动参数的“向日葵”式控制器，将固定电池组件的效率提高了50%左右。蓄电池组是将太阳电池方阵发出的直流电贮存起来，供负载使用。白天太阳能电池方阵给蓄电池充电，同时方阵还给负载用电，晚上负载用电全部由蓄电池供给。因此，要求蓄电池的自放电要小，而且充电效率要高，同时还要考虑价格和使用是否方便等因素。

逆变器的作用是将太阳能电池方阵和蓄电池提供的低压直流电逆变成220V或380V交流电，供给交流负载使用。逆变器按照运行方式可分为独立运行逆变器和并网逆变器。

5.2数学模型

太阳能光伏电池阵列的总功率是由辐射参数和负载确定的。但是，实际输出功率还与阵列表面的灰尘及长期使用后性能的衰减系数f、蓄电池库仑效率ηb及逆变器的效率ηi有关。在综合考虑上面因素的情况下，太阳能光伏发电系统的年发电量如下式所示:

Hy=WηbηifDT(y)×10－3=WηDT(y)×10－3

式中:Hy为年有效发电量，kW•h/年;W为太阳能光伏发电系统总的峰值功率，W;ηb为蓄电池库仑效率，0.8～0.92;ηi为逆变器的效率，0.9～0.96;f为衰减及灰尘等性能参数衰减系数，0.8～0.98;η为太阳能阵列输出的峰瓦功率转换成交流功率的总效率，0.6～0.87;DT(y)为年峰值日照时数。

光伏发电系统的总投资为:

Bc=WC0+A1WC0+A2WC0+A3WC0+A4WC0=(1+A)WC0

式中:W为光伏电池阵列的峰值功率;C0为光伏电池每瓦价格;A1为蓄电池相对于光伏电池阵列的投资系数，0.15～0.7;A2为控制器、逆变器相对于光伏电池阵列的投资系数，0.15～0.5;A3为支架、电缆等辅助设施相对于光伏电池阵列的投资系数，0.05～0.25;A4为其他费用(施工、运输等)相对于光伏电池阵列的投资系数，0.05～0.15;A为光伏电池阵列以外的总投资系数，即

A=A1+A2+A3+A4，0.4～1.6。

光伏发电系统的单位(电量)运行费用如下:

式中:OM为光伏发电系统的单位(电量)运行费用，元/kW•h;α相对于光伏电池阵列的运行费用系数，0.005～0.015;n为有效使用年限，一般n=20年。

5.3实例计算与分析

国际能源机构(IEA)预计，中国煤炭消耗量到2014年将占全球煤炭需求量的50%。加之环境污染越来越严重，综合考虑，家庭式屋顶太阳能光伏发电还是具有很强的研究价值的，而国家更应加大力度以提高“屋顶太阳能计划”的实施。

从经济性、可靠性、易扩展性等因素综合考虑，设计中小型太阳能光伏发电系统时，光伏组件优先选取晶硅组件。而就市场价格而言，单晶硅组件的价格最高，其次为高效多晶组件和多晶组件。考虑性价比及设计目的，中小型太阳能光伏发电系统，特别是家庭式屋顶太阳能光伏发电系统，选用多晶组件作为光伏发电系统的光电转换器件。设计选用型号SYK240－30P外形尺寸为1640mm×992mm×50mm，单组最大功率为240W的多晶硅太阳能发电板，市场价格大约是5～6元/W，基本参数如表1所示。

表1设计选用的多晶硅太阳能电池板组件技术参数

太阳能光伏电池的年发电量不但与辐射能量有关，而且与日照时数有关。但是，气象台站给出的实测日照时数是不同辐射强度下累加值，而光伏电池阵列输出功率———峰瓦是在AM1.5，光伏电池温度25℃，日照强度1000W/m2条件下的测试结果。因此，要把年实测日照时数换算成年峰值日照时数。

由于系统需在连续没有太阳能补充能量的情况下正常供电，所以需要选取经济又合适的蓄电池。假设在没有太阳能补充能量的情况下要求系统正常工作5～7天，用电器满负荷工作时间4h/d，设计选用规格为12V型号为150AH的铅酸免维护式蓄电池。

根据国家对屋顶式太阳能光伏发电系统补贴规定:离网光伏项目的补助标准是7～8元/W。2012年度的“金太阳示范工程”新的补助标准，财政部、科技部、国家能源局财建21号文件规定，并网项目如采用晶体硅组件可获得9元/W的补贴。补贴会在项目申报结束且发电系统验收成功后一次性发放。计算得补贴大约为50%的光伏系统成本。所以初步得初期投资由5.66万元大约可以缩减为3.6万元。系统综合效率:74%，系统年发电量4492.8kW•h，系统年运行维护费用:约占初投资的0.43%，即243.38元。如享受上网标杆电价1元/kW•h，按每度1元的价格卖给电网，则年收益4315.64元。综合考虑可得大概用7年左右的时间收回成本，一般太阳能电池板的寿命是20～25年，而如果有第二期投资，第二期工程只需更换出问题的太阳能电池板即可。所以分析可得中小型屋顶式太阳能光伏发电还是有投资的可行性的;但项目的净利润不是很高，这和太阳能电池的成本和其光电转换效率有着密切的关系。

5.4结论

(1)家庭屋顶式太阳能光伏发电系统，如享受上网标杆电价1元/kW•h，按1元/kW•h的价格卖给电网，还是有投资的可行性的;但项目的净利润不是很高，这和太阳能电池的成本和其光电转换效率有着密切的关系。

(2)降低太阳能光伏发电系统的成本:第一，尽可能提高太阳能电池的光电转换效率;第二，降低太阳能电池以及蓄电池成本;第三，进一步提高控制器、逆变器的效率，以降低系统综合能耗量。

(3)鉴于我国的能源和环境状况及国家的相关政策，家庭屋顶式太阳能光伏发电有着很大发展空间，具有很好的应用前景。

6、结语

不论是从政策上大力支持新能源发电产业的推广，还是通过研究分析新能源发电特性，都具有打破传统能源消耗和资源匮乏、改善人与自然环境关系的重要意义，这不仅是我国经济发展的要求，也是国际发展的要求；只有从根本上解决能源需求问题，大力开发利用清洁、可再生资源，才能使人与自然的关系保持和谐，才能从真正意义上实现可持续发展道路。

参考文献：

[1]郑晓理，中国制造业能源需求替代弹性的动态估计[J].能源技术经济,2012,24(4):33-38.

[2]赵厚川，技术进步对川渝地区能源回弹效应的实证研究[J].能源技术经济,2012,24(4):39-43.

[3]史雪飞，2010年输变电工程造价分析[J].能源技术经济,2012,24(4):44-47.