风电供热系统的开发模式及经济性分析
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摘 要：作为重要的可再生清洁能源资源，我国风能资源极其丰富，随着风电装机规模越来越大，弃风限电问题尤其是北方地区冬季的弃风限电愈演愈烈。风电清洁供热技术的推出既大大提高了北方风能资源丰富地区的风电消纳能力，又降低了火电机组带来的大气污染排放。目前，我国的风电供热技术还处在探索发展阶段。不同风电供热系统的开发模式对供电能力、供电范围以及供电优势、经济效益等有着直接的影响。风电供热系统开发模式有着各自的优缺点，本文选取了三种不同的风电供热系统开发模式，并分别对其经济效益进行了分析，为风电供热系统的高效益开发提供了参考性建议。
关键词：风电供热;系统开发模式;经济效益
我国北方地区拥有丰富的风能资源，为风能发电提供了良好的资源基础。目前，我国华北、东北、西北地区分别建立了大型风电场，但受风电输电系统技术高压、特高压输电技术的影响，风电场所发的电只能在小范围内使用，而每个地区对于风电的消纳能力有限。因此，北方地区风电场普遍存在着不同程度的弃风限电问题。弃风限电不仅造成了严重的资源与能源浪费，而且也不利于风电企业经济效益的提升。风电供热技术的研究针对北方弃风限电和风力电能消纳有限的问题提出了创新性的发展思路，而该系统模式的开发与应用对于同时解决北方风电消纳问题、降低冬季供暖火电带来的大气污染排放以及提高风电企业经济效益有着重要的意义。
一、风电供热系统开发模式
（一）电热水锅炉、蓄热系统与风电的组合
该系统的优势在于为供热系统增加蓄热系统，将北方冬季产生的无法消纳的风电转化为热能之后通过供热管网系统与蓄热系统进行存储，用于冬季的供暖。该风电供热系统结构复杂，有电锅炉、蓄热系统、风电机组、电网控制器、换热器、供热管网、循环水泵、末端散热装置等构成。它的电热水锅炉有高压和低压两种。高压电级锅炉用于转换6-25kV的电，在锅炉功率范围内可允许调节5%-100%的功率，其热效率最高可达99.5%。低压电级锅炉用于转化小于1500kW的电，其热效率约为98%。该风电供热系统模式的缺点是经济效益受电热水锅炉的功率、建筑面积、当地低价、政策、运营时间等影响，经济效益存在不稳定性，因此需要经过科学的计算与规划。
（二）热泵供暖系统与风电的组合
热泵系统是我国供暖系统中最常见的供热类型。风电与热泵供暖系统组合开发风电供热系统的优势在于热泵系统是我国供暖系统中最常见的供热类型。热泵供暖系统有节流装置、冷凝器、压缩机、蒸发器四大结构组成，它们之间有着良好的循环系统，应用热泵供暖系统可以有效的减少弃风限电发生的损耗，并将风电热量直接搬运到供热管网中，减少了热量输送中的损耗。综合而言有着运行成本低消纳风电能力强、运行环保的特点。缺点是热泵供暖系统不易在低于零下25℃的环境使用，因为热泵系统设备在低温环境下运行容易结霜，导致运行效能减低。因此，热泵系统与风电系统开发模式的应用有着地域上的限制，如东北地区就不适用于该系统模式进行风电供热。
（三）固体蓄热锅炉供热系统与风电组合
固体蓄热锅炉供热系统与风电组合开发风电供热系统，与蓄热系统风电供热系统的却别在于蓄热设备不同。固体蓄热式电锅炉是一种应用固体蓄热材料蓄热的锅炉，它的蓄热效能取决于蓄热材料的蓄热性能。该风电供热系统采用高密度铁基固体合金蓄热材料和固体氧化镁砖蓄热材料。由于氧化镁蓄热材料稳定较差，因此具有一定的安全风险。该风电供热系统适合供热面积小于20万平方米的风电场供热系统。
二、风电供热系统开发经济效益分析
某风电场装机容量为5.1kW，电供热面积10万平方米。风电企业设计系统运营周期为20年，贷款15年，贷款80%，贷款利息5.4%。政府补贴20年，其中风电补贴0.1965元/kWh。当地燃煤价格0.3035元/kWh。企业静态投资7200元kW，风电场理论发电时间3400小时，风轮高度85米，轮毂平均风速7.8米/秒，当地保障上网时间1900小时。经过经济性分析后得出，该项目模式全额上网时，全投资税后14.42%，资本金税后29.29%，投资回收期预计7.21年，在保障上网小时数时，全投资税收5.62%，资本金税后7.01%，投资回收期预计12.22年。該风电场在开发电热水锅炉、蓄热系统与风电的组合系统模式之前，风电场因无法解决消纳问题出现了严重的弃风限电问题，造成资源浪费。为提升风电场效益，应用高电极电热水锅炉+蓄热系统+风电的系统模式在冬季对居民采用风电供热。该系统应用后风电场企业全投资税后的收益提升为6.75%，资本金税后内部收益率提升为9.45%。风电企业的预计投资回收周期只缩减到11.18年，这比风电场设计的运营回收周期12.22年缩短了1年，在贷款年限、贷款利息、风电补贴等条件不变的情况下，提前1年收回成本相当于增加了1年的纯利润，风电企业经济效益显著调高，这对于企业长远有着促进性意义。同区域的另外两个风电场采用了热泵供暖系统与风电的组合与固体蓄热锅炉供热系统与风电组合开发风电供热系统。前者的全投资税后收益率为6.41%，资本税后收益率为8.83%。后者的全投资税后收益率为6.56%，资本税后收益率为9.15%。如下图所示，经过对比，电热水锅炉+蓄热系统+风电系统模式与固体蓄热锅炉供热系统+风电的系统模式全投资税后收益率与资本金税后收益率较高，而热泵供暖系统+风电系统模式的收益相对较低，且受地域限制较大，使用范围有限。鉴于固体蓄热锅炉的稳定性较差，运营风险高，管理难度较大，因此建议风电企业可选择电热水锅炉+蓄热系统+风电供热系统开发模式。
三、结语
综上所述，不同的风电供热系统开发模式有着其自身的优势，但就经济性分析而言，电热水锅炉、蓄热系统与风电的组合的应用优势更加明显。北方地区风电资源丰富，但地区性消纳能力有限，冬季供暖需要大量的电能，电热水锅炉、蓄热系统与风电的组合开发模式应用蓄热系统将多余的风电通过存储系统统一存储，在冬季用电高峰时段用于供暖系统，既解决了风电浪费的问题，还降低了冬季供暖火电带来的大气污染排放。因此建议北方地区开发该模式风电供热系统。
参考文献：
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作者简介：陈露露（1988-），女，汉族，江苏连云港人，硕士研究生，中级工程师，研究方向：能源电力。
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