某33MW灰場(chǎng)光伏電站項(xiàng)目建設(shè)實(shí)踐研究

0引言

太陽能具有分布廣泛、可持續(xù)利用及無污染等優(yōu)點(diǎn),光伏電站在國(guó)家政策的大力支持和行業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步下獲得快速發(fā)展^[1]。貞觀山灰場(chǎng)光伏電站項(xiàng)目是由鎮(zhèn)江某電廠投資興建的一座集中式光伏電站,利用已有應(yīng)急儲(chǔ)灰場(chǎng)地建設(shè)光伏電站,規(guī)劃容量為33.35 MWP,所發(fā)電量全部上網(wǎng),可全額參與綠電綠證交易,在企業(yè)節(jié)能降耗、滿足碳排放履約、保供電力方面具有重要意義。鑒于灰場(chǎng)光伏發(fā)電前期投入較大,因此,合理的建設(shè)方案可以控制運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本,提高企業(yè)效益。

1灰場(chǎng)光伏電站可行性分析

1.1 太陽能資源

本項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)位于江蘇省鎮(zhèn)江市某電廠貞觀山灰場(chǎng)內(nèi),場(chǎng)中心區(qū)域坐標(biāo)為北緯32.09O,東經(jīng)119.67O。 參照QX/T 89—2008《太陽能資源評(píng)估方法》,工程所在地屬我國(guó)三類太陽能資源區(qū)域,參考Meteonorm 及附近氣象站數(shù)據(jù),太陽平均輻射量變幅為223.9~528.5MJ/m²,全年總輻射量4475.5MJ/m²,太陽能發(fā)電理論發(fā)電量可觀,具備實(shí)施集中式光伏發(fā)電工程的有利條件。

1.2 工程地質(zhì)條件

該項(xiàng)目工程場(chǎng)地距某電廠東南側(cè)約15 km,緊鄰涌港路及泰鎮(zhèn)高速,對(duì)外交通十分便利。場(chǎng)地為低洼山谷灰場(chǎng),西北、東北側(cè)為山丘,東南、西南側(cè)為灰壩。本工程可用的光伏區(qū)布置面積約33.33 hm²,擬按照集中式發(fā)電的模式建設(shè),可充分利用已有灰場(chǎng)35kV出線和變壓器,進(jìn)一步節(jié)省項(xiàng)目投資。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和地震資料以及附近大型電力工程的研究成果,場(chǎng)地附近無活動(dòng)性斷裂通過,屬地震較少、震級(jí)較低的地區(qū),屬基本穩(wěn)定區(qū)。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(2009年版)相關(guān)規(guī)定,可不考慮場(chǎng)地內(nèi)地震液化問題和軟土震陷影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及資料調(diào)查,場(chǎng)地內(nèi)不存在地裂縫、滑坡、土洞塌陷等不良地質(zhì)作用,故本場(chǎng)地適宜進(jìn)行工程建設(shè)。

1.3 氣象條件

灰場(chǎng)所在區(qū)域四季分明,受季風(fēng)氣候影響光照充足、雨量充沛。丹陽氣象站位于丹陽市區(qū)的東南面,為距站址最近的氣象站,中間無天然屏障,氣象資料可以直接引用。

多年來,灰場(chǎng)所在區(qū)域最低溫度可降至-19℃ ,最高氣溫高達(dá)39℃,年平均氣溫為15℃ 。本項(xiàng)目中逆變器的工作溫度范圍為-35~60℃ ,電池組件的工作溫度范圍為-40~85℃,灰場(chǎng)氣象條件均在允許范圍內(nèi)。故灰場(chǎng)氣象條件能保障太陽能電池組件及逆變器安全、可靠運(yùn)行的要求。

1.4 地區(qū)能源結(jié)構(gòu)及發(fā)展規(guī)劃

江蘇省位于長(zhǎng)江三角洲地區(qū),東臨黃海,人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),同時(shí)能源消費(fèi)總量在全國(guó)排名也居高不下。然而省內(nèi)資源相對(duì)短缺,能源對(duì)外依存度較高,環(huán)境壓力很大。截至2020年,江蘇省全社會(huì)最大負(fù)荷11.9萬Mw,同比增長(zhǎng)7.8%,全社會(huì)用電量6 374億kw·h,同比增長(zhǎng)1.8%。全社會(huì)用電量和最大用電負(fù)荷“十三五”年均增長(zhǎng)4.5%、6.7%。蘇南地區(qū)集中式光伏資源較少,發(fā)電量具有充分消納的空間。

江蘇電網(wǎng)目前比較單一的火力發(fā)電結(jié)構(gòu)難以滿足江蘇省用電需求和電力系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。因此,積極地開發(fā)省內(nèi)閑置用地,發(fā)展太陽能等清潔可再生能源是大勢(shì)所趨,電力發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)需要以多元化能源開發(fā)的方式滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。

2建設(shè)方案的確定

2.1 光伏陣列運(yùn)行方式選擇

2.1.1主要安裝方式

光伏陣列支架的安裝形式主要分為固定式和跟蹤式兩種。固定式安裝因其靈活的可安裝性和較高的安全性,成為目前國(guó)內(nèi)外技術(shù)最成熟、成本相對(duì)最低、應(yīng)用最廣泛的安裝方式,如圖1所示。跟蹤式安裝配置自動(dòng)跟蹤機(jī)構(gòu),使得方陣的安裝調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)更加繁雜,在增加發(fā)電量的同時(shí)極大地提高了系統(tǒng)投資成本和人力運(yùn)行成本,降低了發(fā)電效益。

為提高發(fā)電量和發(fā)電效益,綜合考慮初期投資成本、后期運(yùn)維成本,本工程的光伏組件安裝方式全部采用固定式。

2.1.2光伏陣列傾角

光伏陣列的發(fā)電量與其接收到的太陽輻射能量成正比,由于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)所產(chǎn)生的電能可以全部并入電網(wǎng)得到充分利用,因此當(dāng)陣列面上全年能接收到的輻照量最大時(shí)即為最佳傾角。本報(bào)告采用Meteonorm數(shù)據(jù),根據(jù)國(guó)際通用的pvsyst軟件計(jì)算項(xiàng)目地區(qū)不同傾角下接收的年輻射量,結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出,灰場(chǎng)太陽能光伏陣列的最佳傾角為25°,此時(shí)輻照量可達(dá)1 333.4 kw.h/m2,且傾角在24°~27°區(qū)間時(shí),灰場(chǎng)所在傾斜面對(duì)應(yīng)的輻射量波動(dòng)值最大。

2.2 光伏組件選型

目前,占據(jù)光伏發(fā)電市場(chǎng)主流的電池為晶硅類和薄膜類^[2],而鈣鈦礦太陽電池、聚合物太陽電池和量子點(diǎn)太陽電池等新型太陽電池仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,離商業(yè)化應(yīng)用還有較大距離。下面對(duì)兩類五種太陽電池組件進(jìn)行比較,如表2所示。

根據(jù)比較,相對(duì)晶硅類太陽電池組件而言,雖然薄膜類組件成本較低,然而其轉(zhuǎn)換效率也較低,且建設(shè)占地面積大,因此本工程選用晶硅類太陽電池組件。對(duì)兩類晶硅類太陽電池組件進(jìn)行對(duì)比分析,如表3所示。

綜上所述,由于單晶硅組件的光電轉(zhuǎn)換效率更高,且在相同面積的土地上可以布置更多容量的光伏組件,因此本工程選用國(guó)內(nèi)一線廠家較為成熟的72片系列組件,結(jié)合半片電池結(jié)構(gòu)技術(shù),功率以主流540 Wp進(jìn)行設(shè)計(jì),轉(zhuǎn)換效率為21.1%。

2.3 逆變器選型

逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的關(guān)鍵設(shè)備,其選型對(duì)于穩(wěn)定系統(tǒng)運(yùn)行和提高轉(zhuǎn)換效率具有關(guān)鍵作用^[3]。目前,主流逆變器分為集中式、集散式和組串式,參照《國(guó)家電網(wǎng)公司光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》,對(duì)三類逆變器輸入、輸出、效率和常規(guī)數(shù)據(jù)等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行考察。

對(duì)各廠家生產(chǎn)的逆變器進(jìn)行主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比,如表4所示。

由表4可見,三種逆變器絕對(duì)最大輸入電壓相同, MPPT電壓范圍相近,逆變器效率及輸出電流均隨著額定輸出功率的增大而增大,所需技術(shù)參數(shù)均滿足 GB/Z19964—2005《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》的要求。本期工程直流系統(tǒng)容量為33.35472MWP,地形相對(duì)平整,組件采用單面組件固定式安裝方式,適合采用大方陣,1 500 V系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢(shì),因此采用196 kW、1 500 V系統(tǒng)組串式逆變器。

2.4 光伏方陣設(shè)計(jì)

2.4.1光伏方陣的串并聯(lián)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目選用組串式逆變器,其最大陣列開路電壓為1500 V,MPPT電壓范圍500~1500 V,并網(wǎng)逆變器功率為單機(jī)功率不低于196 kW。假定每一個(gè)光伏方陣的串聯(lián)組件數(shù)為s,最大串聯(lián)數(shù)為smax,最少串聯(lián) 數(shù)為smin。

本項(xiàng)目選用組件開路電壓為49.5 V,工作電壓為41.80 V,開路電壓溫度系數(shù)-0.27% K^-1,峰值功率電壓溫度系數(shù)-0.35% K^-1,晝極端最低溫度,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取-15℃,根據(jù)GB50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》可知:

式中:V_mpptmax為逆變器MPPT電壓最大值;V_mpptmin為逆變器MPPT電壓最小值;U_dcmax為逆變器允許的最大直流輸入電壓;Vpm為光伏組件的工作電壓;Voc為光伏組件的開路電壓。

由于本項(xiàng)目未采用最佳傾角布置,且極限低溫時(shí)一般在夜里,光伏系統(tǒng)未工作,綜合考慮經(jīng)濟(jì)性,本項(xiàng)目部分組串可連接為28個(gè)一串,剩余大部分組串按27個(gè)一串連接。

2.4.2光伏方陣的排布

本項(xiàng)目共設(shè)置7個(gè)單元,每個(gè)單元里電池組件每27個(gè)或28個(gè)一串,并列18路接入一臺(tái)逆變器,每18臺(tái)逆變器接入一臺(tái)變壓器。方陣布置形式為按豎向2行27列布置。同時(shí),考慮整個(gè)方陣承載風(fēng)壓的泄風(fēng)因素,組件排列間距為20 mm。

2.4.3光伏方陣的間距設(shè)計(jì)

計(jì)算當(dāng)光伏方陣前后安裝時(shí)的最小間距D,如 圖2所示。

圖2光伏陣列間距示意圖

計(jì)算公式如下:

太陽高度角的公式:sinα=sinφ sinδ+cosφ cosδ cos w

太陽方位角的公式:sinβ=cos δsin w/cos α

式中:φ為當(dāng)?shù)鼐暥?δ為太陽赤緯;w為時(shí)角。

D=cosβ × L ,L=H/tan α ,α=arcsin(sin φsin δ十cosφcos δcos w),即:

式中:H為方陣前排最高點(diǎn)與后排組件最低位置的高度差。

固定式支架豎向?yàn)?行27列布置,組件泄風(fēng)間距為20 mm。

經(jīng)計(jì)算得出,太陽高度角α=19.09°,太陽方位角β=-43.33°,光伏方陣寬度L=2 256×2十20=4 532 mm。

由2.1.2已知,廠址地區(qū)在傾角24°~27°時(shí)光伏陣 列傾斜面上太陽能年平均日輻射量最大,最佳傾角為25°。但上述最大輻照的前提是不計(jì)及真太陽時(shí)以外時(shí)間輻射量以及組件表面反射量,如果考慮這部分最佳傾角會(huì)降低,且因?yàn)榻嵌仍酱?支架成本越高,光伏陣列間距也會(huì)變大。

由于本工程可用的光伏區(qū)布置面積約33.33 hm²,用來布置33.35 MWP的光伏組件相對(duì)緊湊。通過對(duì)測(cè)繪地形圖精心布置,并充分考慮了廠區(qū)排水設(shè)施、廠區(qū)運(yùn)檢道路,得到最大陣列布置中心間距為6 m,由此根據(jù)規(guī)范計(jì)算真太陽時(shí)下組件前后左右不遮擋的最大傾角為15°。

考慮地塊裝機(jī)容量及支架成本兼顧發(fā)電量,擬降低傾角來提升光伏系統(tǒng)的效率,經(jīng)過優(yōu)化比選,最終采用15°傾角、6 m間距進(jìn)行固定式支架布置。

3 節(jié)能降耗效益分析

太陽能的廣泛利用可以極大地減少一次能源(如煤、石油、天然氣)的利用,從而減少因開發(fā)一次能源而造成的污染物排放、毀壞植被、影響海洋生態(tài)等環(huán)境問題^[4]。最新環(huán)保要求《關(guān)于印發(fā)<煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃>(2014—2020年)的通知》(發(fā)改能源 (2014〕2093號(hào))規(guī)定:東部地區(qū)新建燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物排放濃度基本達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值,煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50 mg/m³。

光伏電站建成后,平均每年可為電網(wǎng)提供電量3 547.4萬kW.h,與同規(guī)模的燃煤火電相比,每年可節(jié)約標(biāo)煤1.09萬t,相應(yīng)每年可減少二氧化硫排放量約4.41 t,氮氧化物排放量約6.31 t,二氧化碳排放量約2.72萬t,減少大氣污染物的同時(shí)還可節(jié)約大量淡水資源。

由此可見,合理開發(fā)灰場(chǎng)等閑置土地用于光伏電站的建設(shè)[5],不但可以有效節(jié)約寶貴的一次能源,還可以減少火力發(fā)電廠帶來的環(huán)境污染。同時(shí),可以作為當(dāng)?shù)芈糜蔚囊坏佬戮坝^,成為地方經(jīng)濟(jì)一個(gè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。利用閑置用地,釋放資源稟賦,發(fā)揮潛能,打破火電企業(yè)單一的經(jīng)營(yíng)模式,又能走出一條綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展的路徑。

4 結(jié)束語

綜上所述,本文介紹的某33 MW灰場(chǎng)光伏發(fā)電站建設(shè)項(xiàng) 目,一定程度上彌補(bǔ)了江蘇地區(qū)能源結(jié)構(gòu)單一的不足,改善了電網(wǎng)結(jié)構(gòu),積極開發(fā)利用本地區(qū)的太陽能等清潔能源,釋放了企業(yè)閑置資源,響應(yīng)地方經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展,具有較好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)為類似灰場(chǎng)等閑置土地開發(fā)集中式光伏電站提供了有價(jià)值的技術(shù)參考。

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2024年15期第2篇