神華國華(北京)電力研究院有限公司 ■ 張立功

0 引言

塔式太陽能熱發(fā)電是通過定日鏡將吸收到的太陽光聚焦到接收塔頂部的吸熱器上，吸熱傳熱工質經過熱交換產生蒸汽，驅動汽輪發(fā)電機的一種新型發(fā)電形式，主要是由定日鏡鏡場、吸熱與儲熱傳遞系統及發(fā)電系統這3部分組成。其中，定日鏡鏡場由多臺定日鏡組成，定日鏡是連續(xù)跟蹤太陽，將反射光線聚焦到接收塔頂部吸熱器的重要裝置[1]，其主要由反射鏡、鏡面(水平、俯仰)調節(jié)機構、動力控制及通信系統等組成。單臺(套)太陽能熱發(fā)電機組需要上千臺甚至上萬臺定日鏡聚焦光線，為了盡量避免定日鏡之間形成陰影和遮擋[2]，需經計算優(yōu)化后對定日鏡進行分散布置，因此，最終形成的定日鏡鏡場的占地面積較大，如圖1所示。

圖1 單臺(套)太陽能熱發(fā)電機組的塔式太陽能熱發(fā)電站場景

定日鏡的電源用于鏡面調節(jié)、動力控制及通信，在常規(guī)設計上，該電源是由太陽能熱發(fā)電機組中主廠房內的低壓廠用變壓器提供，電源經低壓動力工作段母線、電力電纜、電源分配柜(箱)等逐級分配，如圖2所示。

圖2 常規(guī)設計方案的電源網絡分配示意圖

定日鏡的布置需要大量電力電纜及電源分配柜(箱)等配電設備及部件，甚至需要配電室等。因此，每臺定日鏡的設計采用“光伏組件+蓄電池”的就地電源方案，可有效優(yōu)化上述主廠房常規(guī)設計方案的電源網絡配置。

1 “光伏組件+蓄電池”的就地電源方案的設計

1.1 就地電源方案的典型結構設計

就地電源方案是在每臺定日鏡上配置1個小型化電源模塊，電源模塊是運用光伏發(fā)電、蓄電池儲能聯合運行的供電特點，用于滿足定日鏡跟蹤調節(jié)時的動力、檢測控制及系統通信時的用電需求。電源模塊主要是由光伏組件，蓄電池組，DC/DC單向、雙向變換器，DC/AC單向逆變器，電源分配開關等配電部件及電氣接線構成，如圖3所示。

圖3 定日鏡電源模塊的典型結構圖

1.1.1 電源模塊的安裝設計

1)在就地電源方案的設計中，將光伏組件安裝在定日鏡鏡面的邊端，這樣可使光伏組件與定日鏡同步跟蹤太陽，實現光伏組件最大程度地接收太陽直接輻射，提高光電轉換效率。但應注意的是，光伏組件的安裝位置不能影響定日鏡的跟蹤調節(jié)工作。

2)將蓄電池組、變換器、逆變器、電源分配開關等其他配電部件集成后，布置在定日鏡的就地控制箱內即可。

1.1.2 光伏組件的設計

1)光伏組件是電源模塊中的發(fā)電單元，其將光能轉換成電能，供電給定日鏡；同時其也是蓄電池的充電電源。在設計上，光伏組件設計為按升壓方式供電，以確保有效滿足負載的電壓及不同類型部件的電壓要求。

2)光伏組件應根據使用環(huán)境選擇合適的類型，比如非晶硅光伏組件的峰值功率溫度系數的絕對值較低，弱光性較好，所以特別適合氣溫較高、低輻照度概率較高的地區(qū)；晶體硅光伏組件適用于太陽能資源豐富、氣溫偏低的地區(qū)。光伏組件選型中應根據自身的維護條件，綜合考慮清洗方式和陰影遮擋等影響因素。

3)光伏組件的功率Pm可按照負載功率Pr的情況進行選擇，其公式為：

式中，70%為光伏組件的輸出效率。

1.1.3 光伏組件出口端DC/DC單向變換器的設計

光伏組件出口端DC/DC單向變換器的作用，一方面是采集光伏組件的升壓和電壓參數，從而有效保證可滿足本地負載的電壓要求；另一方面是在光伏組件電壓下降或不發(fā)電時，用于阻止蓄電池對光伏組件形成逆放電；此外其還負責采集、監(jiān)測光伏組件的最大功率[3]。

1.1.4 蓄電池組的設計

1)蓄電池是電源模塊中的儲電(備用電源)單元。在日照條件下，蓄電池組是作為負載進行充電，儲存電能；而在本地沖擊負荷、缺乏日照及光伏電源斷路等情況下，蓄電池組則由充電狀態(tài)立即轉為放電、供電狀態(tài)。在設計上，蓄電池組設計為按升壓方式供電，以優(yōu)化母線電壓制約下的串接成組數量，從而實現電源模塊的小型化配置。

2)在本方案設計中，蓄電池宜選用鋰離子蓄電池和鉛酸(VRLA)蓄電池。對于低溫運行環(huán)境下的蓄電池，應設計有效的熱管理措施[4]，用于緩解蓄電池特有的低溫降容影響。蓄電池容量C的選擇可按照式(2)進行考量。

式中，Q為負載容量；d為連續(xù)陰雨天數；1.3為補償系數；70%為蓄電池在低溫環(huán)境下的充電效率。

負載容量Q可表示為：

式中，U為電源系統電壓；h為用電負載的連續(xù)工作時間。

1.1.5 蓄電池出口端DC/DC雙向變換器的設計

蓄電池出口端DC/DC雙向變換器的作用，一方面是對蓄電池組的出口端升壓，另一方面是采集、監(jiān)測并控制蓄電池組的充放電參數，以便有效保證滿足本地負載的電壓要求[3]。

1.1.6 DC/AC單向逆變器的設計

當定日鏡有交流負荷需求時，需配置DC/AC單向逆變器，用于將直流電轉變?yōu)闈M足本地負荷電壓要求的交流電[3]，并用于交流參數的采集和監(jiān)測。

1.2 相鄰幾臺電源模塊并聯組合供電設計

1.2.1 并聯組合供電方案的提出背景

在《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中明確指出，要在青海、新疆、甘肅等太陽能資源豐富、具有荒漠化等閑置土地資源的地區(qū)有序推進太陽能熱發(fā)電站的建設。上述區(qū)域都具有海拔較高、晝夜溫差顯著、冬季嚴寒且持續(xù)時間長等典型氣候特點。表1為部分示范工程項目所在區(qū)域的海拔高度及典型氣候特點。

表1 部分示范工程項目所在區(qū)域的海拔高度及典型氣候特點

表1中列出的環(huán)境和氣候因素會給戶外運行的電氣部件帶來諸多影響，尤其是過低的運行溫度，會對蓄電池的性能產生較大影響[5]。

1)以200 Ah的VRLA蓄電池為例。當內蒙古阿拉善地區(qū)的低氣溫為-10 ℃及極端最低氣溫為-28 ℃時，分別計算該蓄電池的實際可釋放容量Ct，其公式為：

式中，Ce為環(huán)境溫度為25 ℃時蓄電池的標稱容量，Ah，此處取200；K為溫度系數，此處取10 hr放電容量時的值，即K=0.006；t為實際環(huán)境溫度，℃，分別取-10和-28。

將相關數據代入式(4)后可知，實際環(huán)境溫度為-10 ℃時蓄電池的實際可釋放容量為158 Ah，該值約為標稱容量的79%；實際環(huán)境溫度為-28℃時，蓄電池的實際可釋放容量為136 Ah，該值約為標稱容量的68%。

綜上所述，當環(huán)境溫度低于25 ℃ 時，VRLA蓄電池的實際可釋放容量小于蓄電池的標稱容量；且環(huán)境溫度越低，蓄電池的實際可釋放容量越小。

2)以65 Ah、3.4 V的鋰離子蓄電池為例。圖4為不同環(huán)境溫度下65 Ah、3.4 V鋰離子蓄電池的放電曲線[4]。其中，0.5C是指鋰離子蓄電池的放電倍率為0.5，100%、63.1%、89.7%和99.1%為鋰離子蓄電池的可釋放容量占標稱容量的比例。

圖4 不同環(huán)境溫度下65 Ah、3.4 V鋰離子蓄電池的放電曲線

由圖4可知，鋰離子蓄電池的低溫降容特性與VRLA蓄電池相似，其實際可釋放容量隨環(huán)境溫度的降低而降低。

1.2.2 并聯增容組合的供電方案設計

將相鄰的2～3臺定日鏡的電源模塊建立并聯組合接線，形成互助供電模式，如圖5所示，此模式可有效緩解上文提到的環(huán)境低溫對蓄電池實際可釋放容量的影響。

圖5 多臺定日鏡的電源模塊并聯組合供電方案

采用上述并聯組合供電方案的電源模塊主要存在以下2種運行方式。

1)運行方式1：在正常運行中，并聯組合供電方案中的各個電源模塊獨立運行(即互助聯絡開關斷開)，當運行中任意一個電源模塊的電源單元(光伏組件或蓄電池組)發(fā)生缺陷故障或受到低溫降容影響時，手動合閘進行供電聯絡，建立互助供電模式。此種運行方式可在短時間內恢復定日鏡的正常供電和運行。

2)運行方式2：在正常運行中，并聯組合供電方案中的各個電源模塊始終處于互聯模式(即互助聯絡開關合閘)。該運行方式下，可使互助供電的電源模塊構成蓄電池組并聯增容組合，增大蓄電池組的容量，一方面可對環(huán)境溫度引起的蓄電池降容影響起到互補的作用，滿足單一電源模塊的備用供電要求；另一方面通過對蓄電池容量的互補，可有效延長無光照條件下的蓄電池供電時間；同時，也可結合蓄電池的供電時長，進一步優(yōu)化單體蓄電池的容量及初期投資成本。

當任意一個運行中的電源模塊的電源單元(光伏組件或蓄電池組)發(fā)生故障后，斷開故障電源單元的出口開關即可退出運行，進行故障維修，在此期間定日鏡仍可保持正常電源和運行。

2 “光伏組件+蓄電池”就地電源方案的優(yōu)勢

2.1 配置方面的優(yōu)勢

在國內太陽能熱發(fā)電技術發(fā)展中，北京首航艾啟威節(jié)能技術股份有限公司、浙江中控太陽能技術有限公司、中國東方電氣集團有限公司、上海電氣電站集團等都具有代表性的公司的定日鏡控制技術、鏡面面積設計及機械調節(jié)技術(包括傳動機構、動力電機選型)等各不相同，因此在太陽能熱發(fā)電機組容量相同時，定日鏡的鏡面數量、電源功率、鏡場面積及鏡場供電容量等都各不相同。此外，由于定日鏡鏡場的排列、接收塔的高度及定日鏡逐級供電分配等設計方案的不同，常規(guī)設計方案的供電配置中的電源分配數目、電源分配柜(箱)，以及相關的開關、降壓、隔離、引接電纜等電氣部件的配置數目、配置容量及費用成本等都存在差異。因此，對比中不做數據量分析。

與主廠房常規(guī)設計方案的電源網絡配電方案的工程配置對比，“光伏組件+蓄電池”就地電源方案，得到了有效簡化，主要體現在定日鏡場的廠用電容量配置、配電設備的配置及鏡場配電設施建筑物方面。

2.1.1 定日鏡場的廠用電容量配置

在常規(guī)設計方案的電源網絡配電方案中，需要同步進行定日鏡場的廠用電負荷設計和計算，并結合可靠性要求設計由主廠房供電的電氣接線方式和預留供電容量(包括低壓廠用變壓器、母線段、電源斷路器等容量設計)。

而在“光伏組件+蓄電池”就地電源方案中，定日鏡場不需要由主廠房提供廠用電電源及容量設計，因此明顯簡化了設計配置。

2.1.2 配電設備的配置

在常規(guī)設計方案的電源網絡配電方案中，由主廠房逐級網絡分配是首要原則，設備容量及配置數量需根據具體工程設計來確定。設備配置主要包括：1)主廠房低壓工作段的電源開關間隔及斷路器設備；2)必要的鏡場交流不停電電源系統，即EPS設備；3)鏡場電源分配柜(箱)；4)電力電纜及橋架溝道設備等；5)相關分路開關，以及必要的降壓、隔離等電氣部件。

在“光伏組件+蓄電池”就地電源方案中，僅需配置光伏組件與蓄電池組電源模塊，而在光伏技術快速發(fā)展的今天，其所涉及的相關配件已是相對普及且成本不斷降低。當進一步采用并聯增容組合方案時，除會增加少量的電力電纜及橋架溝道設備外，上述常規(guī)設計方案的電源網絡配電方案中的其余設備均不需要配置，因此仍是明顯簡化了設計配置。

2.1.3 鏡場配電設施建筑物

在常規(guī)設計方案的電源網絡配電方案中，部分用戶在具體工程中會考慮所在地的環(huán)境影響及后續(xù)的設備維護，規(guī)劃鏡場配電室建房。而在“光伏組件+蓄電池”就地電源方案中，不需要規(guī)劃鏡場配電室建房。

2.2 用電率的降低

定日鏡的“光伏組件+蓄電池”就地電源方案可有效降低塔式太陽能熱發(fā)電的廠用電率。

在常規(guī)設計方案的廠用電方案中，由主廠房為定日鏡鏡場提供廠用電，電源來自于發(fā)電機端，涉及到機組發(fā)電成本，因此會被計入到該機組的綜合廠用電統計。而“光伏組件+蓄電池”就地電源方案，不涉及機組發(fā)電成本，可不計入廠用電統計，因此其有效降低了塔式太陽熱能發(fā)電的廠用電率。

2.3 降低運行維護工作量

定日鏡的“光伏組件+蓄電池”就地電源方案可有效降低運行維護工作量。

在定日鏡場常規(guī)設計方案的廠用電方案中，已經形成了龐大的電源網絡，若其發(fā)生電源側電氣故障，會影響其所帶下屬負荷的正常運行，波及面較大，且短時間內無法消缺時將直接影響機組運行；分級供電網絡發(fā)生故障時，故障點查找難度較大，必要時需要一一排查確認；電源網絡中的電氣接線接頭較多，日常維護巡查及定期維護保養(yǎng)的工作量較大。

而“光伏組件+蓄電池”就地電源方案可有效降低運維工作量，主要體現在：1)該方案中涉及到的光伏組件、蓄電池及相關電源部件的技術在電力市場均已成熟，不存在新生技術，因此在合理選型的情況下不存在設備技術風險。2)目前在西北等邊遠無電地區(qū)建立的分布式光伏發(fā)電系統較多且運行多年，在高海拔、晝夜溫差大、嚴寒等惡劣環(huán)境的適應性考驗下，已不存在維護技術瓶頸，在采取有效防護和維護措施的情況下，可滿足設備運行要求及運行壽命。3)“光伏組件+蓄電池”僅是小型化電源模塊，其出現運行故障時，可通過定日鏡的工作狀態(tài)體現，方便了故障查找和處理。4)“光伏組件+蓄電池”就地電源方案簡化了運行中的維護量，日常除針對性維護外，光伏組件的清潔維護與定日鏡同步進行即可。5)由于避免了電力線纜的大量敷設應用，“光伏組件+蓄電池”就地電源方案能夠有效規(guī)避遭受老鼠等嚙齒動物啃咬電纜等故障風險的發(fā)生等。

3 結語

本文提出了一種在塔式太陽能熱發(fā)電項目中，定日鏡采用小型化“光伏組件+蓄電池”的就地電源模塊方案，該方案的設計簡單，無復雜的技術要求，且清潔環(huán)保。在單臺電源模塊應用中，選擇蓄電池容量時需考慮連續(xù)陰雨天等特殊天氣情況，按提高一級容量進行選擇較為合理。在青海、新疆、甘肅、內蒙古等海拔較高、氣候條件較惡劣的地區(qū)，將多臺電源模塊并聯組合供電后容量補償的優(yōu)勢非常明顯。