劉 宇，趙 映，李世朝

（中南電力設(shè)計(jì)院，武漢 430071）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，“環(huán)境和能源協(xié)同發(fā)展”成為全人類面臨的共同課題[1]。在國(guó)內(nèi)“碳達(dá)峰、碳中和”的環(huán)保要求背景下，合理開發(fā)、利用新能源，保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)電力工業(yè)發(fā)展，是電力工業(yè)后續(xù)發(fā)展的重要任務(wù)。作為電力工業(yè)的重要組成部分，環(huán)境保護(hù)與社會(huì)發(fā)展都促使著火力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展。將火力發(fā)電廠和光伏新能源相結(jié)合的應(yīng)用方式，是目前火力發(fā)電場(chǎng)景下新的研究方向。

光伏發(fā)電具有不使用燃料，不排放污染物，節(jié)能環(huán)保、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、布置靈活等優(yōu)勢(shì)[2]。在火力發(fā)電廠中，可根據(jù)不同工藝建筑物，靈活設(shè)置屋頂光伏系統(tǒng)，并將電能接入廠用電系統(tǒng)，增加部分常用負(fù)荷所需的電能，提高了電廠向電網(wǎng)的供電能力，同時(shí)又達(dá)到減排的效果[3]，降低廠用電消耗，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。本文以某火力發(fā)電廠為例，介紹火電廠內(nèi)光伏發(fā)電系統(tǒng)的配置和設(shè)計(jì)。

1 火電廠布置及光資源分析

某火電廠廠址位于某市，根據(jù)Meteonorm數(shù)據(jù)分析可知，該項(xiàng)目所在地多年平均太陽(yáng)輻射量為4 115.5 MJ/m2。根據(jù)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QX/T 89—2018《太陽(yáng)能資源評(píng)估方法》中年水平面總輻照量（GHR）等級(jí)，評(píng)定本工程太陽(yáng)能資源等級(jí)為C級(jí)，屬于資源豐富地區(qū)。因此項(xiàng)目所在地區(qū)太陽(yáng)能資源具有較高的開發(fā)利用價(jià)值，建設(shè)太陽(yáng)能光伏發(fā)電項(xiàng)目是可行的。

廠區(qū)總平面采用四列式布置形式，汽機(jī)房A排朝北。廠區(qū)自北向南依次為配電裝置區(qū)、冷卻塔、主廠房區(qū)、貯煤場(chǎng)區(qū)，固定端上煤，生產(chǎn)輔助設(shè)施布置在廠區(qū)固定端以及主廠房與煤場(chǎng)之間。根據(jù)廠區(qū)布置情況，無平整的大面積區(qū)域設(shè)置地面光伏系統(tǒng)，只能考慮建筑屋頂光伏系統(tǒng)，因此目前適合大面積布置光伏的有汽機(jī)房、生產(chǎn)辦公樓、材料庫(kù)屋頂和干煤棚頂部。

2 光伏布置建筑選擇

由于廠區(qū)內(nèi)建筑物高低不同，布置位置各異，前述的四個(gè)建筑物是否會(huì)被附近高聳建構(gòu)筑物陰影遮擋，從而影響光伏系統(tǒng)發(fā)電效率是需要重點(diǎn)考慮的因素。一般確定原則是：冬至日當(dāng)天09：00—15：00太陽(yáng)能光伏組件方陣不應(yīng)有陰影遮擋。

汽機(jī)房屋面高度40 m，汽機(jī)房南側(cè)布置有兩座85 m高的鍋爐房。根據(jù)當(dāng)?shù)囟寥仗?yáng)的方位角和高度角作圖，冬至日09：00鍋爐對(duì)周邊建筑物的陰影遮擋見圖1?？梢钥闯?，鍋爐房與汽機(jī)房有約45 m高差，導(dǎo)致汽機(jī)房和辦公樓屋面大部分被陰影遮擋，材料庫(kù)有一小部分被遮擋，隨著時(shí)間推移，太陽(yáng)方位角從東南方向移動(dòng)到西南方向時(shí)，汽機(jī)房和辦公樓仍然會(huì)被遮擋，材料庫(kù)緩慢脫離陰影區(qū)。而干煤棚四周無高聳建筑物，屋面無遮擋，因此僅選取干煤棚安裝光伏系統(tǒng)。

3 光伏組件選擇

光伏組件是光伏電站最核心和關(guān)鍵的設(shè)備，收集太陽(yáng)能的基本單位。光伏電池主要有多晶體硅電池、單晶硅電池、薄膜電池、聚光電池等[4]。單晶硅、多晶硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)品性能穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、光電轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較高，被廣泛應(yīng)用于大型并網(wǎng)光伏電站項(xiàng)目。非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池由于其穩(wěn)定性較差、光電轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較低，較少使用。聚光電池轉(zhuǎn)換效率高，但同時(shí)成本高、工藝復(fù)雜。目前晶硅光伏組件在光伏發(fā)電市場(chǎng)占有主導(dǎo)地位，其中單晶硅電池光電轉(zhuǎn)化效率略高于多晶硅電池，是發(fā)展最早、工藝技術(shù)最為成熟的太陽(yáng)能電池[5]?？紤]到光伏組件功率和尺寸越大則荷載越大，會(huì)對(duì)屋面常規(guī)結(jié)構(gòu)造成影響，因此組件功率不宜過大，本次選用的單晶硅電池參數(shù)見表1。

表1 單晶硅電池主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of monocrystalline silicon cell

4 逆變器的選擇

目前光伏電站選用的逆變器有三種解決方案：集中式逆變器、組串式逆變器、集散式逆變器。集中式逆變器成本低、數(shù)量少，但最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）電壓范圍窄、路數(shù)少；集散式逆變器中匯流升壓?jiǎn)卧Y(jié)構(gòu)和功能較復(fù)雜，而干煤棚屋面為曲面，在其上布置光伏組件時(shí)，光伏組件的傾角和方位角各不相同。組串式光伏逆變器則能夠保證實(shí)現(xiàn)良好的電壓輸入匹配性，可以降低因組件匹配造成的損失[6]。因此，干煤棚光伏發(fā)電系統(tǒng)選用組串式光伏逆變器。

組串式逆變器具有的容量及MPPT范圍應(yīng)能與光伏組件較好匹配、轉(zhuǎn)換效率高、MPPT數(shù)量多、交流輸出特性滿足接入火電廠廠用電系統(tǒng)要求、安裝方便等特點(diǎn)[7]。根據(jù)上述要求選擇的組串式光伏逆變器主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 光伏逆變器主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of photovoltaic inverter

5 光伏陣列設(shè)計(jì)

5.1 光伏組串

太陽(yáng)能電池組件串聯(lián)的數(shù)量由逆變器的最高輸入電壓、最低工作電壓以及太陽(yáng)能電池組件允許的最大系統(tǒng)電壓確定[8-9]。太陽(yáng)能電池組串的并聯(lián)數(shù)量由逆變器的額定容量確定。

根據(jù)GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》，電池組件串聯(lián)數(shù)量N按照式（1）和式（2）計(jì)算：

式中：Kv—光伏組件的開路電壓溫度系數(shù)；

K′v—光伏組件的工作電壓溫度系數(shù)；

N—光伏組件的串聯(lián)數(shù)（N取整）；

t—光伏組件工作條件下的極限低溫，℃；

t′—光伏組件工作條件下的極限高溫，℃；

Vdcmax—逆變器允許的最大直流輸入電壓，V；

Vmpptmax—逆變器MPPT電壓的最大值，V；

Vmpptmin—逆變器MPPT電壓的最小值，V；

Voc—光伏組件的開路電壓，V；

Vpm—光伏組件的工作電壓，V。

通過計(jì)算，當(dāng)組串件數(shù)為6~22時(shí)，能滿足逆變器MPPT電壓要求，但同時(shí)應(yīng)滿足在極限最低溫時(shí)組串電壓不大于開路電壓，因此考慮本工程布置容納及電池板布置實(shí)際情況，組串件數(shù)可取N=20，即每臺(tái)110 kW逆變器所連接的組串并聯(lián)數(shù)為20串。

5.2 光伏陣列布置

干煤棚正東西向布置，水平跨距尺寸為東西向350 m、南北向110 m，干煤棚結(jié)構(gòu)采用鋼型屋面，則光伏組件順坡布置，選用固定式安裝方式。屋面光伏組件與建構(gòu)物自然方位角一致。光伏組件采用豎向布置，單個(gè)光伏組串由20塊光伏組件構(gòu)成，相鄰組件間距設(shè)計(jì)為20 mm。單個(gè)方陣長(zhǎng)10 560mm、寬4208 mm。根據(jù)上述布置方案，每個(gè)干煤棚光伏裝機(jī)容量1972 kW。光伏板的布置見圖2。

圖2 光伏陣列在干煤棚頂部布置圖Fig.2 PV array layout on top of dry coal shed

6 光伏系統(tǒng)發(fā)電量

光伏發(fā)電站上網(wǎng)電量可按式（3）計(jì)算：

式中：HA—水平面太陽(yáng)能總輻照量，kWh/m2，峰值小時(shí)數(shù)；

Ep—上網(wǎng)發(fā)電量，kWh；

Es—標(biāo)準(zhǔn)條件下輻照度，常數(shù)，取值1 kWh/m2；

PAZ—組件安裝容量，kWp；

K—綜合效率系數(shù)，包括光伏組件類型修正系數(shù)、光伏方陣的傾角、方位角修正系數(shù)、光伏發(fā)電系統(tǒng)可用率、光照利用率、逆變器效率、集電線路損耗、升壓變壓器損耗、光伏組件表面污染修正系數(shù)、光伏組件轉(zhuǎn)換效率修正系數(shù)。

由于干煤棚頂部曲面，導(dǎo)致各組陣列的傾斜角及各陣列的總輻照量不同（見表3）。從表3可以看出，傾角等于15°或20°時(shí)全年接受到的太陽(yáng)能輻射能量最大，考慮到干煤棚光伏陣列傾斜角不同，為方便計(jì)算統(tǒng)一按照15°考慮。年發(fā)電量實(shí)際受多方面因素影響，只能在年理論發(fā)電量基礎(chǔ)上根據(jù)系統(tǒng)綜合效率進(jìn)行估算。系統(tǒng)綜合效率的影響因素主要考慮光伏組件效率、直流電纜及逆變器轉(zhuǎn)換效率、交流并網(wǎng)效率等。最終系統(tǒng)綜合效率按81%進(jìn)行計(jì)算。單晶硅組件年發(fā)電衰減率按第1年≤2.5%，第2年起≤0.6%/年線性衰減，25年衰減不超過17%考慮，則25年平均每年發(fā)電量為169.3萬(wàn)kWh，總發(fā)電量為4 232.5萬(wàn)kWh。

表3 不同傾斜角度時(shí)太陽(yáng)輻照總量（全年）Tab.3 Total solar irradiation at different tilt angles(annual) MJ/m2

7 經(jīng)濟(jì)性分析

干煤棚光伏發(fā)電系統(tǒng)按以下條件進(jìn)行投資估算。

（1）單位造價(jià)為0.4萬(wàn)元/kW。

（2）不考慮利息、折舊、稅收和人工等費(fèi)用等。

（3）光伏發(fā)電接入廠用電系統(tǒng)，因此電價(jià)按照火電上網(wǎng)價(jià)格0.42元/kWh計(jì)算。

估算結(jié)果為：初始投資788.8萬(wàn)元，25年發(fā)電量收益1 777.65萬(wàn)元，利潤(rùn)988.85萬(wàn)元。

8 結(jié)語(yǔ)

在火力發(fā)電平均年利用小時(shí)數(shù)不斷降低，而節(jié)能降耗、綠色環(huán)保要求不斷提高的趨勢(shì)下，將光伏新能源與火力發(fā)電相結(jié)合的綜合能源方式是未來發(fā)展的方向。具體實(shí)施中，可在火力發(fā)電廠所在區(qū)域內(nèi)，根據(jù)光資源及光照陰影分析，充分利用未遮擋的輔助廠房屋頂，裝設(shè)屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)。比如干煤棚四周無遮擋，屋頂鋪設(shè)面積寬闊，是合適的設(shè)置地點(diǎn)。在根據(jù)屋面布置及承重特點(diǎn)選擇合適的光伏組件及逆變器，將光伏發(fā)出的電能直接接入廠用電系統(tǒng)就近消納，在利用清潔能源的同時(shí)也可以優(yōu)化電廠自身的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)收益，是一種實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的有效方法。