中電建新能源集團(tuán)股份有限公司河北分公司 溫子明 梁 卓

近年來，我國注重且踐行“節(jié)能減排、綠色低碳”環(huán)保理念，并將其與社會(huì)各行業(yè)的建設(shè)相融合，以此為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施提供基礎(chǔ)保障。在電力行業(yè)中，新型能源的創(chuàng)新發(fā)展對(duì)社會(huì)具有顯著促進(jìn)作用，能夠進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性，同時(shí)為人們提供更高質(zhì)量的電力能源。但是從實(shí)際角度分析，電力系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)還存在一定的問題，需要結(jié)合工程實(shí)際情況對(duì)發(fā)電站系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將科學(xué)理念融入其中，這樣才能夠保障發(fā)電站系統(tǒng)的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。基于此，本文對(duì)光伏發(fā)電站系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)建設(shè)進(jìn)行了分析。

1 光伏發(fā)電站系統(tǒng)概述

1.1 光伏發(fā)電站系統(tǒng)分類

光伏發(fā)電系統(tǒng)包括獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)、混合型發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)等多種類型，具體如下。一是獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)是指利用太陽能電池板吸收光能，最終將其轉(zhuǎn)變成為直流形式的電力能源。同時(shí)，能夠進(jìn)行直流供電與交流供電兩種供電。二是混合型發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)與獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)之間的區(qū)別在于具有備用發(fā)電機(jī)組，能夠保證系統(tǒng)全部的發(fā)電需求。三是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)在逆變器影響下和電網(wǎng)系統(tǒng)之間進(jìn)行有效連接，并確保兩者之間保持同頻、同相狀態(tài)，這樣才能夠保證電力能源進(jìn)入電網(wǎng)系統(tǒng)中[1]。

1.2 光伏發(fā)電站系統(tǒng)工作原理

光伏發(fā)電站系統(tǒng)主要是指，基于半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)變成為電力能源的技術(shù)，其內(nèi)部核心元件是太陽能光伏動(dòng)力電池，其在并聯(lián)后進(jìn)行加密維護(hù)即可得到太陽電池組系統(tǒng)，與功率控制器等系統(tǒng)進(jìn)行配套使用極為光伏發(fā)電站系統(tǒng)設(shè)備[2]。光伏發(fā)電站系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，受到地理因素的影響效果比較小，同時(shí)具有低污染、低噪聲、安全穩(wěn)定、能源消耗少等優(yōu)點(diǎn)，在架設(shè)專用系統(tǒng)線路后就能夠投入運(yùn)行，并且具有較短的工程建設(shè)周期。

2 光伏發(fā)電站系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)工程實(shí)例

本文以三北地區(qū)某電力工程為例進(jìn)行分析，對(duì)光伏發(fā)電站系統(tǒng)展開優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，其中包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光資源分析以及投資效益等部分，同時(shí)結(jié)合地區(qū)項(xiàng)目實(shí)際建設(shè)情況，對(duì)重點(diǎn)與關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)講解說明。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電站系統(tǒng)中使用的光伏組件具有多種類型，結(jié)合本工程地理位置，最終選擇規(guī)格為255Wp的多晶硅光伏組件，運(yùn)行方式為固定式，光伏仿真最佳固定傾角設(shè)計(jì)為40°；以并聯(lián)形式連接光伏組件，連接數(shù)量設(shè)計(jì)為202-204路；光伏組件之間的距離為1.5m；逆變器裝置選擇使用500kW/臺(tái)的逆變器。

2.2 資源分析

本工程所處地區(qū)屬于溫帶大陸性干旱氣候，全年降雨量相對(duì)較少，日照時(shí)間比較長。在經(jīng)過綜合分析后能夠得到該項(xiàng)目年太陽能總輻射量約為6169MJ/m2，根據(jù)太陽能資源豐富程度評(píng)估指標(biāo)相關(guān)規(guī)定，太陽能年總輻射量達(dá)到5040～6300MJ/m2時(shí)，屬于資源很豐富的等級(jí)，因此對(duì)本工程的資源評(píng)價(jià)為“資源很豐富”。

2.3 投資效益

結(jié)合現(xiàn)有工程規(guī)定、費(fèi)用標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容，對(duì)工程投資效益進(jìn)行綜合分析，能夠確定本工程具有良好的盈利能力。

3 光伏發(fā)電站系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)建設(shè)分析

3.1 太陽能資源分析優(yōu)化

一是對(duì)光伏發(fā)電站系統(tǒng)具體運(yùn)行環(huán)境情況進(jìn)行分析，對(duì)影響因素以及資源損失系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。二是對(duì)工程地區(qū)中資源條件數(shù)據(jù)的真實(shí)性、可靠性進(jìn)行全面驗(yàn)證分析，以此對(duì)地區(qū)太陽能輻射的實(shí)際變化情況具有清晰地了解認(rèn)知，同時(shí)利用概率統(tǒng)計(jì)方法對(duì)工程代表年數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)選擇。三是對(duì)太陽位置參數(shù)計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)度進(jìn)行優(yōu)化，盡可能降低參數(shù)計(jì)算結(jié)果的偏差影響；以發(fā)電站陣列面的實(shí)際情況對(duì)輻射量進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行科學(xué)選擇，以此為發(fā)電量、項(xiàng)目收益以及間距分析等提供數(shù)據(jù)支持[3]。

3.2 光伏組件設(shè)計(jì)優(yōu)化

本工程的地域性特征，對(duì)于光伏發(fā)電站系統(tǒng)的發(fā)電運(yùn)行具有顯著影響效果，因此需要結(jié)合地區(qū)現(xiàn)有氣相觀測數(shù)據(jù)，以及實(shí)際測光信息對(duì)各組件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在優(yōu)化時(shí)注意以下事項(xiàng)。

一是控制太陽電池組件串聯(lián)后的最高輸出電壓小于太陽電池組件自身最大電壓，電壓變化范圍應(yīng)控制在逆變器系統(tǒng)工作范圍內(nèi)。二是太陽能電池組件串聯(lián)的數(shù)量設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合環(huán)境溫度、太陽能輻射、逆變器規(guī)格等因素綜合考慮。同時(shí)，分析外界因素以及直流通路損耗情況對(duì)于光伏陣列的具體影響。三是為進(jìn)一步降低系統(tǒng)直流損耗，需要確保太陽電池組件串聯(lián)后的輸出電壓在符合標(biāo)準(zhǔn)的條件下，盡可能選擇最大值。四是針對(duì)同一逆變器下連接的子陣，優(yōu)先選擇組件功率相同，其他性能相似，且距離相對(duì)較近的匯流箱，距離相對(duì)較遠(yuǎn)的則連接到另一逆變器中，以此降低直流壓降和組件一致性的問題對(duì)于MPPT 的負(fù)面影響，進(jìn)一步提高系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果[4]。

3.3 光伏陣列設(shè)計(jì)優(yōu)化

針對(duì)集中式的并網(wǎng)光伏發(fā)電站系統(tǒng)，如果設(shè)計(jì)為固定式安裝，需要將全年發(fā)電量最大時(shí)的傾角作為太陽電池組件的傾角；如果設(shè)計(jì)為斜單軸自動(dòng)跟蹤式安裝，還需要對(duì)傾角過高的影響問題進(jìn)行充分考慮。在設(shè)計(jì)時(shí)需要結(jié)合工程實(shí)際情況進(jìn)行多方案綜合對(duì)比分析，對(duì)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等進(jìn)行綜合分析后選擇最佳方案。光伏陣列是由多個(gè)單元組合形成的，因此在對(duì)陣列角度優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)實(shí)際條件以及太陽位置進(jìn)行綜合計(jì)算分析，盡可能提高太陽發(fā)電時(shí)間，以此為基礎(chǔ)對(duì)間距進(jìn)行計(jì)算分析，最終能夠得到最佳安裝角度[5]。

3.3.1 組件行間距和發(fā)電量關(guān)系分析

在對(duì)光伏發(fā)電站間距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)“冬至日9:00～15:00期間不被陰影遮擋”的原則進(jìn)行。從本工程實(shí)際情況分析，其光伏組件的陰影遮擋現(xiàn)象比較明顯，以11月至次年1月為例分析，對(duì)每月10日、20日、30日的輻射強(qiáng)度進(jìn)行分析，具體情況見表1。

表1 11月至次年1月水平面總輻射強(qiáng)度

通過數(shù)據(jù)分析能夠發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段的間距設(shè)計(jì)能夠滿足設(shè)計(jì)需求，如果進(jìn)一步增加組件設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)的光伏陣列面積也會(huì)增加，成本與工程建設(shè)量也會(huì)隨之增加。為進(jìn)行較為精準(zhǔn)的定量分析，依據(jù)本工程可研階段設(shè)計(jì)的方案對(duì)太陽電池陣列進(jìn)行設(shè)計(jì)，組件大小為165cm×99cm，傾角假設(shè)為該地區(qū)最優(yōu)傾角40°。

本工程所在地區(qū)光伏發(fā)電站用地指標(biāo)為60ha/20MWp，同時(shí)對(duì)綜合管理區(qū)域、站內(nèi)道路區(qū)域以及逆變器室內(nèi)區(qū)域情況綜合考慮，在用地指標(biāo)規(guī)范允許條件下，對(duì)冬至日的真太陽時(shí)在8:45至15:15時(shí)間段可增加0.5h 無遮擋的運(yùn)行時(shí)間，與原本設(shè)計(jì)發(fā)電量相比增長率達(dá)到0.58%。

3.3.2 傾角和發(fā)電量關(guān)系分析

依據(jù)工程項(xiàng)目場地2021年10月至2022年9月實(shí)時(shí)監(jiān)測的太陽總輻射、散射輻射以及直射輻射的數(shù)據(jù)，不同傾角下的總輻射量進(jìn)行科學(xué)計(jì)算。

基于分析能夠得出以下結(jié)果：傾斜面總輻射量處于最佳傾角附件時(shí)具有最小的變化量，變化率小于2%，但是此時(shí)對(duì)應(yīng)的陣列面陰影遮擋率能夠得到2%；陣列間距不變時(shí)縮減傾角，能夠降低陣列陰影遮擋，以此提高對(duì)太陽能資源的利用效果，可適當(dāng)延長發(fā)電站系統(tǒng)的有效運(yùn)行時(shí)間；不同傾角對(duì)應(yīng)的總輻射量損失也不同，40°傾角對(duì)應(yīng)的損失率能夠達(dá)到1.9%，而33°傾角對(duì)應(yīng)的損失率為1.08%，對(duì)應(yīng)的輻射量提高了0.81%左右。

因此，本工程的陣列面傾角最終設(shè)計(jì)為33°，在提高發(fā)電站系統(tǒng)發(fā)電量的同時(shí)，能夠進(jìn)一步降低工程基礎(chǔ)建設(shè)成本投入，對(duì)于發(fā)電站系統(tǒng)綜合收益的提升具有顯著的積極作用。

3.4 工程建設(shè)優(yōu)化

3.4.1 支架基礎(chǔ)建設(shè)優(yōu)化

支架基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)確保其整體穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)剛度，以及強(qiáng)度等參數(shù)均符合工程規(guī)范要求，確保后續(xù)應(yīng)用的安全可靠，正常使用的最短年限在25年以上，同時(shí)對(duì)支架用鋼量、基礎(chǔ)混凝土的使用量等進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)工程成本的節(jié)約[6]。對(duì)支架以及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，需要結(jié)合工程實(shí)際氣候環(huán)境、施工條件以及生產(chǎn)加工能力等多方面的因素，優(yōu)先選擇防腐材質(zhì)的鋼材，對(duì)支架和連接件的標(biāo)準(zhǔn)化、便捷化以及可靠性建設(shè)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。

針對(duì)本工程的具體特點(diǎn)，在滿足工程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求的條件下，從適用性和經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)角度對(duì)支架基礎(chǔ)建設(shè)進(jìn)行優(yōu)化。

由于太陽能電池組件自身的重量相對(duì)比較小，在支架建設(shè)時(shí)為節(jié)省材料應(yīng)用，針對(duì)主要結(jié)構(gòu)利用冷彎薄壁型鋼材，針對(duì)受力桿件位置設(shè)計(jì)為工字型鋼和矩形鋼，能夠保證結(jié)構(gòu)受力要求，同時(shí)與其他材質(zhì)相比具有良好的經(jīng)濟(jì)合理性；針對(duì)檁條選擇C型鋼。

利用螺栓連接方法對(duì)電池組件與支架進(jìn)行連接，檁條與組件邊框使用4個(gè)螺栓連接，能夠保證整個(gè)結(jié)構(gòu)在外力作用下具有均勻的受力效果，整體破壞現(xiàn)象發(fā)生概率比較低，具有安全可靠的特點(diǎn)。針對(duì)支架各桿件的連接設(shè)計(jì)為螺栓連接，對(duì)桿件安裝位置進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，盡可能使用同一規(guī)格的桿件，以此降低施工誤差。

3.4.2 逆變器室通風(fēng)優(yōu)化

本工程所屬地區(qū)具有比較明顯的地域特殊性，夏季炎熱干燥，對(duì)于逆變器而言具有較大危害性，因此在優(yōu)化設(shè)計(jì)階段，對(duì)逆變器室的通風(fēng)進(jìn)行強(qiáng)化，確保逆變器能夠在高溫環(huán)境下正常安全運(yùn)行。

針對(duì)工程中的逆變器室利用整體遮陽保溫隔熱的節(jié)能設(shè)計(jì)，確保逆變器室內(nèi)部的凈高度；對(duì)逆變器室的排風(fēng)口以及進(jìn)風(fēng)口位置設(shè)計(jì)有防火、防塵等系統(tǒng)裝置，確保其符合相關(guān)規(guī)范；對(duì)逆變器室內(nèi)部運(yùn)行設(shè)備的參數(shù)以及環(huán)境條件進(jìn)行綜合分析，以此計(jì)算通風(fēng)散熱量，對(duì)通風(fēng)機(jī)的型號(hào)進(jìn)行對(duì)比選擇，對(duì)通風(fēng)口位置進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，確保整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的通暢性；光伏發(fā)電站系統(tǒng)實(shí)際占地面積較大，為進(jìn)一步加強(qiáng)管理效果，針對(duì)逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，將其與溫度控制器系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器室通風(fēng)系統(tǒng)的高效化、智能化管理。

4 結(jié)論

綜上所述，光伏發(fā)電站系統(tǒng)在建設(shè)期間具有明顯的復(fù)雜性和系統(tǒng)性的特點(diǎn)，需要利用科學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本次研究以某地區(qū)工程項(xiàng)目為例開展深入分析，探討了光伏發(fā)電站系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與要點(diǎn)，包括太陽能資源分析、光伏組件優(yōu)化分析、光伏陣列與傾角優(yōu)化設(shè)計(jì)、工程建設(shè)優(yōu)化等環(huán)節(jié)，以此實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的分析說明，希望為光伏發(fā)電站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供一定參考幫助。