某33MW灰场光伏电站项目建设实践研究

0引言

太阳能具有分布广泛、可持续利用及无污染等优点,光伏电站在国家政策的大力支持和行业技术的不断进步下获得快速发展^[1]。贞观山灰场光伏电站项目是由镇江某电厂投资兴建的一座集中式光伏电站,利用已有应急储灰场地建设光伏电站,规划容量为33.35 MWP,所发电量全部上网,可全额参与绿电绿证交易,在企业节能降耗、满足碳排放履约、保供电力方面具有重要意义。鉴于灰场光伏发电前期投入较大,因此,合理的建设方案可以控制运营维护成本,提高企业效益。

1灰场光伏电站可行性分析

1.1 太阳能资源

本项目建设地点位于江苏省镇江市某电厂贞观山灰场内,场中心区域坐标为北纬32.09O,东经119.67O。 参照QX/T 89—2008《太阳能资源评估方法》,工程所在地属我国三类太阳能资源区域,参考Meteonorm 及附近气象站数据,太阳平均辐射量变幅为223.9~528.5MJ/m²,全年总辐射量4475.5MJ/m²,太阳能发电理论发电量可观,具备实施集中式光伏发电工程的有利条件。

1.2 工程地质条件

该项目工程场地距某电厂东南侧约15 km,紧邻涌港路及泰镇高速,对外交通十分便利。场地为低洼山谷灰场,西北、东北侧为山丘,东南、西南侧为灰坝。本工程可用的光伏区布置面积约33.33 hm²,拟按照集中式发电的模式建设,可充分利用已有灰场35kV出线和变压器,进一步节省项目投资。

根据区域地质构造和地震资料以及附近大型电力工程的研究成果,场地附近无活动性断裂通过,属地震较少、震级较低的地区,属基本稳定区。根据《岩土工程勘察规范》(2009年版)相关规定,可不考虑场地内地震液化问题和软土震陷影响。根据现场调查及资料调查,场地内不存在地裂缝、滑坡、土洞塌陷等不良地质作用,故本场地适宜进行工程建设。

1.3 气象条件

灰场所在区域四季分明,受季风气候影响光照充足、雨量充沛。丹阳气象站位于丹阳市区的东南面,为距站址最近的气象站,中间无天然屏障,气象资料可以直接引用。

多年来,灰场所在区域最低温度可降至-19℃ ,最高气温高达39℃,年平均气温为15℃ 。本项目中逆变器的工作温度范围为-35~60℃ ,电池组件的工作温度范围为-40~85℃,灰场气象条件均在允许范围内。故灰场气象条件能保障太阳能电池组件及逆变器安全、可靠运行的要求。

1.4 地区能源结构及发展规划

江苏省位于长江三角洲地区,东临黄海,人口密集、经济发达,同时能源消费总量在全国排名也居高不下。然而省内资源相对短缺,能源对外依存度较高,环境压力很大。截至2020年,江苏省全社会最大负荷11.9万Mw,同比增长7.8%,全社会用电量6 374亿kw·h,同比增长1.8%。全社会用电量和最大用电负荷“十三五”年均增长4.5%、6.7%。苏南地区集中式光伏资源较少,发电量具有充分消纳的空间。

江苏电网目前比较单一的火力发电结构难以满足江苏省用电需求和电力系统可持续发展的战略要求。因此,积极地开发省内闲置用地,发展太阳能等清洁可再生能源是大势所趋,电力发展的长远目标需要以多元化能源开发的方式满足经济发展的需求。

2建设方案的确定

2.1 光伏阵列运行方式选择

2.1.1主要安装方式

光伏阵列支架的安装形式主要分为固定式和跟踪式两种。固定式安装因其灵活的可安装性和较高的安全性,成为目前国内外技术最成熟、成本相对最低、应用最广泛的安装方式,如图1所示。跟踪式安装配置自动跟踪机构,使得方阵的安装调试、运行维护更加繁杂,在增加发电量的同时极大地提高了系统投资成本和人力运行成本,降低了发电效益。

为提高发电量和发电效益,综合考虑初期投资成本、后期运维成本,本工程的光伏组件安装方式全部采用固定式。

2.1.2光伏阵列倾角

光伏阵列的发电量与其接收到的太阳辐射能量成正比,由于光伏并网系统所产生的电能可以全部并入电网得到充分利用,因此当阵列面上全年能接收到的辐照量最大时即为最佳倾角。本报告采用Meteonorm数据,根据国际通用的pvsyst软件计算项目地区不同倾角下接收的年辐射量,结果如表1所示。

从表1可以看出,灰场太阳能光伏阵列的最佳倾角为25°,此时辐照量可达1 333.4 kw.h/m2,且倾角在24°~27°区间时,灰场所在倾斜面对应的辐射量波动值最大。

2.2 光伏组件选型

目前,占据光伏发电市场主流的电池为晶硅类和薄膜类^[2],而钙钛矿太阳电池、聚合物太阳电池和量子点太阳电池等新型太阳电池仍处于实验室研究阶段,离商业化应用还有较大距离。下面对两类五种太阳电池组件进行比较,如表2所示。

根据比较,相对晶硅类太阳电池组件而言,虽然薄膜类组件成本较低,然而其转换效率也较低,且建设占地面积大,因此本工程选用晶硅类太阳电池组件。对两类晶硅类太阳电池组件进行对比分析,如表3所示。

综上所述,由于单晶硅组件的光电转换效率更高,且在相同面积的土地上可以布置更多容量的光伏组件,因此本工程选用国内一线厂家较为成熟的72片系列组件,结合半片电池结构技术,功率以主流540 Wp进行设计,转换效率为21.1%。

2.3 逆变器选型

逆变器是光伏发电系统中将直流电转换为交流电的关键设备,其选型对于稳定系统运行和提高转换效率具有关键作用^[3]。目前,主流逆变器分为集中式、集散式和组串式,参照《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定》,对三类逆变器输入、输出、效率和常规数据等技术参数进行考察。

对各厂家生产的逆变器进行主要技术参数对比,如表4所示。

由表4可见,三种逆变器绝对最大输入电压相同, MPPT电压范围相近,逆变器效率及输出电流均随着额定输出功率的增大而增大,所需技术参数均满足 GB/Z19964—2005《光伏发电站接入电力系统技术规定》的要求。本期工程直流系统容量为33.35472MWP,地形相对平整,组件采用单面组件固定式安装方式,适合采用大方阵,1 500 V系统具有一定的优势,因此采用196 kW、1 500 V系统组串式逆变器。

2.4 光伏方阵设计

2.4.1光伏方阵的串并联设计

本项目选用组串式逆变器,其最大阵列开路电压为1500 V,MPPT电压范围500~1500 V,并网逆变器功率为单机功率不低于196 kW。假定每一个光伏方阵的串联组件数为s,最大串联数为smax,最少串联 数为smin。

本项目选用组件开路电压为49.5 V,工作电压为41.80 V,开路电压温度系数-0.27% K^-1,峰值功率电压温度系数-0.35% K^-1,昼极端最低温度,根据经验取-15℃,根据GB50797—2012《光伏发电站设计规范》可知:

式中:V_mpptmax为逆变器MPPT电压最大值;V_mpptmin为逆变器MPPT电压最小值;U_dcmax为逆变器允许的最大直流输入电压;Vpm为光伏组件的工作电压;Voc为光伏组件的开路电压。

由于本项目未采用最佳倾角布置,且极限低温时一般在夜里,光伏系统未工作,综合考虑经济性,本项目部分组串可连接为28个一串,剩余大部分组串按27个一串连接。

2.4.2光伏方阵的排布

本项目共设置7个单元,每个单元里电池组件每27个或28个一串,并列18路接入一台逆变器,每18台逆变器接入一台变压器。方阵布置形式为按竖向2行27列布置。同时,考虑整个方阵承载风压的泄风因素,组件排列间距为20 mm。

2.4.3光伏方阵的间距设计

计算当光伏方阵前后安装时的最小间距D,如 图2所示。

图2光伏阵列间距示意图

计算公式如下:

太阳高度角的公式:sinα=sinφ sinδ+cosφ cosδ cos w

太阳方位角的公式:sinβ=cos δsin w/cos α

式中:φ为当地纬度;δ为太阳赤纬;w为时角。

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

式中:H为方阵前排最高点与后排组件最低位置的高度差。

固定式支架竖向为2行27列布置,组件泄风间距为20 mm。

经计算得出,太阳高度角α=19.09°,太阳方位角β=-43.33°,光伏方阵宽度L=2 256×2十20=4 532 mm。

由2.1.2已知,厂址地区在倾角24°~27°时光伏阵 列倾斜面上太阳能年平均日辐射量最大,最佳倾角为25°。但上述最大辐照的前提是不计及真太阳时以外时间辐射量以及组件表面反射量,如果考虑这部分最佳倾角会降低,且因为角度越大,支架成本越高,光伏阵列间距也会变大。

由于本工程可用的光伏区布置面积约33.33 hm²,用来布置33.35 MWP的光伏组件相对紧凑。通过对测绘地形图精心布置,并充分考虑了厂区排水设施、厂区运检道路,得到最大阵列布置中心间距为6 m,由此根据规范计算真太阳时下组件前后左右不遮挡的最大倾角为15°。

考虑地块装机容量及支架成本兼顾发电量,拟降低倾角来提升光伏系统的效率,经过优化比选,最终采用15°倾角、6 m间距进行固定式支架布置。

3 节能降耗效益分析

太阳能的广泛利用可以极大地减少一次能源(如煤、石油、天然气)的利用,从而减少因开发一次能源而造成的污染物排放、毁坏植被、影响海洋生态等环境问题^[4]。最新环保要求《关于印发<煤电节能减排升级与改造行动计划>(2014—2020年)的通知》(发改能源 (2014〕2093号)规定:东部地区新建燃煤发电机组大气污染物排放浓度基本达到燃气轮机组排放限值,烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10、35、50 mg/m³。

光伏电站建成后,平均每年可为电网提供电量3 547.4万kW.h,与同规模的燃煤火电相比,每年可节约标煤1.09万t,相应每年可减少二氧化硫排放量约4.41 t,氮氧化物排放量约6.31 t,二氧化碳排放量约2.72万t,减少大气污染物的同时还可节约大量淡水资源。

由此可见,合理开发灰场等闲置土地用于光伏电站的建设[5],不但可以有效节约宝贵的一次能源,还可以减少火力发电厂带来的环境污染。同时,可以作为当地旅游的一道新景观,成为地方经济一个新的增长点。利用闲置用地,释放资源禀赋,发挥潜能,打破火电企业单一的经营模式,又能走出一条绿色转型发展的路径。

4 结束语

综上所述,本文介绍的某33 MW灰场光伏发电站建设项 目,一定程度上弥补了江苏地区能源结构单一的不足,改善了电网结构,积极开发利用本地区的太阳能等清洁能源,释放了企业闲置资源,响应地方经济稳定发展,具有较好的环境效益和经济效益,同时为类似灰场等闲置土地开发集中式光伏电站提供了有价值的技术参考。

[参考文献]

[1]沈浩.光伏发电现状与发展综述 [J].机电信息,2016(30):71-72.

[2]杨金焕,于化丛,葛亮.太阳能光伏发电应用技术[M].北京:电子工业出版社,2009.

[3]魏学业,王立华,张俊红,等.光伏发电技术及其应用[M].北京:机械工业出版社,2013.

[4]王欢欢,姚蕾,田聪聪.影响光伏电站经济性收益的主要因素分析[J].通讯世界,2018(3):337-338.

[5]桑静静.光伏并网发电对配电网的影响研究[D].太原:太原理工大学,2013.

2024年15期第2篇