基于光伏發(fā)電技術(shù)的光伏電站建設(shè)的分析研究

中海石油深海開發(fā)有限公司 左 敏 石 涵 中海油能源發(fā)展股份有限公司清潔能源分公司 潘俊清 毛峰超

由于化石燃料燃燒釋放的溫室氣體對全球氣候變化的影響，加之其不可再生的特性，發(fā)展清潔、可再生能源已經(jīng)是國家能源發(fā)展的必然趨勢[1]，進(jìn)入“十四五”時(shí)期，可再生能源的發(fā)展更是成為了我國深入實(shí)施能源消費(fèi)和供給革命的重要組成部分。2020年9月，在聯(lián)合國大會一般性辯論上，我國提出將采取更加有力的政策和措施，力爭于2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，力爭在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[2]，大力推動清潔能源的發(fā)展。

光伏發(fā)電作為一種清潔的可再生能源，獲得了大量的關(guān)注和快速的發(fā)展。我國是全球光伏發(fā)電安裝量增長最快的國家[3]，截至2023年年底，我國累計(jì)發(fā)電裝機(jī)容量約29.2億kW，同比增長13.9%，其中太陽能發(fā)電裝機(jī)容量約610GW，正式超越水電約420GW 的裝機(jī)規(guī)模，成為全國裝機(jī)量第二大電源形式，在電力能源結(jié)構(gòu)中的地位進(jìn)一步攀升。2023年光伏新增裝機(jī)同比增速高達(dá)55.2%，增量為216.88GW，大幅度超越了此前的歷史記錄，不僅相當(dāng)于2019—2022年國內(nèi)新增裝機(jī)量的總和，也有望超過當(dāng)年度全球其他國家和地區(qū)增量總和。

我國是世界上太陽能資源最豐富的地區(qū)之一，按太陽能總輻射量的空間分布，我國可以劃分為四個(gè)區(qū)域，其中太陽能資源豐富地區(qū)占國土面積96%以上，每年地表吸收的太陽能相當(dāng)于1.7萬億t 標(biāo)準(zhǔn)煤的能量[4]。隨著能源轉(zhuǎn)型的進(jìn)一步推行，我國的光伏發(fā)電安裝容量將會進(jìn)一步增加，光伏電站工程建設(shè)數(shù)量也會逐漸增多。在光伏電站工程不斷擴(kuò)大規(guī)模的同時(shí)，相關(guān)企業(yè)也不能忽視對項(xiàng)目管理水平的提升，維持對項(xiàng)目施工質(zhì)量和管理水平的高標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而保證光伏電站工程建設(shè)項(xiàng)目的順利開展[5]。本文結(jié)合廣東省某個(gè)具體項(xiàng)目，對光伏電站工程的流程、工作內(nèi)容，以及技術(shù)管理進(jìn)行分析。

1 光伏電站工程建設(shè)的選址

光伏電站工程建設(shè)的第一步就是選址，評估各項(xiàng)天氣、自然等條件是否會對光伏系統(tǒng)造成影響。首先最重要的數(shù)據(jù)就是太陽能的年輻射量，這項(xiàng)數(shù)據(jù)可以反映場址的太陽能資源的水平，并且直接關(guān)系到光伏電站每年的發(fā)電量。

此外，還有一些其他的特殊氣象條件對光伏電站的影響，如氣溫氣溫變化對太陽能電池性能影響較大，會影響到光伏電站發(fā)電功率；其次揚(yáng)沙及浮塵會積落在太陽能電池板上，影響光伏電站發(fā)電功率。陰雨、霧霾等天氣也會對到達(dá)光伏板上的太陽輻射有所削弱，從而導(dǎo)致光伏電站光伏發(fā)電功率減少。除了天氣的因素以外，也要對交通條件和水文條件等地理環(huán)境條件進(jìn)行考查，防止遭遇洪澇災(zāi)害、以及運(yùn)輸困難等問題。在對各方面的條件進(jìn)行詳細(xì)的考查后，可以最終確定好光伏電站的場址。

圖1 工程區(qū)域Meteonorm 太陽輻射量逐月查詢結(jié)果

本項(xiàng)目位于廣東省某市的終端處理廠工業(yè)園區(qū)內(nèi)，當(dāng)?shù)貧夂驅(qū)倌蟻啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候，長夏短冬，陽關(guān)充足，雨量豐沛，氣候宜人。利用Meteonorm 查詢得到場址區(qū)域年總輻射量為4978MJ/m2；參照《太陽能資源評估方法》（GB/T 37526-2019），場址區(qū)域?qū)儆谌珖柲苜Y源C 類地區(qū)（資源豐富區(qū)），太陽能開發(fā)價(jià)值較好。

2 光伏電站工程系統(tǒng)方案

在對場址進(jìn)行了充分的考察后，本項(xiàng)目選擇在工業(yè)園區(qū)內(nèi)的6m 區(qū)地塊建設(shè)光伏電站，附近為管廊架，由于光伏組件布置原則應(yīng)避開防爆區(qū)，因此本項(xiàng)目距離管廊道距離按10m 考慮。終端廠用電量較大，可達(dá)6000萬kWh/年，因此本項(xiàng)目光伏電站計(jì)劃占地面積16850m2，安裝容量2.02MW。在確定好光伏電站建設(shè)的場址以后，就要對光伏電站的整體進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先對組件的類型進(jìn)行選擇，單晶硅組件的效率不低于20%，且使用壽命較長，多晶硅的組件效率略低于單晶硅，但成本也更低，薄膜組件的效率較低且穩(wěn)定性不佳，但弱光性能較好，在不同的項(xiàng)目中，可以根據(jù)具體情況選擇對應(yīng)類型的光伏組件。在確定好光伏的組件的類型后，衡量效率、轉(zhuǎn)化率、衰減率等因素后，選擇光伏組件的功率規(guī)格[6]。

光伏組件可以以固定陣列的形式安裝，也可以選擇跟蹤式的形式安裝，自動跟蹤式雖然可以使光伏陣列增大一定的發(fā)電量，但是初始投資、后期運(yùn)營維護(hù)成本都會相應(yīng)增加，技術(shù)不夠成熟穩(wěn)定，因此不建議考慮。固定式光伏陣列需要確定光伏陣列的最佳傾角，《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中可查得各個(gè)省會城市的最佳傾角，其他城市需要進(jìn)行查詢。得到最佳傾角后再確定陣列之間的間距，以保證陣列之間不會相互遮擋。

在選擇好光伏組件后，需要配置相應(yīng)的逆變器，逆變器可以將光伏組件發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并提供監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集等功能。目前比較常見的逆變器連接方式是組串式：光伏組件被連接成幾個(gè)相互平行的串，每串都連接單獨(dú)的一臺逆變器。在確定好逆變器的型號后，可以通過《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中的公式計(jì)算光伏組件串聯(lián)數(shù)量。在確定好光伏組件串聯(lián)數(shù)量、固定傾角以及光伏陣列之間的距離后，可以在所選場址布置光伏組件，并估算安裝容量以及發(fā)電量。

發(fā)電量的計(jì)算由安裝容量、采光面上的年輻射量，以及系統(tǒng)效率等因素決定。采光面上的年輻射量可以在確定最佳傾角時(shí)計(jì)算得到。系統(tǒng)效率的主要考慮因素包括灰塵遮擋、溫度變化、并網(wǎng)逆變器、線纜損耗等引起的功率損失，各個(gè)項(xiàng)目的系統(tǒng)效率要視具體情況而定。以本項(xiàng)目為例，計(jì)劃安裝容量為2.02MW，光伏組件采用最佳傾角18°安裝，根據(jù)光伏區(qū)域的所在位置，確定方位角為29°，根據(jù)計(jì)算采光面總輻射量為1428kWh/m2。根據(jù)本項(xiàng)目的相關(guān)條件，確定系統(tǒng)效率為82.5%。此外光伏組件還存在衰減系數(shù)，根據(jù)目前市場主流N 型組件的衰減參數(shù)，考慮光伏組件首年衰減1.5%，之后每年衰減0.4%，綜合這些數(shù)據(jù)，計(jì)算出了25年內(nèi)的預(yù)測發(fā)電量，發(fā)電量單位（萬kWh），如表1所示。

表1 每年發(fā)電量統(tǒng)計(jì)說明

在計(jì)算好預(yù)測的發(fā)電量后，需要根據(jù)用戶的用電負(fù)荷計(jì)算用電消納比例，本項(xiàng)目中的終端廠平均用電量約6000萬kWh，平均每天17萬kWh，平均用電負(fù)荷約7000kW。終端每年檢修時(shí)間約為3～4天，每天用電量5～10萬kWh，其他時(shí)間廠區(qū)全年全天候生產(chǎn)，全天用電負(fù)荷穩(wěn)定，每天用電量約為17萬kWh。考慮晚上的辦公和生活負(fù)荷減少，估計(jì)檢修期間白天用電量不低于2.75萬kWh，生產(chǎn)期間白天用電量約為9.35萬kWh。本項(xiàng)目光伏安裝容量2020kWp，平均每天發(fā)電量為0.61萬kWh 且集中于白天，無論是檢修期還是工作時(shí)期，都遠(yuǎn)小于終端廠的用電負(fù)荷，因此廠區(qū)光伏發(fā)電的消納比例按照100%考慮。

3 光伏電站工程設(shè)計(jì)

3.1 光伏電站工程電氣設(shè)計(jì)

根據(jù)光伏組件布置的區(qū)域，本工程通過一個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)就近接入變配電室，采用中壓并網(wǎng)。根據(jù)“自發(fā)自用”的原則，本工程發(fā)電單元所發(fā)直流電通過逆變器輸出交流電，經(jīng)過升壓變壓器升壓，最后通過中壓電纜接入并網(wǎng)柜，并入變配電室中壓10kV母排。本工程考慮新增并網(wǎng)開關(guān)柜，與配電室中原有柜子成排布置。空地區(qū)域選用6臺組串式逆變器，經(jīng)一臺升壓變壓器和1面中壓10kV 并網(wǎng)柜，組成1個(gè)中壓并網(wǎng)單元，接入6m 標(biāo)高區(qū)變配電室10kV 母排。共新增了1面10kV 并網(wǎng)柜和1面10kV 計(jì)量柜，1臺升壓變壓器，6臺逆變器。

3.2 氣象條件對光伏電站的影響

氣溫：氣溫變化對太陽能電池性能影響較大，高溫天氣會降低太陽能電池的功率輸出，從而影響光伏電站發(fā)電功率，建議設(shè)備招標(biāo)時(shí)根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁靥攸c(diǎn)選擇適宜的光伏組件；揚(yáng)沙及浮塵：沙塵會積落在太陽能電池板上，影響光伏電站發(fā)電功率，因此應(yīng)采取必要的清掃措施，提高光伏電站的發(fā)電功率；相對濕度：相對濕度的增加意味著空氣中水汽含量增加，對太陽輻射的削弱就增加，從而導(dǎo)致光伏電站光伏發(fā)電功率減少。

風(fēng)速：當(dāng)太陽能電池組件周圍的空氣處于低速流動狀態(tài)，可增大組件的對流換熱，降低組件的工作溫度，有助于提高發(fā)電量；雷暴：下階段根據(jù)光伏組件布置的區(qū)域、高度及運(yùn)行要求，合理設(shè)計(jì)防雷接地系統(tǒng)；霧霾：由于霧霾天氣的影響，使到達(dá)地面的太陽總輻射減少，從而減少發(fā)電量。霧霾天氣與環(huán)境污染治理有較大關(guān)系，在發(fā)電量計(jì)算中應(yīng)加入由于霧霾天氣引起的發(fā)電量損失折減系數(shù)。

3.3 其他事項(xiàng)

注意對光伏電站的保護(hù)，逆變器可以提供一些保護(hù)，如孤島效應(yīng)保護(hù)、短路保護(hù)、過載保護(hù)等。此外還要注意光伏出線保護(hù)、箱式變壓器保護(hù)，需要安裝相應(yīng)的保護(hù)測控裝置。另外還要注意光伏電站的防雷、接地以及過電壓保護(hù)，按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。

地面光伏陣列采用鋼結(jié)構(gòu)固定式支架，支架形式采用縱向檁條、橫向支架布置方案。陣列支架由立柱、橫梁及斜撐組成，在支架的橫梁之間按照電池組件的安裝寬度布置檁條，檁條固定于支架橫梁上。支架與基礎(chǔ)為剛接，立柱與橫梁、橫梁與檁條之間均為鉸接。光伏陣列的設(shè)計(jì)需符合抗震要求，此外本項(xiàng)目所在地廣東省還會面臨臺風(fēng)的問題，設(shè)計(jì)需考慮防臺風(fēng)。

施工的過程中需注意消防安全，本項(xiàng)目的重點(diǎn)防火部位為配電裝置所在區(qū)域，故在配電裝置附近合理布置移動式滅火器。施工過程中注意保護(hù)環(huán)境以及水土保持，施工期的污染主要是噪聲、廢工廢水、固體廢物等，并在施工期間保障好勞動安全衛(wèi)生。在施工完成后也要留出消防車道和檢修通道，光伏電站需要計(jì)劃好檢修日期，并定期對光伏組件進(jìn)行清洗和除草工作。光伏電站建設(shè)的前期工作需要對諸多因素進(jìn)行詳細(xì)的考量，要在預(yù)留出防爆區(qū)、消防通道、交通通道和檢修通道的情況下確定好光伏布放位置，根據(jù)項(xiàng)目自身的情況選擇對應(yīng)的設(shè)備元件：光伏組件、逆變器等，并參考當(dāng)?shù)氐那闆r確定光伏組件的最佳傾角。

綜上所述，光伏電站建設(shè)的前期工作需要對諸多因素進(jìn)行詳細(xì)的考量，此外還需要注意對光伏電站的保護(hù)工作，進(jìn)行防雷防風(fēng)等設(shè)計(jì)，并且在施工過程中注意保護(hù)環(huán)境。