光伏发电系统在火力发电厂的应用研究

刘 宇，赵 映，李世朝

（中南电力设计院，武汉 430071）

0 引言

进入21世纪以来，“环境和能源协同发展”成为全人类面临的共同课题[1]。在国内“碳达峰、碳中和”的环保要求背景下，合理开发、利用新能源，保护环境，促进电力工业发展，是电力工业后续发展的重要任务。作为电力工业的重要组成部分，环境保护与社会发展都促使着火力发电技术的不断发展。将火力发电厂和光伏新能源相结合的应用方式，是目前火力发电场景下新的研究方向。

光伏发电具有不使用燃料，不排放污染物，节能环保、系统简单、布置灵活等优势[2]。在火力发电厂中，可根据不同工艺建筑物，灵活设置屋顶光伏系统，并将电能接入厂用电系统，增加部分常用负荷所需的电能，提高了电厂向电网的供电能力，同时又达到减排的效果[3]，降低厂用电消耗，具有一定的经济效益。本文以某火力发电厂为例，介绍火电厂内光伏发电系统的配置和设计。

1 火电厂布置及光资源分析

某火电厂厂址位于某市，根据Meteonorm数据分析可知，该项目所在地多年平均太阳辐射量为4 115.5 MJ/m2。根据气象行业标准QX/T 89—2018《太阳能资源评估方法》中年水平面总辐照量（GHR）等级，评定本工程太阳能资源等级为C级，属于资源丰富地区。因此项目所在地区太阳能资源具有较高的开发利用价值，建设太阳能光伏发电项目是可行的。

厂区总平面采用四列式布置形式，汽机房A排朝北。厂区自北向南依次为配电装置区、冷却塔、主厂房区、贮煤场区，固定端上煤，生产辅助设施布置在厂区固定端以及主厂房与煤场之间。根据厂区布置情况，无平整的大面积区域设置地面光伏系统，只能考虑建筑屋顶光伏系统，因此目前适合大面积布置光伏的有汽机房、生产办公楼、材料库屋顶和干煤棚顶部。

2 光伏布置建筑选择

由于厂区内建筑物高低不同，布置位置各异，前述的四个建筑物是否会被附近高耸建构筑物阴影遮挡，从而影响光伏系统发电效率是需要重点考虑的因素。一般确定原则是：冬至日当天09：00—15：00太阳能光伏组件方阵不应有阴影遮挡。

汽机房屋面高度40 m，汽机房南侧布置有两座85 m高的锅炉房。根据当地冬至日太阳的方位角和高度角作图，冬至日09：00锅炉对周边建筑物的阴影遮挡见图1。可以看出，锅炉房与汽机房有约45 m高差，导致汽机房和办公楼屋面大部分被阴影遮挡，材料库有一小部分被遮挡，随着时间推移，太阳方位角从东南方向移动到西南方向时，汽机房和办公楼仍然会被遮挡，材料库缓慢脱离阴影区。而干煤棚四周无高耸建筑物，屋面无遮挡，因此仅选取干煤棚安装光伏系统。

3 光伏组件选择

光伏组件是光伏电站最核心和关键的设备，收集太阳能的基本单位。光伏电池主要有多晶体硅电池、单晶硅电池、薄膜电池、聚光电池等[4]。单晶硅、多晶硅太阳能电池产品性能稳定、使用寿命长、光电转化效率相对较高，被广泛应用于大型并网光伏电站项目。非晶硅薄膜太阳能电池由于其稳定性较差、光电转化效率相对较低，较少使用。聚光电池转换效率高，但同时成本高、工艺复杂。目前晶硅光伏组件在光伏发电市场占有主导地位，其中单晶硅电池光电转化效率略高于多晶硅电池，是发展最早、工艺技术最为成熟的太阳能电池[5]。考虑到光伏组件功率和尺寸越大则荷载越大，会对屋面常规结构造成影响，因此组件功率不宜过大，本次选用的单晶硅电池参数见表1。

表1 单晶硅电池主要参数Tab.1 Main parameters of monocrystalline silicon cell

4 逆变器的选择

目前光伏电站选用的逆变器有三种解决方案：集中式逆变器、组串式逆变器、集散式逆变器。集中式逆变器成本低、数量少，但最大功率点跟踪（MPPT）电压范围窄、路数少；集散式逆变器中汇流升压单元结构和功能较复杂，而干煤棚屋面为曲面，在其上布置光伏组件时，光伏组件的倾角和方位角各不相同。组串式光伏逆变器则能够保证实现良好的电压输入匹配性，可以降低因组件匹配造成的损失[6]。因此，干煤棚光伏发电系统选用组串式光伏逆变器。

组串式逆变器具有的容量及MPPT范围应能与光伏组件较好匹配、转换效率高、MPPT数量多、交流输出特性满足接入火电厂厂用电系统要求、安装方便等特点[7]。根据上述要求选择的组串式光伏逆变器主要技术参数见表2。

表2 光伏逆变器主要参数Tab.2 Main parameters of photovoltaic inverter

5 光伏阵列设计

5.1 光伏组串

太阳能电池组件串联的数量由逆变器的最高输入电压、最低工作电压以及太阳能电池组件允许的最大系统电压确定[8-9]。太阳能电池组串的并联数量由逆变器的额定容量确定。

根据GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》，电池组件串联数量N按照式（1）和式（2）计算：

式中：Kv—光伏组件的开路电压温度系数；

K′v—光伏组件的工作电压温度系数；

N—光伏组件的串联数（N取整）；

t—光伏组件工作条件下的极限低温，℃；

t′—光伏组件工作条件下的极限高温，℃；

Vdcmax—逆变器允许的最大直流输入电压，V；

Vmpptmax—逆变器MPPT电压的最大值，V；

Vmpptmin—逆变器MPPT电压的最小值，V；

Voc—光伏组件的开路电压，V；

Vpm—光伏组件的工作电压，V。

通过计算，当组串件数为6~22时，能满足逆变器MPPT电压要求，但同时应满足在极限最低温时组串电压不大于开路电压，因此考虑本工程布置容纳及电池板布置实际情况，组串件数可取N=20，即每台110 kW逆变器所连接的组串并联数为20串。

5.2 光伏阵列布置

干煤棚正东西向布置，水平跨距尺寸为东西向350 m、南北向110 m，干煤棚结构采用钢型屋面，则光伏组件顺坡布置，选用固定式安装方式。屋面光伏组件与建构物自然方位角一致。光伏组件采用竖向布置，单个光伏组串由20块光伏组件构成，相邻组件间距设计为20 mm。单个方阵长10 560mm、宽4208 mm。根据上述布置方案，每个干煤棚光伏装机容量1972 kW。光伏板的布置见图2。

图2 光伏阵列在干煤棚顶部布置图Fig.2 PV array layout on top of dry coal shed

6 光伏系统发电量

光伏发电站上网电量可按式（3）计算：

式中：HA—水平面太阳能总辐照量，kWh/m2，峰值小时数；

Ep—上网发电量，kWh；

Es—标准条件下辐照度，常数，取值1 kWh/m2；

PAZ—组件安装容量，kWp；

K—综合效率系数，包括光伏组件类型修正系数、光伏方阵的倾角、方位角修正系数、光伏发电系统可用率、光照利用率、逆变器效率、集电线路损耗、升压变压器损耗、光伏组件表面污染修正系数、光伏组件转换效率修正系数。

由于干煤棚顶部曲面，导致各组阵列的倾斜角及各阵列的总辐照量不同（见表3）。从表3可以看出，倾角等于15°或20°时全年接受到的太阳能辐射能量最大，考虑到干煤棚光伏阵列倾斜角不同，为方便计算统一按照15°考虑。年发电量实际受多方面因素影响，只能在年理论发电量基础上根据系统综合效率进行估算。系统综合效率的影响因素主要考虑光伏组件效率、直流电缆及逆变器转换效率、交流并网效率等。最终系统综合效率按81%进行计算。单晶硅组件年发电衰减率按第1年≤2.5%，第2年起≤0.6%/年线性衰减，25年衰减不超过17%考虑，则25年平均每年发电量为169.3万kWh，总发电量为4 232.5万kWh。

表3 不同倾斜角度时太阳辐照总量（全年）Tab.3 Total solar irradiation at different tilt angles(annual) MJ/m2

7 经济性分析

干煤棚光伏发电系统按以下条件进行投资估算。

（1）单位造价为0.4万元/kW。

（2）不考虑利息、折旧、税收和人工等费用等。

（3）光伏发电接入厂用电系统，因此电价按照火电上网价格0.42元/kWh计算。

估算结果为：初始投资788.8万元，25年发电量收益1 777.65万元，利润988.85万元。

8 结语

在火力发电平均年利用小时数不断降低，而节能降耗、绿色环保要求不断提高的趋势下，将光伏新能源与火力发电相结合的综合能源方式是未来发展的方向。具体实施中，可在火力发电厂所在区域内，根据光资源及光照阴影分析，充分利用未遮挡的辅助厂房屋顶，装设屋面光伏发电系统。比如干煤棚四周无遮挡，屋顶铺设面积宽阔，是合适的设置地点。在根据屋面布置及承重特点选择合适的光伏组件及逆变器，将光伏发出的电能直接接入厂用电系统就近消纳，在利用清洁能源的同时也可以优化电厂自身的经济指标，增加企业的经济收益，是一种实现“双碳”目标的有效方法。