基于光伏发电技术的光伏电站建设的分析研究

中海石油深海开发有限公司 左 敏 石 涵 中海油能源发展股份有限公司清洁能源分公司 潘俊清 毛峰超

由于化石燃料燃烧释放的温室气体对全球气候变化的影响，加之其不可再生的特性，发展清洁、可再生能源已经是国家能源发展的必然趋势[1]，进入“十四五”时期，可再生能源的发展更是成为了我国深入实施能源消费和供给革命的重要组成部分。2020年9月，在联合国大会一般性辩论上，我国提出将采取更加有力的政策和措施，力争于2030年前实现碳达峰，力争在2060年前实现碳中和[2]，大力推动清洁能源的发展。

光伏发电作为一种清洁的可再生能源，获得了大量的关注和快速的发展。我国是全球光伏发电安装量增长最快的国家[3]，截至2023年年底，我国累计发电装机容量约29.2亿kW，同比增长13.9%，其中太阳能发电装机容量约610GW，正式超越水电约420GW 的装机规模，成为全国装机量第二大电源形式，在电力能源结构中的地位进一步攀升。2023年光伏新增装机同比增速高达55.2%，增量为216.88GW，大幅度超越了此前的历史记录，不仅相当于2019—2022年国内新增装机量的总和，也有望超过当年度全球其他国家和地区增量总和。

我国是世界上太阳能资源最丰富的地区之一，按太阳能总辐射量的空间分布，我国可以划分为四个区域，其中太阳能资源丰富地区占国土面积96%以上，每年地表吸收的太阳能相当于1.7万亿t 标准煤的能量[4]。随着能源转型的进一步推行，我国的光伏发电安装容量将会进一步增加，光伏电站工程建设数量也会逐渐增多。在光伏电站工程不断扩大规模的同时，相关企业也不能忽视对项目管理水平的提升，维持对项目施工质量和管理水平的高标准，进而保证光伏电站工程建设项目的顺利开展[5]。本文结合广东省某个具体项目，对光伏电站工程的流程、工作内容，以及技术管理进行分析。

1 光伏电站工程建设的选址

光伏电站工程建设的第一步就是选址，评估各项天气、自然等条件是否会对光伏系统造成影响。首先最重要的数据就是太阳能的年辐射量，这项数据可以反映场址的太阳能资源的水平，并且直接关系到光伏电站每年的发电量。

此外，还有一些其他的特殊气象条件对光伏电站的影响，如气温气温变化对太阳能电池性能影响较大，会影响到光伏电站发电功率；其次扬沙及浮尘会积落在太阳能电池板上，影响光伏电站发电功率。阴雨、雾霾等天气也会对到达光伏板上的太阳辐射有所削弱，从而导致光伏电站光伏发电功率减少。除了天气的因素以外，也要对交通条件和水文条件等地理环境条件进行考查，防止遭遇洪涝灾害、以及运输困难等问题。在对各方面的条件进行详细的考查后，可以最终确定好光伏电站的场址。

图1 工程区域Meteonorm 太阳辐射量逐月查询结果

本项目位于广东省某市的终端处理厂工业园区内，当地气候属南亚热带海洋性季风气候，长夏短冬，阳关充足，雨量丰沛，气候宜人。利用Meteonorm 查询得到场址区域年总辐射量为4978MJ/m2；参照《太阳能资源评估方法》（GB/T 37526-2019），场址区域属于全国太阳能资源C 类地区（资源丰富区），太阳能开发价值较好。

2 光伏电站工程系统方案

在对场址进行了充分的考察后，本项目选择在工业园区内的6m 区地块建设光伏电站，附近为管廊架，由于光伏组件布置原则应避开防爆区，因此本项目距离管廊道距离按10m 考虑。终端厂用电量较大，可达6000万kWh/年，因此本项目光伏电站计划占地面积16850m2，安装容量2.02MW。在确定好光伏电站建设的场址以后，就要对光伏电站的整体进行设计。首先对组件的类型进行选择，单晶硅组件的效率不低于20%，且使用寿命较长，多晶硅的组件效率略低于单晶硅，但成本也更低，薄膜组件的效率较低且稳定性不佳，但弱光性能较好，在不同的项目中，可以根据具体情况选择对应类型的光伏组件。在确定好光伏的组件的类型后，衡量效率、转化率、衰减率等因素后，选择光伏组件的功率规格[6]。

光伏组件可以以固定阵列的形式安装，也可以选择跟踪式的形式安装，自动跟踪式虽然可以使光伏阵列增大一定的发电量，但是初始投资、后期运营维护成本都会相应增加，技术不够成熟稳定，因此不建议考虑。固定式光伏阵列需要确定光伏阵列的最佳倾角，《光伏发电站设计规范》中可查得各个省会城市的最佳倾角，其他城市需要进行查询。得到最佳倾角后再确定阵列之间的间距，以保证阵列之间不会相互遮挡。

在选择好光伏组件后，需要配置相应的逆变器，逆变器可以将光伏组件发出的直流电转换为交流电，并提供监控、数据采集等功能。目前比较常见的逆变器连接方式是组串式：光伏组件被连接成几个相互平行的串，每串都连接单独的一台逆变器。在确定好逆变器的型号后，可以通过《光伏发电站设计规范》中的公式计算光伏组件串联数量。在确定好光伏组件串联数量、固定倾角以及光伏阵列之间的距离后，可以在所选场址布置光伏组件，并估算安装容量以及发电量。

发电量的计算由安装容量、采光面上的年辐射量，以及系统效率等因素决定。采光面上的年辐射量可以在确定最佳倾角时计算得到。系统效率的主要考虑因素包括灰尘遮挡、温度变化、并网逆变器、线缆损耗等引起的功率损失，各个项目的系统效率要视具体情况而定。以本项目为例，计划安装容量为2.02MW，光伏组件采用最佳倾角18°安装，根据光伏区域的所在位置，确定方位角为29°，根据计算采光面总辐射量为1428kWh/m2。根据本项目的相关条件，确定系统效率为82.5%。此外光伏组件还存在衰减系数，根据目前市场主流N 型组件的衰减参数，考虑光伏组件首年衰减1.5%，之后每年衰减0.4%，综合这些数据，计算出了25年内的预测发电量，发电量单位（万kWh），如表1所示。

表1 每年发电量统计说明

在计算好预测的发电量后，需要根据用户的用电负荷计算用电消纳比例，本项目中的终端厂平均用电量约6000万kWh，平均每天17万kWh，平均用电负荷约7000kW。终端每年检修时间约为3～4天，每天用电量5～10万kWh，其他时间厂区全年全天候生产，全天用电负荷稳定，每天用电量约为17万kWh。考虑晚上的办公和生活负荷减少，估计检修期间白天用电量不低于2.75万kWh，生产期间白天用电量约为9.35万kWh。本项目光伏安装容量2020kWp，平均每天发电量为0.61万kWh 且集中于白天，无论是检修期还是工作时期，都远小于终端厂的用电负荷，因此厂区光伏发电的消纳比例按照100%考虑。

3 光伏电站工程设计

3.1 光伏电站工程电气设计

根据光伏组件布置的区域，本工程通过一个并网点就近接入变配电室，采用中压并网。根据“自发自用”的原则，本工程发电单元所发直流电通过逆变器输出交流电，经过升压变压器升压，最后通过中压电缆接入并网柜，并入变配电室中压10kV母排。本工程考虑新增并网开关柜，与配电室中原有柜子成排布置。空地区域选用6台组串式逆变器，经一台升压变压器和1面中压10kV 并网柜，组成1个中压并网单元，接入6m 标高区变配电室10kV 母排。共新增了1面10kV 并网柜和1面10kV 计量柜，1台升压变压器，6台逆变器。

3.2 气象条件对光伏电站的影响

气温：气温变化对太阳能电池性能影响较大，高温天气会降低太阳能电池的功率输出，从而影响光伏电站发电功率，建议设备招标时根据当地气温特点选择适宜的光伏组件；扬沙及浮尘：沙尘会积落在太阳能电池板上，影响光伏电站发电功率，因此应采取必要的清扫措施，提高光伏电站的发电功率；相对湿度：相对湿度的增加意味着空气中水汽含量增加，对太阳辐射的削弱就增加，从而导致光伏电站光伏发电功率减少。

风速：当太阳能电池组件周围的空气处于低速流动状态，可增大组件的对流换热，降低组件的工作温度，有助于提高发电量；雷暴：下阶段根据光伏组件布置的区域、高度及运行要求，合理设计防雷接地系统；雾霾：由于雾霾天气的影响，使到达地面的太阳总辐射减少，从而减少发电量。雾霾天气与环境污染治理有较大关系，在发电量计算中应加入由于雾霾天气引起的发电量损失折减系数。

3.3 其他事项

注意对光伏电站的保护，逆变器可以提供一些保护，如孤岛效应保护、短路保护、过载保护等。此外还要注意光伏出线保护、箱式变压器保护，需要安装相应的保护测控装置。另外还要注意光伏电站的防雷、接地以及过电压保护，按照相关规定进行设计。

地面光伏阵列采用钢结构固定式支架，支架形式采用纵向檩条、横向支架布置方案。阵列支架由立柱、横梁及斜撑组成，在支架的横梁之间按照电池组件的安装宽度布置檩条，檩条固定于支架横梁上。支架与基础为刚接，立柱与横梁、横梁与檩条之间均为铰接。光伏阵列的设计需符合抗震要求，此外本项目所在地广东省还会面临台风的问题，设计需考虑防台风。

施工的过程中需注意消防安全，本项目的重点防火部位为配电装置所在区域，故在配电装置附近合理布置移动式灭火器。施工过程中注意保护环境以及水土保持，施工期的污染主要是噪声、废工废水、固体废物等，并在施工期间保障好劳动安全卫生。在施工完成后也要留出消防车道和检修通道，光伏电站需要计划好检修日期，并定期对光伏组件进行清洗和除草工作。光伏电站建设的前期工作需要对诸多因素进行详细的考量，要在预留出防爆区、消防通道、交通通道和检修通道的情况下确定好光伏布放位置，根据项目自身的情况选择对应的设备元件：光伏组件、逆变器等，并参考当地的情况确定光伏组件的最佳倾角。

综上所述，光伏电站建设的前期工作需要对诸多因素进行详细的考量，此外还需要注意对光伏电站的保护工作，进行防雷防风等设计，并且在施工过程中注意保护环境。