屋顶光伏在燃机电厂中的可行性分析

屋顶光伏在燃机电厂中的可行性分析

刘磊

浙江大唐国际绍兴江滨热电有限责任公司 浙江绍兴 312366

摘要：简述了屋顶光伏电站施工前的准备工作，分析了需考虑的问题，从各个角度分析了屋顶光伏在燃机电厂中的可行性，有利于屋顶光伏的推广应用

关键词：屋顶，光伏，燃机

近年来，随着国家经济的飞速发展，能源需求量不断增加，原有的传统能源（如煤、石油等矿物化石燃料）不但对环境已产生极其严重的污染，而且在不远的将来就会耗尽。我国是世界能源生产和消费大国。在能源生产和消费中，煤炭约占能源消费构成的75%。因此，我们必须研究和发展可再生能源，特别是必须研究和发展太阳能，太阳能从整体上来看，是“取之不尽，用之不竭”的可再生能源。太阳能光伏发电系统具有没有转动部件，不产生噪声；没有空气污染；不排放废水；没有燃烧过程，不需要燃料；维修保养简单，维修费用低；运行可靠性、稳定性好的特点，作为关键部件的太阳电池使用寿命长，晶体硅太阳电池寿命可达25年以上。因此，太阳能光伏发电系统是太阳能最重要利用形式之一，本文介绍了屋顶光伏电站在燃机电厂中的实际应用实例。

1. 屋顶光伏电站前期准备

1. 工程地质

光伏电站多为固定结构，后期基本不会大规模移动，因此对地质结构有一定要求，需确保选址无区域性大断裂通过。以我厂为例，根据区域地质资料，地质构造条件和历史地震及近代地震活动分析，我厂无区域性大断裂通过，且在历史上地震具备震级小、强度弱、频度低的特征，近50年来超越概率10%的地震动峰值加速度为0.05g，相应的地震基本烈度为VI度，属相对稳定地区，适宜建设屋顶光伏电站。

2. 屋顶的选择

考虑到光伏电站的使用年限基本在25年左右，应尽量选用新建厂房或年限较短的厂房。一是减少因厂房维护导致的运行维护成本；二是混凝土厂房更加稳定可靠。

对于混凝土屋面，一般选用刚性防水的上人屋面，一方面便于施工、运营和维护；另一方面上人屋面基本均会满足光伏电站荷载要求。

3. 光伏组件安装方式选择

对普通的多晶硅太阳能电池组件常用的布置方式是按当地的最佳倾角，采用固定式安装。优点是支架系统简单，安装方便，布置紧凑，节约场地；缺点是不能对太阳能资源充分利用。逐日跟踪式太阳能光伏发电系统较固定方式可提高20%-40%，但是需要增加机械跟踪设备、光学仪器等，会增加单位工程造价，随着晶体硅电池板价格的不断下降，相对于机械跟踪等设备所增加的成本，总体的经济效益并不划算。考虑经济性和安全性，目前技术最为成熟、成本相对最低、应用最广泛的方式为固定式安装。由于太阳在北半球正午时分相对于地面的倾角在春分和秋分时等于当地的纬度，在冬至等于当地纬度减去太阳赤纬角，夏至时等于当地纬度加上太阳赤纬角。对于并网型光伏电站，全年发电量达到最大的倾角即为最优倾角。

4. 营运期环境影响分析

太阳能光伏电站内无转动机械，运行过程中无生产性工业废水排放，日常清洗光伏组件产生的清洗污水量很少，且只含有少量灰尘，不含化学污染物，不会造成水污染；营运期不会产生噪声，也不会造成大气环境污染。太阳能电池组件透光率可达91.5%以上，即反射率低于8.5%，基本不会产生反光、眩目现象，不会对周边环境产生光污染。光伏电站潜在的电磁环境影响主要是逆变器产生的工频电磁场，工作频率为50Hz，电磁环境影响较小，不属于电磁辐射范畴（100kHz-30GHz）。根据以往电磁环境资料分析，电场强度和磁感应强度均较低，对人体和环境不会造成危害。

2. 光伏发电系统设计

1. 太阳能电池选择

晶硅类太阳电池由于产量充足、制造技术成熟、产品性能稳定、使用寿命长、光电转化效率相对较高的特点，被广泛应用于大型并网光伏电站项目。

非晶硅薄膜太阳电池尽管有转化效率相对较低、占地面积较大、稳定性有待进一步提高等缺点，但随着技术和市场的发展，由于制造工艺相对简单、成本低、不需要高温过程、在弱光条件下性能好于晶硅类太阳电池等突出的优点，非晶硅薄膜电池所占的市场份额逐渐增加。晶硅类高效太阳电池和各类薄膜太阳电池是全球新型太阳电池研究开发的两大热点和重点。目前国内及国际上主要采用晶硅类太阳电池

单晶硅太阳能电池以纯度为99.99%的高纯硅作为生产的原材料，生产成本高；多晶硅太阳能电池一般采用低等级的半导体多晶硅或专门为太阳能电池而生产的多晶硅材料，生产成本低。由于光伏组件的造价在工程造价中的比重相对较高（约50%左右），有必要降低光伏组件价格以节省工程投资。同多晶硅太阳电池相比，单晶硅光伏组件单瓦造价相对较高（价格约比多晶硅光伏组件高0.05元/W），但同容量的单晶硅电池比多晶硅电池发电小时数更高，综合考虑造价和发电量，建议选用单晶硅太阳能电池。

2. 逆变器选择

根据不同的逆变器应用方案，逆变器可以分为集中型逆变器和组串型逆变器。

集中型逆变器是很多个并行的光伏组串被连到同一台集中逆变器的直流输入端。最大特点是系统的功率高、效率高、成本低，同时逆变器数量少，可靠性高，便于管理。但由于不同光伏组串的输出电压、电流往往不完全匹配，同时整个光伏系统的发电可靠性受某一光伏单元组工作状态不良的影响，采用集中逆变的方式会导致逆变过程的效率降低。集中式逆变器一般用于日照均匀的大型厂房，荒漠电站，地面电站等大型发电系统中，系统总功率大，一般是兆瓦级以上。

组串型逆变器是基于模块化概念基础上的，一个或少量几个光伏组串通过一个逆变器，在交流端并联并网。优点是受组串间模块差异和遮影的影响小；同时组串式逆变器MPPT电压范围宽，减少了光伏组件最佳工作点与逆变器不匹配的情况，从而增加了发电量。另外，组串式并网逆变器的体积小、重量轻，搬运和安装都非常方便，不需要专业工具和设备，也不需要专门的配电室，能够简化施工、减少占地。组串型逆变器的主要缺点是逆变器数量多，总故障率会升高，系统监控难度加大；另外组串型逆变器成本较高，每1MWp的投资比集中增加约30万元。组串型逆变器适用于中小型屋顶光伏发电系统、小型地面电站。

考虑到屋顶光伏项目分布较广，建议采用组串型逆变器，屋面安装于支架上或者挂置于墙壁。

3. 主要设备管理

1. 电池组件维护

电池组件积尘影响发电效率，无人清洗的前提下，发电量影响在2%-6%。因此需对电池组件进行清洗，保证电池组件的发电效率。通常在试验清洗光伏组件前后电流增加5%即说明灰尘积累较多需要清洗。电池组件分为定期清洗和不定期清洗清洗，定期清洗一般每月进行一次，清洗时间安排在日出前或日落后。不定期清洗分为恶劣气候后的清洗和季节性清洗。恶劣气候分为大风、沙尘或雨雪后的清洗。每次大风或沙尘天气后应及时清洗。雨雪后应及时巡查，对落在电池面组件上的泥点和积雪应予以清洗。季节性清洗主要指春秋季位于候鸟迁徙线路下的发电区域，对候鸟粪便的清洗。

2. 计算机监控系统

考虑到屋顶光伏电站基本设备均在屋顶，上下不易，建议设置1套光伏发电系统计算机监控系统，布置在电厂集控室间内。全站设备的监控均由计算机监控系统完成，不再另设常规模拟屏、控制屏，站内数据统一采集处理，资源共享。监测范围为光伏组件电压、功率、效率、保护信号和各种装置状态信号及光伏发电区域的逆变器等。

计算机监控系统的构成：选用1台工控计算机做为站级控制设备，每台工控机的人机联系设备选用标准键盘、鼠标各一个，高分辨率大屏幕监视器一台，另外配置打印机、语音报警音响等。

4. 光伏系统发电量测算及成本回收

根据太阳辐射能量、系统组件总功率、系统总效率等数据,可预测并网光伏发电系统的年总发电量和各月的发电量。

热功换算公式：1千瓦小时（kW•h）=3.6MJ

光伏电站方阵总面积=光伏组件单块面积×组件总块数

光伏电站理论发电量=20°倾斜方阵平面单位面积(m2)上的太阳辐射量×太阳电池总面积×组件效率×系统总效率

太阳电池总面积×组件效率=组件安装峰值容量

以我厂为例：水平面上太阳总辐射年总量：1216kWh/m2•a。系统综合效率：K＝81.7%

装机总容量：1001.7kWp。预计首年的发电量为99.2万kWh，折合年利用小时数为992h。25年内总发电量为2196.8万kWh，年均发电量为87.9万kWh，折合年利用小时数为878.7h。与相同发电量的火电相比，相当于每年可节约标准煤约268.1t，每年减少排放温室效应性气体二氧化碳(CO₂) 715.51t，每年可减少SO₂约5.45t，NO_x 排放量约1.85t。此外还可节约用水，减少相应的水力除灰废水和温排水等对水环境的污染。工程静态投资451.41万元，投资单位静态造价4506.41元/kW，投资回收期（税后）9.18年

由以上分析可见，光伏电站的建设替代燃煤电厂的建设，可达到充分利用可再生能源、节约不可再生化石资源的目的，将大大减少对环境的污染，同时还可节约大量淡水资源，对改善大气环境有积极的作用。可见光伏电站建设对于当地的环境保护、减少大气污染具有积极的作用，并有明显的节能、环境和社会效益。

5. 结论

我国光伏发电技术应用于20世纪70年代起步，开始主要用于空间技术，而后逐渐扩大到地面并形成了中国的光伏产业。经过多年的努力，在“金太阳”示范工程等国家项目及世界光伏市场的拉动下，我国光伏发电产业迅猛发展。2009年随着国家各项补贴扶持政策的陆续推出，光伏发电产业在我国进入了高速发展的时期

虽然我国在太阳能光伏发电和技术产品研发方面已取得了一定的成绩，但受技术经济发展水平限制，目前光伏产品并没有走进千家万户：如太阳能产品的使用受天气因素的影响较大；太阳能发电装置造价昂贵，成本偏高等。但是在常规能源短缺已经成为制约我国经济发展瓶颈的今天，清洁、无穷的太阳能利用应有更大空间，太阳能光伏发电也应有更大的市场潜力可挖。因此，屋顶光伏项目对推广太阳能利用、推进光伏发电产业发展将起到很强的示范作用。

参考文献：

[1]王雨、谢炜. 谈屋顶光伏设计及安装[J]. 山西建筑，2017，43(2)：196-197.

[2]沈辉，曾祖勤. 太阳能光伏发电技术[M]. 北京：化学工业出版社，2005.

[3]中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司. 1MW屋顶光伏电站项目可行性研究报告[R].  2019.