太阳能光伏电站设计影响因素分析

'第35卷第2期华电技术V01．35No．22013年2月HuadianTechnologyFeb．2013太阳能光伏电站设计影响因素分析黄湘，葛文刚，禹超(中国华电工程(集团)有限公司，北京100035)摘要：分析了光伏发电输出的特点、不同气候条件下的发电特性、太阳辐照数据和发电量之间的关系及光伏发电电池板与地面角度和发电量的关系、占地及单位面积占地与全年发电量的关系。采用全年发电总量计算的方法来确定电池板与地面角度，考虑到电池板清洁系数对发电量的影响，提出了在光伏电站建设过程应注意的事项。关键词：太阳能光伏电站；太阳能光伏电池；太阳能辐照度；全年发电总量；全年发电总量；电池板表面清洁系数中图分类号：TK519文献标志码：B文章编号：1674—1951(2013)02—0079—04够实现，以青海格尔木地区太阳辐照条件推算，若用0引言第l代电池板发电，以每平方千米为基础，年发电量在太阳能利用方面，太阳能光伏发电是太阳能可达50GW·h，而用第3代电池板发电，每平方千利用的重要环节。光伏电池组件是太阳能发电的关米年发电量可达150GW·h。键部件，太阳能光照和电流关系决定了其发电特性。．电池是以年代为划分阶段的，实际上，这种划分在已有的装机容量和占地基础上，全年如何得到最方法不符合材料分类原则、效率划分原则，也不符合大发电量，是太阳能光伏电站设计的关键所在。生产成本原则。现阶段大多数太阳能发电应用仍采用第1代产品，第2代产品的应用比例很低，主要用1太阳能光伏电池的发展阶段于特殊需要的场合；第3代产品处于实验室阶段，与按照年代早晚、能量转换效率和生产成本进行实际和低成本应用有相当距离。分析，人们对太阳能电池类型分为若干代。目前，以2太阳能光伏电站输出负荷曲线不同基底板和掺杂不同材料的太阳电池种类较多，划分方法也很多，德国MAGreen提出将所有类型不同的发电形式具有不同的负荷输出特性，太的太阳能光伏电池划分为3代。第1代为所有单晶阳能的高品位利用就是发电，一般来讲，太阳能发电硅、多晶硅和砷化镓电池形式，以硅材料作为基底的有2种形式：光伏发电和热发电。图l曲线是美国太阳电池板元件的工业产品，转换效率可达到2座5MW太阳能热电站和太阳能光伏电站在同一18％，其寿命在20年左右。国内专家预测，到“十二天的发电量对比。从图1可以看出，光伏发电输出五”末，该效率将在现有基础上提高1％～2％。第2负荷随13照的变化而变化，其变化幅度比较大，而热代为薄膜型太阳电池板元件，为降低造价，其基底主发电输出负荷变化则较为平稳，这是由于发电形式要是以廉价载体为主(包括玻璃、陶瓷等)，可在载不同，虽然在相同的太阳能辐照输入条件下，输出特体上覆盖微米级的光电转换材料，第2代太阳电池性具有各自的特点。的转换效率较低，不同形式的电池效率相差也很大，大约在5％一12％，它的另一缺点是稳定性和寿命较低，但成本下降很多。目前，第2代电池已有生产，但规模化应用还没有形成。第3代电池是正在研发的电池形式，利用不同材料构成的多层薄膜叠加结构或同种异相材料由于太阳辐照能是以不同光谱传输的能量(包括紫外光、可见光和红外光谱)，因而可利用不同材料层对不同光谱的吸收效果，最大限度地完成光一电转换。根据预测，多层混合相图150MW热发电和50MW光伏发电1日内日照结构的太阳电池效率可达到60％，假定这一效率能实测比较(美国加州)(1)太阳能光伏发电是一种敏感性发电形式，收稿日期：2012—02—03；修回日期：2012—11—04光照度大于15～20W／m时就能发电，因此，在清 ·80·华电技术第35卷晨或傍晚时，太阳能辐照度很低，光伏电池也能输出和阴天的输出负荷变化差别很大，图2a为在晴天条较低的电力负荷，即使在阴天时也有10％一20％的件下全天输出功率和太阳辐照度基本吻合，功率变负荷输出，而太阳能热发电需要太阳辐照达到一定动相对平缓，但也有短时功率变动较大的情况，从所能量后才能进入发电程序，图1说明了这种情况。采集的典型数据来分析，因日照原因引起每分钟的从图1中可以看出，傍晚时热发电比光伏发电时间负荷变化率约占负荷总容量的20％。阴天条件下长，这是因为热发电有少量蓄热，因此，延长了发电的输出功率(如图2b所示)则出现明显的波动，发时间。电量较晴天减少一半以上，全天功率变动较大，但功(2)中午太阳辐照度达到最大时，太阳能热发率变化率略低于日照充足时段。在多云天气时，发电的输出负荷也达到高峰，其输出负荷和太阳辐照电负荷变化率会更大。能成正比。但是，光伏电池具有温度效应，因而此时以云南昆明地区的太阳能光伏电站为例，当地的发电负荷和热发电相比反而下降，图1说明在上地理纬度为25。01，水平面年总辐照量为5337．1午11：O0至下午03：o0，光伏发电负荷值低于热MJ／m，电站共安装电池板160kW，年发电量为发电。2000MW·h，计算得到每千瓦装机年发电量为(3)太阳能光伏的输出负荷波动大于太阳能热1250kW·h，相当于10MW装机容量机组的年发电发电，这是由于热发电具有热惯性，同时大多数热发量(12500MW·h)。电都具有蓄热功能，因而可将多余的太阳辐照能转根据当地辐辐照量计算，2个光伏电站年均发化为热能暂时储存起来，等到太阳被云层遮挡时会电效率分别为10．71％和10．19％。虽然杭州的光迅速释放出多余能量，保持了负荷输出的稳定性。伏电站单位千瓦总发电量小于昆明光伏电站，但杭(4)热发电形式推广到一年四季来考虑，夏季州光伏电站总体效率却高于昆明光伏电站。热发电形式的发电输出负荷可能整体大于光伏发另一个例子是华电上海普陀太阳能屋顶电站，电，而冬季光伏发电输出负荷整体大于热发电形式地理位置为北纬31。17，太阳水平面年总辐辐照量(根据计算和推测，目前暂无实际对比数据)。在一为4497MJ／m，装机容量为1．43MW，年总发电约定太阳辐照度的条件下，对于一天的总体发电量来1500MW·h，折算为10MW装机容量机组，年发电说，热发电大于光伏发电，因为光伏发电年均效率为量为10490MW·h。华能格尔木太阳能电站已投9．0％～11．0％，而50MW槽式热发电年均效率大产装机容量为5MW，其中装有0．5MW的跟踪型电约为13．5％。池板，地理位置为北纬36。24，其全年发电效率要高3太阳辐照度和光伏发电输出量对比分析于固定式电池板，通过计算扣除这部分的多余发电量，得到10MW装机容量年毛发电量为14070太阳辐照度和光伏发电输出功率之间成正比关MW·h(现场收集)，扣除厂用电，净发电量为13640系，图2为浙江杭州地区的太阳能光伏电站功率输MW·h。可见，在相同设备及装机容量条件下，青海地出曲线。杭州当地地理纬度为30。14，水平面年总辐照量为4069MJ／m，电站共安装电池板308．12区年发电量比上海地区高34％。华电宁夏光伏电站装kW，年发电量为3000MW·h。计算得到每千瓦装机容量为10MW，地理位置为北纬37。48，年毛发电量机年发电量为974kW·h，相当于10MW装机容量为16030MW·h，扣除厂用电，净发电量为15850机组的年发电量(9740MW·h)。根据图示，晴天MW·h，每平方千米年发电量为59370Mw·h。08：O010：O012：O014：O016：O018：O0时间时间a晴天时的功率曲线b阴天时的功率曲线图2光伏发电1日内在晴天和阴天时不同的功率曲线 第2期黄湘，等：太阳能光伏电站设计影响因素分析·8l·找到全年冬季和夏季太阳辐照值的中点，这个中点4光伏发电电池板倾角与全年发电量靠近春分和秋分的夏季一侧，计算出这一天的太阳光伏发电电池板的倾角布置与全年发电量关系高度角，计算出电池板的倾角。二是利用每天的太极大，如何在不同经度、纬度下布置倾角，关系到全阳辐照值，用已知的电池板特性曲线，计算出每天的年的发电出力。发电量，从而找到冬季和夏季的中点日，计算出这一固定式光伏发电阵列设计角度按照固定倾角天的太阳高度角，计算得到电池板倾角。后一种方及方位角分别取值，这是大多数太阳能电池阵列法最精确，但由于计算关系复杂，目前还不能给出一的设计模式。在这种模式下，考虑到太阳升起和落下个简单或直接的公式，但通过计算机编程可以计算角度均东西对称，故方位角取为零，即朝正南方向全年的太阳能光伏发电量，通过调节不同的电池板布置。而倾角的大小则与太阳能电池阵列安装的与地面角度，优化得到最佳角度，同时也得到单位占地理位置有关，经常取用当地纬度值作为布置倾角。地的最大发电量。作者提出的建议是：当格尔木太以华电格尔木光伏电站为例，该电站位于格尔木市阳能光伏电站电池板与地面角度从36。改为34。时，东出口收费站以东12km，109国道北侧10km处的全年发电量可在原基础上增加约1．5％，单位千瓦戈壁滩上，坐标位置为北纬36。24，东经95。12。因占地下降8％。为太阳赤纬角为23．45。，计算得到当地夏至与冬至5光伏板表面清洁系数对发电的影响正午12：00时太阳高度角分别为77．o4。和30．16。，其太阳高度角平均值为1／2×(77．o4。+30．16。)=光伏电池板表面清洁系数影响发电量，根据八53．6。，而太阳法向线与地面的夹角正好为90。一达岭太阳能热发电示范电站的试验验证，太阳能反53．6。=36．4。。因此，格尔木光伏电站取36。角作为射玻璃镜每隔2～3d清洁系数就会下降0．O1，太阳太阳电池板的倾角。能光伏板的清洁度和玻璃板相近，但是光伏板更易决定了太阳电池板倾角，就需要确定光伏电池形成表面静电。在现场可以发现，在光伏板的四周板阵列间的安装间距，2块电池板之间的间距d是外保护框罩外圈更容易积灰，若采用擦拭灰尘的方阵列设计中另一重要参数，可用如下公式计算得到法、使用易产生静电的化纤材料进行擦拭，擦拭后仍d=—O．707h然有灰尘聚集在光伏板上。t—an[aresin(O．648e—o—sO-O．399sinO)I，(1l)另一个影响清洁系数的因素是灰尘的性质，八式中：h为组件的高度；0为纬度角。达岭太阳能热发电示范电站由于地处北京，虽然其根据无锡尚德太阳能电力有限公司提供的电池位置远离城区，但是空气中的尘土属于油性物质，若板数据，计算得到2块电池板的间距约为7in。按超过1个月不清洗，下次再清洗时将会非常困难。10MW装机容量占地26．7hm计算，每平方千米装而格尔木地区的灰尘是干性灰尘，遍地是细粉沙，当机容量可达37．45MW，以10MW装机年发电量为扬风时，灰尘会很快吹拂在电池板上，同时由于静电14000MW·h计算，全年发电量为52430MW·h。的原因而积附在表面。上述计算的电池板倾角是一个折中的办法，就根据现场经验，推导出的清洁系数公式如下：是取太阳辐照角度在冬季和夏季的平均值作为使用Y=1—0．035x。(2)值，实际结果不一定使全年发电量达到最大值。对根据上述公式，计算得出光伏电站在10MW容光伏并网系统来说，优化倾角并使太阳能阵列全量下，假定年发电量为14GW·h，则由于清洁系数年发电量最大是最终目的。根据现场数据，太阳能影响导致每年的发电损失见表1。辐照值每个月都是不同的，当地纬度越大，夏季和冬从以上分析可知，半月清洗1次电池板与7d清季月平均值就相差越大，纬度超过45。，夏季和冬季洗1次相比，年发电损失为392．4MW·h，即年损失值的比会大于3．5。因此，当电池板和地面角度变39．24万元，如果与每天清洗相比，则年损失电量可小时，应充分利用夏季太阳辐照值，使发电量增加，达795．7MW·h。当然，冬季发电量会降低，但夏季发电增加量会大于当空气中油污性高或大风天气影响时，电池板冬季的减少量。使全年综合发电量增加，根据上述表面清洁系数下降会更快，经验公式变为下式：思路，适当降低电池板与地面角度，可减小2块电池Y=0+6+c2。(3)板间距，增加全年发电量，增加每平方千米的装机容通过现场试验可找到系数口，b，c的值。实际情量，同时增加每平方千米年总发电量。况是，清洁电池板间隔越长，污染情况会加重，发电因此，电池板的最佳倾角计算方法有2种：一是损失会增加。 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