太阳能光伏电站设计影响因素分析_黄湘

第 35 卷 第 2 期 华 电 技 术 Vol ． 35 No． 22013 年 2 月 Huadian Technology Feb． 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 TK 519 文献标志码 B 文章编号 1674 － 1951（ 2013） 02 － 0079 － 04收稿日期 2012 － 02 － 03； 修回日期 2012 － 11 － 040 引言在太阳能利用方面 ， 太阳能光伏发电是太阳能利用的重要环节 。 光伏电池组件是太阳能发电的关键部件 ， 太阳能光照和电流关系决定了其发电特性 。在已有的装机容量和占地基础上 ， 全年如何得到最大发电量 ， 是太阳能光伏电站设计的关键所在 。1 太阳能光伏电池的发展阶段按照年代早晚 、 能量转换效率和生产成本进行分析 ， 人们对太阳能电池类型分为若干代 。 目前 ， 以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 M A Green提出将所有类型的太阳能光伏电池划分为 3 代 。 第 1 代为所有单晶硅 、 多晶硅和砷化镓电池形式 ， 以硅材料作为基底的太阳 电 池 板 元 件 的 工 业 产 品 ， 转 换 效 率 可 达 到18 ， 其寿命在 20 年左右 。 国内专家预测 ， 到 “ 十二五 ” 末 ， 该效率将在现有基础上提高 1 ～ 2 。 第 2代为薄膜型太阳电池板元件 ， 为降低造价 ， 其基底主要是以廉价载体为主 （ 包括玻璃 、 陶瓷等 ） ， 可在载体上覆盖微米级的光电转换材料 ， 第 2 代太阳电池的转换效率较低 ， 不同形式的电池效率相差也很大 ，大约在 5 ～ 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 － 电转换 。 根据预测 ， 多层混合相结构的太阳电池效率可达到 60 ， 假定这一效率能够实现 ， 以青海格尔木地区太阳辐照条件推算 ， 若用第 1 代电池板发电 ， 以每平方千米为基础 ， 年发电量可达 50 GW h， 而用第 3 代电池板发电 ， 每平方千米年发电量可达 150 GW h。电池是以年代为划分阶段的 ， 实际上 ， 这种划分方法不符合材料分类原则 、 效率划分原则 ， 也不符合生产成本原则 。 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 ， 主要用于特殊需要的场合 ； 第 3 代产品处于实验室阶段 ， 与实际和低成本应用有相当距离 。2 太阳能光伏电站输出负荷曲线不同的发电形式具有不同的负荷输出特性 ， 太阳能的高品位利用就是发电 ， 一般来讲 ， 太阳能发电有 2 种形式 光伏发电和热发电 。 图 1 曲线是美国2 座 5 MW 太阳能热电站和太阳能光伏电站在同一天的发电量对比 。 从图 1 可以看出 ， 光伏发电输出负荷随日照的变化而变化 ， 其变化幅度比较大 ， 而热发电输出负荷变化则较为平稳 ， 这是由于发电形式不同 ， 虽然在相同的太阳能辐照输入条件下 ， 输出特性具有各自的特点 。图 1 50 MW 热发电和 50 MW 光伏发电 1 日内日照实测比较 （ 美国加州 ）（ 1） 太阳能光伏发电是一种敏感性发电形式 ，光照度大于 15 ～ 20 W /m2 时就能发电 ， 因此 ， 在清 80 华 电 技 术 第 35 卷图 2 光伏发电 1 日内在晴天和阴天时不同的功率曲线晨或傍晚时 ， 太阳能辐照度很低 ， 光伏电池也能输出较低的电力负荷 ， 即使在阴天时也有 10 ～ 20 的负荷输出 ， 而太阳能热发电需要太阳辐照达到一定能量后才能进入发电程序 ， 图 1 说明了这种情况 。从图 1 中可以看出 ， 傍晚时热发电比光伏发电时间长 ， 这是因为热发电有少量蓄热 ， 因此 ， 延长了发电时间 。（ 2） 中午太阳辐照度达到最大时 ， 太阳能热发电的输出负荷也达到高峰 ， 其输出负荷和太阳辐照能成正比 。 但是 ， 光伏电池具有温度效应 ， 因而此时的发电负荷和热发电相比反而下降 ， 图 1 说明在上午 11 00 至 下 午 03 00， 光 伏 发 电 负 荷 值 低 于 热发电 。（ 3） 太阳能光伏的输出负荷波动大于太阳能热发电 ， 这是由于热发电具有热惯性 ， 同时大多数热发电都具有蓄热功能 ， 因而可将多余的太阳辐照能转化为热能暂时储存起来 ， 等到太阳被云层遮挡时会迅速释放出多余能量 ， 保持了负荷输出的稳定性 。（ 4） 热发电形式推广到一年四季来考虑 ， 夏季热发电形式的发电输出负荷可能整体大于光伏发电 ， 而冬季光伏发电输出负荷整体大于热发电形式（ 根据计算和推测 ， 目前暂无实际对比数据 ） 。 在一定太阳辐照度的条件下 ， 对于一天的总体发电量来说 ， 热发电大于光伏发电 ， 因为光伏发电年均效率为9． 0 ～ 11． 0 ， 而 50 MW 槽式热发电年均效率大约为 13． 5 。3 太阳辐照度和光伏发电输出量对比分析太阳辐照度和光伏发电输出功率之间成正比关系 ， 图 2 为浙江杭州地区的太阳能光伏电站功率输出曲线 。 杭州当地地理纬度为 30 14， 水平面年总辐照量为 4 069 MJ/m2 ， 电站共安装电池板 308． 12kW， 年发电量为 3000 MW h。 计算得到每千瓦装机年发电量为 974 kW h， 相当于 10 MW 装机容量机组的年发电量 （ 9 740 MW h） 。 根据图示 ， 晴天和阴天的输出负荷变化差别很大 ， 图 2a 为在晴天条件下全天输出功率和太阳辐照度基本吻合 ， 功率变动相对平缓 ， 但也有短时功率变动较大的情况 ， 从所采集的典型数据来分析 ， 因日照原因引起每分钟的负荷变化率约占负荷总容量的 20 。 阴天条件下的输出功率 （ 如图 2b 所示 ） 则出现明显的波动 ， 发电量较晴天减少一半以上 ， 全天功率变动较大 ， 但功率变化率略低于日照充足时段 。 在多云天气时 ， 发电负荷变化率会更大 。以云南昆明地区的太阳能光伏电站为例 ， 当地地理纬度为 25 01， 水平面年总辐照量为 5 337． 1MJ/m2， 电 站 共 安 装 电 池 板 160 kW， 年 发 电 量 为2 000 MW h， 计 算 得 到 每 千 瓦 装 机 年 发 电 量 为1 250 kW h， 相当于 10 MW 装机容量机组的年发电量 （ 12 500 MW h） 。根据当地辐辐照量计算 ， 2 个光伏电站年均发电效率分别为 10． 71 和 10． 19 。 虽然杭州的光伏电站单位千瓦总发电量小于昆明光伏电站 ， 但杭州光伏电站总体效率却高于昆明光伏电站 。另一个例子是华电上海普陀太阳能屋顶电站 ，地理位置为北纬 31 17， 太阳水平面年总辐辐照量为 4 497 MJ/m 2， 装机容量为 1． 43MW， 年总发电约1 500 MW h， 折算为 10 MW 装机容量机组 ， 年发电量为 10 490 MW h。 华能格尔木太阳能电站已投产装机容量为 5 MW， 其中装有 0． 5 MW 的跟踪型电池板 ， 地理位置为北纬 36 24， 其全年发电效率要高于固定式电池板 ， 通过计算扣除这部分的多余发电量 ， 得到 10 MW 装 机 容 量 年 毛 发 电 量 为 14 070MW h（ 现场收集 ） ， 扣除厂用电 ， 净发电量为 13 640MW h。 可见 ， 在相同设备及装机容量条件下 ， 青海地区年发电量比上海地区高 34。 华电宁夏光伏电站装机容量为 10MW， 地理位置为北纬 37 48， 年毛发电量为 16 030 MW h， 扣除厂用电 ， 净发电量为 15 850MW h， 每平方千米年发电量为 59370MW h。第 2 期 黄 湘 ， 等 太阳 能光 伏 电 站 设计影响 因素 分析 814 光伏发电电池板倾角与全年发电量光伏发电电池板的倾角布置与全年发电量关系极大 ， 如何在不同经度 、 纬度下布置倾角 ， 关系到全年的发电出力 。固定式光伏发电阵列设计角度按照固定倾角 β及方位角 γ 分别取值 ， 这是大多数太阳能电池阵列的设计模式 。 在这种模式下 ， 考虑到太阳升起和落下角度均东西对称 ， 故方位角 γ 取为零 ， 即朝正南方向布置 。 而倾角 β 的大小则与太阳能电池阵列安装的地理位置有关 ， 经常取用当地纬度值作为布置倾角 。以华电格尔木光伏电站为例 ， 该电站位于格尔木市东出口收费站以东 12 km， 109 国道北侧 10 km 处的戈壁滩上 ， 坐标位置为北纬 36 24， 东经 95 12。 因为太阳赤纬角为 23． 45 ， 计算得到当地夏至与冬至正午 12 00 时太阳高度角分别为 77． 04 和 30． 16 ，其太阳高度角平均值为 1 /2 （ 77． 04 30． 16 ） 53． 6 ， 而太阳法向线与地面的夹角正好为 90 －53． 6 36． 4 。 因此 ， 格尔木光伏电站取 36 角作为太阳电池板的倾角 。决定了太阳电池板倾角 ， 就需要确定光伏电池板阵列间的安装间距 ， 2 块电池板之间的间距 d 是阵列设计中另一重要参数 ， 可用如下公式计算得到d 0． 707 htan［ arcsin（ 0． 648cosθ － 0． 399sin θ ） ］ ， （ 1）式中 h 为组件的高度 ； θ 为纬度角 。根据无锡尚德太阳能电力有限公司提供的电池板数据 ， 计算得到 2 块电池板的间距约为 7 m。 按10 MW 装机容量占地 26． 7 hm2 计算 ， 每平方千米装机容量可达 37． 45 MW， 以 10 MW 装机年发电量为14 000 MW h 计算 ， 全年发电量为 52 430 MW h。上述计算的电池板倾角是一个折中的办法 ， 就是取太阳辐照角度在冬季和夏季的平均值作为使用值 ， 实际结果不一定使全年发电量达到最大值 。 对光伏并网系统来说 ， 优化倾角 β 并使太阳能阵列全年发电量最大是最终目的 。 根据现场数据 ， 太阳能辐照值每个月都是不同的 ， 当地纬度越大 ， 夏季和冬季月平均值就相差越大 ， 纬度超过 45 ， 夏季和冬季值的比会大于 3． 5。 因此 ， 当电池板和地面角度变小时 ， 应充分利用夏季太阳辐照值 ， 使发电量增加 ，当然 ， 冬季发电量会降低 ， 但夏季发电增加量会大于冬季的减少量 。 使全年综合发电量增加 ， 根据上述思路 ， 适当降低电池板与地面角度 ， 可减小 2 块电池板间距 ， 增加全年发电量 ， 增加每平方千米的装机容量 ， 同时增加每平方千米年总发电量 。因此 ， 电池板的最佳倾角计算方法有 2 种 一是找到全年冬季和夏季太阳辐照值的中点 ， 这个中点靠近春分和秋分的夏季一侧 ， 计算出这一天的太阳高度角 ， 计算出电池板的倾角 。 二是利用每天的太阳辐照值 ， 用已知的电池板特性曲线 ， 计算出每天的发电量 ， 从而找到冬季和夏季的中点日 ， 计算出这一天的太阳高度角 ， 计算得到电池板倾角 。 后一种方法最精确 ， 但由于计算关系复杂 ， 目前还不能给出一个简单或直接的公式 ， 但通过计算机编程可以计算全年的太阳能光伏发电量 ， 通过调节不同的电池板与地面角度 ， 优化得到最佳角度 ， 同时也得到单位占地的最大发电量 。 作者提出的建议是 当格尔木太阳能光伏电站电池板与地面角度从 36 改为 34 时 ，全年发电量可在原基础上增加约 1． 5 ， 单位千瓦占地下降 8 。5 光伏板表面清洁系数对发电的影响光伏电池板表面清洁系数影响发电量 ， 根据八达岭太阳能热发电示范电站的试验验证 ， 太阳能反射玻璃镜每隔 2 ～ 3 d 清洁系数就会下降 0． 01， 太阳能光伏板的清洁度和玻璃板相近 ， 但是光伏板更易形成表面静电 。 在现场可以发现 ， 在光伏板的四周外保护框罩外圈更容易积灰 ， 若采用擦拭灰尘的方法 、 使用易产生静电的化纤材料进行擦拭 ， 擦拭后仍然有灰尘聚集在光伏板上 。另一个影响清洁系数的因素是灰尘的性质 ， 八达岭太阳能热发电示范电站由于地处北京 ， 虽然其位置远离城区 ， 但是空气中的尘土属于油性物质 ， 若超过 1 个月不清洗 ， 下次再清洗时将会非常困难 。而格尔木地区的灰尘是干性灰尘 ， 遍地是细粉沙 ， 当扬风时 ， 灰尘会很快吹拂在电池板上 ， 同时由于静电的原因而积附在表面 。根据现场经验 ， 推导出的清洁系数公式如下 y 1 － 0． 035x 。 （ 2）根据上述公式 ， 计算得出光伏电站在 10 MW 容量下 ， 假定年发电量为 14 GW h， 则由于清洁系数影响导致每年的发电损失见表 1。从以上分析可知 ， 半月清洗 1 次电池板与 7 d 清洗 1 次相比 ， 年发电损失为 392． 4 MW h， 即年损失39． 24 万元 ， 如果与每天清洗相比 ， 则年损失电量可达 795． 7 MW h。当空气中油污性高或大风天气影响时 ， 电池板表面清洁系数下降会更快 ， 经验公式变为下式 y a bx cx2 。 （ 3）通过现场试验可找到系数 a， b， c 的值 。 实际情况是 ， 清洁电池板间隔越长 ， 污染情况会加重 ， 发电损失会增加 。 82 华 电 技 术 第 35 卷表 1 10 MW 光伏发电站不同清洗时间对发电的影响项目 单位 参数清洗间隔 d 每天清洗 2 3 5 7 10 15实际发电量 MW h 1 166． 7 1 160． 5 1 158． 5 1 154． 4 1 150． 3 1 144． 2 1 134． 0损失电量 MW h 0 6． 1 8． 2 12． 3 16． 3 22． 5 32． 7折成资金 万元 0 0． 61 0． 82 1． 23 1． 63 2． 25 3． 27注 折合标准为 1 元 /（ kW h） 。6 在光伏电站建设中应注意的事项国内太阳能光伏电站已经建成多座 ， 局部存在一些问题 ， 若能考虑周全 ， 则在原有基础上能增加全年总发电量 。6． 1 气象预报与负荷预测系统一般观念认为 ， 太阳能光伏电站就是固定住电池板就能发电 。 目前 ， 各太阳能电池板供应厂家对自身产品都有详细的关系曲线图 ， 若电站能够配备太阳辐照仪表 、 风力和温度测量仪表 ， 利用已测得的气象数据和厂家产品的关系曲线图 ， 就可以分析和预测电站中长期的发电量 ， 甚至能预测出整个寿命期的总发电量 。 很遗憾 ， 大部分电站都没有配备气象设备 ， 少部分配备气象仪器设备的电站也没有发挥作用 。6． 2 清洁度对发电效率影响试验分析方法由于电池板表面清洁度对发电量的影响 ， 各光伏电站应加快研究电池板表面污染对发电量的影响 ， 并研究清洁电池板的方法 。 图 3 为太阳能热发电过程中清洗玻璃镜的专用工具 ， 图 3a 为欧洲常用的旋转清洗玻璃镜的机器 ， 图 3b 为美国水清洗玻璃镜机器 ，光伏电站的电池板清洗可借鉴这些方法 。图 3 清洁玻璃镜的擦洗和水喷洗方法目前 ， 太阳能光伏电站电池板都采用清洁方法 ，但清洁次数每月不均 ， 有的每月 1 次 ， 有的每月 2次 。 实际清洁次数光伏电站应根据自身情况决定 ，但要进行现场试验对比 。 在同一时间 ， 将电站划分不同区块 ， 分别以不同天数清洁并观察发电量的差别 ， 折算到损失电量 ， 以投入清洁的成本平衡发电收益 ， 得到经济的清洁次数 。7 结论在光伏电站设计中 ， 经过分析和讨论 ， 可以看出需对多个参数的设置进行反复比较才能选取最佳方案 。 在选取光伏电池板布板方案中 ， 要考虑到光伏发电电池板与地面角度和发电量的关系 ， 特别是占地和单位面积占地与全年发电量的关系最为重要 ，同时也要考虑到电池板清洁系数对发电量的影响 。本文提出的估算方法 ， 可为实际工程提供参考和借鉴 。参考文献 ［ 1］ 黄湘 ． 国际太阳能资源及太阳能热发电趋势 ［ J］ ． 华电技术 ， 2009， 31（ 12） 1 － 3． 本文责编 王书平 作者简介 黄湘 （ 1956 ） ， 男 ， 江苏扬州人 ， 总工程师 ， 教授级高级工程师 ， 从事电厂设计和电厂工程项目管理方面的工作 。葛文刚 （ 1972 ） ， 男 ， 浙江宁波人 ， 新能源公司副总工程师 ， 高 级 工 程 师 ， 从 事 新 能 源 研 究 与 开 发 方 面 的 工 作（ E-mail gewgchec ．com． cn） 。禹超 （ 1978 ） ， 男 ， 湖南湘阴人 ， 新能源公司设计院院长助理 ， 工程师 ， 从事电气研究与开发方面的工作 。 86 Abstracts 第 35 卷slag removal scheme using steel tape dry slag cooling conveyerand the slag removal schemeusing wet scraper slag-off machinewere demonstrated， and the economical and technical perform-ancesof the two schemeswere compared ． According to the prin-ciples of safety and reliability ， the technical advancement， theeconomicaland reasonableand conservation of water and ener-gy， the schemeusing steel tape dry slag conveyerwas selected ．The practical application shows that better energy conservationeffect was obtained by the scheme selection， and the operatingcost wasreduced too ．Key words slag removal system； steel tape dry slag conveyer；wet scraper slag-off machine； comparison of schemes； imple-mentation effect13 － 02 － 64 Reformation of slag disposal systemof 670 MW boilerLI Juan（ Huadian Weifang PowerGenerationCompanyLimited，Weifang 261204， China）Abstract The reasonsof faults frequently occurred in the slagdisposal system of the 670 MW boiler of Huadian Weifang PowerGenerationCompanyLimited were analyzed ．The relevant refor-mation method was proposed ． After the system had been re-formed， the problem of frequent faults of slag disposal systemwere solved， the service live of the device was lengthened， themaintenancework was lightened， and favorable effects were ob-tained ．Key words 670 MW boiler； slag disposal system； reason offault； technical reformation13 － 02 － 66 Methods to prevent blockage fault ofSCR deNO x system caused by large particles ash incoal- fired power plantWANG Yang， HU Yongfeng （ China Huadian EngineeringCorporation Limited， Beijing 100035， China）Abstract The blockageof SCR systemcaused by large particlesash， especially by the popcornash， is one of main reasonsmak-ing the SCR system to be failure and influences on safe and sta-ble operation of the boiler seriously ．The countermeasuresandadvancedtechnologies of developed countries and regions wereintroduced， and several domestic and overseasuccessful engi-neering projects were enumerated， which can be used as refer-ence for preventing the blockage fault by large particles ash andfor fast and healthy development of domestic denitration career ．Key words coal-fired power plant； selective catalytic reduction（ SCR） ； deNOx； large particles ash； blockage13 － 02 － 73 Study on mercury removal charac-teristics of desulphurization systems in coal-firedpower plantsSU Junhua ， TAO Aiping ， SHEN Yuhui （ China Huadian En-gineering Corporation Limited ， Beijing 100035， China）Abstract The mercury removal situations in wet， semi-dry anddry desulphurization systemsof coal-fired power plants were in-troduced ．The conversion processesof the mercury in differentdesulphurization systemsand the factors influencing on the con-version were analyzed ．The results show that due to the differ-ences of the mercury removing mechanism， the activated cokedry desulphurization system has highest mercury removal effi-ciency； the semi-dry desulphurization system is in secondplace，and the mercury removal efficiency of the wet desulphurizationsystemis lowest ． In addition， the mercury secondarypollutioncaused by the mercury removal function of desulphurization e-quipments was discussed ．Key words coal-fired power plant； desulphurization system；mercury emission； elemental mercury Hg0 ； oxidation state mer-cury Hg2 13 － 02 － 76 Optimized reformation of FA1D67booster pump of 670 MW unit for energy conserva-tionYAN Hongming （ Huadian Weifang Power Generation CompanyLimited， Weifang 261204， China）Abstract The boosterpump of the turbine-driven feed pump of670 MW supercritical unit in Huadian Weifang PowerGenerationCompanyLimited is FA1D67 single stage double suction centrif-ugal pump． The operation stability of the pump is poor， andthere are obvious safety defects in the pump． The pump was re-paired many times， but the repair effects were little ， and thepump is still a serious menacefor the safe and economic opera-tion of the unit ． By test and analysis， the root of the problemwas found out ． The impeller and the volute were reformed andoptimized ．The problem wassolved， and the safety and econom-ic efficiency of the unit operationwere improved effectively ．Key words turbine-driven feed pump； boosterpump； impeller；volute； optimization13 － 02 － 79 Analysis on factors influencing on de-sign of solar photovoltaic power stationHUANG Xiang ， GE Wengang ， YU Chao （ China HuadianEngineering Corporation Limited ， Beijing 100035， China）Abstract The factors influencing on the designof solar photovol-taic powerstation were analyzed， which include the output char-acteristics of the photovoltaicpowergeneration， the power gener-ation characteristics of the solar photovoltaic powerstation underdifferent weather conditions， the relation between the solar irra-diance data and the power generation， the relation between thepower generation and the angle between the photovoltaic cellpanels and the ground， the relation between the total annualpower generationand the occupied area and the occupied area byunit area of the photovoltaic cell panel and so on． The total an-nual power generationcalculation method was adopted to deter-mine the angle between the photovoltaic cell panel and theground， the influence of the surfacecleannessfactor of solar cellpanels on the powergeneration was considered， the matters nee-ding attention in construction of the solar photovoltaic power sta-tion were put forward ．Key words solar photovoltaic power station； solar photovoltaiccell； solar irradiance； total annual power generation； surfacecleannessfactor of solar cell panel