探討高寒地區(qū)獨(dú)立光伏發(fā)電站的設(shè)計(jì)

蒲澤偉 吳敏 王玉群 周李慶

摘 要 在光伏發(fā)電技術(shù)不斷發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用的今天，光伏電站作為光伏發(fā)電的配套設(shè)施，同樣受到人們的廣泛關(guān)注。在我國青海、西藏等高原、高寒地區(qū)，光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用前景一直很廣闊，而設(shè)計(jì)研究出適應(yīng)高寒地區(qū)自然環(huán)境的光伏發(fā)電站便成為技術(shù)人員研究的重要課題。本文重點(diǎn)針對(duì)高寒地區(qū)光伏發(fā)電站的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，對(duì)設(shè)計(jì)原則、采用的關(guān)鍵技術(shù)等進(jìn)行詳細(xì)探討，以期為光伏發(fā)電站在高寒地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用提供理論參考。

關(guān)鍵詞 高寒地區(qū)；光伏發(fā)電站；設(shè)計(jì)分析

中圖分類號(hào) TM6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2016）162-0165-01

太陽能等清潔能源一直是青藏高原地區(qū)未來最具發(fā)展?jié)摿皯?yīng)用前景的主要能源類型。自2002年我國啟動(dòng)“西部省份無電鄉(xiāng)通電工程項(xiàng)目”以來，光伏電站已經(jīng)成為青海、西藏等高寒地區(qū)最常見的電力設(shè)施，為青藏地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)[ 1 ]。然而鑒于高原地區(qū)獨(dú)特的氣候環(huán)境，如何使光伏電站更能適應(yīng)高寒氣候成為設(shè)計(jì)人員研究的主要課題。

1 高寒氣候?qū)夥娬镜挠绊懞單?/p>

通常來說，溫度對(duì)于建筑物的建設(shè)與使用存在不可忽視的影響，對(duì)光伏電站來說也是如此。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)研究光伏電站時(shí)，必須要考慮高寒氣候帶來的困難，只有這樣光伏電站才能夠在高寒地區(qū)持續(xù)穩(wěn)定工作。

1.1 高寒氣候?qū)ㄖ锏挠绊?/p>

光伏電站雖然應(yīng)用了較為先進(jìn)的光伏發(fā)電技術(shù)，但是整個(gè)建筑的主體仍然是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因此高寒地區(qū)過低的溫度會(huì)導(dǎo)致光伏電站出現(xiàn)建筑物凍害。

首先，高寒地區(qū)晝夜溫差大，建筑物容易出現(xiàn)溫度裂縫。青藏高原部分地區(qū)的日氣溫差平均能達(dá)到20℃，有些地區(qū)甚至能夠達(dá)到30℃。在這種過大溫差的影響下，混凝土建筑、排水溝、電纜溝等設(shè)施都有可能因熱脹冷縮效應(yīng)而出現(xiàn)裂縫。

其次，高寒地區(qū)溫度過低存在凍脹風(fēng)險(xiǎn)。高寒地區(qū)的土體很容易出現(xiàn)凍脹，從而影響到電站的地基，甚至給電站造成破壞性影響。

最后，高寒地區(qū)電站面臨凍融破壞風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前變電站設(shè)計(jì)采用的材料多為多孔性無機(jī)材料，內(nèi)部孔隙中很容易留存水分，一旦水分結(jié)冰則體積便膨脹9%左右，從而給材料內(nèi)部造成損傷。而隨著氣溫變化，內(nèi)部水分不斷在結(jié)冰和融化之間反復(fù)，導(dǎo)致?lián)p傷不斷擴(kuò)大，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層層剝蝕破壞，即凍融破壞。

1.2 對(duì)太陽能電池組件的影響

太陽能電池組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心構(gòu)件，有研究人員發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)點(diǎn)樣能電池組件存在較大的影響。例如，太陽能電池在溫度較高的環(huán)境工作時(shí)，溫度的升高會(huì)導(dǎo)致其開路電壓大幅下降，同時(shí)期輸出功率也會(huì)下降，另外還會(huì)影響其充電工作點(diǎn)。因此在高寒地區(qū)環(huán)境溫度過低的情況下，太陽能電池組件同樣會(huì)受到較大影響，對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生不利影響。

1.3 對(duì)蓄電池的影響

蓄電池同樣是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要構(gòu)件，且蓄電池對(duì)于溫度及其敏感，不管是溫度高還是過低都會(huì)影響蓄電池的正常工作。這主要是因?yàn)?，溫度的極端會(huì)導(dǎo)致蓄電池浮充電流發(fā)生改變，出現(xiàn)熱失控的情況，進(jìn)而損壞整組電池。具體如表1。

2 高寒地區(qū)獨(dú)立光伏發(fā)電站的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

光伏電站設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)人員需要考慮一下幾個(gè)問題：

第一，考慮到高寒地區(qū)惡劣的氣候及自然條件，例如：地形復(fù)雜、交通不便、氣溫過低等。同時(shí)還要考慮到當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)環(huán)境，例如：人口文化程度低、維護(hù)技術(shù)不高等。基于以上幾個(gè)問題，在設(shè)計(jì)光伏電站時(shí)便需要著重加強(qiáng)電站的可靠性、自動(dòng)化程度、操作性、經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)境適應(yīng)性等。

第二，選擇合適的地址。光伏電站的運(yùn)行對(duì)陽光的需求極大，且對(duì)陽光照射角度也有很高要求，因此在選址時(shí)可以選擇光照充沛、空間空曠無遮擋。同時(shí)，還要符合變電站選址的基本要求，即處于負(fù)荷中心地帶，距離供電區(qū)近，從而節(jié)約輸電線路的成本。

第三，確定合適的容量。電站裝機(jī)容量的計(jì)算一般與用電地區(qū)的總負(fù)荷有關(guān)，因此在設(shè)計(jì)前要對(duì)供電地區(qū)的負(fù)荷進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)有關(guān)公式確定總裝機(jī)容量。

2.2 設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)光伏系統(tǒng)的構(gòu)成特點(diǎn)，筆者從電池方陣設(shè)計(jì)、蓄電池設(shè)計(jì)、控制器及逆變器設(shè)計(jì)對(duì)光伏電站設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述。

2.2.1 方陣設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)太陽能方陣時(shí)需要考慮傾角及間距兩個(gè)因素。鑒于我國高寒地區(qū)均處于北半球，因此在冬季的光照量會(huì)減少，且太陽直射的角度也不同，因此在方陣傾角是需要重點(diǎn)考慮冬季光照的變化，以提高冬季的發(fā)電量。間距的設(shè)計(jì)同樣要以冬季光照條件為參考，有資料[2]指出青海省秋冬季太陽輻射總量在下午4點(diǎn)后會(huì)逐漸減弱，此時(shí)若電池板被遮擋也不會(huì)對(duì)發(fā)電產(chǎn)生較大影響。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要以秋冬季下午4點(diǎn)均之前不被遮擋的距離為宜。

2.2.2 蓄電池設(shè)計(jì)

對(duì)蓄電池容量進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)除了要考慮到用戶總負(fù)荷、連續(xù)陰天蓄電池規(guī)定放電天數(shù)、逆變器效率、電力損耗等，還要考慮到高寒地區(qū)氣溫過低的客觀條件。鑒于低氣溫會(huì)降低蓄電池的放電效率，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮溫度因素，適當(dāng)增大蓄電池容量。另外，在設(shè)計(jì)時(shí)還要保證單體蓄電池之間的一致性要好。

2.2.3 逆變器及控制器設(shè)計(jì)選擇

逆變器的選擇必須要保證安裝可靠，且具有較高的整機(jī)效率，不管是低負(fù)荷還是負(fù)載的情況下都要有較高輸出效率。另外，逆變器輸出電壓波形的失真度要低。而在選擇控制器時(shí)，要確保其保護(hù)功能及測(cè)量功能都需要完善。

3 結(jié)論

光伏發(fā)電站是未來高原地區(qū)清潔能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展所必須的電力設(shè)施，且高原高寒的氣候特點(diǎn)要求設(shè)計(jì)人員必須對(duì)光伏發(fā)電站的設(shè)計(jì)進(jìn)行慎重考慮。本文率先分析了高寒氣候?qū)夥l(fā)電站可能產(chǎn)生的影響，為后文設(shè)計(jì)要點(diǎn)的分析指明了方向，隨后從電池方陣設(shè)計(jì)、蓄電池設(shè)計(jì)以及控制器逆變器設(shè)計(jì)角度進(jìn)行了系統(tǒng)論述，為光伏發(fā)電站在高寒地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用提供了理論借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]段志偉，任霞.高寒地區(qū)獨(dú)立光伏電站設(shè)計(jì)方案探討[J].城市建設(shè)理論研究：電子版，2012（26）.

[2]陳創(chuàng)業(yè)，涂潔磊.西南高原高寒地區(qū)微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)實(shí)踐[J].科技展望，2015（19）：82-83.