福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司 陳仙蘭
在社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展下,對能源的需求日益提升,導(dǎo)致傳統(tǒng)化石能源被過渡開發(fā)利用,產(chǎn)生了一系列的氣候變化與環(huán)境污染等問題,引起了社會各界的廣泛關(guān)注。太陽能具有清潔、無毒、可再生的特性,是一種寶貴的自然資源。我國太陽能資源豐富,全國太陽光照年輻射總量在917~2333kWh/m2,有一半以上地區(qū)年日照時(shí)數(shù)不低于2000小時(shí)。近年光伏產(chǎn)業(yè)作為我國重要的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)得到了快速的推廣和應(yīng)用,光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對保證能源安全、改善能源結(jié)構(gòu)、呵護(hù)自然生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮了關(guān)鍵性作用[1]。
我國高速公路里程在世界名列前茅,而高速服務(wù)區(qū)作為高速公路的“驛站”是一種重要的基礎(chǔ)設(shè)施,對保障運(yùn)輸效率,提升行車安全起到關(guān)鍵性作用。在高速公路產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展下,高速服務(wù)區(qū)的建設(shè)方面也得到了廣泛重視,全國高速服務(wù)區(qū)的數(shù)量逐步上升,建設(shè)面積不斷擴(kuò)大,高速服務(wù)區(qū)的用電量也在日益增大,對電力服務(wù)也提出了更高的要求。但通常高速服務(wù)區(qū)的電力來源是通過農(nóng)村電網(wǎng)輸送的,在高速服務(wù)區(qū)用電量不斷加大下,供電系統(tǒng)也面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
近年我國分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)發(fā)展態(tài)勢迅猛,目前安裝容量增長速度十分迅速,特別是將將分布式太陽能光伏建設(shè)在高速公路服務(wù)區(qū)是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)[2]:一方面,高速服務(wù)區(qū)場地寬闊,可為太陽能光伏電站建設(shè)提供廣闊空間;另一方面,光伏并網(wǎng)后還可緩解電網(wǎng)壓力,滿足高速服務(wù)區(qū)的用電需求,提升高速服務(wù)區(qū)的服務(wù)水平,促進(jìn)高速公路產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。
光伏發(fā)電模型。光伏電池系統(tǒng)是一種將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備,因此輻照強(qiáng)度、溫度等因素會對輸出功率產(chǎn)生重要影響,其發(fā)電模型為[3]:PPV=fPVPPV.ratedA/As[1+ρ(T-Ts)],式中:PPV為發(fā)電的實(shí)際功率,PPV.rated為額定功率;fPV為功率比值系數(shù),通常取值0.9;ρ 為功率溫度系數(shù),通常取值-0.47%;A 為實(shí)際輻照強(qiáng)度,As為標(biāo)準(zhǔn)輻照強(qiáng)度;T 為光伏發(fā)電系統(tǒng)表面實(shí)際溫度,Ts為光伏發(fā)電系統(tǒng)表面標(biāo)準(zhǔn)溫度。
光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。電池列陣是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的重要裝置,通過將多個(gè)電池陣列并聯(lián),將電池陣列轉(zhuǎn)換成的電能一并匯入?yún)R流箱內(nèi),再將其傳送入逆變器中,實(shí)現(xiàn)DC 轉(zhuǎn)換成AC,即得到電網(wǎng)能夠輸送的交流電,再經(jīng)過升壓,將發(fā)電站中的電能通過電能傳輸設(shè)備和并網(wǎng)設(shè)備并入配電網(wǎng)中(圖1)。
圖1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)逆變器與電網(wǎng)連接,兩者之間同相位、同頻率,這樣經(jīng)過逆變器的電能才能夠直接并入到電網(wǎng)中;此外,當(dāng)光伏系統(tǒng)提供的電量較少、不足以驅(qū)動(dòng)交流負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),電網(wǎng)還可對交流負(fù)荷供電,保證負(fù)荷的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí),經(jīng)由逆變器自帶的防孤島,太陽能光伏系統(tǒng)就會暫停向電網(wǎng)進(jìn)行供電,使得整個(gè)光伏系統(tǒng)具有良好的安全性。
由于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)屬于諧波源之一,要考慮電壓波動(dòng)、電壓值、頻率、諧波、直流分量等滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求,同時(shí)還要符合電網(wǎng)要求。電壓波動(dòng):輸出為正弦波,電壓波形失真度不超過5%;電壓值:電壓值偏差小于額定電壓的7%;諧波:分布式電源接入電網(wǎng)后,公共連接點(diǎn)的諧波電壓應(yīng)滿足GB/T 14549的規(guī)定;頻率:輸出電流頻率為50±0.5Hz;直流分量:向公共連接點(diǎn)注入的直流電流分量要低于額定值的5%,在安全設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行短路保護(hù)。
高速服務(wù)區(qū)是高速公路重要的配套設(shè)施,電能、水和天然氣是高速服務(wù)區(qū)消耗較多的三大能源,其中電能的消耗位居首位。高速服務(wù)區(qū)的用電主要包括服務(wù)區(qū)日常運(yùn)營管理、電動(dòng)汽車充電、照明系統(tǒng)等。隨著高速公路建設(shè)的飛速發(fā)展,司乘人員對服務(wù)區(qū)的服務(wù)質(zhì)量需求日益提升,特別是電動(dòng)汽車使用量的不斷加大,導(dǎo)致高速公路服務(wù)區(qū)的電能消耗量顯著上升,因此對服務(wù)區(qū)的日常電能管理和服務(wù)提出了更高的要求。
高速服務(wù)區(qū)通常位于偏僻、空闊區(qū)域。目前多數(shù)高速服務(wù)區(qū)的電能來源主要是由農(nóng)村電網(wǎng)輸送的,時(shí)常會發(fā)生供電電壓不穩(wěn)定、電能損耗大等問題。隨著可再生能源的蓬勃發(fā)展,為電力系統(tǒng)帶來了新的發(fā)展格局,太陽能是可再生能源的重要代表,與比風(fēng)力發(fā)電相比具有成本低,不受地域限制等優(yōu)勢,在高速服務(wù)區(qū)推行光伏發(fā)電可有效降低區(qū)域電力負(fù)荷壓力,還能夠達(dá)到低碳、減排的目的,有利于打造生態(tài)、低碳、綠色型高速服務(wù)區(qū)[3],因此在高速服務(wù)區(qū)推行光伏發(fā)電站勢在必行。
并網(wǎng)系統(tǒng)相比于獨(dú)立光伏系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中體現(xiàn)出了較多的優(yōu)勢:基于高速服務(wù)區(qū)自身的用電特點(diǎn),通常高速服務(wù)區(qū)在白天需要消耗較多的電量,晚上用電量較少,光伏并網(wǎng)后實(shí)現(xiàn)了即發(fā)即用,有效降低了電網(wǎng)遠(yuǎn)距離供電過程中造成的線路損耗;并網(wǎng)系統(tǒng)無需采用儲能裝置,降低了工程成本,也避免了蓄電池的自放電和充放電過程造成的電能損耗;良好地起到了對公用電網(wǎng)調(diào)峰的作用,降低了服務(wù)區(qū)用電負(fù)荷對電網(wǎng)的供電壓力,有效提升了電網(wǎng)的供電的可靠性。
2.3.1 光伏發(fā)電站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
光伏組件選型:晶體硅太陽能電池組件目前國內(nèi)外使用最普遍的是單晶硅、多晶硅,多晶硅電池片效率一般在17%~19%左右,單晶硅電池片電池效率一般在19%~22%左右。多晶硅電池制備工藝簡單,經(jīng)濟(jì)性優(yōu)異,但電池效率較低、單組件容量低、發(fā)電時(shí)間較短,價(jià)格優(yōu)勢不明顯。單晶硅光伏組件的容量及效率增加收益明顯。故推薦采用更加主流、單片容量及轉(zhuǎn)化效率更高的單晶硅光伏組件。
逆變器選型:目前市場上主要有集中式逆變器和組串式逆變器。服務(wù)區(qū)建筑眾多,屋面光伏組件朝向不一致,對應(yīng)的方位角多,組串式逆變器的體積小、重量輕,搬運(yùn)和安裝都非常方便,滿足屋面安裝要求,因此高速服務(wù)區(qū)需采用MPPT 回路數(shù)更多的組串式逆變器,提高系統(tǒng)發(fā)電效率。
光伏方陣支架:光伏支架現(xiàn)階段應(yīng)用較多的有固定支架和跟蹤系統(tǒng)兩種。固定式安裝是目前應(yīng)用較多的一種安裝方式,結(jié)合屋頂環(huán)境設(shè)置最佳角度再將電池固定,在排布上要注意太陽能電池不能出現(xiàn)相互遮擋現(xiàn)象;太陽跟蹤系統(tǒng)是一種支撐光伏方陣的裝置,靈敏度高,保證獲得最佳的太陽入射,但跟蹤式支架初始投資高、維護(hù)費(fèi)用高,且安裝要求高、安裝進(jìn)度慢,故推薦采用固定式運(yùn)行方式。
光伏陣列安裝傾角:彩鋼瓦屋頂因受制于屋頂結(jié)構(gòu),組件傾角宜與鋼構(gòu)屋頂保持一致,考慮采用平鋪布置,安裝傾角同屋頂傾角。車棚區(qū)域組件傾角采用同車棚傾角,平鋪布置。混凝土屋頂可通過支架調(diào)整改變光伏組件的安裝傾角,提升發(fā)電量。服務(wù)區(qū)需盡可能提升系統(tǒng)裝機(jī)容量,以減小系統(tǒng)單位造價(jià),實(shí)現(xiàn)規(guī)?;б?。同時(shí)考慮到風(fēng)荷載問題,減小傾角能一定程度上節(jié)省組件支架用鋼量及條形基礎(chǔ)的混凝土用量,進(jìn)一步減小初始投資。故在技術(shù)合理的前提下,從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā),混凝土屋頂推薦組件安裝傾角選擇7°。
光伏陣列間距:合理設(shè)置光伏陣列間距十分關(guān)鍵,陣列間距要進(jìn)行科學(xué)計(jì)算,確定與建筑物和適宜距離,同時(shí)還要結(jié)合實(shí)際情況,充分考慮前、后排的陰影遮擋問題。通常光伏陣列間距的確定原則為:冬至日當(dāng)天早晨9:00至下午15:00這一時(shí)間段光伏組件不應(yīng)被遮擋,且光伏方陣陣列間距垂直距離應(yīng)不小于D(圖2)。
圖2 光伏方陣陣列間距示意圖
2.3.2 光伏發(fā)電站系統(tǒng)的節(jié)能效果
光伏發(fā)電是一種清潔的能源,既不直接消耗資源,同時(shí)又不釋放污染物、廢料,也不產(chǎn)生溫室氣體破壞大氣環(huán)境,也不會有廢渣的堆放、廢水排放等問題,有利于保護(hù)周圍環(huán)境,是一種綠色可再生能源。按安裝容量1MWp、年利用小時(shí)數(shù)1000小時(shí)、年平均發(fā)電量1000MWh、發(fā)電耗煤平均305.5g 標(biāo)煤/kWh,每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤838噸,減少粉塵排放量約0.04噸,減少氮氧化物約0.2噸、二氧化硫約0.19噸。由此可見,節(jié)能效益明顯。
福建省有6對服務(wù)區(qū)全部建設(shè)太陽能發(fā)電系統(tǒng),均采用光伏并網(wǎng)系統(tǒng),系統(tǒng)發(fā)電主要用于服務(wù)區(qū)的日常運(yùn)營管理用電,自發(fā)自用,余量并入電網(wǎng)中。福建省標(biāo)桿燃煤上網(wǎng)電價(jià)為0.3932元/kWh,相對較低,因此在建設(shè)光伏系統(tǒng)時(shí),主要根據(jù)服務(wù)區(qū)的用電負(fù)荷來確定安裝容量。以古田服務(wù)區(qū)為例,位于上杭縣廈蓉高速,建筑面積約4000m2,光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用的是單晶硅光伏組件,總安裝容量300kWp,光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電能采用380V 低壓并網(wǎng)的方式就近接入服務(wù)區(qū)配電房低壓側(cè)。
從理論運(yùn)行情況來看,以服務(wù)區(qū)光伏系統(tǒng)發(fā)電量情況分析,古田服務(wù)區(qū)年均利用小時(shí)數(shù)約1126.16小時(shí),年均發(fā)電量約337.85MWh,光伏系統(tǒng)所發(fā)電量有95.35%被服務(wù)區(qū)用電設(shè)備就地利用,4.65%上網(wǎng)。冬季光伏系統(tǒng)發(fā)電量低,夏季光伏系統(tǒng)發(fā)電量較高,一年中發(fā)電量最大的月份是7月(圖3),高達(dá)42164.2kWh/月,最低月份為2月,在20636.42kWh/月,整體發(fā)電量較高的月份集中在4~10月,這個(gè)階段光伏發(fā)電系統(tǒng)供給服務(wù)區(qū)的用電量也較大,緩解了電網(wǎng)的壓力。從全年來看,光伏發(fā)電系統(tǒng)供給服務(wù)區(qū)的用電量占到了總用電量的70%以上,節(jié)能效果顯著,充分表明了光伏光電在高速服務(wù)區(qū)應(yīng)用價(jià)值廣闊[4]。
圖3 古田服務(wù)區(qū)光伏系統(tǒng)年度發(fā)電情況
分布式太陽能光伏發(fā)電是國家鼓勵(lì)扶持的清潔可再生能源,將分布式光伏發(fā)電應(yīng)用于高速公路服務(wù)區(qū)中,一方面,充分利用了服務(wù)區(qū)的閑置屋頂,且經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著;另一方面,顯著降低了服務(wù)區(qū)的用電成本,還有效緩解了電網(wǎng)的供電壓力,符合“十四五”,推動(dòng)我國能源清潔低碳綠色轉(zhuǎn)型的國情。接下來在高速公路服務(wù)區(qū)中建設(shè)分布式太陽能光伏發(fā)電站,還要在設(shè)計(jì)及施工方面加強(qiáng)重視,竭力開發(fā)新材料、新技術(shù)、新工藝來提升分布式太陽能光伏發(fā)電輸出的效率。