毛思禹 許文年 侯燕梅 祝立群 張 成

(1.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌 443002;2.中國(guó)水電顧問集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,昆明 650051)

隨著全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及石油、煤炭等常規(guī)能源大規(guī)模開采和使用,溫室效應(yīng)、環(huán)境污染、能源危機(jī)等問題日益突出[1-2],太陽(yáng)能作為一種可再生的新型能源,受到世界各國(guó)的普遍重視和廣泛應(yīng)用[3].目前,太陽(yáng)能的利用主要有光熱、光化學(xué)轉(zhuǎn)換和光伏發(fā)電3種形式[4-5],光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體器件的光伏效應(yīng)原理進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,是一種起步較晚但綠色環(huán)保的高新技術(shù).

太陽(yáng)能光伏發(fā)電具有資源不枯竭、無(wú)燃料消耗、安全可靠、壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)便、建設(shè)周期短、無(wú)噪聲、無(wú)廢氣廢水等優(yōu)點(diǎn),也存在隨機(jī)性、瞬變性、季節(jié)性和不可調(diào)控性[6]等缺點(diǎn).鑒于此,今后在大力發(fā)展光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的同時(shí)也將實(shí)施推廣光伏建筑一體化(BIPV),并與風(fēng)電站[7]、抽水蓄能電站[6]或其他發(fā)電形式互補(bǔ)發(fā)電,以向電網(wǎng)提供更加穩(wěn)定的電能.目前對(duì)提高太陽(yáng)能電池材料光電轉(zhuǎn)化效率和蓄電池的儲(chǔ)能技術(shù)的研究較多,但對(duì)光伏電站場(chǎng)址選擇的研究較少.

基于太陽(yáng)能發(fā)電應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)背景,本文結(jié)合云南省某光伏電站工程實(shí)例,總結(jié)探討了太陽(yáng)能光伏電站的開發(fā)條件和場(chǎng)址選擇,以期為光伏發(fā)電建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工提供所需的基礎(chǔ)資料和一定的科學(xué)依據(jù).

1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電

1.1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能光伏電池半導(dǎo)體材料的光生伏特效應(yīng),將光能直接轉(zhuǎn)換為電能.在光生伏特效應(yīng)(Photovoltaic effect)作用下,光照使不均勻的半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差.當(dāng)光照射到半導(dǎo)體表面時(shí),在N型半導(dǎo)體區(qū)(簡(jiǎn)稱N區(qū))、空間電荷區(qū)和P型半導(dǎo)體區(qū)(簡(jiǎn)稱P區(qū))被吸收,產(chǎn)生電子-空穴對(duì).光子能量激發(fā)半導(dǎo)體內(nèi)的電子和空穴分別向N區(qū)和P區(qū)移動(dòng),在P區(qū)聚集光生空穴,帶正電;在N區(qū)聚集光生電子,帶負(fù)電.在內(nèi)生電場(chǎng)的作用下,在P-N結(jié)兩邊產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì),接通外電路即可產(chǎn)生光電流[6,8-9],如圖1所示.

圖1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理圖[10]

1.2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)按其運(yùn)行方式分為:離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)和混合系統(tǒng).光伏發(fā)電系統(tǒng)的三大主要組成部分為:光伏電池方陣;控制器、變換器等電力設(shè)備;蓄電池等儲(chǔ)能和輔助發(fā)電設(shè)備,見表1.

2 太陽(yáng)能光伏電站發(fā)電量的影響因素

太陽(yáng)能光伏電站發(fā)電量是決定電站場(chǎng)址選擇最重要的因素之一.太陽(yáng)能光伏電站發(fā)電量與地球表面太陽(yáng)總輻射[6]、溫度、濕度、風(fēng)速有關(guān),其中太陽(yáng)總輻射是影響太陽(yáng)能光伏電池發(fā)電量的主要因素,溫度、濕度、風(fēng)速則影響設(shè)備組件的轉(zhuǎn)換效率和使用環(huán)境.

2.1 太陽(yáng)總輻射能

太陽(yáng)總輻射能是指大氣上界的太陽(yáng)輻射能經(jīng)過大氣層的吸收、散射、反射作用衰減后實(shí)際到達(dá)地球表面的輻射能,是在碧空條件下的地球表面太陽(yáng)直接輻射能與散射輻射能之和.太陽(yáng)總輻射與太陽(yáng)高度角、緯度、海拔高度、日照時(shí)數(shù)、大氣透明度等因素有關(guān)[6,8].

2.1.1 太陽(yáng)高度角

太陽(yáng)高度角是影響地球表面獲得太陽(yáng)輻射能數(shù)量最重要的因素,總輻射的年內(nèi)變化、日內(nèi)變化和隨緯度的變化主要由太陽(yáng)高度角決定[7].太陽(yáng)高度角越小,太陽(yáng)總輻射能越少.

2.1.2 緯度

太陽(yáng)總輻射隨緯度的降低而增加,但由于赤道附近多云使太陽(yáng)輻射衰減較多,故有效輻射最大值在南、北緯 20°左右,詳見表 2.

表2 北半球輻射與緯度的關(guān)系表[6]

2.1.3 海拔高度

海拔越高,太陽(yáng)輻射穿越大氣的距離越短,從而使地面接收的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度越強(qiáng).此外,海拔較高地區(qū)相對(duì)較低的環(huán)境溫度有利于降低光伏電池的溫度,從而提高光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率.

2.1.4 日照時(shí)數(shù)

日照時(shí)數(shù)是指當(dāng)?shù)貙?shí)際受太陽(yáng)照射的時(shí)間,與緯度、地形(有無(wú)高大山體阻擋)、云層、水汽凝結(jié)現(xiàn)象以及季節(jié)等有關(guān)[5].日照時(shí)數(shù)越多,年太陽(yáng)總輻射能的總量就越大.

2.1.5 大氣透明度

大氣透明度是表征大氣對(duì)于太陽(yáng)光線透明程度的一個(gè)參數(shù),決定于大氣所含水汽、水汽凝結(jié)物和塵埃雜質(zhì)的多少.太陽(yáng)輻射能是穿過大氣層之后才到達(dá)地面的,因此大氣透明度愈高,到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射能就愈多[4,12].

2.2 溫度、濕度和風(fēng)速

光伏組件和蓄電池的開路電壓、輸出電流、輸出功率等電性能隨溫度的變化而變化,進(jìn)而影響太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的發(fā)電性能,同時(shí)又對(duì)相關(guān)的電氣設(shè)備的使用環(huán)境有很大影響[13].濕度對(duì)光伏支架的使用壽命和光伏系統(tǒng)的相關(guān)電氣設(shè)備如逆變器等的使用有影響.而風(fēng)速對(duì)光伏設(shè)備有一定破壞性,風(fēng)速越大破壞力越強(qiáng)[14].

3 太陽(yáng)能光伏電站場(chǎng)址選擇步驟

太陽(yáng)能光伏電站場(chǎng)址選擇,要考慮太陽(yáng)總輻射能、地質(zhì)水文條件、氣象氣候條件、地理?xiàng)l件、土地利用情況、運(yùn)輸條件等因素,并綜合考慮經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)和景觀等各方面的效益.場(chǎng)址選擇是在項(xiàng)目建議書或初步可行性研究報(bào)告被審定后,在所推薦的建站地區(qū)進(jìn)一步落實(shí)建站條件及其規(guī)模的一項(xiàng)設(shè)計(jì)的前期工作[15].選址工作是太陽(yáng)能光伏發(fā)電建設(shè)項(xiàng)目可行性研究的主要部分,可與可行性研究同時(shí)進(jìn)行,也可單獨(dú)進(jìn)行.其主要步驟如圖2所示.

圖2 太陽(yáng)光伏電站場(chǎng)址選擇步驟

4 太陽(yáng)能光伏電站場(chǎng)址選擇工程應(yīng)用

根據(jù)搜集到的太陽(yáng)能資源、地質(zhì)水文、氣象氣候、地理?xiàng)l件、地形圖等已有資料,以及氣象部門和相關(guān)部門的推薦,在初步可行性研究報(bào)告被審定后,對(duì)所推薦的建站地區(qū)進(jìn)行太陽(yáng)能電站址場(chǎng)選擇工作.通過現(xiàn)場(chǎng)走訪和工程勘察,得到某地太陽(yáng)能光伏電站場(chǎng)址的工程資料.

4.1 場(chǎng)址概況

該場(chǎng)址位于云南某地,北緯 23°16′11″～ 23°16′41″,高程在570～609m 之間,屬亞熱帶地區(qū),具有冬無(wú)嚴(yán)寒,夏無(wú)酷熱,干雨季分明等氣候特點(diǎn);年平均氣溫16.9℃,總積溫 4900℃～8250℃,年降雨量1173～1345 mm,雨季為6～9月4個(gè)月,相對(duì)濕度83%.該地土壤為黃棕壤,瘦、薄、酸、粘現(xiàn)象突出,缺磷少鉀,土地質(zhì)量差,產(chǎn)出率低,大部分為荒地;植被較差,有零星灌木叢,多為雜草;地質(zhì)結(jié)構(gòu)較好,無(wú)斷層、溶洞、流沙層、滑坡、泥石流等.

4.2 太陽(yáng)能豐富度

根據(jù)氣象局提供的資料,該地年太陽(yáng)輻照度在4500MJ/m2?a左右,年日照時(shí)數(shù)約為 1880h,年日照百分率約為0.55,全年無(wú)霜期達(dá)300d以上,無(wú)頻繁雷暴、冰雹等不良天氣.參考全國(guó)太陽(yáng)能利用區(qū)劃系統(tǒng)及分區(qū)特征(見表3),該場(chǎng)址屬于太陽(yáng)能可利用區(qū).電站在建設(shè)前,為準(zhǔn)確掌握?qǐng)鲋返奶?yáng)能資源情況,需在場(chǎng)址附近設(shè)立太陽(yáng)能輻射觀測(cè)站進(jìn)行觀測(cè),根據(jù)觀測(cè)資料再對(duì)場(chǎng)址的太陽(yáng)能資源情況進(jìn)行評(píng)價(jià).

表3 全國(guó)太陽(yáng)能利用區(qū)劃系統(tǒng)及分區(qū)特征[8]

4.3 地形條件和裝機(jī)容量

場(chǎng)址地形總體開闊平坦,坡度較小,周圍無(wú)較大遮擋物,為一塊近似西北-東南走向的平緩臺(tái)地(西南向坡),如圖3～ 4所示.長(zhǎng)約1200 m,寬約500m,可利用面積約為0.4km2,估算的裝機(jī)規(guī)模約為20MW(1MW多晶硅光伏電站占地0.020～0.023 km2,1 MW非晶硅薄膜光伏電站占地0.027～0.033km2),具體的裝機(jī)規(guī)模有待下一步深入工作后確定.

4.4 土地利用情況

該場(chǎng)址中部為國(guó)有地,場(chǎng)址兩端已分配到當(dāng)?shù)鼐用?但均不屬于基本農(nóng)田.分配到當(dāng)?shù)鼐用竦牟糠执蟛糠忠验_墾為旱地(低產(chǎn)田),種植了玉米、板栗等經(jīng)濟(jì)作物.

4.5 運(yùn)輸條件

從昆明到鎮(zhèn)上路況較好,公路距離約300km,均為高速公路,完全可以滿足太陽(yáng)能光伏電站變壓器、逆變器等大型設(shè)備的運(yùn)輸要求.從鎮(zhèn)上有簡(jiǎn)易公路到達(dá)場(chǎng)址邊緣,公路距離約 25km,路況一般,如圖 5所示,如要滿足大型設(shè)備的運(yùn)輸要求可能需要加寬路面,從而提高工程造價(jià).

圖5 某太陽(yáng)能光伏電站場(chǎng)址公路情況

4.6 接入系統(tǒng)條件和取水條件

該場(chǎng)址位于平緩山地上,距最近的變電站(鎮(zhèn)上)的直線距離約7km,電力可考慮就近送入鎮(zhèn)上35kV變電站,輸電距離適中.場(chǎng)址西邊(支線距離約3km)村子附近有一座小型水庫(kù),如圖6所示,該水庫(kù)主要為當(dāng)?shù)氐墓喔扔盟?以后可以解決光伏電站的日常維護(hù)用水問題,生活用水則可以考慮從場(chǎng)址附近的村子接引.

圖6 場(chǎng)址西邊小型水庫(kù)

4.7 經(jīng)濟(jì)效益初步分析

太陽(yáng)能電站年發(fā)電量計(jì)算公式為

式中,L為年發(fā)電量(萬(wàn)kWh);W為系統(tǒng)裝機(jī)容量(MW);H為年日照峰值小時(shí)數(shù)(h);η為系統(tǒng)綜合效率(影響系統(tǒng)綜合效率的因素有逆變器效率、變壓器效率、灰塵及雨雪遮擋損失、組件串并聯(lián)不匹配損失、弱光損失及其他項(xiàng)損失等,目前大型并網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率為80%).

在25年壽命期內(nèi),該太陽(yáng)能光伏電站的估算裝機(jī)容量為20MW,初始系統(tǒng)效率按80%,年日照時(shí)數(shù)約為1880h,年預(yù)計(jì)發(fā)電總量約為3008萬(wàn)kWh,25年累計(jì)預(yù)計(jì)發(fā)電量為3008萬(wàn)kWh×25=75200萬(wàn)kWh.

4.8 環(huán)境效益初步分析

太陽(yáng)能光伏電站每產(chǎn)約1 kWh電,就相應(yīng)節(jié)約了0.4 kg標(biāo)準(zhǔn)煤,同時(shí)減少排放0.272 kg炭粉塵、0.997kg二氧化碳(CO2),0.03 kg二氧化硫(SO2)、0.015kg氮氧化物(Nox)[16],對(duì)節(jié)能減排具有積極、現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)意義.經(jīng)計(jì)算每年及整個(gè)壽命期25年內(nèi)的節(jié)能減排數(shù)據(jù)見表4.

表4 節(jié)能減排數(shù)據(jù)

該場(chǎng)址屬于太陽(yáng)能可利用區(qū),可進(jìn)行太陽(yáng)能資源開發(fā);地形開闊平緩無(wú)遮擋物,陽(yáng)光接收條件較好,場(chǎng)址適于太陽(yáng)能電池方陣的布置;面積較大,具有一定的開發(fā)規(guī)模;土地基本為荒地,有部分低產(chǎn)田,植被較差,有利于開發(fā)征地.綜合考慮水文地質(zhì)條件、運(yùn)輸條件、接入條件和取水條件,通過經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益初步分析,初步確定該地可建設(shè)太陽(yáng)能光伏發(fā)電站.

4.9 編寫站址選址報(bào)告書

經(jīng)過工程勘察,結(jié)合已有資料、現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)情況,綜合考慮經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)、景觀等方面的情況,確定該場(chǎng)址方案經(jīng)濟(jì)合理.選定場(chǎng)址后,要編撰站址選址報(bào)告書上報(bào)批準(zhǔn).報(bào)告書的應(yīng)包括上述內(nèi)容,并結(jié)合場(chǎng)址周邊具體情況初步擬定太陽(yáng)能輻射觀測(cè)站站址位置.

5 結(jié) 論

在可再生能源中,太陽(yáng)能取之不盡,綠色環(huán)保,是理想的新型能源.我國(guó)的太陽(yáng)能資源比較豐富,且太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)已日趨成熟,因此太陽(yáng)能光伏發(fā)電有巨大的發(fā)展?jié)摿?而科學(xué)合理地光伏電站場(chǎng)址選擇,可以使光伏發(fā)電取得更高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.本文結(jié)合工程實(shí)例,探討了光伏電站場(chǎng)址的開發(fā)選擇條件.

(1)場(chǎng)址選址前應(yīng)充分搜集已有資料,如地理、氣象、水文、地形圖等,并根據(jù)太陽(yáng)能年輻射量、年日照時(shí)數(shù)、平均氣溫等資料,將本地太陽(yáng)能資源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和劃分,選用太陽(yáng)能資源最佳開發(fā)區(qū)、太陽(yáng)能資源較佳開發(fā)區(qū)以及綜合條件較好的地區(qū),初步確定可開發(fā)電站的大致位置.

(2)初步確定電站位置后,要進(jìn)行工程勘察,這是場(chǎng)址選擇工作的重中之中,應(yīng)注意以下方面:①場(chǎng)址的地形力要求平坦、略有坡度(一般以不超過5‰～10‰為宜),這樣可減少平整土地的土方工程量且便于地面排水;且為正南或西南朝向,可使電池方陣最大限度地受到陽(yáng)光的照射;②場(chǎng)址的土地面積應(yīng)具備一定的開發(fā)規(guī)模,且滿足電站廠房與各種建筑物的需要.目前1MW多晶硅光伏電站占地0.020～0.023 km2,1MW非晶硅薄膜光伏電站占地0.027～0.033 km2;③選址時(shí),在保證附近應(yīng)無(wú)樹木、高大山體、鐵塔和其他建筑物遮擋的前提下,應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離斷層、溶洞、流沙層、滑坡、泥石流等水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)較差地段,同時(shí)要避開雷暴區(qū)、多霧區(qū)、冰雹區(qū)和揚(yáng)沙區(qū);④工程勘察時(shí),要注意調(diào)查場(chǎng)址處土地的歸屬及利用情況以及植被條件,應(yīng)不占或少占耕地、牧草地,盡可能利用空地、荒地,以利農(nóng)業(yè)生產(chǎn);⑤要盡量靠近公路或道路以方便運(yùn)輸,接近水源以利于施工用水和污水的排放與處理,盡可能接近變電站和供電區(qū)以便于輸電線路的架設(shè)、施工和維護(hù)管理.

此外,目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件大多來(lái)自于國(guó)外,由于地理和氣候上的差異性等原因,使得設(shè)計(jì)成果不能完全符合我國(guó)國(guó)情,故而研發(fā)符合我國(guó)實(shí)際的設(shè)計(jì)軟件亦成為目前亟待解決的問題.

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