基于光伏發電技術的光伏電站建設的分析研究

中海石油深海開發有限公司 左 敏 石 涵 中海油能源發展股份有限公司清潔能源分公司 潘俊清 毛峰超

由于化石燃料燃燒釋放的溫室氣體對全球氣候變化的影響，加之其不可再生的特性，發展清潔、可再生能源已經是國家能源發展的必然趨勢[1]，進入“十四五”時期，可再生能源的發展更是成為了我國深入實施能源消費和供給革命的重要組成部分。2020年9月，在聯合國大會一般性辯論上，我國提出將采取更加有力的政策和措施，力爭于2030年前實現碳達峰，力爭在2060年前實現碳中和[2]，大力推動清潔能源的發展。

光伏發電作為一種清潔的可再生能源，獲得了大量的關注和快速的發展。我國是全球光伏發電安裝量增長最快的國家[3]，截至2023年年底，我國累計發電裝機容量約29.2億kW，同比增長13.9%，其中太陽能發電裝機容量約610GW，正式超越水電約420GW 的裝機規模，成為全國裝機量第二大電源形式，在電力能源結構中的地位進一步攀升。2023年光伏新增裝機同比增速高達55.2%，增量為216.88GW，大幅度超越了此前的歷史記錄，不僅相當于2019—2022年國內新增裝機量的總和，也有望超過當年度全球其他國家和地區增量總和。

我國是世界上太陽能資源最豐富的地區之一，按太陽能總輻射量的空間分布，我國可以劃分為四個區域，其中太陽能資源豐富地區占國土面積96%以上，每年地表吸收的太陽能相當于1.7萬億t 標準煤的能量[4]。隨著能源轉型的進一步推行，我國的光伏發電安裝容量將會進一步增加，光伏電站工程建設數量也會逐漸增多。在光伏電站工程不斷擴大規模的同時，相關企業也不能忽視對項目管理水平的提升，維持對項目施工質量和管理水平的高標準，進而保證光伏電站工程建設項目的順利開展[5]。本文結合廣東省某個具體項目，對光伏電站工程的流程、工作內容，以及技術管理進行分析。

1 光伏電站工程建設的選址

光伏電站工程建設的第一步就是選址，評估各項天氣、自然等條件是否會對光伏系統造成影響。首先最重要的數據就是太陽能的年輻射量，這項數據可以反映場址的太陽能資源的水平，并且直接關系到光伏電站每年的發電量。

此外，還有一些其他的特殊氣象條件對光伏電站的影響，如氣溫氣溫變化對太陽能電池性能影響較大，會影響到光伏電站發電功率；其次揚沙及浮塵會積落在太陽能電池板上，影響光伏電站發電功率。陰雨、霧霾等天氣也會對到達光伏板上的太陽輻射有所削弱，從而導致光伏電站光伏發電功率減少。除了天氣的因素以外，也要對交通條件和水文條件等地理環境條件進行考查，防止遭遇洪澇災害、以及運輸困難等問題。在對各方面的條件進行詳細的考查后，可以最終確定好光伏電站的場址。

圖1 工程區域Meteonorm 太陽輻射量逐月查詢結果

本項目位于廣東省某市的終端處理廠工業園區內，當地氣候屬南亞熱帶海洋性季風氣候，長夏短冬，陽關充足，雨量豐沛，氣候宜人。利用Meteonorm 查詢得到場址區域年總輻射量為4978MJ/m2；參照《太陽能資源評估方法》（GB/T 37526-2019），場址區域屬于全國太陽能資源C 類地區（資源豐富區），太陽能開發價值較好。

2 光伏電站工程系統方案

在對場址進行了充分的考察后，本項目選擇在工業園區內的6m 區地塊建設光伏電站，附近為管廊架，由于光伏組件布置原則應避開防爆區，因此本項目距離管廊道距離按10m 考慮。終端廠用電量較大，可達6000萬kWh/年，因此本項目光伏電站計劃占地面積16850m2，安裝容量2.02MW。在確定好光伏電站建設的場址以后，就要對光伏電站的整體進行設計。首先對組件的類型進行選擇，單晶硅組件的效率不低于20%，且使用壽命較長，多晶硅的組件效率略低于單晶硅，但成本也更低，薄膜組件的效率較低且穩定性不佳，但弱光性能較好，在不同的項目中，可以根據具體情況選擇對應類型的光伏組件。在確定好光伏的組件的類型后，衡量效率、轉化率、衰減率等因素后，選擇光伏組件的功率規格[6]。

光伏組件可以以固定陣列的形式安裝，也可以選擇跟蹤式的形式安裝，自動跟蹤式雖然可以使光伏陣列增大一定的發電量，但是初始投資、后期運營維護成本都會相應增加，技術不夠成熟穩定，因此不建議考慮。固定式光伏陣列需要確定光伏陣列的最佳傾角，《光伏發電站設計規范》中可查得各個省會城市的最佳傾角，其他城市需要進行查詢。得到最佳傾角后再確定陣列之間的間距，以保證陣列之間不會相互遮擋。

在選擇好光伏組件后，需要配置相應的逆變器，逆變器可以將光伏組件發出的直流電轉換為交流電，并提供監控、數據采集等功能。目前比較常見的逆變器連接方式是組串式：光伏組件被連接成幾個相互平行的串，每串都連接單獨的一臺逆變器。在確定好逆變器的型號后，可以通過《光伏發電站設計規范》中的公式計算光伏組件串聯數量。在確定好光伏組件串聯數量、固定傾角以及光伏陣列之間的距離后，可以在所選場址布置光伏組件，并估算安裝容量以及發電量。

發電量的計算由安裝容量、采光面上的年輻射量，以及系統效率等因素決定。采光面上的年輻射量可以在確定最佳傾角時計算得到。系統效率的主要考慮因素包括灰塵遮擋、溫度變化、并網逆變器、線纜損耗等引起的功率損失，各個項目的系統效率要視具體情況而定。以本項目為例，計劃安裝容量為2.02MW，光伏組件采用最佳傾角18°安裝，根據光伏區域的所在位置，確定方位角為29°，根據計算采光面總輻射量為1428kWh/m2。根據本項目的相關條件，確定系統效率為82.5%。此外光伏組件還存在衰減系數，根據目前市場主流N 型組件的衰減參數，考慮光伏組件首年衰減1.5%，之后每年衰減0.4%，綜合這些數據，計算出了25年內的預測發電量，發電量單位（萬kWh），如表1所示。

表1 每年發電量統計說明

在計算好預測的發電量后，需要根據用戶的用電負荷計算用電消納比例，本項目中的終端廠平均用電量約6000萬kWh，平均每天17萬kWh，平均用電負荷約7000kW。終端每年檢修時間約為3～4天，每天用電量5～10萬kWh，其他時間廠區全年全天候生產，全天用電負荷穩定，每天用電量約為17萬kWh?？紤]晚上的辦公和生活負荷減少，估計檢修期間白天用電量不低于2.75萬kWh，生產期間白天用電量約為9.35萬kWh。本項目光伏安裝容量2020kWp，平均每天發電量為0.61萬kWh 且集中于白天，無論是檢修期還是工作時期，都遠小于終端廠的用電負荷，因此廠區光伏發電的消納比例按照100%考慮。

3 光伏電站工程設計

3.1 光伏電站工程電氣設計

根據光伏組件布置的區域，本工程通過一個并網點就近接入變配電室，采用中壓并網。根據“自發自用”的原則，本工程發電單元所發直流電通過逆變器輸出交流電，經過升壓變壓器升壓，最后通過中壓電纜接入并網柜，并入變配電室中壓10kV母排。本工程考慮新增并網開關柜，與配電室中原有柜子成排布置。空地區域選用6臺組串式逆變器，經一臺升壓變壓器和1面中壓10kV 并網柜，組成1個中壓并網單元，接入6m 標高區變配電室10kV 母排。共新增了1面10kV 并網柜和1面10kV 計量柜，1臺升壓變壓器，6臺逆變器。

3.2 氣象條件對光伏電站的影響

氣溫：氣溫變化對太陽能電池性能影響較大，高溫天氣會降低太陽能電池的功率輸出，從而影響光伏電站發電功率，建議設備招標時根據當地氣溫特點選擇適宜的光伏組件；揚沙及浮塵：沙塵會積落在太陽能電池板上，影響光伏電站發電功率，因此應采取必要的清掃措施，提高光伏電站的發電功率；相對濕度：相對濕度的增加意味著空氣中水汽含量增加，對太陽輻射的削弱就增加，從而導致光伏電站光伏發電功率減少。

風速：當太陽能電池組件周圍的空氣處于低速流動狀態，可增大組件的對流換熱，降低組件的工作溫度，有助于提高發電量；雷暴：下階段根據光伏組件布置的區域、高度及運行要求，合理設計防雷接地系統；霧霾：由于霧霾天氣的影響，使到達地面的太陽總輻射減少，從而減少發電量。霧霾天氣與環境污染治理有較大關系，在發電量計算中應加入由于霧霾天氣引起的發電量損失折減系數。

3.3 其他事項

注意對光伏電站的保護，逆變器可以提供一些保護，如孤島效應保護、短路保護、過載保護等。此外還要注意光伏出線保護、箱式變壓器保護，需要安裝相應的保護測控裝置。另外還要注意光伏電站的防雷、接地以及過電壓保護，按照相關規定進行設計。

地面光伏陣列采用鋼結構固定式支架，支架形式采用縱向檁條、橫向支架布置方案。陣列支架由立柱、橫梁及斜撐組成，在支架的橫梁之間按照電池組件的安裝寬度布置檁條，檁條固定于支架橫梁上。支架與基礎為剛接，立柱與橫梁、橫梁與檁條之間均為鉸接。光伏陣列的設計需符合抗震要求，此外本項目所在地廣東省還會面臨臺風的問題，設計需考慮防臺風。

施工的過程中需注意消防安全，本項目的重點防火部位為配電裝置所在區域，故在配電裝置附近合理布置移動式滅火器。施工過程中注意保護環境以及水土保持，施工期的污染主要是噪聲、廢工廢水、固體廢物等，并在施工期間保障好勞動安全衛生。在施工完成后也要留出消防車道和檢修通道，光伏電站需要計劃好檢修日期，并定期對光伏組件進行清洗和除草工作。光伏電站建設的前期工作需要對諸多因素進行詳細的考量，要在預留出防爆區、消防通道、交通通道和檢修通道的情況下確定好光伏布放位置，根據項目自身的情況選擇對應的設備元件：光伏組件、逆變器等，并參考當地的情況確定光伏組件的最佳傾角。

綜上所述，光伏電站建設的前期工作需要對諸多因素進行詳細的考量，此外還需要注意對光伏電站的保護工作，進行防雷防風等設計，并且在施工過程中注意保護環境。