燃煤發(fā)電廠貯灰場建設(shè)光伏電站的應(yīng)用探索

摘 要：“雙碳”目標(biāo)下，以風(fēng)電、光伏發(fā)電為主力的新能源發(fā)電迎來井噴式發(fā)展。而近年來，在中國糧食安全的戰(zhàn)略抓手下，光伏發(fā)電用地政策或?qū)⑦M(jìn)一步收緊，成為制約光伏電站投資的主要因素之一。若能將采用熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的燃煤發(fā)電廠的閑置貯灰場用于建設(shè)光伏電站，既能讓貯灰場空地得到合理利用，又能解決光伏電站建設(shè)面臨的場地問題，土地資源可得到充分利用。以在浙江省紹興市某采用熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的燃煤發(fā)電廠貯灰場內(nèi)建設(shè)的大型光伏電站為例，從光伏陣列設(shè)計、光伏電站收益及減排效果、貯灰場對光伏電站建設(shè)的影響這3個維度對此類光伏電站建設(shè)進(jìn)行了可行性分析，結(jié)果顯示：1）該光伏電站建成后每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1271.51 t，減少的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物年排放量分別約為3305.92、28.67、12.72 t，為區(qū)域節(jié)能減排起到了積極作用。2）在合理安排運(yùn)貯灰路徑的情況下，按照每月清洗1次光伏組件的頻率，該光伏電站的年發(fā)電量并無減少跡象，說明在此類區(qū)域建設(shè)光伏電站具有可行性。

關(guān)鍵詞：燃煤發(fā)電廠；貯灰場；光伏電站；可行性分析；節(jié)能減排

中圖分類號：TM615 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 "引言

燃煤火電機(jī)組發(fā)電過程中會產(chǎn)生大量的粉煤灰和爐渣，每座燃煤發(fā)電廠在建造初期都會根據(jù)環(huán)保部門的要求建造相應(yīng)的貯灰場，以解決灰渣貯存問題[1]。但隨著熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的日漸成熟，傳統(tǒng)的燃煤火電機(jī)組被熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組所替代。對于采用熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的燃煤發(fā)電廠，環(huán)保部門并未針對貯灰提出明確要求，這是因為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組工作過程中產(chǎn)生的大部分灰渣會及時得到清運(yùn)；僅在一些特殊時期，比如：道路封鎖造成灰渣無法外運(yùn)或貯灰量突增時，原有的貯灰場才會被用作臨時貯灰場所。因此，對于中國眾多由原本采用燃煤火電機(jī)組后續(xù)改為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的燃煤發(fā)電廠而言，其配置的貯灰場在很大程度上處于閑置狀態(tài)，導(dǎo)致其內(nèi)部出現(xiàn)了大面積未被利用的場地。

光伏發(fā)電作為主流新能源發(fā)電方式之一，對于提高新能源在新型電力系統(tǒng)中的占比具有重要意義。但地面光伏電站的建設(shè)需占用大量土地，隨著中國糧食安全戰(zhàn)略提出，未利用土地多被劃作耕地或建設(shè)用地的后備資源，以及生態(tài)用地保護(hù)需求增強(qiáng)，可用于建設(shè)地面光伏電站的土地資源非常有限，此背景下，利用貯灰場閑置場地建設(shè)此類光伏電站是解決用地問題的有效途徑之一。使用熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組貯灰場閑置場地建造地面光伏電站，通過采用燃煤發(fā)電廠與光伏電站相結(jié)合的方式，既可以對貯灰場的閑置場地進(jìn)行合理的再利用，又能解決光伏電站的建設(shè)場地問題，提高新能源發(fā)電比例，滿足國家構(gòu)建新型電力市場的需要。

在貯灰場內(nèi)建設(shè)光伏電站，光伏電力既可以就近并網(wǎng)，也可以直接為貯灰場原有設(shè)備供電。通過將光伏發(fā)電與燃煤發(fā)電廠進(jìn)行耦合，可有效降低燃煤發(fā)電廠的煙塵和二氧化硫排放，有效改善燃煤發(fā)電廠所在區(qū)域的大氣環(huán)境質(zhì)量。此外，在保證光伏組件最低點離地高度的前提下，可在貯灰場的光伏場區(qū)內(nèi)種植狗牙根，既能發(fā)揮良好的防風(fēng)固沙作用，又能減少貯灰場內(nèi)飛灰對光伏電站發(fā)電量的影響，保護(hù)環(huán)境的同時，增加了清潔能源的產(chǎn)出。因此，在燃煤發(fā)電廠自有閑置土地，特別是貯灰場這類大面積閑置土地上開發(fā)光伏電站，是值得借鑒和推廣的綜合能源利用模式。

本文以在浙江省紹興市某采用熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的燃煤發(fā)電廠貯灰場內(nèi)建設(shè)的大型光伏電站為例，從光伏陣列設(shè)計、光伏電站收益及減排效果、貯灰場對光伏電站建設(shè)的影響這3個維度對此類光伏電站建設(shè)的可行性進(jìn)行分析，以期研究結(jié)果可為相關(guān)研究提供參考。

1 "項目概況

本光伏電站的總裝機(jī)容量為4352.4 kW，共采用8060塊標(biāo)稱功率為540 W的雙面單晶硅光伏組件；采用固定式光伏支架，光伏支架基礎(chǔ)為條形混凝土基礎(chǔ)；光伏電站直流側(cè)電壓為1500 V。該光伏電站采用17臺功率為225 kW的并網(wǎng)光伏逆變器；1臺容量為1250 kVA的箱式變壓器；2臺1600 kVA升壓變壓器，可升壓到10 kV。光伏電站通過10 kV電纜將光伏電力傳輸至閘電R201線濱海支線2#桿，以“T”接線路方式實現(xiàn)并網(wǎng)。

燃煤發(fā)電廠貯灰場中的部分場地起初為水坑，用于堆灰，但隨著常年堆灰，目前地面已接近平整狀態(tài)，經(jīng)現(xiàn)場測量發(fā)現(xiàn)，該貯灰場已堆灰場地中平整度接近水平狀態(tài)的面積約為40000 m2，可用于建設(shè)光伏電站；剩余的場地面積約為20000 m2，可作為燃煤電廠的應(yīng)急貯灰場地。可用于建設(shè)光伏電站的貯灰場以中心應(yīng)急貯灰場為界，將其東西兩側(cè)的地塊均作為光伏場區(qū)，且該光伏電站采用“分塊發(fā)電、集中并網(wǎng)”的方案，光伏電力消納方式采用“全額上網(wǎng)”的模式。

2 "光伏陣列設(shè)計

2.1 "光伏組件串聯(lián)設(shè)計

本光伏電站采用的540 W雙面單晶硅光伏組件的開路電壓Voc為49.7 V，光伏組件的工作電壓Vmp為41.4 V，光伏組件的開路電壓溫度系數(shù)Kv為-0.29%/℃[2]；該光伏電站中逆變器允許的最大直流輸入電壓Vdc，max為1500 V，在項目所在地的極限低溫時，光伏組串的工作電壓應(yīng)在逆變器最大功率點跟蹤（MPPT）電壓范圍內(nèi)[3]。

目前，國內(nèi)大部分光伏發(fā)電項目在計算光伏組件串聯(lián)數(shù)時均依據(jù)GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》中的公式6.4.2-1，即：

（1）

式中：t為光伏組件工作條件下的極限低溫，℃，本項目取-12.5；N為光伏組件串聯(lián)數(shù)，向下取整數(shù)。

將本光伏電站的相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1），可計算得到N=27.22，但考慮實際情況，綜合考慮光伏支架成本及光伏電纜接線方式后，將光伏組件串聯(lián)數(shù)確定為26塊光伏組件。

2.2 "光伏組件安裝傾角及光伏陣列間距的選擇

本光伏電站所在地的緯度為30°26′10′′N，光伏組件尺寸為2256 mm×1133 mm×35 mm，光伏支架上的光伏組件采用“2×13”縱向排布方式，光伏組件最低點離地高度需滿足50年一遇最高洪水位的要求，本文取0.5 m。

在光伏電站設(shè)計過程中，若光伏組件采用固定傾角安裝方式，在無其他限制條件的情況下，其安裝傾角通常是采用傾斜面上接收的年太陽輻照量最大時對應(yīng)的傾角，即最佳安裝傾角。

利用PVsyst軟件模擬發(fā)現(xiàn)，本光伏電站的光伏組件最佳安裝傾角為21°，但在大部分地區(qū)，與最佳安裝傾角相近角度下的年太陽輻照量與最佳安裝傾角時對應(yīng)的年太陽輻照量之間差別很小。因此，在保證光伏組件年發(fā)電量損失最小且減小光伏陣列占地面積的前提下，對光伏組件安裝傾角取16°時接收到的年太陽輻照量進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知：相較于光伏組件取最佳安裝傾角（21°）時接收到的年太陽輻照量，光伏組件安裝傾角為16°時接收到的年太陽輻照量損失率僅為0.4%，說明這兩個角度下的光伏組件接收到的年太陽輻照量相差不大。因此，本光伏電站中固定式光伏支架傾角暫時取16°。

根據(jù)PVsyst軟件模擬發(fā)現(xiàn)，該光伏電站所在地冬至日09：00～15：00期間，當(dāng)光伏組件安裝傾角取16°時，光伏組件上邊緣在地面的最大陰影長度是光伏組件上邊緣離地高度的2.25倍。由此可知，當(dāng)該光伏電站中前后排光伏支架間的平均間距取7 m及以上時，可以保證光伏陣列前后左右無陰影遮擋。

由于光伏組件安裝傾角和光伏陣列間距均會影響光伏組件接收到的年太陽輻照量，且業(yè)主要求在盡量節(jié)省土地占地面積的情況下，最大程度提高本光伏電站的發(fā)電收益。因此，在保證光伏電站發(fā)電量最大的原則下，利用PVsyst軟件對光伏組件安裝傾角和光伏陣列間距進(jìn)行二次優(yōu)化，以便于得到二者的最佳組合。模擬時，光伏組件安裝傾角的取值范圍為10°～40°，取值間隔為6°；光伏陣列間距的取值范圍為5～15 m，取值間隔為6 m，得到的模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 "光伏組件安裝傾角和光伏陣列間距的

二次優(yōu)化模擬結(jié)果

Fig. 2 "Secondary optimization simulation results of PV module installation inclination angle and PV array spacing

由圖2中的拐點位置可知：對于本光伏電站而言，其最大發(fā)電量時光伏組件安裝傾角為16°，光伏陣列前后間距為7 m。結(jié)合圖1的模擬結(jié)果，經(jīng)過綜合考慮，本光伏電站選定光伏組件安裝傾角為16°，光伏陣列前后間距為7 m。

2.3 "光伏電站25年發(fā)電量估算

將PVsyst軟件仿真結(jié)果均考慮修正系數(shù)（100.21%），考慮修正系數(shù)后本光伏電站光伏組件表面接收的年總太陽輻射量可達(dá)到1280.7 kWh/m2，系統(tǒng)綜合效率為82%。假設(shè)該光伏電站的運(yùn)行年限為25年；單晶硅雙面光伏組件的首年功率衰減率取2.00%，之后每年的功率衰減率取0.55%，且整個生命周期的總功率衰減率不超過15.2%。則該光伏電站第n年的發(fā)電量En的估算公式[4]可表示為：

En＝E0（1–nL） " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （2）

式中：E0為首年發(fā)電量；L為光伏組件功率衰減率。

本光伏電站25年內(nèi)的年發(fā)電量估算結(jié)果如表1所示。

由表1可知：該光伏電站的25年年均發(fā)電量約為422.90萬kWh，25年年均利用小時數(shù)為971.64 h，說明該光伏電站具有較好的發(fā)電能力。這主要是因為該光伏電站周邊較為空曠，無陰影遮擋，有利于光伏組件接收太陽輻射。

3 "光伏電站收益及減排效果

3.1 "光伏電站收益

本光伏電站所在地的含稅上網(wǎng)電價為0.4153元/kWh，25 年全生命周期的總上網(wǎng)電量為10572.42萬kWh，計算得到該光伏電站的總靜態(tài)投資為1795.88萬元，總動態(tài)投資為1804.13萬元，單瓦靜態(tài)投資為4.13元，項目投資財務(wù)內(nèi)部收益率為6.03% （稅后），資本金內(nèi)部收益率為8.67%。由此判斷，該光伏電站通過采用雙面光伏組件，增加了其背面發(fā)電量增益，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)性，盈利能力良好。

3.2 "減排效果

本光伏電站建成后，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1271.51 t，減少的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物年排放量分別約為3305.92、28.67、12.72 t。

燃煤電廠利用貯灰場閑置土地建筑光伏電站，降低了其碳市場履約成本、增加了綠電收益，且為區(qū)域節(jié)能減排起到了積極作用。

4 "貯灰場對光伏電站建設(shè)的影響

4.1 "對光伏支架基礎(chǔ)選型的影響

由于貯灰場用于建設(shè)光伏電站的地面是由回填土構(gòu)成，土質(zhì)松軟，容易出現(xiàn)地面坍塌和凹陷，為保證光伏支架的穩(wěn)定性，該光伏電站的光伏支架基礎(chǔ)采用尺寸（長×寬×高）為3600 mm×350 mm×300 mm的混凝土條形基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)的混凝土支墩相比，此種光伏支架基礎(chǔ)的受力面積大且受力均勻，但其缺點是體積大，運(yùn)輸和施工成本比傳統(tǒng)混凝土支墩的高，不過可以利用鏟車等運(yùn)輸工具對其進(jìn)行運(yùn)輸。

為了保證光伏支架的穩(wěn)定性，該光伏電站中1個光伏支架由9個混凝土條形基礎(chǔ)組成，光伏支架基礎(chǔ)的平面布置圖如圖3所示。圖中：①～⑨代表混凝土條形基礎(chǔ)的軸線，即該基礎(chǔ)的中心線。采用混凝土條形基礎(chǔ)可以增大接觸面積，既減小了基底對地面的壓力，又可有效避免光伏陣列坍塌造成傾覆性損壞。采用此種光伏支架基礎(chǔ)后，當(dāng)?shù)孛娉霈F(xiàn)坍塌、凹陷等情況時，可以第一時間發(fā)現(xiàn)，及時止損。

4.2 "對光伏電站發(fā)電量的影響

貯灰場區(qū)域除了建設(shè)光伏電站外，還需預(yù)留應(yīng)急貯灰場地，以便在惡劣雨雪天氣運(yùn)輸中斷、蒸汽及電力銷售和排灰無法正常進(jìn)行、電廠倉內(nèi)固體廢棄物滿倉等極端情況下，可以妥善地處理燃煤電廠的固態(tài)廢棄物，保證電廠正常生產(chǎn)運(yùn)行。

通常，運(yùn)灰車輛是沿著光伏電站南側(cè)的邊緣（如圖4中的紅色箭頭所示）運(yùn)灰至堆灰區(qū)域。雖然運(yùn)灰路線與光伏電站有一定距離，但考慮到大風(fēng)、雨雪天氣等極端情況對光伏電站發(fā)電量的不利影響，在運(yùn)灰路線主干道兩側(cè)1.5 m內(nèi)種植了1 m高的樹苗，可起到一定阻擋飛灰的作用。

雖然運(yùn)灰路徑設(shè)置時考慮到了揚(yáng)塵的影響，且根據(jù)環(huán)保部門的要求，貯灰場堆灰區(qū)域為水域，但為了判斷運(yùn)灰路徑和光伏電站旁邊設(shè)置堆灰區(qū)域?qū)夥娬景l(fā)電量的實際影響，按照每月清洗1次的頻率，在未增加光伏組件清洗頻次的基礎(chǔ)上，利用PVsyst軟件對2023年1—12月期間該光伏電站的發(fā)電量數(shù)據(jù)進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果與實際發(fā)電量數(shù)據(jù)對比如圖5所示。

由圖5可知：在未增加光伏組件清洗頻次的情況下，該光伏電站的發(fā)電量優(yōu)于PVsyst軟件的預(yù)測值，由此可知，貯灰場運(yùn)灰、貯灰過程中產(chǎn)生的飛灰污染對光伏電站發(fā)電量的影響基本可以忽略，同時也說明在此類區(qū)域建設(shè)光伏電站具有可行性。

4.3 "小結(jié)

由于燃煤發(fā)電廠的貯灰場具有較為開闊的場地空間，在該區(qū)域建設(shè)光伏電站既可以通過利用閑置土地解決光伏電站建設(shè)面臨的土地問題，又有助于提高新能源在電力系統(tǒng)中的占比，一舉兩得，是值得借鑒和推廣的綜合能源模式。此外，此類光伏電站的光伏支架建議采用混凝土條形基礎(chǔ)，有利于提高光伏組件的穩(wěn)定性和及時發(fā)現(xiàn)地面沉降。通過在光伏電站附近的主干道兩側(cè)種植樹木，可以減小飛灰對光伏電站發(fā)電量的影響。

但利用燃煤發(fā)電廠的貯灰場建設(shè)光伏電站的過程中必須保證電廠在任何情況下的貯灰運(yùn)輸，避免出現(xiàn)灰渣無法外運(yùn)，導(dǎo)致貯灰量突增的情況。總體而言，在貯灰場建設(shè)光伏電站具有一定的推廣意義。

5 "結(jié)論

本文以在浙江省紹興市某采用熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的燃煤發(fā)電廠貯灰場內(nèi)建設(shè)的大型光伏電站為例，從光伏陣列設(shè)計、光伏電站收益及減排效果、貯灰場對光伏電站建設(shè)的影響這3個維度對此類光伏電站建設(shè)的可行性進(jìn)行了分析，分析結(jié)果顯示：

1） 本光伏電站建成后每年可節(jié)約的標(biāo)準(zhǔn)煤為1271.51 t，可減少的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物的年排放量分別約為3305.92、28.67、12.72 t，為區(qū)域節(jié)能減排起到了積極作用。

2）在合理安排運(yùn)貯灰路徑的情況下，按照每月清洗1次光伏組件的頻率，該光伏電站的發(fā)電量并無減少跡象，說明在此類區(qū)域建設(shè)光伏電站具有可行性。

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Exploration of Application of Building PV

Power Stations in Ash Storage Sites of

Coal-fired Power Plants

Miao Zhenying

（Zhejiang Zheneng Shaoxing Binhai Thermal Power Co.， Ltd， Shaoxing 312073，China）

Abstract：Under the goals of emission peak and carbon neutrality，new energy generation with wind power and PV power as the main force is experiencing explosive development. In recent years，under the strategic focus of China's food security，the land policy for PV power generation may be further tightened，becoming one of the main factors restricting investment in PV power stations. If the idle ash storage sites of coal-fired power plants using cogeneration units can be used to build PV power stations，it can not only make reasonable use of the ash storage site，but also solve the site problems during the building of PV power stations，and land resources can be fully utilized. This paper takes the building of a large-scale PV power station using cogeneration units in a coal-fired power plant ash storage yard in Shaoxing City，Zhejiang Province as an example. The feasibility of building such PV power stations is analyzed from three dimensions，that are PV array design，PV power station revenue and emission reduction effect，and the impact of ash storage yard on PV power station construction. The results show that： 1） After the completion of the PV power station，1271.51 t of standard coal can be saved annually，and the annual emissions of carbon dioxide，sulfur dioxide，and nitrogen oxides reduced are about 3305.92 t，28.67 t，and 12.72 t，respectively，which plays a positive role in regional energy conservation and emission reduction. 2） Under the reasonable arrangement of ash transportation and storage routes，and with a frequency of cleaning PV modules once a month，there is no sign of a decrease in the annual power generation of the PV power station，indicating the feasibility of constructing a PV power station in such areas.

Keywords：coal-fired power plants；ash storage yard；PV power station；feasibility analysis；conserve energy "and reduce emissions