浅谈光伏发电系统在火力发电厂中的应用

浅谈光伏发电系统在火力发电厂中的应用

赵强瑜

华能洛阳热电有限责任公司  河南省洛阳市 471000

摘要：光伏发电具有节能环保、系统简单、布置灵活等优势。为了降低火力发电厂的厂用电率，提高火力发电厂的经济效益，充分利用火力发电厂的建筑屋顶，可以根据火力发电厂建筑屋顶的工艺结构，在建筑屋顶灵活布置光伏发电系统，将屋顶光伏电能接入火力发电厂用电系统，降低日常生产中厂用电能占发电机电能的比例，同时增加发电机向电网的供电能力。

关键词：火力发电厂；光伏发电；系统应用

进入21世纪以来，“环境和能源协同发展”成为全人类面临的共同课题。在国内“碳达峰、碳中和”的环保要求背景下，合理开发、利用新能源，保护环境，促进电力工业发展，是电力工业后续发展的重要任务。作为电力工业的重要组成部分，环境保护与社会发展都促使着火力发电技术的不断发展。将火力发电厂和光伏新能源相结合的应用方式，是目前火力发电场景下新的研究方向。

1、光伏发电系统的组成

1.1、太阳能电池板

受制于转换效率和数量，单块太阳能电池板仅能转换有限电量，因此，在光伏发电系统中，太阳能电池通常采用并联或串联形式，以满足整体发电量要求，这样的系统称为太阳能电池板系统。由太阳能电池板和各设备共同组成的太阳能电池板系统是光伏发电系统的核心，在太阳能转化成电能的过程中起重要作用。太阳能电池板的板面由钢化玻璃封装而成，可以抵抗外界极端气候，延长使用寿命，其使用寿命最长可达20年。

1.2、光伏组件选择

光伏组件是光伏电站最核心和关键的设备，收集太阳能的基本单位。光伏电池主要有多晶体硅电池、单晶硅电池、薄膜电池、聚光电池等。单晶硅、多晶硅太阳能电池产品性能稳定、使用寿命长、光电转化效率相对较高，被广泛应用于大型并网光伏电站项目。非晶硅薄膜太阳能电池由于其稳定性较差、光电转化效率相对较低，较少使用。聚光电池转换效率高，但同时成本高、工艺复杂。目前晶硅光伏组件在光伏发电市场占有主导地位，其中单晶硅电池光电转化效率略高于多晶硅电池，是发展最早、工艺技术最为成熟的太阳能电池。考虑到光伏组件功率和尺寸越大则荷载越大，会对屋面常规结构造成影响，因此组件功率不宜过大，本次选用的单晶硅电池参数见表1。

表1单晶硅电池主要参数

1.3、逆变器选择

现阶段，光伏发电系统中应用的逆变器有三种：集散式逆变器、集中式逆变器和组串式逆变器。其中，集散式逆变器的整体功能与单元结构较复杂，在形状为曲面的干煤棚屋面进行布置时，方位角与倾斜角存在明显差异，故不采用；集中式逆变器虽然结构较简单且成本较低，但是在实际应用中，该逆变器的最大功率的路数较少且电压范围较窄，不是最佳方案；组串式逆变器能够保障电压输入的适配性，而且能够缩减组件匹配过程中出现的电流损失。故而，在光伏发电系统中应该优先选择组串式逆变器，其技术参数如表2所示。

表2组串式逆变器的参数

1.4、直流保护设备（空气开关）

直流保护设备（空气开关）一般情况下安装在太阳能电池板和逆变器中间，可以提供设备保护功能。例如，太阳能电池板通常用特制材料制成，这些材料在电能负载较大的情况下，很容易发生鼓包、断裂等情况，存在安全隐患。为了确保光伏发电系统的高效、安全运行，需合理选择空气开关，确保在太阳能电池板异常的情况下，可通过直流保护设备（空气开关）将异常太阳能电池板与系统断开，达到保护设备的目的。为了保障设备的正常运行，需要采用高灵敏度的直流保护设备（空气开关）。

2、光伏发电系统在火力发电厂中的应用

2.1、太阳能电池板构件连接数量

太阳能电池板构件的连接串联数量主要是依据组串式逆变器的最大输入电压、最小输出电压和太阳能电池板承载电压决定，并联数量由组串式逆变器额定容量决定。当组串件数量为6至22串时，可以满足逆变器MPPT电压需求，也要满足在自然环境温度最低时组串电压小于开路电压，因此，根据本光伏发电项目布置情况，组串构件数量设置20串，也就是每台组串逆变器需要连接的组串构件并联数量为20串。

2.2、光伏系统发电量

由于顶部曲面，导致各组阵列的倾斜角及各阵列的总辐照量不同（见表3）。

表3不同倾斜角度时太阳辐照总量（全年）

从表3可以看出，倾角等于15°或20°时全年接收到的太阳能辐射能量最大，考虑到棚光伏阵列倾斜角不同，为方便计算统一按照15°考虑。年发电量实际受多方面因素影响，只能在年理论发电量基础上根据系统综合效率进行估算。系统综合效率的影响因素主要考虑光伏组件效率、直流电缆及逆变器转换效率、交流并网效率等。最终系统综合效率按81%进行计算。单晶硅组件年发电衰减率按第1年≤2.5%，第2年起≤0.6%/年线性衰减，25年衰减不超过17%考虑，则25年平均每年发电量为169.3万kWh，总发电量为4232.5万kWh。

2.3、经济性分析

估算棚光伏发电系统的投资时，为了简化计算，不考虑折旧、利息、人工及税收等费用；光伏发电系统与厂用电系统连接时，需要按照火电上网价格计算投资，即4000元/kW。最终估算结果：初始投资约为788万元，使用25年的发电总收益约为1777万元，最终利润约为989万元。

结语：

在火力发电厂中应用光伏发电系统，可减少化石能源的消耗，减轻对环境的污染，改善能源体系，为可持续发展打下良好基础。现今，在火力发电厂中应用光伏发电系统时，存在一定的技术障碍，相关人员需要不断改进光伏发电系统，让其发挥最大化的功效。对新能源技术的开发及研究是我国当前的重要工作，应加大对人、财、物等资源的投入力度，同时出台相应的技术规范和政策，推进新能源技术的发展与应用。

参考文献：

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[2]刘宇,赵映,李世朝.光伏发电系统在火力发电厂的应用研究[J].内蒙古电力技术,2022,40(2):36-39.

[3]马晓伟.分布式并网光伏发电站系统设计分析[J].机电工程技术，2019，48（2）：110⁃112.