太阳能光伏电站场址选择问题的探讨

毛思禹 许文年 侯燕梅 祝立群 张 成

(1.三峡大学土木与建筑学院,湖北 宜昌 443002;2.中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院,昆明 650051)

随着全球经济的飞速发展以及石油、煤炭等常规能源大规模开采和使用,温室效应、环境污染、能源危机等问题日益突出[1-2],太阳能作为一种可再生的新型能源,受到世界各国的普遍重视和广泛应用[3].目前,太阳能的利用主要有光热、光化学转换和光伏发电3种形式[4-5],光伏发电是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换,是一种起步较晚但绿色环保的高新技术.

太阳能光伏发电具有资源不枯竭、无燃料消耗、安全可靠、寿命长、维护简便、建设周期短、无噪声、无废气废水等优点,也存在随机性、瞬变性、季节性和不可调控性[6]等缺点.鉴于此,今后在大力发展光伏发电产业的同时也将实施推广光伏建筑一体化(BIPV),并与风电站[7]、抽水蓄能电站[6]或其他发电形式互补发电,以向电网提供更加稳定的电能.目前对提高太阳能电池材料光电转化效率和蓄电池的储能技术的研究较多,但对光伏电站场址选择的研究较少.

基于太阳能发电应用的现实背景,本文结合云南省某光伏电站工程实例,总结探讨了太阳能光伏电站的开发条件和场址选择,以期为光伏发电建设项目的设计和施工提供所需的基础资料和一定的科学依据.

1 太阳能光伏发电

1.1 太阳能光伏发电原理

太阳能光伏发电是利用太阳能光伏电池半导体材料的光生伏特效应,将光能直接转换为电能.在光生伏特效应(Photovoltaic effect)作用下,光照使不均匀的半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差.当光照射到半导体表面时,在N型半导体区(简称N区)、空间电荷区和P型半导体区(简称P区)被吸收,产生电子-空穴对.光子能量激发半导体内的电子和空穴分别向N区和P区移动,在P区聚集光生空穴,带正电;在N区聚集光生电子,带负电.在内生电场的作用下,在P-N结两边产生光生电动势,接通外电路即可产生光电流[6,8-9],如图1所示.

图1 太阳能光伏发电原理图[10]

1.2 太阳能光伏发电系统的组成

太阳能光伏发电系统按其运行方式分为:离网太阳能光伏发电系统、并网太阳能光伏发电系统和混合系统.光伏发电系统的三大主要组成部分为:光伏电池方阵;控制器、变换器等电力设备;蓄电池等储能和辅助发电设备,见表1.

2 太阳能光伏电站发电量的影响因素

太阳能光伏电站发电量是决定电站场址选择最重要的因素之一.太阳能光伏电站发电量与地球表面太阳总辐射[6]、温度、湿度、风速有关,其中太阳总辐射是影响太阳能光伏电池发电量的主要因素,温度、湿度、风速则影响设备组件的转换效率和使用环境.

2.1 太阳总辐射能

太阳总辐射能是指大气上界的太阳辐射能经过大气层的吸收、散射、反射作用衰减后实际到达地球表面的辐射能,是在碧空条件下的地球表面太阳直接辐射能与散射辐射能之和.太阳总辐射与太阳高度角、纬度、海拔高度、日照时数、大气透明度等因素有关[6,8].

2.1.1 太阳高度角

太阳高度角是影响地球表面获得太阳辐射能数量最重要的因素,总辐射的年内变化、日内变化和随纬度的变化主要由太阳高度角决定[7].太阳高度角越小,太阳总辐射能越少.

2.1.2 纬度

太阳总辐射随纬度的降低而增加,但由于赤道附近多云使太阳辐射衰减较多,故有效辐射最大值在南、北纬 20°左右,详见表 2.

表2 北半球辐射与纬度的关系表[6]

2.1.3 海拔高度

海拔越高,太阳辐射穿越大气的距离越短,从而使地面接收的太阳辐射强度越强.此外,海拔较高地区相对较低的环境温度有利于降低光伏电池的温度,从而提高光伏电池的光电转化效率.

2.1.4 日照时数

日照时数是指当地实际受太阳照射的时间,与纬度、地形(有无高大山体阻挡)、云层、水汽凝结现象以及季节等有关[5].日照时数越多,年太阳总辐射能的总量就越大.

2.1.5 大气透明度

大气透明度是表征大气对于太阳光线透明程度的一个参数,决定于大气所含水汽、水汽凝结物和尘埃杂质的多少.太阳辐射能是穿过大气层之后才到达地面的,因此大气透明度愈高,到达地面的太阳辐射能就愈多[4,12].

2.2 温度、湿度和风速

光伏组件和蓄电池的开路电压、输出电流、输出功率等电性能随温度的变化而变化,进而影响太阳能光伏系统的发电性能,同时又对相关的电气设备的使用环境有很大影响[13].湿度对光伏支架的使用寿命和光伏系统的相关电气设备如逆变器等的使用有影响.而风速对光伏设备有一定破坏性,风速越大破坏力越强[14].

3 太阳能光伏电站场址选择步骤

太阳能光伏电站场址选择,要考虑太阳总辐射能、地质水文条件、气象气候条件、地理条件、土地利用情况、运输条件等因素,并综合考虑经济、社会、生态和景观等各方面的效益.场址选择是在项目建议书或初步可行性研究报告被审定后,在所推荐的建站地区进一步落实建站条件及其规模的一项设计的前期工作[15].选址工作是太阳能光伏发电建设项目可行性研究的主要部分,可与可行性研究同时进行,也可单独进行.其主要步骤如图2所示.

图2 太阳光伏电站场址选择步骤

4 太阳能光伏电站场址选择工程应用

根据搜集到的太阳能资源、地质水文、气象气候、地理条件、地形图等已有资料,以及气象部门和相关部门的推荐,在初步可行性研究报告被审定后,对所推荐的建站地区进行太阳能电站址场选择工作.通过现场走访和工程勘察,得到某地太阳能光伏电站场址的工程资料.

4.1 场址概况

该场址位于云南某地,北纬 23°16′11″～ 23°16′41″,高程在570～609m 之间,属亚热带地区,具有冬无严寒,夏无酷热,干雨季分明等气候特点;年平均气温16.9℃,总积温 4900℃～8250℃,年降雨量1173～1345 mm,雨季为6～9月4个月,相对湿度83%.该地土壤为黄棕壤,瘦、薄、酸、粘现象突出,缺磷少钾,土地质量差,产出率低,大部分为荒地;植被较差,有零星灌木丛,多为杂草;地质结构较好,无断层、溶洞、流沙层、滑坡、泥石流等.

4.2 太阳能丰富度

根据气象局提供的资料,该地年太阳辐照度在4500MJ/m2◦a左右,年日照时数约为 1880h,年日照百分率约为0.55,全年无霜期达300d以上,无频繁雷暴、冰雹等不良天气.参考全国太阳能利用区划系统及分区特征(见表3),该场址属于太阳能可利用区.电站在建设前,为准确掌握场址的太阳能资源情况,需在场址附近设立太阳能辐射观测站进行观测,根据观测资料再对场址的太阳能资源情况进行评价.

表3 全国太阳能利用区划系统及分区特征[8]

4.3 地形条件和装机容量

场址地形总体开阔平坦,坡度较小,周围无较大遮挡物,为一块近似西北-东南走向的平缓台地(西南向坡),如图3～ 4所示.长约1200 m,宽约500m,可利用面积约为0.4km2,估算的装机规模约为20MW(1MW多晶硅光伏电站占地0.020～0.023 km2,1 MW非晶硅薄膜光伏电站占地0.027～0.033km2),具体的装机规模有待下一步深入工作后确定.

4.4 土地利用情况

该场址中部为国有地,场址两端已分配到当地居民,但均不属于基本农田.分配到当地居民的部分大部分已开垦为旱地(低产田),种植了玉米、板栗等经济作物.

4.5 运输条件

从昆明到镇上路况较好,公路距离约300km,均为高速公路,完全可以满足太阳能光伏电站变压器、逆变器等大型设备的运输要求.从镇上有简易公路到达场址边缘,公路距离约 25km,路况一般,如图 5所示,如要满足大型设备的运输要求可能需要加宽路面,从而提高工程造价.

图5 某太阳能光伏电站场址公路情况

4.6 接入系统条件和取水条件

该场址位于平缓山地上,距最近的变电站(镇上)的直线距离约7km,电力可考虑就近送入镇上35kV变电站,输电距离适中.场址西边(支线距离约3km)村子附近有一座小型水库,如图6所示,该水库主要为当地的灌溉用水,以后可以解决光伏电站的日常维护用水问题,生活用水则可以考虑从场址附近的村子接引.

图6 场址西边小型水库

4.7 经济效益初步分析

太阳能电站年发电量计算公式为

式中,L为年发电量(万kWh);W为系统装机容量(MW);H为年日照峰值小时数(h);η为系统综合效率(影响系统综合效率的因素有逆变器效率、变压器效率、灰尘及雨雪遮挡损失、组件串并联不匹配损失、弱光损失及其他项损失等,目前大型并网光伏发电项目系统设计效率为80%).

在25年寿命期内,该太阳能光伏电站的估算装机容量为20MW,初始系统效率按80%,年日照时数约为1880h,年预计发电总量约为3008万kWh,25年累计预计发电量为3008万kWh×25=75200万kWh.

4.8 环境效益初步分析

太阳能光伏电站每产约1 kWh电,就相应节约了0.4 kg标准煤,同时减少排放0.272 kg炭粉尘、0.997kg二氧化碳(CO2),0.03 kg二氧化硫(SO2)、0.015kg氮氧化物(Nox)[16],对节能减排具有积极、现实的经济、环境、社会意义.经计算每年及整个寿命期25年内的节能减排数据见表4.

表4 节能减排数据

该场址属于太阳能可利用区,可进行太阳能资源开发;地形开阔平缓无遮挡物,阳光接收条件较好,场址适于太阳能电池方阵的布置;面积较大,具有一定的开发规模;土地基本为荒地,有部分低产田,植被较差,有利于开发征地.综合考虑水文地质条件、运输条件、接入条件和取水条件,通过经济效益、环境效益初步分析,初步确定该地可建设太阳能光伏发电站.

4.9 编写站址选址报告书

经过工程勘察,结合已有资料、现场勘测情况,综合考虑经济、社会、生态、景观等方面的情况,确定该场址方案经济合理.选定场址后,要编撰站址选址报告书上报批准.报告书的应包括上述内容,并结合场址周边具体情况初步拟定太阳能辐射观测站站址位置.

5 结 论

在可再生能源中,太阳能取之不尽,绿色环保,是理想的新型能源.我国的太阳能资源比较丰富,且太阳能光伏发电技术已日趋成熟,因此太阳能光伏发电有巨大的发展潜力.而科学合理地光伏电站场址选择,可以使光伏发电取得更高的经济效益和社会效益.本文结合工程实例,探讨了光伏电站场址的开发选择条件.

(1)场址选址前应充分搜集已有资料,如地理、气象、水文、地形图等,并根据太阳能年辐射量、年日照时数、平均气温等资料,将本地太阳能资源进行统计和划分,选用太阳能资源最佳开发区、太阳能资源较佳开发区以及综合条件较好的地区,初步确定可开发电站的大致位置.

(2)初步确定电站位置后,要进行工程勘察,这是场址选择工作的重中之中,应注意以下方面:①场址的地形力要求平坦、略有坡度(一般以不超过5‰～10‰为宜),这样可减少平整土地的土方工程量且便于地面排水;且为正南或西南朝向,可使电池方阵最大限度地受到阳光的照射;②场址的土地面积应具备一定的开发规模,且满足电站厂房与各种建筑物的需要.目前1MW多晶硅光伏电站占地0.020～0.023 km2,1MW非晶硅薄膜光伏电站占地0.027～0.033 km2;③选址时,在保证附近应无树木、高大山体、铁塔和其他建筑物遮挡的前提下,应尽可能远离断层、溶洞、流沙层、滑坡、泥石流等水文地质结构较差地段,同时要避开雷暴区、多雾区、冰雹区和扬沙区;④工程勘察时,要注意调查场址处土地的归属及利用情况以及植被条件,应不占或少占耕地、牧草地,尽可能利用空地、荒地,以利农业生产;⑤要尽量靠近公路或道路以方便运输,接近水源以利于施工用水和污水的排放与处理,尽可能接近变电站和供电区以便于输电线路的架设、施工和维护管理.

此外,目前国内应用的太阳能光伏系统设计软件大多来自于国外,由于地理和气候上的差异性等原因,使得设计成果不能完全符合我国国情,故而研发符合我国实际的设计软件亦成为目前亟待解决的问题.

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