太阳能光伏发电在煤电封闭钢结构干煤棚上应用的思考

摘要：随着国家环保政策对煤电企业及煤炭专业港口在煤场封闭上的要求越来越高，相关企业正在陆续进行煤场封闭改造工作。本文论述了在新建干煤棚顶部安装光伏发电系统并接入电厂400V厂用电，实现自发自用的可行性。文章讲述了该光伏应用项目的方案设计、经济效益、社会效益，为同类项目的改造工作提供借鉴。

　关键词：干煤棚；光生伏特；单晶硅电池；逆变器；节能减排

　引言

　在煤电产能过剩、利用小时不断下滑及电力全面竞价引发的电价一降再降的市场大环境下，煤电企业的生存压力越来越大。另一方面，国家环保政策日益严格，能源结构向环保清洁能源转型亦是大势所趋。在如此的大背景下，如何调整发展方向，在守好主营业务的同时不断拓展多种经营是煤电企业面临的共同课题。

　本文以长江边某电厂新建干煤棚为案列，探讨太阳能光伏发电在煤电封闭钢结构干煤棚上的应用及其意义。

　1 光伏发电技术及趋势

　光伏发电是利用半导体材料的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了太阳能光伏发电装置。

　随着全球能源短缺与环境污染的日益加剧，人类对光伏发电的应用愈加重视，近年来，我国的光伏发电发展迅速。自2013年起，光伏发电连续3年新增装机容量超过1000万千瓦。截至2015年底，光伏发电累计装机容量达到约4300万千瓦，超过德国成为全球第一。到2030年，光伏装机容量预计将达1亿千瓦，年发电量可达1300亿千瓦时，相当于少建30多个大型燃煤电厂。

　2 某燃煤电厂干煤棚建设概况及理念

　为打造综合性能源企业，该燃煤电厂增强煤炭中转销售能力，对已有煤炭堆场进行扩建，增加港口装卸设备的同时，新建封闭式煤场。干煤棚是火电厂中存储煤的一种大型库房。干煤棚结构要求跨度大、净空高，满足存储和作业空间。

　工程新建封闭钢结构条形干煤棚1座：尺寸为120×500×40m。干煤棚煤炭总堆存能力约28万吨，外形结构见图1。结合环保、消防等相关要求，干煤棚顶部拟设置宽度13m的通长通风屋脊。

　为适应长江经济带高质量、绿色发展要求，并顺应国家能源结构调整趋势，利用现有条件积极发展清洁能源，着力打造综合性能源企业，工程拟在干煤棚顶部充分开发利用太阳能清洁可再生能源，安装光伏发电系统并接入电厂400V厂用电，降低厂用电率。

　根据干煤棚外形特点并综合考虑工程造价、发电容量等因素，拟在干煤棚顶部宽度约19m通长的通风屋脊上方布置光伏组件，可利用面积约9600㎡，规划建设规模为1200kW，分2个400V接入点接入厂用电系统，实现纯自发自用式光伏发电。

　3 项目所在地太阳能资源分析

　我国属太阳能资源丰富的国家之一，全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000小时。按照日照强度，将我国分为四类地区：一类地区（资源最丰富带）全年辐射量在6300MJ/m2以上，相当于210kg标准煤燃烧所发出的热量；二类地区（资源较富带）全年辐射量在5040～6300 MJ/m2，相当于170～210kg标准煤燃烧所发出的热量；三类地区（资源一般带）全年辐射量在3780～5040 MJ/m2，相当于130～170kg标准煤燃烧所发出的热量；四类地区全年辐射量在3780MJ/m2以下。

　根据Meteonorm气象资料，项目所在地全年水平面日照辐射总量约1316kWh/㎡（4737.6MJ/㎡），太阳总辐射月总量主要集中在4-9月，其中7月份为辐射量最佳的月份。根据全国日照辐射量分布，该地区属三类地区，太阳能资源较好，且当地气候条件较佳，空气洁净度高，场址周边无大气污染源，适合光伏电站项目的开发建设。

　4 光伏发电系统方案设计

　4.1光伏组件选型

　目前，硅基材料的太阳电池占据市场的主流，单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池太阳电池占整个光伏发电市场的90%以上，而薄膜太阳电池技术近年来的发展也非常快。下面对三类五种太阳电池组件进行对比。

　总结：

　（1）多晶硅太阳电池和单晶硅太阳电池以其稳定的光伏性能和较高的转换效率，在世界各地得到了广泛的应用。同单晶硅太阳电池相比，多晶硅太阳电池转换效率稍低，但单瓦造价相对便宜，尤其是大功率组件价格要更便宜，适合建设项目用地比较充足、可大面积铺设的工程，而单晶硅太阳电池更适合建设项目用地紧缺、更强调高转换效率的工程。

　（2）薄膜太阳电池组件相对晶体硅太阳电池组件而言，组件转换效率较低，建设占地面积大。我国大陆地区没有大规模性生产碲化镉薄膜太阳电池组件、铜铟镓硒薄膜太阳电池组件厂商，产品采购主要依赖进口。根据咨询行业专家，其目前实验室光转化率多为20-

25%，日常使用时光转化率多为10%左右，且实用案例较少。此外，单位装机容量下，其铺设面积约为单晶硅组件的2倍；价格方面，普通薄膜价格与晶硅组件差不多，但高效薄膜却比高效晶硅高出2.5倍，单瓦价格达到5元左右。另外，薄膜组件铺设在彩钢瓦上，其抗风、雪和冰雹能力下降，严重损害发电效率和组件的使用寿命。

　综上，本工程选择晶硅组件。

　晶硅光伏组件的功率规格较多，从5Wp到500Wp国内均有厂商生产，且产品应用也较为广泛。由于本工程干煤棚顶部可利用安装组件面积有限，所以拟选用大功率光伏组件，以提高面积利用率，可降低组件安装量，施工进度快且故障机率减少，接触电阻小，线缆用量少，系统整体损耗相应降低。通过市场调查，目前单晶硅组件与多晶硅组件的价格差不多，但单晶硅组件效率明显高于多晶硅组件且是目前市场的主流产品。综合考虑组件效率、技术成熟性、市场占有率，本工程拟选用单晶硅光伏组件规格为440Wp。同时，根据近20年实测数据，项目所在地多年平均气温14-22℃，极端最高气温40℃，极端最低气温为-8℃。属于潮湿环境。本工程拟采用具有抗PID特性的组件。

　4.2逆变器选型

　通过对市场上各型号逆变器调查，集散式和集中式逆变器没有3+N 380V形式并网的机型，因此优先选用组串式逆变器。通过对某品牌不同功率组串式逆变器收资，参数对比如下：

　由对比可知，两者的重量和尺寸差别不大，但是100kW逆变器相较而言使用数量约减少一半，且逆变器出线电缆根数也会减半，因此优先选用100kW组串式逆变器。

　4.3光伏阵列设计

　本工程设计总装机容量为1200kWp，光伏组件采用单晶硅电池（440Wp）组件，采用在干煤棚通风屋脊顶部平铺安装方式。光伏系统由10个120kWp 单晶硅光伏发电单元组成，每个太阳电池发电单元由光伏阵列、组串式逆变器构成。每5个发电单元接入1台接入柜，每个光伏阵列均由若干路太阳电池组串并联而成。

　考虑光伏组件的温度系数影响，随着光伏组件温度的增加，开路电压减小；相反，组件温度降低，开路电压增大。为了保证逆变器在当地极限低温条件下能够正常连续运行，在

计算电池板串联电压时考虑当地的最低环温进行计算，并得出串联的电池个数和直流串联电压（保证逆变器对光伏组件最大功率点MPPT跟踪范围）。

　本方案整个方阵场总容量为1200kWp，共划分为10个独立的组串逆变发电单元。每个单元容量均为120kWp。

　本工程选用440Wp型单晶硅组件，其组件开路电压为48.9V，工作电压为41.1V，电压温度系数-0.27%/℃，根据《光伏发电站设计规范》GB50797可知：

　S≤Udcmax÷（Voc×（1+（-8-25）×-0.27%））…………（1）

　S≤20.4 ……………………………（2）

　综合考虑到光伏支架成本以及光伏接线，确定本工程组串连接为18个一串。