周　治,陳　鍵

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安　710065)

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青海省德令哈地區(qū)光熱光伏互補(bǔ)性初探

周治,陳鍵

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安710065)

摘要：光伏電站受晝夜、季節(jié)、天氣、溫度等的變化，發(fā)電出力具有一定的波動(dòng)性、隨機(jī)性、間歇性；配置了大容量?jī)?chǔ)熱系統(tǒng)的光熱電站，具有與光伏電站聯(lián)合運(yùn)行、提高發(fā)電利用小時(shí)數(shù)、提高外送通道利用率的潛力。文章通過研究發(fā)現(xiàn)：盡管光伏和光熱電站發(fā)電在時(shí)間上不具備自然互補(bǔ)性，但通過儲(chǔ)能系統(tǒng)的移峰填谷是可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)的；考慮現(xiàn)階段光熱發(fā)電的發(fā)展水平，從電力平衡角度看，其裝機(jī)容量配比應(yīng)為1∶1。研究表明，僅有光伏和光熱2種電源互補(bǔ)的供電保證率約為80%～90%，還需要其它多種能源形式對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充。

關(guān)鍵詞：光熱;光伏;互補(bǔ)性;出力

0前言

青海省地處中高緯度地帶，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大，光照時(shí)間長(zhǎng)，年總輻射量可達(dá)5 560～7 400 MJ/m2，其中直接輻射量占總輻射量的60%以上，僅次于西藏，位居全國(guó)第二。截止2014年底，青海省并網(wǎng)光伏電站規(guī)模已達(dá)412萬kW，占全省發(fā)電裝機(jī)總量的22.7%，累計(jì)發(fā)電量達(dá)到102.2億kWh[1]。在并網(wǎng)光伏電站建設(shè)迅猛發(fā)展的同時(shí)，光伏、風(fēng)電等可再生能源電力的消納、送出問題日益突出，本地消納條件和外送通道的建設(shè)極大制約了青海省太陽(yáng)能資源的開發(fā)和光伏電站的建設(shè)[2-3]。

光伏電站受晝夜、季節(jié)、天氣、溫度等的變化，發(fā)電出力具有一定的波動(dòng)性、隨機(jī)性、間歇性[4]，是發(fā)電穩(wěn)定性較差的電源，但可為電網(wǎng)提供清潔電量。太陽(yáng)能熱發(fā)電是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，通過熱功轉(zhuǎn)化過程發(fā)電的技術(shù)[5-7]。相對(duì)于光伏發(fā)電或其它可再生能源發(fā)電方式，其最大的優(yōu)勢(shì)就是可以配置儲(chǔ)熱系統(tǒng)，具有發(fā)電功率相對(duì)平穩(wěn)可控、運(yùn)行方式靈活、可進(jìn)行熱電聯(lián)供等主要特點(diǎn)。配置了大容量?jī)?chǔ)熱系統(tǒng)的太陽(yáng)能熱發(fā)電站具有與光伏電站聯(lián)合運(yùn)行，提高發(fā)電利用小時(shí)數(shù)，提高外送通道利用率的潛力[8-10]。因此，十分有必要研究光伏光熱發(fā)電的互補(bǔ)性，為大規(guī)?？稍偕茉椿匾?guī)劃中合理配置各類可再生能源電源點(diǎn)的容量及其它相關(guān)參數(shù)提供參考。

1主要邊界條件

(1) 以青海省德令哈典型年8 760 h逐時(shí)太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)(總輻射、法向直接輻射等)作為太陽(yáng)能資源分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(2) 以青海省最新夏季、冬季典型負(fù)荷24 h逐時(shí)標(biāo)幺值(如表1所示)作為電力需求曲線參考值，并假定一個(gè)合適的系統(tǒng)負(fù)荷基準(zhǔn)值。

表1　青海夏季、冬季典型負(fù)荷逐時(shí)標(biāo)幺值表

(3) 假設(shè)系統(tǒng)中僅有光伏電站和光熱電站2種電源，分析當(dāng)光伏電站和光熱電站采取何種容量配比時(shí)，才能最大限度保證電力供給滿足電力負(fù)荷需求。

圖2　春分、夏至所在月的平均日輻射圖

(4) 光伏光熱電站的互補(bǔ)定義：光伏電站補(bǔ)充光熱電站的電量，光熱電站補(bǔ)充光伏電站應(yīng)對(duì)負(fù)荷變化的能力。光伏電站出力主要由傾斜面太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度決定，光熱電站的調(diào)節(jié)能力大小取決于DNI分布、鏡場(chǎng)面積、儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)等多個(gè)因素。

圖3　秋分、冬至所在月的平均日輻射圖

2互補(bǔ)性分析

2.1時(shí)間互補(bǔ)性

光伏電站主要利用太陽(yáng)輻射能量中的總輻射能量，對(duì)于固定安裝的光伏陣列，其出力特性主要取決于其安裝傾斜面總輻射和組件溫度2個(gè)因素[11-12]。光熱電站主要利用太陽(yáng)輻射能量中的法向直接輻射能量(見圖1)。

傾斜面總輻射和法向直接輻射兩者既有聯(lián)系[13]又有區(qū)別。青海省德令哈地區(qū)各類輻射數(shù)據(jù)月總量分布見表2，一個(gè)完整年的逐時(shí)太陽(yáng)總輻射、傾斜面太陽(yáng)總輻射和法向直接輻射春分、夏至、秋分、冬至所在月的平均日分布見圖2及3。

圖1　總輻射和法向直接輻射關(guān)系示意圖

月份總輻射/(W·m-2)傾斜面總輻射/(W·m-2)法向直接輻射/(W·m-2)1331.22577.84569.342386.99568.41536.363551.14674.90640.354678.23705.86745.765738.06680.34665.156713.16625.42633.057658.05594.99513.918660.60644.17598.779565.92647.42621.1410490.65684.01657.8411361.07606.51602.3612302.05559.70559.57總計(jì)6437.157569.567343.61

由表2可見，在總量分布上，德令哈地區(qū)傾斜面總輻射量(光伏利用)略高于法向直接輻射量(光熱利用)。

由圖2、3可見，德令哈地區(qū)冬至日所在月的法向直接輻射大于總輻射；夏至日所在月上午、下午時(shí)段法向直接輻射大于總輻射，中午總輻射大于法向直接輻射。全年上午、下午時(shí)段法向直接輻射均大于傾斜面總輻射，中午傾斜面總輻射均大于法向直接輻射[14-16]。

從傾斜面總輻射和法向直接輻射的時(shí)間分布來看，這2種資源在時(shí)間上不具備自然互補(bǔ)性，必須通過儲(chǔ)熱系統(tǒng)的移峰填谷來實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。

2.2光伏電站出力特性

以50 MW裝機(jī)容量光伏電站為例，采用固定安裝方式，以1年8 760 h傾斜面總輻射數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用相關(guān)軟件仿真計(jì)算，得到光伏電站逐時(shí)出力曲線。為簡(jiǎn)化光熱電站調(diào)度策略，取其各月平均日出力特性參與光熱電站月調(diào)度曲線生成。該光伏電站在德令哈地區(qū)的各月平均日出力特性見圖4。

圖4　光伏電站各月平均日出力圖

2.3光熱電站出力特性

光熱電站的配置方案較多，不同的DNI分布情況(可利用的能量)，不同的鏡場(chǎng)面積(能量接收的能力)、不同的儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)(能量?jī)?chǔ)存的能力)、不同的汽輪機(jī)輸出功率(能量使用的能力)、不同的調(diào)度運(yùn)行方式(不同時(shí)間的能量使用分配)等均會(huì)引起光熱電站利用小時(shí)數(shù)及出力特性的變化。此外，由于太陽(yáng)輻射能量的不連續(xù)性和不穩(wěn)定性，在沒有其它能源輔助的情況下，即使是配置了24 h儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)和較大面積鏡場(chǎng)的光熱電站在1年8 760 h中也不能始終100%保證滿足電力負(fù)荷的需求(如連續(xù)陰天等太陽(yáng)輻射較差時(shí))；另一方面，大面積的鏡場(chǎng)和大容量的儲(chǔ)熱系統(tǒng)配置較小的汽輪機(jī)輸出功率時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致能量的過剩(如連續(xù)晴天等太陽(yáng)輻射較好時(shí))，從而引起棄光，使得鏡場(chǎng)部分的投資浪費(fèi)。因此，光熱電站的出力特性可以認(rèn)為是基本可控的，但它仍然不能100%滿足系統(tǒng)電力負(fù)荷的需求(實(shí)際保證率見后文分析);另一方面，若配置過大的鏡場(chǎng)將導(dǎo)致棄光。

2.4按電力平衡要求的容量配比

考慮電力平衡的要求。假設(shè)系統(tǒng)最大負(fù)荷需求為50 MW，光伏電站的各月平均日最大出力約為40 MW，最小出力為0 MW，此時(shí)電力缺口為10～50 MW，此部分裝機(jī)容量應(yīng)由光熱電站補(bǔ)充。光熱電站汽輪機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍較寬，一般在20%～105%之間，如果光熱電站汽輪機(jī)額定輸出功率也按50 MW考慮，則正好能夠補(bǔ)充該電力缺口，同時(shí)滿足光熱電站汽輪機(jī)日間不停機(jī)的要求。由于上述分析采用各月平均日出力，實(shí)際出力會(huì)在平均日上下波動(dòng)，當(dāng)光伏電站實(shí)際最大出力大于平均日最大出力時(shí)，由光伏電站棄光滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求；當(dāng)光伏電站實(shí)際出力小于平均日出力時(shí)，由光熱電站補(bǔ)充輸出滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求。

考慮到中國(guó)的光熱電站目前正處于產(chǎn)業(yè)化示范階段，預(yù)計(jì)“十三五”期間才能進(jìn)入規(guī)?；瘧?yīng)用階段，因此其現(xiàn)階段的發(fā)展規(guī)模不宜過大。綜合考慮，從電力平衡角度看，光伏電站和光熱電站裝機(jī)容量配比應(yīng)為1∶1。

2.5電量平衡分析

首先考慮電力平衡的要求，其次考慮電量平衡的要求。光伏電站僅能在白天提供電量，夜晚電量全部由光熱電站提供。由于太陽(yáng)輻射能量的不連續(xù)性和不穩(wěn)定性，當(dāng)陰雨天氣發(fā)生時(shí)，無論光熱電站配置多大面積的鏡場(chǎng)，也無法獲得足夠的能量輸入。在這種情況下，不管是光伏電站還是光熱電站均不能向系統(tǒng)提供足夠的電量，也即意味著其供電保證率不可能達(dá)到100%。以下重點(diǎn)分析不同條件下光熱電站在對(duì)光伏電站電量進(jìn)行平衡后的供電保證率及棄光率情況。

以額定輸出電功率50 MW的光熱發(fā)電站為例，配置15 h儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)，太陽(yáng)倍數(shù)選擇2.7，調(diào)度運(yùn)行規(guī)則按照補(bǔ)充光伏電站電量進(jìn)行，采用相關(guān)軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，在德令哈的太陽(yáng)法向直接輻射資源條件下，其春分、夏至、秋分及冬至所在月的平均日的典型發(fā)電量曲線見圖5～8。

由圖5～8可以看出，當(dāng)太陽(yáng)能資源較好時(shí)，平衡光伏電量后的光熱電站可以實(shí)現(xiàn)24 h連續(xù)發(fā)電；當(dāng)太陽(yáng)能資源較差時(shí)，平衡光伏電量后的光熱電站的發(fā)電曲線出現(xiàn)間斷，也即此時(shí)無法保證系統(tǒng)需求的電量。

圖5　春分所在月的平均日典型發(fā)電量及法向直接輻射量圖

圖6　夏至所在月的平均日典型發(fā)電量及法向直接輻射量圖

圖7　秋分所在月的平均日典型發(fā)電量及法向直接輻射量圖

圖8　冬至所在月的平均日典型發(fā)電量及法向直接輻射量圖

分別考慮光熱電站在10、15和20 h儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)(儲(chǔ)熱系統(tǒng)充滿時(shí)儲(chǔ)存的熱量能夠保證汽輪機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行的小時(shí)數(shù))情況下，采用不同的太陽(yáng)倍數(shù)(當(dāng)設(shè)計(jì)點(diǎn)確定時(shí)，主要由太陽(yáng)倍數(shù)決定鏡場(chǎng)面積)，以典型年8 760 h為時(shí)間窗口，供電保證率及棄光率變化情況見圖9、10。

圖9　不同儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)及太陽(yáng)倍數(shù)保證率變化圖

圖10　不同儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)及太陽(yáng)倍數(shù)棄光率變化圖

可以看出，隨著儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)及鏡場(chǎng)面積的加大，在供電保證率逐漸提高的同時(shí)，光熱電站棄光率也在逐漸增加。因此，從提高供電保證率角度看，僅僅依靠光熱光伏互補(bǔ)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要水電、風(fēng)電、生物質(zhì)能等其它可再生能源形式共同參與進(jìn)來，形成多能互補(bǔ)的格局，才能保證青海海西地區(qū)清潔能源基地可再生能源的高比例發(fā)展。

3結(jié)語(yǔ)

(1) 盡管從資源角度看，光伏電站和光熱電站不具備自然互補(bǔ)性，但通過光熱電站配置的儲(chǔ)能系統(tǒng)移峰填谷是可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)的。

(2) 考慮現(xiàn)階段光熱發(fā)電的發(fā)展水平，從電力平衡角度看，當(dāng)系統(tǒng)中僅有光伏電站和光熱電站2種電源時(shí)，其裝機(jī)容量配比應(yīng)為1∶1。

(3) 盡管配置了大容量的儲(chǔ)熱系統(tǒng)和大面積的鏡場(chǎng)，由于太陽(yáng)輻射能量的不連續(xù)性和不穩(wěn)定性，僅僅由光伏和光熱2種電源互補(bǔ)僅能保證約80%～90%的供電保證率，還需要其它多種能源形式對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充。

(4) 配置了大容量?jī)?chǔ)熱系統(tǒng)的光熱電站，其應(yīng)對(duì)負(fù)荷變化的能力大大增強(qiáng)，在與水電、風(fēng)電、生物質(zhì)能等其它可再生能源互補(bǔ)后，是有可能承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)峰負(fù)荷甚至電力基荷的可再生能源發(fā)電形式之一。

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Study on Hybrid of PV and CSP in Delingha Region

ZHOU Zhi, CHEN Jian

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065, China)

Abstract:The CSP output features fluctuation, randomicity and intermittence because of such changes as daytime and nighttime, seasons, weather and temperature, etc. The CSP equipped with the large-capacity thermal storage system, jointly operating with PV power plant, is with the potential of increasing power generation hours and improving the availability of power evacuation facilities. The study in this paper presents that both PV plant and CSP are complementary via the load peak adjustment and load valley filling of the energy storage system although they are not complementary in term of time. In consideration of the CSP development level at present, ratio of the installed capacities of PV power plant and CSP shall be 1∶1. The study also demonstrates the availability of power supply of hybrid of PV power plant and CSP only is 80%～90% approximately. Other kinds of energy are demanded to complement further.

Key words:CSP; photovoltaic; complementation; output

中圖分類號(hào)：TK512；TM615

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.02.022

作者簡(jiǎn)介：周治(1977- )，男，陜西省大荔縣人，高級(jí)工程師，從事太陽(yáng)能發(fā)電工程設(shè)計(jì)工作.

收稿日期：2015-11-24

文章編號(hào)：1006—2610(2016)02—0085—05