袁同生

【摘 要】太陽能能源基地建設(shè)正在從單一光伏發(fā)電向光伏光熱等多種太陽能能源利用形式方向發(fā)展。借助光熱電站的大容量儲熱裝置和具備快速爬坡速率的汽輪機組，光伏光熱聯(lián)合發(fā)電基地的并網(wǎng)運行的可調(diào)度性和可控性大大提升。從光伏光熱聯(lián)合發(fā)電基地的運行機理出發(fā)，建立了基于改進粒子群算法的光伏光熱兩階段優(yōu)化調(diào)度模型，第一階段以削減等效負荷峰谷差、改善負荷曲線為優(yōu)化目標，第二階段以發(fā)電總成本最小為優(yōu)化目標。該模型滿足光伏光熱電站的主要運行約束和傳統(tǒng)機組組合安全約束，適用于光伏光熱聯(lián)合發(fā)電基地并網(wǎng)調(diào)度運行。對10機系統(tǒng)的仿真表明，在完全接納太陽能發(fā)電的前提下，光伏光熱發(fā)電基地在削減等效峰谷差、提高新能源消納和降低發(fā)電總煤耗效益顯著，同時對于光熱電站的靈敏度分析表明，在規(guī)劃建設(shè)光熱電站時可根據(jù)單位峰谷差削減量以及建設(shè)成本來選擇合適的裝機容量和儲熱裝置容量。

【關(guān)鍵詞】光伏;光熱;改進粒子群;峰谷差;機組組合;靈敏度分析

引言

隨著人類社會的進一步發(fā)展，傳統(tǒng)能源的快速消耗問題成為世界關(guān)注的焦點。據(jù)估計至2035年，世界能源消耗量將增加35%。同時，隨著傳統(tǒng)化石能源的開采與使用的規(guī)模進一步擴大，化石能源所產(chǎn)生的各種有害物質(zhì)也在不斷破壞生態(tài)環(huán)境。因此解決環(huán)境保護問題和可持續(xù)發(fā)展問題愈加迫切，人們需要開發(fā)新的能源解決這些問題。在目前的新能源中，太陽能作為一種清潔、高效且永不枯竭的可再生能源，一直是關(guān)注的焦點，同時研究太陽能的利用也符合我國太陽能資源豐富與分布廣泛的特有國情。太陽能的利用方法主要包括太陽能光伏技術(shù)與太陽能光熱技術(shù)。太陽能光伏技術(shù)是利用半導(dǎo)體材料的光生伏打效應(yīng)，將光子轉(zhuǎn)換為電子，使太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能。而太陽能光熱技術(shù)則是將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能進行利用。目前常用硅太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率隨溫度升高而降低，電池溫度每升高1K就會導(dǎo)致電池的光電轉(zhuǎn)換效率降低0.5%。同時太陽電池也會因為長期在高溫條件下工作而導(dǎo)致其老化縮短使用年限。因此若在太陽能轉(zhuǎn)化為電能的同時，使集熱組件中的冷卻介質(zhì)將電池的熱量帶走并利用起來，既提高了電池光電轉(zhuǎn)換效率也可以得到熱能，此時可以同時達到光伏光熱利用效果。光伏光熱系統(tǒng)因其特性受到人們重視，但是由于各種原因，在實際情況中光伏光熱系統(tǒng)的效果尚未達到令人滿意的效果。主要是因為光電效率普遍處于一個較低的水平，或是光伏光熱整體利用效果不佳。因此到目前為止，已經(jīng)有很多研究者對光伏光熱系統(tǒng)的效率提高進行了研究。本文針對太陽能光伏光熱（PV/T）系統(tǒng)存在的問題進行了分析，并對效率提高的辦法進行了總結(jié)，按照研究的位置不同進行了分類。

1基本概念

光伏光熱系統(tǒng)主要由太陽能光伏組件與光熱組件組成，由光伏板吸收太陽輻射能量并將其轉(zhuǎn)換為電能與熱能，再由光伏板下的冷卻介質(zhì)帶走熱量，實現(xiàn)電能與熱能的同時利用。光伏光熱系統(tǒng)類型較多，按照電池種類可以分為晶硅電池光伏光熱系統(tǒng)、非晶硅太陽能光伏光熱系統(tǒng)等;按照冷卻介質(zhì)可以分為光伏/熱水綜合利用技術(shù)，光伏/熱空氣綜合利用技術(shù)，光伏/熱泵綜合利用技術(shù)等;對于使用晶硅太陽電池的光伏光熱系統(tǒng)，按照集熱器結(jié)構(gòu)可分為管翅式、管板式、扁盒式等。圖1所示為典型管板式光伏光熱系統(tǒng)，主要由集熱器、冷卻介質(zhì)與太陽能電池三大部分組成，其中集熱器由玻璃蓋板、吸熱板與流道組成。

2光伏電站運行機理

當前，中國的并網(wǎng)光伏發(fā)電呈現(xiàn)著“分散開發(fā)、低壓就地接入”與“大規(guī)模集中開發(fā)、中高壓接入”的兩種主要發(fā)展趨勢，建設(shè)大型并網(wǎng)光伏電站是集中利用太陽能的重要方式。相比離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，大型并網(wǎng)光伏電站可以略去蓄電池儲能環(huán)節(jié)，基于最大功率點跟蹤技術(shù)（MPPT）實現(xiàn)系統(tǒng)效率的提升;相比小型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，大型并網(wǎng)光伏電站可以集中利用太陽能，通過采用逆變器并聯(lián)、集中管理和運行控制技術(shù)，可在不同運行場景下充分利用太陽能的時間特性和儲能技術(shù)，對電力系統(tǒng)起到削峰、無功補償?shù)淖饔?。UmPm大型并網(wǎng)光伏電站一般有多個基本單元構(gòu)成，如圖2所示，每個單元基本容量為0.3～1.0 MW。多塊太陽能電池板經(jīng)過串、并聯(lián)組合構(gòu)成光伏陣列，實施光電轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的直流電通過防逆二極管連接至逆變器直流母線上。運行過程中，通過MPPT跟蹤控制策略確定運行的最大功率點電壓和功率。再輔以逆變器和必要的濾波環(huán)節(jié)，通過PQ控制策略及SPWM調(diào)制環(huán)節(jié)驅(qū)動開關(guān)器件，將直流電轉(zhuǎn)換為滿足電能質(zhì)量要求的交流電，經(jīng)變壓器升壓后并網(wǎng)。

3光伏-光熱優(yōu)化調(diào)度模型

本文基于兩階段優(yōu)化的思路，從光伏光熱發(fā)電系統(tǒng)的運行機理入手，以削減等效負荷峰谷差和最大化并網(wǎng)效益為目標建立基于光伏光熱聯(lián)合發(fā)電基地的并網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型。

3.1第一階段優(yōu)化

大型光伏光熱聯(lián)合發(fā)電基地并網(wǎng)運行后，由于光熱電站配備了大容量的儲熱裝置以及具備快速爬坡能力的汽輪機組，該系統(tǒng)對于電網(wǎng)而言具備了調(diào)節(jié)電網(wǎng)峰谷差、改善負荷曲線、增強電力系統(tǒng)靈活運行的作用。因此，在第一階段優(yōu)化過程中，以削減系統(tǒng)負荷峰谷差為目標，應(yīng)用粒子群優(yōu)化算法，建立光伏光熱電站的調(diào)峰的優(yōu)化調(diào)度模型，為第二階段的機組組合和經(jīng)濟負荷分配提供等效負荷數(shù)據(jù)。

3.2第二階段優(yōu)化

第二階段的火電機組優(yōu)化調(diào)度在第一階段優(yōu)化后的等效負荷的基礎(chǔ)上進行。優(yōu)化目標是在調(diào)度周期內(nèi)和一定約束條件下，合理安排機組啟停和經(jīng)濟負荷分配，使得總發(fā)電成本最低

4存在問題

PV/T系統(tǒng)目前存在的主要問題之一就是效率不高，主要是光電效率不高，而系統(tǒng)各部分組件均存在一定的問題，進而導(dǎo)致效率不高。因此本文近年來針對PV/T系統(tǒng)效率提高的方法進行了總結(jié)，按照問題所在部位對其進行分類，主要包括集熱器、冷卻介質(zhì)與光伏電池的改進方法。

集熱器上的問題是較為顯著的。光伏板的冷卻主要依靠集熱器的冷卻結(jié)構(gòu)，因此集熱器對光伏板效率影響也較為明顯。主要問題包括：

4.1光伏板與集熱器連接處熱阻較大。由于光伏板本身材質(zhì)較脆，需要用背板加以固定以防止被破壞，因此光伏板與集熱器的冷卻結(jié)構(gòu)一般為間接接觸。這樣就提高了二者間的熱阻，影響散熱。

4.2集熱器中各種參數(shù)有待優(yōu)化完善。因為集熱器與系統(tǒng)光電光熱效率息息相關(guān)，其中的各種參數(shù)也對系統(tǒng)性能有一定的影響，需要針對集熱器的各個參數(shù)進行研究，調(diào)整合適的參數(shù)以便達到更高效率。

4.3冷卻結(jié)構(gòu)有待改進。光伏板的溫度若能維持在一個較低水平則會有更好的效果。現(xiàn)有的冷卻結(jié)構(gòu)往往由于本身結(jié)構(gòu)原因使其冷卻效果不能達到理想效果。

4.4其他影響集熱器性能的因素有待研究改進。集熱器上光伏板覆蓋率、玻璃蓋板等對光伏板效率與熱效率影響同樣很大，因此同樣需要對其進行深入研究。冷卻介質(zhì)也與冷卻效果和集熱效果有著直接影響。冷卻介質(zhì)存在的主要問題就是選用哪種介質(zhì)對光伏板的冷卻效果最佳，對光伏板的溫度控制效果更好。

結(jié)語

本文從光伏電站和光熱電站的運行機理入手，建立了光伏光熱聯(lián)合發(fā)電基地并網(wǎng)的兩階段優(yōu)化調(diào)度模型，并通過10機系統(tǒng)進行仿真驗證，分析了聯(lián)合發(fā)電基地的并網(wǎng)效益。結(jié)果表明：（1）光伏光熱聯(lián)合發(fā)電基地在最大化利用太陽能資源的基礎(chǔ)上，可以利用光熱電站的特性，改善負荷曲線，降低等效負荷的峰荷和峰谷差;（2）由于光伏光熱電站的引入，在提高太陽能資源利用效率的同時，機組的發(fā)電總煤耗和開機時段均有一定的減少，削減了系統(tǒng)運行成本;（3）在一定的運行條件下，對光熱電站機組裝機容量和儲熱裝置容量的適當提升有助于提高峰谷差削減量和降低系統(tǒng)運行成本，但是在規(guī)劃過程中，還應(yīng)該結(jié)合建設(shè)成本進行成本效益分析，選擇合適的裝機容量進行建設(shè)。

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（作者單位：國網(wǎng)山西省電力公司大同供電公司）