袁同生

【摘 要】太阳能能源基地建设正在从单一光伏发电向光伏光热等多种太阳能能源利用形式方向发展。借助光热电站的大容量储热装置和具备快速爬坡速率的汽轮机组，光伏光热联合发电基地的并网运行的可调度性和可控性大大提升。从光伏光热联合发电基地的运行机理出发，建立了基于改进粒子群算法的光伏光热两阶段优化调度模型，第一阶段以削减等效负荷峰谷差、改善负荷曲线为优化目标，第二阶段以发电总成本最小為优化目标。该模型满足光伏光热电站的主要运行约束和传统机组组合安全约束，适用于光伏光热联合发电基地并网调度运行。对10机系统的仿真表明，在完全接纳太阳能发电的前提下，光伏光热发电基地在削减等效峰谷差、提高新能源消纳和降低发电总煤耗效益显著，同时对于光热电站的灵敏度分析表明，在规划建设光热电站时可根据单位峰谷差削减量以及建设成本来选择合适的装机容量和储热装置容量。

【关键词】光伏;光热;改进粒子群;峰谷差;机组组合;灵敏度分析

引言

随着人类社会的进一步发展，传统能源的快速消耗问题成为世界关注的焦点。据估计至2035年，世界能源消耗量将增加35%。同时，随着传统化石能源的开采与使用的规模进一步扩大，化石能源所产生的各种有害物质也在不断破坏生态环境。因此解决环境保护问题和可持续发展问题愈加迫切，人们需要开发新的能源解决这些问题。在目前的新能源中，太阳能作为一种清洁、高效且永不枯竭的可再生能源，一直是关注的焦点，同时研究太阳能的利用也符合我国太阳能资源丰富与分布广泛的特有国情。太阳能的利用方法主要包括太阳能光伏技术与太阳能光热技术。太阳能光伏技术是利用半导体材料的光生伏打效应，将光子转换为电子，使太阳能直接转换为电能。而太阳能光热技术则是将太阳能转换为热能进行利用。目前常用硅太阳能电池光电转换效率随温度升高而降低，电池温度每升高1K就会导致电池的光电转换效率降低0.5%。同时太阳电池也会因为长期在高温条件下工作而导致其老化缩短使用年限。因此若在太阳能转化为电能的同时，使集热组件中的冷却介质将电池的热量带走并利用起来，既提高了电池光电转换效率也可以得到热能，此时可以同时达到光伏光热利用效果。光伏光热系统因其特性受到人们重视，但是由于各种原因，在实际情况中光伏光热系统的效果尚未达到令人满意的效果。主要是因为光电效率普遍处于一个较低的水平，或是光伏光热整体利用效果不佳。因此到目前为止，已经有很多研究者对光伏光热系统的效率提高进行了研究。本文针对太阳能光伏光热（PV/T）系统存在的问题进行了分析，并对效率提高的办法进行了总结，按照研究的位置不同进行了分类。

1基本概念

光伏光热系统主要由太阳能光伏组件与光热组件组成，由光伏板吸收太阳辐射能量并将其转换为电能与热能，再由光伏板下的冷却介质带走热量，实现电能与热能的同时利用。光伏光热系统类型较多，按照电池种类可以分为晶硅电池光伏光热系统、非晶硅太阳能光伏光热系统等;按照冷却介质可以分为光伏/热水综合利用技术，光伏/热空气综合利用技术，光伏/热泵综合利用技术等;对于使用晶硅太阳电池的光伏光热系统，按照集热器结构可分为管翅式、管板式、扁盒式等。图1所示为典型管板式光伏光热系统，主要由集热器、冷却介质与太阳能电池三大部分组成，其中集热器由玻璃盖板、吸热板与流道组成。

2光伏电站运行机理

当前，中国的并网光伏发电呈现着“分散开发、低压就地接入”与“大规模集中开发、中高压接入”的两种主要发展趋势，建设大型并网光伏电站是集中利用太阳能的重要方式。相比离网光伏发电系统，大型并网光伏电站可以略去蓄电池储能环节，基于最大功率点跟踪技术（MPPT）实现系统效率的提升;相比小型并网光伏发电系统，大型并网光伏电站可以集中利用太阳能，通过采用逆变器并联、集中管理和运行控制技术，可在不同运行场景下充分利用太阳能的时间特性和储能技术，对电力系统起到削峰、无功补偿的作用。UmPm大型并网光伏电站一般有多个基本单元构成，如图2所示，每个单元基本容量为0.3～1.0 MW。多块太阳能电池板经过串、并联组合构成光伏阵列，实施光电转换后产生的直流电通过防逆二极管连接至逆变器直流母线上。运行过程中，通过MPPT跟踪控制策略确定运行的最大功率点电压和功率。再辅以逆变器和必要的滤波环节，通过PQ控制策略及SPWM调制环节驱动开关器件，将直流电转换为满足电能质量要求的交流电，经变压器升压后并网。

3光伏-光热优化调度模型

本文基于两阶段优化的思路，从光伏光热发电系统的运行机理入手，以削减等效负荷峰谷差和最大化并网效益为目标建立基于光伏光热联合发电基地的并网优化调度模型。

3.1第一阶段优化

大型光伏光热联合发电基地并网运行后，由于光热电站配备了大容量的储热装置以及具备快速爬坡能力的汽轮机组，该系统对于电网而言具备了调节电网峰谷差、改善负荷曲线、增强电力系统灵活运行的作用。因此，在第一阶段优化过程中，以削减系统负荷峰谷差为目标，应用粒子群优化算法，建立光伏光热电站的调峰的优化调度模型，为第二阶段的机组组合和经济负荷分配提供等效负荷数据。

3.2第二阶段优化

第二阶段的火电机组优化调度在第一阶段优化后的等效负荷的基础上进行。优化目标是在调度周期内和一定约束条件下，合理安排机组启停和经济负荷分配，使得总发电成本最低

4存在问题

PV/T系统目前存在的主要问题之一就是效率不高，主要是光电效率不高，而系统各部分组件均存在一定的问题，进而导致效率不高。因此本文近年来针对PV/T系统效率提高的方法进行了总结，按照问题所在部位对其进行分类，主要包括集热器、冷却介质与光伏电池的改进方法。

集热器上的问题是较为显著的。光伏板的冷却主要依靠集热器的冷却结构，因此集热器对光伏板效率影响也较为明显。主要问题包括：

4.1光伏板与集热器连接处热阻较大。由于光伏板本身材质较脆，需要用背板加以固定以防止被破坏，因此光伏板与集热器的冷却结构一般为间接接触。这样就提高了二者间的热阻，影响散热。

4.2集热器中各种参数有待优化完善。因为集热器与系统光电光热效率息息相关，其中的各种参数也对系统性能有一定的影响，需要针对集热器的各个参数进行研究，调整合适的参数以便达到更高效率。

4.3冷却结构有待改进。光伏板的温度若能维持在一个较低水平则会有更好的效果。现有的冷却结构往往由于本身结构原因使其冷却效果不能达到理想效果。

4.4其他影响集热器性能的因素有待研究改进。集热器上光伏板覆盖率、玻璃盖板等对光伏板效率与热效率影响同样很大，因此同样需要对其进行深入研究。冷却介质也与冷却效果和集热效果有着直接影响。冷却介质存在的主要问题就是选用哪种介质对光伏板的冷却效果最佳，对光伏板的温度控制效果更好。

结语

本文从光伏电站和光热电站的运行机理入手，建立了光伏光热联合发电基地并网的两阶段优化调度模型，并通过10机系统进行仿真验证，分析了联合发电基地的并网效益。结果表明：（1）光伏光热联合发电基地在最大化利用太阳能资源的基础上，可以利用光热电站的特性，改善负荷曲线，降低等效负荷的峰荷和峰谷差;（2）由于光伏光热电站的引入，在提高太阳能资源利用效率的同时，机组的发电总煤耗和开机时段均有一定的减少，削减了系统运行成本;（3）在一定的运行条件下，对光热电站机组装机容量和储热装置容量的适当提升有助于提高峰谷差削減量和降低系统运行成本，但是在规划过程中，还应该结合建设成本进行成本效益分析，选择合适的装机容量进行建设。

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（作者单位：国网山西省电力公司大同供电公司）