Солнечная электростанция 101: типы, стоимость, оборудование и способы строительства

Что такое солнечная электростанция?

По всему миру работает более 2000 ГВт солнечной энергии, распределенной по более чем 100 000 этапов проекта, отслеживаемой Global Solar Power Tracker. Это число вырастет на треть в течение нескольких лет, чему способствует неустанное увеличение количества новых компаний в Китае и Индии. Движущей силой этого изменения является солнечная электростанция — инженерное сооружение, которое преобразует солнечный свет в сетевое электричество либо путем прямого возбуждения электронов в фотоэлектрических элементах, либо путем концентрации тепла для приведения в действие обычной турбины.

Технология делится на два основных семейства. Фотоэлектрические (PV) электростанции используют полупроводниковые панели для генерации постоянного тока, а затем повышают его с помощью инверторов и трансформаторов для экспорта в сеть. Установки концентрированной солнечной энергии (CSP), также называемые солнечными тепловыми электростанциями, используют тысячи зеркал, чтобы фокусировать солнечный свет на приемнике, производя пар, который вращает турбину. Каждый маршрут имеет свои сильные стороны в богатых солнцем регионах. В таблице ниже показаны ключевые контрасты.

Выбор между PV и CSP зависит не только от стоимости. На рынках, где ценится возможность диспетчеризации в вечернее время, тепловые аккумуляторы CSP обеспечивают электроэнергию после захода солнца без батарей. Тем не менее, 95% новых солнечных установок являются фотоэлектрическими — модульной, рентабельной рабочей лошадкой, которая доминирует от массивов на крыше до ферм мощностью 500 МВт. Остальная часть этой статьи посвящена фотоэлектрическим станциям, при этом указывая на то, где альтернативы CSP остаются актуальными.

Как работают солнечные электростанции: PV против CSP

Фотоэлектрические и CSP преобразуют солнечный свет в электричество посредством совершенно разных физических процессов. Понимание того, как работает каждый из них, проясняет, почему они подходят для разных масштабов, климата и бизнес-моделей.

В фотоэлектрической установке солнечный свет попадает на слои полупроводников внутри панели. Каждый фотон с достаточной энергией выбивает электрон, создавая постоянный ток. Этот постоянный ток поступает в цепные инверторы или центральные инверторы, где он становится переменным током. Затем повышающий трансформатор повышает напряжение — обычно с 400–800 В на инверторе до 35 кВ для линий сбора среднего напряжения и, в конечном итоге, до 110 кВ или 220 кВ для передачи на подстанции. Несколько инверторов и трансформаторов собраны вместе на сотнях акров земли. Единственными движущимися частями являются двигатели слежения за солнцем при использовании одноосных или двухосных трекеров.

Установки CSP работают больше как тепловая электростанция без топлива. Зеркала — параболические желоба, линейные отражатели Френеля или тысячи гелиостатов вокруг башни — концентрируют солнечный свет на приемнике. В башенной системе расплавленная соль или другой жидкий теплоноситель нагревается до температуры более 565°C. Горячая соль хранит тепловую энергию в изолированных резервуарах; когда необходима энергия, она проходит через теплообменник для выработки пара, привода турбины и вращения генератора. Электростанция может работать с полной нагрузкой в ​​течение нескольких часов после захода солнца, что делает ее возобновляемым ресурсом, поддающимся диспетчеризации. Но оптика и термические циклы требуют квалифицированной работы и места с высоким прямым нормальным излучением.

Обе технологии в конечном итоге подключаются к сети через аналогичную сеть сбора среднего напряжения и подстанцию ​​высокого напряжения. На фотоэлектрической электростанции занимаемая площадь трансформатора и распределительного устройства больше по сравнению с установленной мощностью из-за распределенной компоновки инвертора. В CSP в центральном блоке размещаются турбина и главный трансформатор, как на газовой электростанции.

Типы солнечных электростанций по масштабу и применению

Солнечные электростанции не являются универсальным продуктом. Разработчики классифицируют их по мощности, точке подключения к сети и физическому размещению. Каждый уровень имеет свою собственную экономику, пути регулирования и требования к оборудованию.

• Наземная установка коммунального предприятия (обычно 10–500 МВт): Это грузовые поезда солнечной энергии. Построенные на ровной или пологой местности, они питаются непосредственно в энергосистему через специальную подстанцию. Они используют центральные инверторы или инверторные станции мощностью несколько МВт, мощные трансформаторы (часто масляные агрегаты класса 35 кВ), а также все чаще трекеры и двусторонние панели, чтобы повысить коэффициент мощности выше 25%.
• Коммерческая и промышленная крыша и навес для машины (50 кВт–10 МВт): Встречается на крышах заводов, складах или парковках. Они подключаются к распределительной сети за счетчиком и часто используют струнные инверторы с сухими трансформаторами внутри компактных блоков. Модели самопотребления повышают рентабельность инвестиций за счет исключения розничных тарифов на электроэнергию.
• Общественная и малая распределенная солнечная энергия (1–5 МВт): Гибрид между жилым и коммунальным сектором — мощность распределяется между несколькими абонентами. Обычно проектируется с наземными стойками или небольшими коммерческими крышами. Подключают их к местным фидерам площадочные трансформаторы и распределительные устройства 12–25 кВ.
• Плавающая солнечная батарея (Floating PV, 1–100 МВт): Панели крепятся на плавучие конструкции на водоемах или озерах. Охлаждающий эффект воды повышает эффективность панели. Электрооборудование — инверторы и трансформаторы — размещается на плавучих платформах или на берегу; Необходимы корпуса со степенью защиты IP68 и кабели морского класса.
• Центральная станция ЦСП (50–250 МВт): Всегда базируется на земле в пустынях с высоким уровнем ДНР. Требуется большая площадь для солнечного поля и центрального силового блока. Часто в сочетании с хранилищем расплавленной соли, способным поставлять электроэнергию в течение 8–12 часов без солнца.

Большая часть новых мощностей — это наземные фотоэлектрические системы коммунального масштаба, поэтому последующие разделы о стоимости и оборудовании сосредоточены на этом архетипе. Однако инженерные принципы применимы к коммерческим массивам с правильной настройкой компонентов.

Распределение затрат на солнечную электростанцию

К 2026 году глобальный ориентир для фотоэлектрической установки с одноосным трекером мощностью 100 МВт будет находиться в диапазоне от 0,75 до 0,95 доллара за ватт постоянного тока, в то время как системы с фиксированным наклоном могут упасть до 0,70 доллара за Вт на конкурентных рынках. Общая установленная стоимость за МВт варьируется в зависимости от местоположения, ставок рабочей силы, стоимости земли и цен на модули, но процентное распределение по категориям стало удивительно постоянным. В таблице ниже собраны данные реальных проектов для фотоэлектрических систем с фиксированным наклоном в трех масштабах.

Позиция по трансформаторам и распределительным устройствам может выглядеть скромной, но это основа надежности станции. Для объекта мощностью 100 МВт один только главный повышающий трансформатор может стоить 200 000–400 000 долларов. Соедините его с основными блоками кольцевой сети, защитными панелями и высоковольтное распределительное устройство , а пакет подстанций часто приближается к 7% от общего объема капвложений. Экономия на этих компонентах приводит к перебоям в работе, которые уничтожают годы доходов от генерации.

При оценке стоимости всегда привязывайте ее к LCOE, а не только к авансовым долларам. Модуль с более высоким КПД или трансформатор с меньшими потерями могут повысить первоначальную стоимость на 0,02 доллара США/Вт, но увеличить годовую доходность на 1–3%, что даст положительную чистую текущую стоимость в течение 25 лет.

Ключевое оборудование для солнечной электростанции

Фотоэлектрическая установка коммунального масштаба представляет собой цепочку устройств преобразования энергии. Каждое звено приносит потери; Выбор правильного компонента и правильный его размер определяют внутреннюю норму доходности проекта. Ниже приведена основная спецификация материалов и ее роль.

• Фотоэлектрические модули – Первичный преобразователь энергии. Двусторонние монокристаллические модули PERC и TOPCon доминируют в новых сборках с эффективностью более 22%. Выбирайте модули с низким температурным коэффициентом и положительным допуском по мощности.
• Монтажные конструкции (с фиксированным наклоном или трекеры) – Стойки с фиксированным наклоном стоят дешевле, но оставляют генерацию на столе. Одноосные трекеры обеспечивают увеличение урожайности на 15–25 %, а двухосные могут увеличить прибыль до 30 % в местах с высоким DNI. Торсионные трубы и приводы трекера должны выдерживать ветровые нагрузки в соответствии с местными строительными нормами.
• Струнные инверторы или центральные инверторные станции – Струнные инверторы (50–350 кВт) обеспечивают детальный MPPT и снижают риск одноточечного отказа. Центральные инверторы (1–5 МВт) снижают стоимость ватта, но требуют более крупных трансформаторных суммирующих станций. Оба должны соответствовать требованиям к реактивной мощности и устойчивости к неисправностям.
• Повышающие трансформаторы – Преобразуйте выход инвертора (600–800 В) в среднее напряжение (10–35 кВ). Для наружных фотоэлектрических полей по умолчанию используются масляные трансформаторы с герметичными баками из-за их термической устойчивости и более низкой стоимости. В помещениях или в коммерческих помещениях, чувствительных к пожару, трансформаторы сухого типа с литой изоляцией становятся обязательными. Выбор параметров следует простому правилу: номинальная мощность трансформатора должна превышать выходную мощность переменного тока инвертора на 10–15 %, чтобы справиться с реактивной мощностью и гармониками.
• Распределительные устройства среднего напряжения и кольцевые силовые агрегаты – Они собирают электроэнергию от нескольких трансформаторных подстанций и питают главную подстанцию. На напряжение 12–40,5 кВ распространены элегазовые или твердоизоляционные РМУ с вакуумными выключателями. Они защищают от перегрузки по току, замыканий на землю и дуговых замыканий.
• Кабели и разъемы – Кабели постоянного тока от цепочек к распределительным коробкам, кабели переменного тока от инверторов к трансформаторам и кабели среднего напряжения к подстанции. Все наружные кабели должны быть устойчивы к ультрафиолетовому излучению и рассчитаны на влажные условия. Кабели меньшего размера создают потери I²R, которые накапливаются в течение десятилетий.
• SCADA, метеостанции и мониторинг – Удаленные терминальные устройства собирают данные об инверторах, трансформаторах и измерениях. Хорошо настроенная система мониторинга выдает оповещения об отключении цепей, перегреве трансформатора или ухудшении изоляции — часто это первый признак серьезного сбоя.

Часто упускаемый из виду элемент – это система заземления и молниезащиты. Большие массивы ведут себя как аттракторы молний. Сетка из медных стержней и ограничителей перенапряжения защищает инверторы и трансформаторы от переходных перенапряжений, которые могут пробить изоляцию за микросекунды.

Как выбрать правильный трансформатор для вашей солнечной фермы

Трансформатор не является товаром; это индивидуальное решение, которое напрямую влияет на потери оборудования, пожаробезопасность и стоимость долгосрочного обслуживания. В солнечных установках преобладают два основных типа: масляные распределительные или силовые трансформаторы и сухие трансформаторы с литой изоляцией. Каждый занимает определенную нишу.

В масляных трансформаторах в качестве охлаждающей жидкости и диэлектрика используется минеральное масло или биоразлагаемый эфир. Они хорошо выдерживают перегрузки, эффективно рассеивают тепло в наружных кожухах и стоят на 20–30 % дешевле, чем аналогичные агрегаты сухого типа. Их стандартный резервуар IP65, часто с гофрированными ребрами, прекрасно себя чувствует в условиях пыльной пустыни. Компромиссом является воспламеняемость: обязательны защитная насыпь и регулярный отбор проб масла. Они являются идеальным выбором для наземных фотоэлектрических ферм, где можно контролировать пространство и риск пожара.

Трансформаторы сухого типа покрывают обмотки эпоксидной смолой под вакуумом, в результате чего получается самозатухающий, не требующий обслуживания агрегат без жидкого хладагента. Они превосходно подходят для коммерческих установок на крышах, внутренних подстанций и высотных объектов, где маслонаполненное оборудование сталкивается с непреодолимыми препятствиями. Хотя их первоначальная стоимость выше и они обычно имеют меньший запас по перегрузке, современные конструкции с изоляцией класса H обеспечивают низкий уровень частичных разрядов и могут соответствовать стандартам потерь уровня 2. Для коммерческого массива мощностью 1–3 МВт внутри городского здания трансформатор сухого типа часто является единственным вариантом, совместимым с кодом.

Производители распределительных трансформаторов сухого типа, завод

Трансформатор Detong - это китайские производители распределительных трансформаторов сухого типа, оптовая фабрика трансформаторов сухого типа, мы изготавливаем трансформаторы сухого типа на заказ для центров обработки данных.

Посмотреть продукт →

В таблице ниже приведены основные параметры выбора.

Помимо диэлектрической среды, критическими техническими параметрами являются: номинальная мощность (кВА) не менее 1,1 × выходная мощность переменного тока инвертора; коэффициент трансформации (например, 0,69/35 кВ); векторная группа (Dyn11 является стандартной для режима инвертора); напряжение импеданса (5–8 % для ограничения тока повреждения и учета гармоник); и значения капитализации убытков. Для крупных солнечных ферм Трансформаторы силовые масляные 35 кВ в диапазоне 12,5–25 МВА подаются непосредственно на подстанцию, объединяющую сеть. Использование установки с аморфным металлическим сердечником может снизить потери на холостом ходу на 60–70%, сэкономив сотни тысяч долларов в течение срока службы установки.

Производители масляных силовых трансформаторов, завод

Как китайские производители масляных силовых трансформаторов, завод масляных силовых трансформаторов 35 кВ, поставка трансформаторов Detong Изготовленные на заказ масляные силовые трансформаторы

Посмотреть продукт →

Пошаговое руководство по строительству солнечной электростанции

Переход от земельного участка к дате коммерческой эксплуатации требует координации проектирования, закупок и строительства (EPC) в течение примерно 12–24 месяцев для проекта мощностью 50 МВт. Именно из-за жесткого планирования поставок трансформаторов и исследований сети возникает большая часть задержек. Приведенные ниже шаги описывают проверенную последовательность действий.

1. Выбор места и осуществимость (1–3 месяцы) – Оцените солнечный ресурс (GHI>1500 кВтч/м²/год для жизнеспособных фотоэлектрических систем), наличие земли (>5 акров на МВт), близость к линиям электропередачи, несущую способность почвы и риск наводнений. На этом этапе заключите договор аренды земли и проведите экологическую экспертизу.
2. Заявка на присоединение и исследование сети (2–6 месяцы) – Подайте запрос на соединение с утилитой. Исследование влияния сети определяет необходимость модернизации сети. Этот шаг часто блокирует временную шкалу; начните раньше, поскольку характеристики трансформатора и подстанции зависят от напряжения в точке общего соединения (PCC) и уровня короткого замыкания.
3. Получение разрешений и экологическая экспертиза (3–8 месяцы) – Получите разрешения на строительство, экологические разрешения и разрешения на местное зонирование. Могут применяться разграничение водно-болотных угодий, исследования воздействия птиц и исследования культурных ресурсов. Вовлекайте сообщество в противодействие оппозиции.
4. Рабочий проект (5–9 мес.) – Завершите проектирование, определение размеров цепочки, размещение инверторной/трансформаторной подстанции, прокладку кабельной траншеи и SLD подстанции. Здесь фиксируются спецификации трансформаторов и распределительных устройств и размещаются заказы на поставку. Срок поставки крупных трансформаторов может достигать 20 недель; поздний заказ задерживает все последующие действия.
5. Закупка оборудования и заводские испытания (7–14 мес.) – Основное оборудование — модули, инверторы, трансформаторы, распределительные устройства, кабели — изготовлено и испытано. Проведите заводские приемочные испытания главного силового трансформатора и распределительного устройства среднего напряжения, чтобы избежать ремонта на месте.
6. Строительные работы и подготовка площадки (8–14 мес.) – Планировка, подъездные пути, дренаж, ограждение, устройство стоечного фундамента. Для систем слежения точность забивания свай имеет решающее значение, чтобы избежать механического смещения. На этом этапе заливаются трансформаторные площадки и кабельные траншеи.
7. Механический и электрический монтаж (10–16 мес.) – Монтируйте конструкции, прокладывайте модули, протягивайте кабели постоянного/переменного тока, устанавливайте объединительные коробки, инверторы и трансформаторные подстанции. Завершите кабели среднего напряжения и установите кольцевые главные блоки. Трансформатор и распределительное устройство подстанции размещаются на своих площадках и подключаются к выключателю сети.
8. Ввод в эксплуатацию и испытания (14–18 мес.) – Проверьте сопротивление изоляции всех кабелей и обмоток трансформатора, выполните тесты полярности и коэффициента трансформации трансформаторов, проверьте настройки инвертора и проведите двухточечные проверки SCADA. Поэтапное создание рампы; провести 72-часовой тест надежности на полной мощности.
9. Синхронизация сети и коммерческая эксплуатация (18–20 мес.) – Коммунальное предприятие благословляет станцию после проверки качества электроэнергии, мощности реактивной мощности и соблюдения требований по пропускной способности. Как только выключатель замыкается на PCC, объявляется дата коммерческой эксплуатации (COD). Далее следует 24-месячный период ответственности за дефекты.

На протяжении всего строительства специальный инженер по вводу в эксплуатацию должен сосредоточиться исключительно на последовательности установки трансформатора и распределительного устройства. Неправильно настроенный переключатель ответвлений, отсутствие заземления или незакрепленная клемма втулки могут привести к выходу из строя трансформатора, что отбросит реализацию проекта на несколько месяцев.

Обслуживание солнечной электростанции и общие проблемы

В течение 25-летнего срока эксплуатации даже на хорошо построенной фотоэлектрической электростанции случаются сбои оборудования. Цель состоит в том, чтобы обнаружить деградацию до того, как она отключит защитные реле или приведет к отключению электроэнергии, приносящему доход. Структурированный план технического обслуживания отделяет критические запланированные действия от реагирования на пожары.

Отдельного внимания заслуживает техническое обслуживание трансформаторов. Большой масляный блок вмещает тысячи литров изолирующей жидкости. Единственная внутренняя дуга или попадание влаги могут вывести трансформатор из строя за считанные секунды. Ежегодные испытания масляного диэлектрика и анализ фурана предсказывают старение бумажной изоляции. Аналогичным образом, агрегаты сухого типа требуют инфракрасного сканирования при полной нагрузке для выявления ослабленных соединений и чрезмерного нагрева теплообменника. Повторная затяжка болтовых соединений после первого года эксплуатации предотвращает перегревы.

Многие операторы автопарков теперь дополняют периодические проверки постоянным онлайн-мониторингом. Датчики растворенного газа в масле, датчики частичных разрядов и проходные емкостные краны передают данные в центральную систему SCADA. Когда уровень ацетилена резко возрастает, система сигнализирует о возможном дуговом замыкании еще до того, как сработает реле Бухгольца. Это раннее предупреждение может означать разницу между ремонтом за 10 000 долларов и заменой за 200 000 долларов.