4.4.4 太阳能电站腐蚀状况和控制措施研究成果

2018-06-07 16:27:11 作者：侯保荣等来源：

4.4.4.1 我国太阳能发电发展概况

太阳能光伏发电和光热发电是目前太阳能发电的两种主要方式。光伏发电的主要特点在于可作为分布式电源，安装在负荷中心，无需远距离输送，就地发电就地使用。同时，可模块化安装，规模大小随意，可安装于屋顶和墙面，不占地，光伏出力与白天用电高峰相重合，既可享受峰值电价也可为电网削峰。

光热发电是利用发射镜等聚光系统将太阳能聚集起来，加热某种工质，然后经过换热交换器产生高温高压的过热蒸汽，驱动汽轮机并带动发电机发电。太阳能热发电主要有塔式、槽式、盘式、太阳池和太阳能热气流五种发电系统。光热发电的特点是，先将太阳能转化为热能再进行发电，一定程度上可以平抑日照波动，对电网相对友好，同时热能可以有效储存且具有一定的经济性，热源可与火电等热电厂互补，提高发电小时数和调峰，并提供可供调度的电力。

目前已实现产业化应用的太阳能发电主要是太阳能光伏发电和太阳能光热发电。近年来，随着技术进步，光伏发电和光热发电成本快速下降，太阳能已成为增长最快的清洁能源。截至2013年底，全国累计并网运行光伏发电装机容量1942万千瓦，其中光伏发电站1632万千瓦，分布式光伏310万千瓦，全年累计发电量90亿千瓦时。

2013年新增光伏发电装机容量1292万千瓦，其中光伏发电站1212万千瓦，分布式光伏80万千瓦。截至2013年底，全国22个主要省（自治区、直辖市）已累计并网741个大型光伏发电项目，主要分布在我国西北地区。

截至2014年底，我国光伏发电累计装机容量2805万千瓦，同比增长60%，其中，光伏发电站2338万千瓦，分布式467万千瓦，年发电量约250亿千瓦时，同比增长超过200%。2014年新增装机容量1060万千瓦，约占全球新增装机的五分之一，占我国光伏电池组件产量的三分之一，实现了《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》中提出的平均年增1000万千瓦目标；其中，光伏发电站855万千瓦，分布式205万千瓦。

光伏发电已呈现东中西部共同发展格局。中东部地区新增装机容量达到560 万千瓦，占全国的53%，其中，江苏省新增152万千瓦，仅次于内蒙古自治区；河北省新增97万千瓦，居全国前列。西部省份中，内蒙古、青海、甘肃和宁夏均较大。

我国光热产业的发展走过了技术起步、科学试验和商业示范三个阶段。20 世纪70年代，部分国内的科研院所就开始进行光热发电应用技术基础研究。80 年代起，我国开启了光热发电试验示范项目的建设的序幕，首个试验示范项目是延庆八达岭塔式光热示范项目，装机容量为1MW，于2012年年底建成投运。2013 年，我国光热产业由科学试验阶段转入了商业示范阶段，第一个商业运营项目- 中控德令哈一期10MW塔式光热电站于2013年7月并网发电，项目至今已连续运行两年，2014年全年实现发电量800余万度。

截至到2014年，我国光热并网装机容量约为18M（另一统计口径为13.88MW，差别不大）。除了中控德令哈一期10MW项目为商业示范项目外，其余并网项目均为科学试验项目，装机容量都在1MW以下。

4.4.4.2 太阳能发电站概述

1.太阳能光伏发电站概述

1）太阳能光伏发电站和发电系统

根据GB50797-2012《光伏发电站设计规范》，以光伏发电系统为主，包含各类建（构）筑物及检修、维护、生活等辅助设施在内的发电站称为光伏发电站。光伏发电系统是利用太阳能电池的光生伏特效应，将太阳辐射能直接转换成电能的系统。

光伏发电系统按是否接人公共电网可分为并网光伏发电系统和独立光伏发电系统。并网光伏发电系统按接人并网点的不同可分为用户侧光伏发电系统和电网侧光伏发电系统。

光伏发电系统按安装容量可分为下列三种系统：

（1）小型光伏发电系统：安装容量小于或等于lMWp；

（2）中型光伏发电系统：安装容量大于lMWp和小于或等于 30MWp；

（3）大型光伏发电系统：安装容量大于30MWP。

光伏发电系统按是否与建筑结合可分为与建筑结合的光伏发电系统和地面光伏发电系统。太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池组件（或方阵）、蓄电他（组）、光伏控制器，逆变器（在有需要输出交流电的情况下使用）以及一些测试、监控、防护等附属设施构成。

（1）太阳能电池组件太阳能电池组件也叫太阳能电池扳，是太阳能光伏发电系统中的核心部分，也是太阳能光伏发电系统中价值最高的部分，其作用是将太阳光的辐射能量转换为电能，并送往蓄电池中存储起来，也可以直接用于推动负载工作。当发电容量较大时，就需要多块电池组件串、并联后构成太阳能电池方阵。

（2）蓄电池蓄电池的作用主要是存储太阳能电池发出的电能，并可随时向负载供电。太阳能光伏发电系统对蓄电池的基本要求是：自放电：率低、使用寿命长、充电效率高、深放电能力强、工作温度范围宽、少维护或免维护以及价格低廉。目前为光伏系统配套使用的主要是免维护铅酸电池，在小型、微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池、锂电池或超级电容器。当需要大容量电能存储时，就需要将多只蓄电池串、并联起来构成蓄电池组。

（3）光伏控制器太阳能光伏控制器的怍用是控制整个系统的工作状态，其功能主要有防止蓄电池过充电保护、防止蓄电池过放电保护、系统短路保护、系统极性反接保护、夜间防反充保护等。在温差较大的地方，控制器还有有温度补偿的功能。另外控制器还有光控开关、时控开关等工作模式，以及充电状态、蓄电池电量：等各种工作状态的显示功能。光伏控制器般分为小功率、中功率、大功率和风光互补控制器等。

（4）交流逆变器交流逆变器是把太阳能电池组件或者蓄电池输输出的直流电转换成交流电供应给电网或者交流负载使用的设备。逆变器按运行方式可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能发电系统。

（5）光伏发电系统附属设施光伏发电系统的设施包括直流配线系统、交流配电系统、运行监控和检测系统、防雷和接地系统等。

太阳能电池组件。太阳能电池组件的种类较多，根据太阳能电池片的类型不同可分为晶体硅（单、多晶硅）太阳能电池组件、非晶硅薄膜太阳能电池组件及砷化镓电池组件等：按照封装材料和工艺的不同可分为环氧树脂封装电池板和层压封装电池组件：按照用途的不同可分为普通型太阳能电池组件和建材型太阳能电池组件。其中建材型太阳能电池组件又分为单面玻璃透光型电池组件、双面夹胶玻璃电池件件和双面中空玻璃电池组件。用晶体硅太阳能电池片制作的电池组件应用占到市场份额的85%以。

制造太阳能电池组件的主要材料有面板玻璃、EVA胶膜、背板材料（钢化玻璃、有机玻璃、铝合金、TPT复合胶膜等）、铝合金边框（也有用不锈钢和增强塑料）、连接盒与连接线、互连条。太阳能电池组件的边框材料主要采用铝合金，也有用不锈钢和增强塑料的。电池组件安装边框一是为了保护层压后的电池组件，二是为了方便组件的安装。电池组件无论是单独安装还是组成电池方阵都要通过边框与电池组件支架固定。一般都在在边框适当部位打孔，同时支架的对应部位也打孔，然后通过螺栓固定连接。铝合金边框材料表面要进行阳极化处理，常用型材及角铝外形如图 4-119所示。铝合金边框的框架四个角有两种固定方法，一种方法是在框架四个角中插入齿状角铝，然后用专用撞角机撞击固定；另一种方法是用不锈钢螺栓对边框四角进行固定。

太阳能电池组件支架和基础太阳能电池组件的支架包括屋顶支架和地面支架。

（1）屋顶支架屋顶支架的制作材料可以用角钢焊接，也可选择定制组件固定专用钢制冲压结构件。图4-120是斜面和平面屋顶的支架示意图，图4-121是用角钢制作的三角形组件支架实体图，图4-122是用屋顶用钢制冲压结构件固定电池组件的结构方法示意图，图4-123是山东某屋顶太阳能光伏发电站太阳能电池组件照片。

（2）地面支架地面用光伏方阵支架般都是用角钢制作的三角形支架，其底座是水泥混凝土基础。图4-124是两个地面方阵固定安装应用实例，图4-125是日喀则地面太阳能光伏发电站太阳能组件安装照片。

（3）地面支架基础光伏组件支架基础主要有独立基础、条形基础、预制桩基础、钻孔灌注桩基础、钢螺旋桩基础。独立基础形式简单，应用广泛，埋置较深，幵挖量及回填量较大。条形基础埋置深度可相对较浅，但开挖量、回填量较大，混凝土量相对较大。此类基础型式多应用于地基承载力较差，对不均匀沉降要求较高的平单轴光伏支架中。预制桩基础可批量制作，施工速度快，施工不存在填挖方，仅需简单场平。但采用静压或锤击设备将桩体挤压入土内吋，桩体易发生断裂，需对桩顶采用钢筋网加固，增加造价，且垂直度不易保证。多用于游泥质土、粘性土、填土、湿陷性黄土等。钻孔灌注桩基础成孔较为方便，可以根据地形调整基础顶面标高，顶标高易控制，混凝土钢筋用量小，幵挖量小，施工快，对原有植被破坏小。但存在混凝土现场成孔、浇筑，适用于一般填土、粘性土、粉土、砂土等。

钢螺旋桩基础成孔方便，可以根据地形调整基础顶面标高，不受地下水影响，在冬季气候条件下照常施工，施工快，标高调整灵活，对自然环境破坏很小，不存在填挖方工程，对原有植被破坏小，不需要场平。适用于沙漠、草原、滩涂、戈壁、冻土等。但用钢梁较大，造价相对较高，且不适用于有强腐蚀性地基及岩石地基。

2.太阳能光热发电站概述

2）太阳能光热发电系统的组成

典型的太阳能热发电系统由以下四个部分组成：聚光集热子系统、蓄热子系统、辅助能源子系统和汽轮机发电子系统。

（1）聚光集热子系统聚光集热子系统包括聚光器、接收器和跟踪装置。聚光器用于收集阳光并将其聚集到一个有限尺寸面上，以提高单位面积上的太阳辐照度，从而提高被加热工质的工作温度。聚光器是太阳能热发电系统中的一个关键部件，入射阳光首先经过它发射到接收器。接收器是通过接受经过聚焦的阳光，将太阳能辐射能转变为热能，并传递给工质的部件。在这里，工质被太阳辐射能加热，变成过热蒸汽，再经管道送往汽轮机。跟踪装置是为了使一天中所有时刻的太阳辐射都能通过发射镜面反射到固定不动的接收器上设置的。

（2）蓄热子系统蓄热子系统是太阳能热发电系统中必不可少的组成部分。因为太阳能热发电系统在早晚和白天云遮间歇的时间内，都必须依靠储存的太阳能来维持正常运行。

（3）辅助能源子系统辅助能源子系统就是在系统中增设常规燃料锅炉，用于阴雨天和夜间启动，以维持电站能够一直持续运行。

（4）汽轮发电子系统汽轮发电子系统是太阳能热发电系统用的动力发电装置，可选用的有现代汽轮机、燃气轮机、低沸点工质汽轮机和斯特林发动机。

太阳能光热发电系统分类

太阳能热发电主要有塔式、槽式、盘式、太阳池和太阳能热气流五种发电系统。塔式太阳能热发电系统也称集中型太阳能热发电系统，是利用众多的平面反射镜阵列，将太阳辐射发射到置于高塔顶部的太阳接收器上，加热工质产生过热蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电，从而将太阳能转换为电能。

槽式太阳能热发电系统是槽式抛物面发射镜太阳能热发电系统的简称，也称分散型太阳能热发电系统，是将众多的槽型抛物面聚光集热器，经过串并联排列，从而可以收集较高温度的热能，加热工质，产生过热蒸汽，驱动汽轮机组发电。

盘式太阳能热发电系统是利用旋转抛物面反射镜收集太阳能，这是一个很早就提出的概念，近年来，随着新型动力机械和其他相关技术的迅速发展，将旋转抛物面反射镜配合新型动力发电机组构成现代的盘式太阳能热发电装置。

太阳池热发电系统是将天然盐水湖建成太阳池，就是一个巨大的平板太阳集热器。利用它吸收太阳能，再通过热交换器加热低沸点工质产生过热蒸汽，驱动汽轮发电机组。

太阳能热气流发电是以大地为吸热材料的巨大蓬式地面太阳空气集热器的中央，建造高大的竖直烟囱。烟囱的底部在近空气集热器透明盖板的下面开吸风口，上面安装风轮。地面空气集热器根据温度效应生产热气，从吸风口进入烟囱，形成热气流，驱动安装在烟囱内的风轮带动发电机发电。

我国北京八达岭太阳能光热发电站（图4-126）和青海德令哈50MW塔式太阳能光热发电站一期10MW（图4-127）都是塔式太阳能光热发电系统，德令哈50MW 槽式光热发电项目于2015年12月26日开工建设，预计2017年底建成投运。

4.4.4.3 太阳能发电站腐蚀与防护措施

目前在我国，绝大部分的太阳能发电站是光伏发电，因此，本报告仅讨论光伏发电站的腐蚀与防护。

太阳能光伏发电站中，铝合金框架和支架暴露于大气环境中，地面支架的基础暴露于土壤环境，是易于发生腐蚀的部件。在地上及混凝土基础上设置的支架的根部是易于发生腐蚀的部位（见图 4-128），这是因为地面及遭受雨淋的混凝土面湿度较高，金属被浸泡时间太长而造成的。埋在地面及混凝土下的部分与外部露出的部分之间会产生电位差，因此还会加快腐蚀速度。另外支架与太阳能电池板的接合部分，以及螺栓孔等与不同金属直接接触的部分也是易于发生腐蚀的部位。

处于土壤环境的地面支架基础的腐蚀取决于土壤的腐蚀性，在我国太阳能资源丰富的西部地区，盐漬土分布广泛，在这样的环境中，支架基础会遭受严重的腐蚀破坏。

GB/T 50797-2012《光伏发电站设计规范》规定，光伏支架应结合工程实际选用材料、设计结构方案和构造措施，保证支架结构在运输、安装和使用过程中满足强度、稳定性和刚度要求，并符合抗震、抗风和防腐等要求。光伏支架材料宜采用钢材，材质的选用和支架设计应符合现行国家标准GB 50017《钢结构设计规范》的规定。支架防腐蚀应符合下列要求：

（1）支架在构造上应便于检查和清刷；

（2）钢支架防腐宜采用热浸镀锌，镀锌层平均厚度不应小于55μm；

（3）当铝合金材料与除不锈钢以外的其他金属材料或与酸、碱性的非金属材料接触、紧固时，宜采取隔离措施；

（4）铝合金支架应进行表面防腐蚀处理，可采用阳极氧化措施，阳极氧化膜最小厚度应符合表4-65的规定。

正在编制的国家标准《太阳能发电站支架基础技术规范》（征求意见稿）规定，腐蚀等級为中及以下土壤环境中钢桩基础的防腐处理应符合下列规定：钢桩基础的防腐处理可采用外表面涂镀防腐层、增加腐蚀余量及采用特殊耐腐蚀材料等措施；当钢管桩内壁同外界隔绝时，可不考虑内壁防腐。混凝土基础的耐久性设计应符合现行国家标准GB/T50476《混凝土结构耐久性设计规范》和现行行业标准JGJ94《建筑桩基技术规范》的相关规定。位于腐蚀性环境中的混凝土基础应按现行国家标准GB50046《工业建筑防腐蚀设卄规范》的相关规定采取防腐措施。

4.4.4.4 我国太阳能发电站腐蚀与防护案例

我国西北地区本某大型光伏发电站建设于2010年5月，装机容量为5MW。2011年11月和2012年2月分别对该电站光伏阵列基础进行了第一次实地观测和第二次跟踪观测。实地观测与调研发现光伏发电站地桩基础与地面接触的部分出现了白色粉末状的物质和不同程度的腐蚀现象，部分接地地网出现了生锈现象。这是由于电站所在区域土地的盐碱性较重，土壤中的可溶性盐对地桩腐蚀的结果。实地观察已见部分水泥基础出现了盐渍堆积腐蚀现象。在第二次的跟踪观测中，发现螺旋桩（地锚）基础与水泥混凝土基础均出现不同程度的盐渍堆积腐蚀现象，相对于第一次观测结果，盐碱性土壤对水泥混凝土基础的腐蚀更加突出，有部分水泥混凝土基础出现了开裂现象，而螺旋桩（地锚基础腐蚀得相对轻一些（图4-129和图4-130）。因此，在西北盐滩与盐渍土等区域的大型光伏发电站中在成本造价允许的前提下，应尽量采用螺旋桩地锚基础。