光伏發(fā)電技術(shù)在廣電行業(yè)中的應(yīng)用

司 劍

現(xiàn)代工業(yè)的急劇發(fā)展，傳統(tǒng)能源消耗巨大，致使能源危機(jī)日益突出。與此同時(shí)，全球溫室效應(yīng)、臭氧層的破壞等這些大氣污染問(wèn)題日益加劇，我們的地球還能適宜我們生存多久值得人類反思。

由于能源危機(jī)和大氣污染問(wèn)題，可再生能源受到人們的重視，全世界都希望可再生能源能夠徹底改變能源結(jié)構(gòu)，走可持續(xù)發(fā)展道路?？稍偕茉粗刑?yáng)能以取之不盡、用之不竭的、無(wú)污染、廉價(jià)、人類能夠自由利用等優(yōu)勢(shì)備受青睞。太陽(yáng)輻射每秒鐘到達(dá)地面的能量高達(dá)80萬(wàn)kW·h，假如把地球表面0.1%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)為電能，轉(zhuǎn)變率5%，每年發(fā)電量可達(dá)5.6×101 2 kW·h，相當(dāng)于世界上能耗的40倍。

全球太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)鏈正處于不斷完善、高速增長(zhǎng)階段，世界各國(guó)均把光伏能源作為未來(lái)可持續(xù)發(fā)展和能源戰(zhàn)略的重要組成部分，紛紛制定相關(guān)政策，積極推動(dòng)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展。據(jù)前瞻網(wǎng)《2013-2017年中國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，2011年，全球光伏新增裝機(jī)容量約為27.5 GW，較上年的18.1 GW相比，漲幅高達(dá)52%，全球累計(jì)安裝量超過(guò)67 GW。據(jù)預(yù)測(cè)，到2030年太陽(yáng)能光伏發(fā)電在世界總電力供應(yīng)中將達(dá)到10%以上，光伏發(fā)電將成為最主要的電力能源，發(fā)展前景極其廣闊。但在廣電行業(yè)的應(yīng)用尚無(wú)前例。

1 光伏發(fā)電技術(shù)淺析

太陽(yáng)能發(fā)電分為光熱發(fā)電和光伏發(fā)電兩種。光伏發(fā)電在產(chǎn)銷量、發(fā)展速度和發(fā)展前景等方面都優(yōu)于光熱發(fā)電。而通俗的“太陽(yáng)能發(fā)電”指的就是光伏發(fā)電，全稱為太陽(yáng)能光伏發(fā)電。

光伏發(fā)電是以半導(dǎo)體的光電效應(yīng)為原理，形成電流，發(fā)出電能。硅原子有4個(gè)電子，如果在純硅中摻入有5個(gè)電子的原子如磷原子，就成為帶負(fù)電的N型半導(dǎo)體；若在純硅中摻入有3個(gè)電子的原子如硼原子，形成帶正電的P型半導(dǎo)體。當(dāng)P型和N型結(jié)合在一起時(shí)，接觸面就會(huì)形成電勢(shì)差，成為太陽(yáng)能電池。當(dāng)太陽(yáng)光照射到P－N結(jié)后，空穴由N極區(qū)往P極區(qū)移動(dòng)，電子由P極區(qū)向N極區(qū)移動(dòng)，產(chǎn)生電流，釋放電能。

光伏發(fā)電系統(tǒng)由三部分組成：太陽(yáng)電池板（組件）、控制器和逆變器，它們均由電子元器件構(gòu)成，無(wú)任何機(jī)械部件，因此，設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性表現(xiàn)突出，使用壽命較長(zhǎng)，安裝維護(hù)也相對(duì)簡(jiǎn)單。光伏發(fā)電系統(tǒng)既可以獨(dú)立使用，也可以并網(wǎng)發(fā)電，靈活的電力存儲(chǔ)模式適應(yīng)任何需要電源的場(chǎng)合，上至航天器，下至家用電源，大到兆瓦級(jí)電站，小到玩具，光伏電源都可以完美勝任。

2 廣播電視發(fā)射臺(tái)建設(shè)光伏電站構(gòu)想

安徽省作為光伏應(yīng)用大省，申報(bào)金太陽(yáng)及光電建筑項(xiàng)目裝機(jī)容量達(dá)到180 MWp，處于全國(guó)前列。為鼓勵(lì)各地方分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目的推廣，省級(jí)部分地市均出臺(tái)了一系列扶持補(bǔ)貼政策，并積極協(xié)助各地申報(bào)國(guó)家示范區(qū)。2013年在《國(guó)家發(fā)展改革委關(guān)于發(fā)揮價(jià)格杠桿作用促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》中，還進(jìn)一步完善了光伏發(fā)電項(xiàng)目?jī)r(jià)格政策，安徽省發(fā)展改革委員會(huì)也對(duì)分布式光伏發(fā)電實(shí)行了全電量補(bǔ)貼，標(biāo)準(zhǔn)為每千瓦時(shí)0.42元（含稅），補(bǔ)貼政策執(zhí)行期原則上為20年。單位投資的光伏發(fā)電項(xiàng)目自用有余上網(wǎng)的電量，電網(wǎng)企業(yè)應(yīng)以每千瓦時(shí)0.435元的標(biāo)準(zhǔn)收購(gòu)。

廣播電視發(fā)射臺(tái)的主要工作任務(wù)是發(fā)射廣播電視信號(hào)，確保廣播電視信號(hào)的覆蓋范圍。安徽廣播電視臺(tái)現(xiàn)有傳輸發(fā)射臺(tái)站20座，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2013年底廣電發(fā)射臺(tái)站每年的電費(fèi)支出巨大，約占總運(yùn)行成本的50%，因此，如果能夠采用光伏發(fā)電這種新能源技術(shù)，則能大幅度降低廣播電視發(fā)射臺(tái)站運(yùn)行成本，且可以作為臺(tái)站災(zāi)備供電系統(tǒng)。

安徽廣播電視臺(tái)傳輸發(fā)射臺(tái)站有7座臺(tái)站地處于高山、13座臺(tái)站地處城市郊區(qū)等偏遠(yuǎn)地區(qū)，占地面積較大（特別是中波臺(tái)站），周圍無(wú)高大建筑遮擋陽(yáng)光，日照充分，具備建設(shè)太陽(yáng)能光伏發(fā)電站的得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

3 安徽廣播電視臺(tái)宿州屏山發(fā)射臺(tái)建設(shè)光伏電站實(shí)施

3.1 項(xiàng)目工程概況

安徽廣播電視臺(tái)宿州屏山發(fā)射臺(tái)，坐落于安徽省宿州市泗縣屏山鎮(zhèn)屏山山頂，位于北緯33°33′、東經(jīng)117°51′，海拔105 m。臺(tái)區(qū)占地面積1公頃，承擔(dān)著中央、安徽省及地方廣播電視節(jié)目的無(wú)線發(fā)射工作。泗縣屏山地處淮北平原東部，為安徽省東北邊緣縣。屬暖溫帶半溫潤(rùn)季風(fēng)氣候，四季之中春、秋季短，冬、夏季長(zhǎng)，年日照時(shí)數(shù)為2 284～2 495小時(shí)，日照率52%～57%，年氣溫14℃，年均無(wú)霜期200～220天。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

第一，解決光伏組件因局部遮擋、老化和朝向不一致導(dǎo)致的發(fā)電量損失；第二，場(chǎng)地利用率高，系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)不受朝向一致性限制；第三，減少距離長(zhǎng)造成線損問(wèn)題；第四，故障智能預(yù)警，降低事故發(fā)生概率，維護(hù)財(cái)產(chǎn)安全；第五，精確定位故障，減少人工排查的時(shí)間和費(fèi)用；第六，提供多種數(shù)據(jù)分析和報(bào)表，實(shí)現(xiàn)對(duì)電站數(shù)據(jù)的有效利用，節(jié)省管理成本；第七，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)考慮就近并網(wǎng)，減少自身用電；第八，在保證建設(shè)質(zhì)量的基礎(chǔ)上最大程度滿足工程的最佳性價(jià)比；第九，并網(wǎng)方式為接入380V低壓電網(wǎng)；第十，采用光伏陣列布置；第十一，充分利用屏山臺(tái)區(qū)閑置空地。

3.3 工程技術(shù)方案

根據(jù)屏山發(fā)射臺(tái)的實(shí)際可利用土地面積及經(jīng)濟(jì)效益綜合考慮，擬在屏山發(fā)射臺(tái)建設(shè)80 kW光伏發(fā)電站，占地面積為800 m2。屏山發(fā)射臺(tái)的平面圖如圖1所示，根據(jù)太陽(yáng)能資源和面積情況，由于山頂整體為東南→西北方向，角度較大，為了獲得最大的太陽(yáng)照射面積，光伏組件安裝設(shè)計(jì)采用正南0°方位角，安裝高度角25°。設(shè)計(jì)采用兩種逆變器：2臺(tái)SG30KTL-M、1臺(tái)SG20KTL；光伏組串接入逆變器逆變出交流電接入交流電網(wǎng)，配置一面交流配電柜放置于山頂配電房?jī)?nèi)。本工程裝機(jī)容量較小，屬于小型光伏電站，并網(wǎng)接入山頂35 kV變電站的380 V低壓側(cè)。

由于本工程使用低壓入網(wǎng)方式，而且容量較小，可以不設(shè)置繼電保護(hù)裝置。系統(tǒng)主要包括：太陽(yáng)能光伏組件、支架及基礎(chǔ)、集成光伏并網(wǎng)逆變器、交流配電柜、防雷接地裝置、系統(tǒng)連接電纜及防護(hù)材料。

3.3.1 光伏組件

本工程設(shè)計(jì)裝機(jī)容量為80 kW，計(jì)劃選用晶澳250 W多晶硅太陽(yáng)能組件及250 W多晶硅電池組件，320塊光伏組件即可。

光伏組件與光伏方陣：?jiǎn)螇K光伏組件串聯(lián)成組串，組串并聯(lián)而成光伏電池方陣，光伏組串內(nèi)部接線如圖2所示。為加快施工進(jìn)度，光電板MC電纜敷設(shè)可與光電板安裝同時(shí)進(jìn)行，電纜敷設(shè)后即時(shí)接線。

圖1 泗縣屏山發(fā)射臺(tái)平面圖

圖2 光伏組件內(nèi)部接線示意圖

太陽(yáng)能光伏方陣內(nèi)的電纜敷設(shè)：通過(guò)太陽(yáng)能電池組件自帶的引出線連接。在此電氣連接中，必須對(duì)方陣的引出電纜線進(jìn)行正負(fù)極標(biāo)識(shí)。電池組件接線方式為：MC插頭、插座連接，P(+)/N(-)線連接，MC電纜接線方式如圖3所示。

3.3.2 支架及基礎(chǔ)

由于本項(xiàng)目在山頂?shù)孛鎸?shí)施，雖然亂石質(zhì)地堅(jiān)硬，但仍坑洼不平，需要先進(jìn)行粉碎處理和填平，然后砌筑混凝土條形基礎(chǔ)，光伏組件支架采用鋼板，支架鋼板底座預(yù)埋在混凝土基礎(chǔ)中，組件使用壓塊緊固安裝在支架導(dǎo)軌上，牢固可靠。其支架及基礎(chǔ)施工效果圖如圖4所示。

圖4 支架及基礎(chǔ)施工效果圖

3.3.3 集成光伏并網(wǎng)逆變器

本工程80 kW裝機(jī)容量，選用陽(yáng)光電源逆變器SG2OKTL和SG30KTL-M，具有極性反接保護(hù)、短路保護(hù)、電網(wǎng)過(guò)欠壓保護(hù)、電網(wǎng)過(guò)欠頻保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、接地保護(hù)、孤島效應(yīng)檢測(cè)及保護(hù)等功能。

光伏組件串并設(shè)計(jì)如下。

一是組件串聯(lián)。逆變器的最高輸入電壓和最低工作電壓、太陽(yáng)電池組件允許的最大系統(tǒng)電壓中三個(gè)電壓決定了太陽(yáng)電池組件串聯(lián)的數(shù)量。電池組件串聯(lián)數(shù)是一個(gè)取值范圍，其范圍為：

[INT（逆變器輸入直流側(cè)最小電壓/電池組件最佳工作電壓） INT（逆變器輸入直流側(cè)最大電壓/電池組件開路電壓）]

其中，INT是取整符號(hào),上下限值均包含在內(nèi)。

經(jīng)計(jì)算得：串聯(lián)光伏電池?cái)?shù)量 N的取值范圍為：[17 21]，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)氣候環(huán)境結(jié)合電池組件連接方便以及逆變器最佳輸入電壓等，取串聯(lián)數(shù)為20塊。溫度校核計(jì)算如下：

+70℃：29.94×20×（1-45×0.0043）=483V＞480V，通過(guò)

-15℃：29.94×20×（1+40×0.0043）=702V＜800V，通過(guò)

-15℃：37.66×20×（1+40×0.0043）=883V＜950V，通過(guò)

圖3 光伏組件之間MC電纜接線方式示意圖

二是組串并聯(lián)。逆變器的額定容量決定太陽(yáng)電池組串的并聯(lián)數(shù)量。組串功率250W×20=5kW，總組串?dāng)?shù)80÷5=16，20 kW逆變器可接入組串?dāng)?shù)20÷5=4，30 kW逆變器可接入組串?dāng)?shù)30÷5=6。綜上，選用2臺(tái)SG30KTL-M和一臺(tái)SG20KTL可滿足要求。

3.3.4 電氣主接線及配電裝置

本工程裝機(jī)容量80 kW，光伏組直接連接到逆變器上，經(jīng)逆變后三路逆變器通過(guò)交流防雷配電柜匯流后直接就近接入山頂35 kV變電房的380 V低壓側(cè)。

0.4 kV低壓光伏配電柜（箱）內(nèi)配置有4極交流斷路器，該斷路器應(yīng)具備短路瞬時(shí)、長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)功能和分勵(lì)脫扣器、失壓跳閘及低壓閉鎖合閘等功能。

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司要求：采用“自發(fā)自用，余量上網(wǎng)”的模式，以380 V電壓等級(jí)接入電網(wǎng)，且單個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)總裝機(jī)容量不宜超過(guò)400 kW。臺(tái)總裝機(jī)容量?jī)H為80 kW，符合單個(gè)接入點(diǎn)接入政策。

3.3.5 防雷接地裝置

本系統(tǒng)太陽(yáng)能光伏組件的金屬緊固件與各支座的鋼筋相聯(lián)，實(shí)測(cè)連接電阻小于4 Ω。光伏電站建在山頂，新增一個(gè)接地極耗資巨大且施工困難，可以借助山頂電視發(fā)射塔專用接地極，其接地電阻＜1 Ω；而且光伏電站距離電視塔專用接地極非常近，因此，可以將光伏發(fā)電系統(tǒng)的防雷接地系統(tǒng)直接焊接到山頂防雷接地系統(tǒng)上。

3.3.6 無(wú)功補(bǔ)償

根據(jù)相關(guān)要求：當(dāng)輸出有功功率大于其額定功率的50%時(shí)，功率因數(shù)應(yīng)不小于0.98（超前或滯后）；當(dāng)輸出有功功率在20%～50%時(shí)，功率因數(shù)應(yīng)不小于0.95（超前或滯后）。屏山光伏電站發(fā)電功率因數(shù)符合上述規(guī)定要求，因此，可以不使用功率補(bǔ)償設(shè)備和電壓調(diào)節(jié)設(shè)備。

無(wú)功補(bǔ)償裝置的作用是：控制光伏電站與電網(wǎng)無(wú)功功率實(shí)現(xiàn)零交換。如果光伏電站輸出功率因數(shù)不符合相關(guān)規(guī)定，需要配置無(wú)功補(bǔ)償裝置，其容量及配置型式根據(jù)電站并網(wǎng)運(yùn)行后6個(gè)月內(nèi)提供的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)測(cè)結(jié)果確定。

3.3.7 繼電保護(hù)

本工程采用380 V接入系統(tǒng)、發(fā)電容量80 kW、為低壓網(wǎng)且容量較小、屬于小型光伏發(fā)電站。該站因有人值守，所以，該光伏發(fā)電系統(tǒng)不設(shè)繼電保護(hù)、不配置二次監(jiān)控設(shè)備，相關(guān)信息可在站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)查閱。

3.3.8 防孤島保護(hù)

380 V低壓等級(jí)不配置防孤島檢測(cè)及安全自動(dòng)裝置，而采用具備防孤島能力的逆變器。本方案中的兩種型號(hào)的逆變器均有防孤島功能。

3.3.9 電能計(jì)量

在電能采集方面，安裝一套電能采集終端，單獨(dú)走1路電能量計(jì)費(fèi)通道，只需上傳發(fā)電量信息，不配置獨(dú)立的遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)。采用關(guān)口計(jì)費(fèi)電能表計(jì)量方式，同時(shí)具備雙向計(jì)量功能。

3.3.10 光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控

逆變器提供RS485接口與PC通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，可讀出逆變器的運(yùn)行參數(shù)，并能導(dǎo)出多種數(shù)據(jù)分析和報(bào)表，實(shí)現(xiàn)對(duì)電站數(shù)據(jù)的有效利用。光伏逆變器之間采用串接方式連接，然后再與PC連接，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。

4 建設(shè)光伏電站對(duì)于廣播電視發(fā)射臺(tái)的意義

第一，國(guó)務(wù)院辦公廳于2011年8月31日印發(fā)了《“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案》，方案要求將節(jié)能減排目標(biāo)合理分解到各地區(qū)、各部門，而本項(xiàng)目積極響應(yīng)了國(guó)家環(huán)保、節(jié)能政策。

第二，屏山發(fā)射臺(tái)光伏發(fā)電項(xiàng)目是安徽廣播電視臺(tái)光伏發(fā)電項(xiàng)目的試點(diǎn)工程，2014年6月開工建設(shè)，7月25日與電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電并正式投入運(yùn)行，標(biāo)志著廣電臺(tái)創(chuàng)新臺(tái)站運(yùn)行模式試點(diǎn)工作取得成功。

第三，屏山發(fā)射臺(tái)光伏項(xiàng)目是全國(guó)首個(gè)廣播電視發(fā)射臺(tái)，填補(bǔ)了全國(guó)廣電系統(tǒng)分布式光伏發(fā)電規(guī)模應(yīng)用的空白。同時(shí)，這也是安徽省宿州市光伏發(fā)電的率先應(yīng)用，具有良好的示范作用。

總之，廣電臺(tái)站多點(diǎn)分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目具有突出的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。