光伏發(fā)電技術(shù)在加油站的應(yīng)用

程 琪

〔中國(guó)石化銷售有限公司 北京 100728〕

隨著環(huán)境保護(hù)的強(qiáng)化，新能源發(fā)電將是未來(lái)電力系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢(shì)[1]。光伏發(fā)電技術(shù)利用光電效應(yīng)直接將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電過(guò)程中不產(chǎn)生任何污染，正引起越來(lái)越多國(guó)家的關(guān)注[2]。目前，加油站遍布我國(guó)各地，具有充足的可利用資源，如果借助于加油站中的建筑，通過(guò)光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)電，不僅可以承擔(dān)部分加油站自身的用電需求，還可以將電能反向饋入電網(wǎng)的發(fā)電系統(tǒng)，為加油站帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，為國(guó)家的節(jié)能增效計(jì)劃做貢獻(xiàn)。

近年來(lái)，諸多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)光伏發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了研究。S.R.Wenham等[3]研究了光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)經(jīng)濟(jì)的影響效果，提出光伏技術(shù)創(chuàng)新是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要推動(dòng)因素。John Byrne等[4]基于光伏項(xiàng)目的應(yīng)用前景分析了光伏發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益的多樣性。張悅等[5]從光伏技術(shù)的應(yīng)用、價(jià)值鏈和成本分析等方面來(lái)探討了光伏技術(shù)帶來(lái)的社會(huì)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)[5]。嚴(yán)吉坤等人[6]研究了在加油站增設(shè)光伏發(fā)電設(shè)施的可行性，提出了加油站光伏發(fā)電整體解決方案。丁明等人[7]探究了光伏發(fā)電與電力系統(tǒng)之間的相互影響，對(duì)光伏并網(wǎng)、光伏外送及消納等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。張鐵等[8]從光伏技術(shù)應(yīng)用的實(shí)際意義出發(fā)，分析了光伏技術(shù)與綠色照明在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。

為探討在加油站實(shí)施光伏發(fā)電的應(yīng)用效果，筆者對(duì)光伏發(fā)電的原理、系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行了調(diào)研，并針對(duì)具體實(shí)施案例從加油站光伏發(fā)電整體設(shè)計(jì)、改造方案以及改造效果進(jìn)行了研究，剖析了在加油站實(shí)施光伏發(fā)電的科學(xué)性和有效性。

1 光伏發(fā)電原理

“光生伏特效應(yīng)”是指物體吸收光子而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，是當(dāng)物體受光照時(shí)，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流的一種效應(yīng)，主要應(yīng)用在半導(dǎo)體的PN結(jié)上，把輻射能轉(zhuǎn)換成電能。光伏發(fā)電就是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池經(jīng)過(guò)串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽(yáng)能電池組件，再配合功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電系統(tǒng)裝置[9]。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏電池組件、控制器和逆變器組成。目前光伏系統(tǒng)大量使用的光伏電池組件是以硅為基底的硅太陽(yáng)能電池；控制器由專用處理器CPU、電子元器件、顯示器、開關(guān)功率管等組成，作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對(duì)蓄電池起過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)的作用。逆變器是將發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，又分為離網(wǎng)逆變器和并網(wǎng)逆變器[11]。

光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)是否與電網(wǎng)相連可分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。其中，根據(jù)用電負(fù)載的特點(diǎn)，獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)還可以分為直流系統(tǒng)、交流系統(tǒng)和交直流混合系統(tǒng)等[10]。在加油站中，對(duì)光伏的利用可發(fā)電并網(wǎng)，可站內(nèi)自用，也可二者結(jié)合，即所發(fā)電量一部分供加油站耗電設(shè)備使用，另一部分反送輸入公共電網(wǎng)。筆者提出了加油站的光伏發(fā)電和模式為與建筑結(jié)合的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)（BIPV），如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電并網(wǎng)供電系統(tǒng)原理

2.1 太陽(yáng)能發(fā)電光伏組件

太陽(yáng)電池組件的最基本元件是太陽(yáng)電池，有單晶硅、多晶硅、非晶硅和其它薄膜電池等。目前，晶體硅（包括單晶硅和多晶硅）太陽(yáng)電池組件應(yīng)用規(guī)模最大，約占光伏組件總市場(chǎng)的70%～80%。太陽(yáng)電池組件是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成單元。單晶硅和多晶硅太陽(yáng)電池組件實(shí)物如圖2、圖3所示。

圖2 單晶硅太陽(yáng)電池組件

圖3 多晶硅太陽(yáng)電池組件

2.2 晶硅電池與薄膜電池的區(qū)別

加油站光伏發(fā)電晶硅電池與薄膜電池的區(qū)別如表1（1）和（2）所示。

表1 晶硅電池與薄膜電池的區(qū)別（1）

2.3 并網(wǎng)光伏逆變器

并網(wǎng)光伏逆變器的工作原理是：利用單片機(jī)、DSP等高性能微處理器控制大功率電力電子開關(guān)器件工作，對(duì)光伏組件陣列輸出的直流電進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使設(shè)備輸出滿足電網(wǎng)電壓、相位及頻率要求的交流電。并網(wǎng)光伏逆變器最特別之處在于，為保證光伏組件陣列始終能夠以最大功率輸出電能，系統(tǒng)中采用了最大功率跟蹤（MPPT）控制技術(shù)，目前所有的并網(wǎng)光伏逆變器均采用此項(xiàng)技術(shù)。

太陽(yáng)能并網(wǎng)光伏系統(tǒng)使用的并網(wǎng)光伏逆變器必須具有高品質(zhì)的電能輸出、過(guò)／欠電壓、過(guò)／欠頻率、防孤島效應(yīng)、短路保護(hù)、逆向功率保護(hù)等保護(hù)功能外，同時(shí)應(yīng)將其電壓（或者電流）總諧波畸變率控制在較小的范圍內(nèi)，減少對(duì)電網(wǎng)的干擾。先進(jìn)的光伏逆變器都配置有高性能濾波電路，使逆變器交流輸出的電能質(zhì)量很高，能夠滿足各項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)公共電網(wǎng)電能的質(zhì)量要求，且不會(huì)對(duì)公共電網(wǎng)質(zhì)量造成污染。在運(yùn)行過(guò)程中，并網(wǎng)光伏逆變器還可以實(shí)時(shí)進(jìn)行電網(wǎng)檢測(cè)，使逆變器的交流輸出電流與電網(wǎng)電壓的相位保持一致，因此功率因數(shù)能保持在相當(dāng)高的水平，接近1.0左右。具體標(biāo)準(zhǔn)參見GB／T 19939—2005《光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求》。

表1 晶硅電池與薄膜電池的區(qū)別（2）

2.4 光伏系統(tǒng)配套電氣設(shè)備

2.4.1 交流匯流箱

交流匯流箱的作用是根據(jù)某區(qū)域安裝的逆變器，把一定數(shù)量規(guī)格相同的逆變器輸出線接入交流匯流箱進(jìn)行匯流，通過(guò)防雷器與斷路器后輸出，最后通過(guò)交流防雷配電柜控制接入市電用戶側(cè)。交流匯流箱可根據(jù)光伏系統(tǒng)的實(shí)際需要進(jìn)行定制。

2.4.2 交流防雷配電柜作用

為保護(hù)并網(wǎng)光伏逆變器不受市電引入感應(yīng)雷破壞，交流部分的防雷可以將防雷器串接斷路器再并入三相交流輸出線。防雷器接地端須與地線可靠連接。

2.4.3 防雷接地

雷電對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備的影響，主要由以下幾個(gè)方面：

（1）直擊雷。太陽(yáng)電池組件大多都是安裝在室外屋頂或是空曠區(qū)域，所以雷電很可能直接擊中太陽(yáng)電池組件，造成設(shè)備的損壞而無(wú)法正常工作。

（2）感應(yīng)雷。遠(yuǎn)處的雷電閃擊，由于電磁脈沖空間傳播的緣故，會(huì)在太陽(yáng)電池組件到控制器或者是逆變器、控制器到直流負(fù)載、逆變器到配電柜以及配電柜到交流負(fù)載等的供電線路上產(chǎn)生浪涌過(guò)電壓，損壞電氣設(shè)備。

（3）地電位反擊。在有外部防雷保護(hù)的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，由于外部防雷裝置將雷電引入大地，導(dǎo)致地網(wǎng)上產(chǎn)生高電壓，高電壓通過(guò)設(shè)備的接地線進(jìn)入設(shè)備，從而損壞控制器、逆變器或者是交、直流負(fù)載等設(shè)備。

光伏發(fā)電設(shè)備外部防雷系統(tǒng)的作用是提供直擊雷電流泄放通道，使雷電不會(huì)直接擊中太陽(yáng)電池組件。外部防雷系統(tǒng)包括三部分：接閃器、引下線和接地地網(wǎng)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)必須有相對(duì)完善的外部防雷措施，以保證裸露在室外的太陽(yáng)電池組件不被直接雷擊損壞。

3 光伏發(fā)電在加油站的應(yīng)用

截至2015年底，全國(guó)約有加油站10萬(wàn)座，加油站的構(gòu)成基本相同，主要由站房、罩棚、加油島、儲(chǔ)油罐區(qū)、行車道、圍墻等組成。加油區(qū)的罩棚、站房以及停車區(qū)的停車棚頂部都可以安裝光伏發(fā)電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)光伏發(fā)電。目前在海南、山西等地均有光伏發(fā)電的試點(diǎn)加油站，本文選取?？谑兰o(jì)加油站、山西某加油站介紹加油站光伏發(fā)電的應(yīng)用情況。

3.1 海南石油分公司加油站光伏發(fā)電示范項(xiàng)目

中國(guó)石化海南石油分公司目前已在海南省3座加油站試點(diǎn)建設(shè)了小型分布式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。3座加油站分別是：?？谑兰o(jì)加油站、三亞鳳凰加油站、瓊海博鰲南加油站。均利用閑置屋頂建設(shè)分布太陽(yáng)光伏發(fā)電站，采用單回0.4 kV線路接入配電變壓器低壓側(cè)母線，在電源進(jìn)線開關(guān)處，就近提供工作用電，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電自發(fā)自用、余電上網(wǎng)。三座加油站投資及發(fā)電情況如表2所示。

表2 三座加油站投資及發(fā)電情況表

3.2 ?？谑兰o(jì)加油站光伏發(fā)電改造

3.2.1 加油站改造方案

該加油站位于?？谑兄鞒菂^(qū)，加油站屋頂和罩棚面積約730m2。改造方案為：利用屋頂空余面積360m2，建造裝機(jī)容量30 kW的光伏發(fā)電站，如圖4所示。具體方案為屋頂光伏所發(fā)電量經(jīng)匯流箱匯流和逆變器逆變之后，直接以單回0.4kV線路接入配電變壓器低壓側(cè)母線。與電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)設(shè)置在開閉所電源進(jìn)線開關(guān)處，就近提供工作用電，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電自發(fā)自用、就地消納。

圖4 加油站罩棚太陽(yáng)能電池板

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，海口世紀(jì)加油站的罩棚和水泥屋頂1m2可安裝50～70W的組件，光伏發(fā)電系統(tǒng)投資約8～9元／W。?？谑兰o(jì)加油站光伏發(fā)電改造分項(xiàng)投資、項(xiàng)目收益和節(jié)能減排見表3、4、5所示。

表3 加油站光伏發(fā)電改造投資明細(xì)表

表4 加油站光伏發(fā)電改造項(xiàng)目收益明細(xì)表

表5 ?？谑兰o(jì)加油站節(jié)能減排換算表

3.2.2 光伏發(fā)電應(yīng)用效果

2015年4月8日，海口世紀(jì)加油站光伏發(fā)電改造項(xiàng)目建成，自并網(wǎng)發(fā)電開始，截止2018年1月份，發(fā)電量達(dá)115 429kWh。加油站光伏使用率占比約70%，已為加油站節(jié)省約8×104kWh，合電費(fèi)7.1萬(wàn)元，國(guó)家能源局可再補(bǔ)貼4.8萬(wàn)元（光伏發(fā)電可享受0.42元／（kWh）國(guó)補(bǔ)）。在保證自發(fā)自用情況下，約30%多余電量送入電網(wǎng)，并通過(guò)電表記錄上網(wǎng)數(shù)據(jù)，上網(wǎng)電價(jià)可享受0.429 8元／（kWh）（電網(wǎng)脫硫電價(jià)），約 1.5萬(wàn)元；兩年半收益共13.4萬(wàn)元，約6年左右可收回投資成本。

4 山西某加油站光伏發(fā)電改造

4.1 加油站改造方案

該加油站占地面積1 726.7 m2，其中站房建筑面積652 m2，二層磚混結(jié)構(gòu)；罩棚面積589 m2，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。改造完成的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括：

（1）太陽(yáng)能光伏電池組件，選用太原某科技股份有限公司的單晶硅太陽(yáng)能光伏電池組件（型號(hào)TN－72－5M－190）216套，總峰值功率41 kW。安裝在加油站罩棚頂和站房頂上。組件壽命≥25年。

（2）蓄電池。蓄電池用于儲(chǔ)存太陽(yáng)能電池方陣發(fā)出的電能，以便隨時(shí)向負(fù)載供電。選用閥控密封膠體鉛酸蓄電池，型號(hào)JGFM－2000，規(guī)格2V－2000Ah，數(shù)量110塊。串聯(lián)安裝，總?cè)萘?20V－2000Ah，能夠在連續(xù)3個(gè)陰雨天為加油站提供照明用電。

（3）控制器，控制器使用了 PESM200A／220V太陽(yáng)能控制器，采用微電腦芯片和無(wú)觸點(diǎn)控制技術(shù)，可以監(jiān)測(cè)蓄電池電壓、充放電電流、機(jī)箱內(nèi)溫度、蓄電池溫度、指示故障等。功能擴(kuò)展后可以記錄每天發(fā)、放電量和月發(fā)、放電量，記錄各種故障信息和出現(xiàn)的時(shí)間。

（4）逆變器，逆變器使用了 PEII30K／220－3P－SD離網(wǎng)逆變器，將蓄電池儲(chǔ)存的220V直流電，轉(zhuǎn)換為380V三相交流電，供照明等電器使用。

圖5 加油站太陽(yáng)能照明供電系統(tǒng)框圖

4.2 光伏發(fā)電應(yīng)用效果

該站自2013年底改造完成正式投入使用以來(lái)，光伏發(fā)電系統(tǒng)及室內(nèi)外照明燈具、泵房循環(huán)泵一直穩(wěn)定工作，其中太陽(yáng)能電池發(fā)電、蓄電池充放電、交流逆變、送電等都由自動(dòng)控制完成，無(wú)需值守。遇連續(xù)陰雨天，蓄電池能夠提供3天的照明供電。光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用有效地減少了加油站的電能消耗，根據(jù)該站光伏發(fā)電改造規(guī)模，該系統(tǒng)一年能為加油站節(jié)約電費(fèi)約4萬(wàn)元。

5 建議

光伏發(fā)電技術(shù)在加油站中的應(yīng)用，不會(huì)對(duì)建筑物原有屋面造成影響，改造投資回收周期適中，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)能夠有效地減少加油站的電能消耗，對(duì)于企業(yè)的節(jié)能減排、節(jié)能降耗起到良好的助推作用，可以考慮進(jìn)行大范圍推廣。

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