淺談太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在841臺(tái)應(yīng)用的可行性

盧建麗　趙　迪..內(nèi)蒙古新聞出版廣電局84臺(tái)　內(nèi)蒙古　呼和浩特市　00050

淺談太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在841臺(tái)應(yīng)用的可行性

盧建麗1趙迪2
1.2.內(nèi)蒙古新聞出版廣電局841臺(tái)內(nèi)蒙古呼和浩特市010050

【摘要】太陽(yáng)能是一種清潔的可再生能源，取之不盡，用之不竭。目前對(duì)太陽(yáng)能的利用越來(lái)越廣泛，其中光伏發(fā)電技術(shù)不僅得到政府的大力支持而且發(fā)展前景廣闊。841廣播電視綜合發(fā)射臺(tái)承擔(dān)著24套廣播電視節(jié)目發(fā)射任務(wù)，因此臺(tái)里用電量非常大且費(fèi)用高昂。本文主要分析并網(wǎng)光伏發(fā)電技術(shù)在我臺(tái)應(yīng)用的可行性，及其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)能廣播電視發(fā)射臺(tái)光伏技術(shù)

1　研究背景

能源是能夠向人類(lèi)提供能量的自然資源，也是人類(lèi)從事生產(chǎn)和社會(huì)活動(dòng)的基礎(chǔ)。進(jìn)入21世紀(jì)，人類(lèi)社會(huì)面臨著日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)。傳統(tǒng)能源（包括煤、石油、天然氣）不僅數(shù)量有限，而且已造成嚴(yán)重的生態(tài)失衡和環(huán)境污染。

在所有可再生能源來(lái)源中，太陽(yáng)能最具解決全球能源危機(jī)的潛力。太陽(yáng)能是一種清潔的可再生能源，取之不盡，用之不竭，分布最廣泛，獲取最容易。通常意義的太陽(yáng)能利用，指的是對(duì)直接投射到地球表面的太陽(yáng)輻射能的利用，包括太陽(yáng)能熱利用和太陽(yáng)能光伏發(fā)電。我國(guó)屬太陽(yáng)能資源豐富的國(guó)家之一，全國(guó)總面積2/3以上地區(qū)年日照時(shí)數(shù)大于2000小時(shí)，陸地面積每年接受的太陽(yáng)輻射能約等于數(shù)萬(wàn)個(gè)三峽工程發(fā)電量的總和。正因?yàn)樘?yáng)能具有這么多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)它的開(kāi)發(fā)機(jī)利用必然會(huì)對(duì)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生重大的影響。在太陽(yáng)能的有效利用當(dāng)中，大陽(yáng)能光電利用是近些年來(lái)發(fā)展最快，最具活力的研究領(lǐng)域，是其中最受矚目的項(xiàng)目之一。

2　并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

2.1太陽(yáng)電池原理

太陽(yáng)電池是一種將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的固態(tài)電子器件。其基本原理為：太陽(yáng)輻射中的光子打入半導(dǎo)體中，產(chǎn)生可自由移動(dòng)的電子和空穴。由于P-N結(jié)具有由N指向P的內(nèi)建電場(chǎng)，它使帶一種電荷的粒子加速通過(guò)，而將另一種帶電粒子反射回去。于是，N型半導(dǎo)體外側(cè)有負(fù)電荷積累，P型半導(dǎo)體外側(cè)有正電荷積累。當(dāng)與外負(fù)載連接時(shí)，電子將從N型外側(cè)流出，經(jīng)過(guò)外電路返回到P型外側(cè)，并與P側(cè)的正電荷重新結(jié)合，同時(shí)對(duì)外輸出電功。

2.2并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)

光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成和負(fù)載種類(lèi)可分為獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)和并網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)。獨(dú)立光伏系統(tǒng)是不與電站發(fā)生任何關(guān)系的閉合系統(tǒng)。它需要配備儲(chǔ)能裝置，費(fèi)用高昂。并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)根據(jù)是否允許通過(guò)供電區(qū)變壓器向主電網(wǎng)饋電，分為可逆流與不可逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)?？赡媪飨到y(tǒng)，是在光伏系統(tǒng)產(chǎn)生剩余電力時(shí)將電能送入電網(wǎng)，當(dāng)系統(tǒng)電力不夠時(shí)，則由電網(wǎng)供電。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)省掉蓄電池，可比獨(dú)立太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的建設(shè)投資可減少達(dá)35%～45%。它以電網(wǎng)為儲(chǔ)能裝置，所發(fā)電能饋入電網(wǎng)，同時(shí)省掉蓄電池避免了蓄電池的二次污染，并可提高系統(tǒng)的平均無(wú)故障時(shí)間。

并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成，如圖1所示。它主要由太陽(yáng)電池方陣、并網(wǎng)逆變器、控制器等部分組成。

圖1　光網(wǎng)光狀發(fā)電圖

（1）太陽(yáng)電池方陣

太陽(yáng)電池單體是用于光電轉(zhuǎn)換的最小單元，一般不能單獨(dú)作為電源使用。將太陽(yáng)電池單體進(jìn)行串聯(lián)并封裝后，就成為太陽(yáng)電池組件，是可以作為電源使用的最小單元。太陽(yáng)電池組件再經(jīng)過(guò)串并聯(lián)裝在支架上，就構(gòu)成了太陽(yáng)電池方陣，可以滿(mǎn)足負(fù)載所要求的輸出功率。太陽(yáng)電池方陣是并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的主要部件。

（2）并網(wǎng)逆變器

并網(wǎng)逆變器主要由逆變器和并網(wǎng)保護(hù)器組成。逆變器是將直流電變化成交流電的設(shè)備；并網(wǎng)保護(hù)器主要用于頻率上下波動(dòng)、過(guò)欠電壓和電網(wǎng)停電等的監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)，把光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開(kāi)，以確保安全。

確保上網(wǎng)電能符合國(guó)家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)在技術(shù)上是否合格的基本要求。因此選擇的逆變器要配置高性能的濾波電路，從而保證逆變器高質(zhì)量的交流輸出，符合國(guó)家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對(duì)電網(wǎng)不會(huì)造成污染。

（3）控制器和測(cè)量設(shè)備

控制器管理光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行。具有如下功能：信號(hào)檢測(cè)；設(shè)備保護(hù)；故障診斷定位；運(yùn)行狀態(tài)指示。對(duì)于大型光伏電站，需要配備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，測(cè)量太陽(yáng)輻射能，環(huán)境溫度，充、放電電量等。

（4）最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)

太陽(yáng)電池的輸出隨太陽(yáng)輻照度和太陽(yáng)電池方陣表面溫度而變動(dòng)，因此需要跟蹤太陽(yáng)電池方陣的工作點(diǎn)并進(jìn)行控制，使方陣始終處于最大輸出。這就要采用最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)：每隔一定時(shí)間讓并網(wǎng)逆變器的直流工作電壓變動(dòng)一次，測(cè)定此時(shí)太陽(yáng)電池輸出功率，并同上次進(jìn)行比較，使并網(wǎng)逆變器的直流電壓始終沿功率變大的方向變化。

圖2　所示為MPPT控制原理示意圖

3　841臺(tái)建設(shè)光伏電站可行性分析

3.1呼和浩特太陽(yáng)能資源及841臺(tái)情況

內(nèi)蒙古自治區(qū)太陽(yáng)能資源較為豐富，太陽(yáng)能年總輻射量在1342～1948KWh/m2之間，年日照時(shí)數(shù)在2600～3400h之間，是全國(guó)高值地區(qū)之一。其中，居首府的呼和浩特市（北緯40.8°，東經(jīng)111.7°，海拔1065米）年太陽(yáng)總輻射量為6241.19MJ/m2，屬于太陽(yáng)能穩(wěn)定地區(qū)。841廣播電視綜合發(fā)射臺(tái)位于呼和浩特西南方向，海拔1024米，占地128畝。目前共有17部發(fā)射機(jī)，全年播出時(shí)間116841小時(shí)，播出總功率達(dá)到74萬(wàn)KW。

3.2光伏電站容量確定及費(fèi)用

841臺(tái)每天用電總量5370多度，其中機(jī)房用電占比將近95%，剩余電量為生活區(qū)所用。因?yàn)闄C(jī)房用電要保證廣播電視節(jié)目安全不間斷播出，因此如果通過(guò)光伏電站供電，那么還應(yīng)保留一路不屬于同一供電網(wǎng)絡(luò)電源作為備用電源。目前841臺(tái)不僅有兩路外電還配有UPS及柴油發(fā)電機(jī)組，在突發(fā)狀況停電時(shí)，可保證電源供給。綜合分析我臺(tái)用電情況，建設(shè)并網(wǎng)型光伏電站較為合適。如果建設(shè)并網(wǎng)發(fā)電站，白天可以通過(guò)光伏電站發(fā)電，剩余電量?jī)?chǔ)存電網(wǎng)中，夜間則由儲(chǔ)存于電網(wǎng)中的電供電。

呼和浩特市傾斜面年太陽(yáng)總輻射量為6947.56MJ/m2，年峰值日照小時(shí)數(shù)為1929h。L（年發(fā)電量）=W（裝機(jī)容量）*H（年峰值日照小時(shí)數(shù)）*η（光伏系統(tǒng)效率），并網(wǎng)光伏電站效率為80%～85%。我臺(tái)年用電量為196萬(wàn)度，如果η 為0.8，則所需裝機(jī)容量為1.27MW。如果我臺(tái)所有電量通過(guò)光伏電站供電，不僅裝機(jī)容量大費(fèi)用高昂，而且占地面積也達(dá)不到要求。綜合分析造價(jià)及占地面積，選擇裝機(jī)容量1.134MW，如表1所示。

表1　不同裝機(jī)容量用電情況及費(fèi)用

目前，發(fā)改委頒布《國(guó)家發(fā)改委關(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》正式確定了地面電站及分布式電站的補(bǔ)貼電價(jià)，分布式項(xiàng)目按全電量補(bǔ)貼，標(biāo)準(zhǔn)為0.42元/度。從上述表格看出，建設(shè)光伏電站后，考慮政府補(bǔ)貼后，每年臺(tái)里電費(fèi)創(chuàng)收41萬(wàn)元。

目前市面上經(jīng)常使用的太陽(yáng)能電池板有單晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜太陽(yáng)電池。硅系列太陽(yáng)能電池中，單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟，但成本太高且工藝復(fù)雜。多晶硅太陽(yáng)電池成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池，而效率高于非晶硅薄膜電池，無(wú)光致衰減效應(yīng)。由于多晶硅轉(zhuǎn)換效率高，壽命長(zhǎng)，性?xún)r(jià)比高，因此選擇多晶硅太陽(yáng)能電池。多晶硅太陽(yáng)能電池板常用的有250WP，255WP，260WP。255板子長(zhǎng)*寬*高是1650×992×50mm，重量為19.5kg，面積約為1.64平米。1.134MW的裝機(jī)容量需板子數(shù)4447塊。太陽(yáng)電池板的總面積7293平米。太陽(yáng)電池組件排列布局需保證彼此不遮光且無(wú)障礙物的影響。光伏電站優(yōu)化布局，占地面積約為10000平米。我臺(tái)無(wú)障礙無(wú)陰影的剩余空地面積滿(mǎn)足用地面積要求。

費(fèi)用包括組件：4.3元/W（255W），逆變器：0.3元/W，施工：0.5元/W和輔材：2.32元/W（包括防雷接地、電線電纜、匯流箱、連接器等）。整體按照7.42元/W計(jì)算，則總費(fèi)用約為840萬(wàn)元。費(fèi)用占比最大的主要是電池板、逆變器及支架。后期的維護(hù)包括清洗、監(jiān)控管理及檢修等，每年維護(hù)費(fèi)用大約20～30萬(wàn)。按照目前我臺(tái)的用電量，不僅每年節(jié)省100多萬(wàn)元電費(fèi)，同時(shí)國(guó)家每年補(bǔ)貼70多萬(wàn)，將近6年時(shí)間就可以收回全部投資成本。

3.3建設(shè)光伏發(fā)電站產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益

光伏電站不消耗化石能源、無(wú)污染物排放、運(yùn)行成本低、操作簡(jiǎn)單。它是有利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的綠色電站。目前我臺(tái)每年用電量超過(guò)196萬(wàn)度（0.639元/度），費(fèi)用至少125萬(wàn)元。如果我臺(tái)建設(shè)太陽(yáng)能光伏電站，那么每年可節(jié)約不少事業(yè)經(jīng)費(fèi)。這也是廣播電視發(fā)射臺(tái)管理及運(yùn)行模式的創(chuàng)新。它在節(jié)支增收的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了很好的社會(huì)效益，具有典型的節(jié)能減排示范效應(yīng)。按年發(fā)電量175萬(wàn)度的光伏電站考慮，它可為電網(wǎng)節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤630噸，同時(shí)減少污染排放二氧化碳（C02）1744噸、二氧化硫（S02）53噸、氮氧化物（NOX）26噸。

3.4影響發(fā)電效率因素分析

組件表面塵積影響組件接收到的太陽(yáng)輻射量，降低發(fā)電功率及總發(fā)電量。內(nèi)蒙古自西向東分布有多個(gè)沙漠和沙地，是各路冷空氣東移南下的必經(jīng)之地。而冷空氣過(guò)境時(shí)帶來(lái)的大風(fēng)，則為沙塵天氣的形成提供了動(dòng)力條件。呼和浩特沙塵天氣主要發(fā)生在每年3月至5月。我臺(tái)西側(cè)緊挨水泥廠，雖有土山隔離，但秋冬季西北風(fēng)仍會(huì)把大量灰塵刮進(jìn)臺(tái)里。因此，太陽(yáng)電池組件應(yīng)安裝于我臺(tái)東南方空曠之處，減少塵積對(duì)太陽(yáng)能電池板發(fā)電效率的影響并定期清洗組件表面。

結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，發(fā)展和使用清潔的可再生能源已成為國(guó)際社會(huì)的共識(shí)。我國(guó)政府不僅號(hào)召全社會(huì)大力提高能源利用效率、節(jié)約資源，而且對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)利用加大了支持力度。隨著光伏技術(shù)的不斷進(jìn)步及太陽(yáng)電池組件性能的不斷提高，光伏發(fā)電必將成為重要的發(fā)電技術(shù)。光伏發(fā)電技術(shù)如果科學(xué)合理地應(yīng)用到廣播電視發(fā)射臺(tái)，必將得到經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的雙豐收，為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。

審稿人：嚴(yán)志剛內(nèi)蒙古新聞出版廣電局包頭廣播發(fā)射中心臺(tái)正高級(jí)工程師

責(zé)任編輯：王學(xué)敏

【中圖分類(lèi)號(hào)】G222

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】C

【文章編號(hào)】2096-0751（2016）01-0027-04

作者簡(jiǎn)介：盧建麗內(nèi)蒙古新聞出版廣電局841臺(tái)工程師趙迪內(nèi)蒙古新聞出版廣電局841臺(tái)工程師