程 琪

〔中国石化销售有限公司 北京 100728〕

随着环境保护的强化，新能源发电将是未来电力系统的主要发展趋势[1]。光伏发电技术利用光电效应直接将太阳光转化为电能，发电过程中不产生任何污染，正引起越来越多国家的关注[2]。目前，加油站遍布我国各地，具有充足的可利用资源，如果借助于加油站中的建筑，通过光伏发电技术发电，不仅可以承担部分加油站自身的用电需求，还可以将电能反向馈入电网的发电系统，为加油站带来可观的经济效益，为国家的节能增效计划做贡献。

近年来，诸多国内外学者对光伏发电技术进行了研究。S.R.Wenham等[3]研究了光伏产业发展对经济的影响效果，提出光伏技术创新是产业发展的主要推动因素。John Byrne等[4]基于光伏项目的应用前景分析了光伏发电经济效益的多样性。张悦等[5]从光伏技术的应用、价值链和成本分析等方面来探讨了光伏技术带来的社会效应和经济效应[5]。严吉坤等人[6]研究了在加油站增设光伏发电设施的可行性，提出了加油站光伏发电整体解决方案。丁明等人[7]探究了光伏发电与电力系统之间的相互影响，对光伏并网、光伏外送及消纳等关键技术进行了分析。张铁等[8]从光伏技术应用的实际意义出发，分析了光伏技术与绿色照明在建筑领域应用的优势。

为探讨在加油站实施光伏发电的应用效果，笔者对光伏发电的原理、系统构成进行了调研，并针对具体实施案例从加油站光伏发电整体设计、改造方案以及改造效果进行了研究，剖析了在加油站实施光伏发电的科学性和有效性。

1 光伏发电原理

“光生伏特效应”是指物体吸收光子而产生电动势的现象，是当物体受光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应，主要应用在半导体的PN结上，把辐射能转换成电能。光伏发电就是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳能电池组件，再配合功率控制器等部件就形成了光伏发电系统装置[9]。

2 光伏发电系统

光伏发电系统主要由光伏电池组件、控制器和逆变器组成。目前光伏系统大量使用的光伏电池组件是以硅为基底的硅太阳能电池；控制器由专用处理器CPU、电子元器件、显示器、开关功率管等组成，作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起过充电保护、过放电保护的作用。逆变器是将发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，又分为离网逆变器和并网逆变器[11]。

光伏发电系统根据是否与电网相连可分为独立光伏发电系统和光伏并网发电系统。其中，根据用电负载的特点，独立光伏发电系统还可以分为直流系统、交流系统和交直流混合系统等[10]。在加油站中，对光伏的利用可发电并网，可站内自用，也可二者结合，即所发电量一部分供加油站耗电设备使用，另一部分反送输入公共电网。笔者提出了加油站的光伏发电和模式为与建筑结合的并网光伏发电系统（BIPV），如图1所示。

图1 光伏发电并网供电系统原理

2.1 太阳能发电光伏组件

太阳电池组件的最基本元件是太阳电池，有单晶硅、多晶硅、非晶硅和其它薄膜电池等。目前，晶体硅（包括单晶硅和多晶硅）太阳电池组件应用规模最大，约占光伏组件总市场的70%～80%。太阳电池组件是并网光伏发电系统的基本组成单元。单晶硅和多晶硅太阳电池组件实物如图2、图3所示。

图2 单晶硅太阳电池组件

图3 多晶硅太阳电池组件

2.2 晶硅电池与薄膜电池的区别

加油站光伏发电晶硅电池与薄膜电池的区别如表1（1）和（2）所示。

表1 晶硅电池与薄膜电池的区别（1）

2.3 并网光伏逆变器

并网光伏逆变器的工作原理是：利用单片机、DSP等高性能微处理器控制大功率电力电子开关器件工作，对光伏组件阵列输出的直流电进行转换，使设备输出满足电网电压、相位及频率要求的交流电。并网光伏逆变器最特别之处在于，为保证光伏组件阵列始终能够以最大功率输出电能，系统中采用了最大功率跟踪（MPPT）控制技术，目前所有的并网光伏逆变器均采用此项技术。

太阳能并网光伏系统使用的并网光伏逆变器必须具有高品质的电能输出、过／欠电压、过／欠频率、防孤岛效应、短路保护、逆向功率保护等保护功能外，同时应将其电压（或者电流）总谐波畸变率控制在较小的范围内，减少对电网的干扰。先进的光伏逆变器都配置有高性能滤波电路，使逆变器交流输出的电能质量很高，能够满足各项国家标准对公共电网电能的质量要求，且不会对公共电网质量造成污染。在运行过程中，并网光伏逆变器还可以实时进行电网检测，使逆变器的交流输出电流与电网电压的相位保持一致，因此功率因数能保持在相当高的水平，接近1.0左右。具体标准参见GB／T 19939—2005《光伏系统并网技术要求》。

表1 晶硅电池与薄膜电池的区别（2）

2.4 光伏系统配套电气设备

2.4.1 交流汇流箱

交流汇流箱的作用是根据某区域安装的逆变器，把一定数量规格相同的逆变器输出线接入交流汇流箱进行汇流，通过防雷器与断路器后输出，最后通过交流防雷配电柜控制接入市电用户侧。交流汇流箱可根据光伏系统的实际需要进行定制。

2.4.2 交流防雷配电柜作用

为保护并网光伏逆变器不受市电引入感应雷破坏，交流部分的防雷可以将防雷器串接断路器再并入三相交流输出线。防雷器接地端须与地线可靠连接。

2.4.3 防雷接地

雷电对太阳能光伏发电系统设备的影响，主要由以下几个方面：

（1）直击雷。太阳电池组件大多都是安装在室外屋顶或是空旷区域，所以雷电很可能直接击中太阳电池组件，造成设备的损坏而无法正常工作。

（2）感应雷。远处的雷电闪击，由于电磁脉冲空间传播的缘故，会在太阳电池组件到控制器或者是逆变器、控制器到直流负载、逆变器到配电柜以及配电柜到交流负载等的供电线路上产生浪涌过电压，损坏电气设备。

（3）地电位反击。在有外部防雷保护的光伏发电系统中，由于外部防雷装置将雷电引入大地，导致地网上产生高电压，高电压通过设备的接地线进入设备，从而损坏控制器、逆变器或者是交、直流负载等设备。

光伏发电设备外部防雷系统的作用是提供直击雷电流泄放通道，使雷电不会直接击中太阳电池组件。外部防雷系统包括三部分：接闪器、引下线和接地地网。太阳能光伏发电系统必须有相对完善的外部防雷措施，以保证裸露在室外的太阳电池组件不被直接雷击损坏。

3 光伏发电在加油站的应用

截至2015年底，全国约有加油站10万座，加油站的构成基本相同，主要由站房、罩棚、加油岛、储油罐区、行车道、围墙等组成。加油区的罩棚、站房以及停车区的停车棚顶部都可以安装光伏发电设备，实现站内光伏发电。目前在海南、山西等地均有光伏发电的试点加油站，本文选取海口世纪加油站、山西某加油站介绍加油站光伏发电的应用情况。

3.1 海南石油分公司加油站光伏发电示范项目

中国石化海南石油分公司目前已在海南省3座加油站试点建设了小型分布式太阳能发电系统。3座加油站分别是：海口世纪加油站、三亚凤凰加油站、琼海博鳌南加油站。均利用闲置屋顶建设分布太阳光伏发电站，采用单回0.4 kV线路接入配电变压器低压侧母线，在电源进线开关处，就近提供工作用电，实现光伏发电自发自用、余电上网。三座加油站投资及发电情况如表2所示。

表2 三座加油站投资及发电情况表

3.2 海口世纪加油站光伏发电改造

3.2.1 加油站改造方案

该加油站位于海口市主城区，加油站屋顶和罩棚面积约730m2。改造方案为：利用屋顶空余面积360m2，建造装机容量30 kW的光伏发电站，如图4所示。具体方案为屋顶光伏所发电量经汇流箱汇流和逆变器逆变之后，直接以单回0.4kV线路接入配电变压器低压侧母线。与电网的公共连接点设置在开闭所电源进线开关处，就近提供工作用电，实现光伏发电自发自用、就地消纳。

图4 加油站罩棚太阳能电池板

根据调研结果，海口世纪加油站的罩棚和水泥屋顶1m2可安装50～70W的组件，光伏发电系统投资约8～9元／W。海口世纪加油站光伏发电改造分项投资、项目收益和节能减排见表3、4、5所示。

表3 加油站光伏发电改造投资明细表

表4 加油站光伏发电改造项目收益明细表

表5 海口世纪加油站节能减排换算表

3.2.2 光伏发电应用效果

2015年4月8日，海口世纪加油站光伏发电改造项目建成，自并网发电开始，截止2018年1月份，发电量达115 429kWh。加油站光伏使用率占比约70%，已为加油站节省约8×104kWh，合电费7.1万元，国家能源局可再补贴4.8万元（光伏发电可享受0.42元／（kWh）国补）。在保证自发自用情况下，约30%多余电量送入电网，并通过电表记录上网数据，上网电价可享受0.429 8元／（kWh）（电网脱硫电价），约 1.5万元；两年半收益共13.4万元，约6年左右可收回投资成本。

4 山西某加油站光伏发电改造

4.1 加油站改造方案

该加油站占地面积1 726.7 m2，其中站房建筑面积652 m2，二层砖混结构；罩棚面积589 m2，钢筋混凝土结构。改造完成的光伏发电系统主要包括：

（1）太阳能光伏电池组件，选用太原某科技股份有限公司的单晶硅太阳能光伏电池组件（型号TN－72－5M－190）216套，总峰值功率41 kW。安装在加油站罩棚顶和站房顶上。组件寿命≥25年。

（2）蓄电池。蓄电池用于储存太阳能电池方阵发出的电能，以便随时向负载供电。选用阀控密封胶体铅酸蓄电池，型号JGFM－2000，规格2V－2000Ah，数量110块。串联安装，总容量220V－2000Ah，能够在连续3个阴雨天为加油站提供照明用电。

（3）控制器，控制器使用了 PESM200A／220V太阳能控制器，采用微电脑芯片和无触点控制技术，可以监测蓄电池电压、充放电电流、机箱内温度、蓄电池温度、指示故障等。功能扩展后可以记录每天发、放电量和月发、放电量，记录各种故障信息和出现的时间。

（4）逆变器，逆变器使用了 PEII30K／220－3P－SD离网逆变器，将蓄电池储存的220V直流电，转换为380V三相交流电，供照明等电器使用。

图5 加油站太阳能照明供电系统框图

4.2 光伏发电应用效果

该站自2013年底改造完成正式投入使用以来，光伏发电系统及室内外照明灯具、泵房循环泵一直稳定工作，其中太阳能电池发电、蓄电池充放电、交流逆变、送电等都由自动控制完成，无需值守。遇连续阴雨天，蓄电池能够提供3天的照明供电。光伏发电技术的应用有效地减少了加油站的电能消耗，根据该站光伏发电改造规模，该系统一年能为加油站节约电费约4万元。

5 建议

光伏发电技术在加油站中的应用，不会对建筑物原有屋面造成影响，改造投资回收周期适中，具有良好的经济效益，同时能够有效地减少加油站的电能消耗，对于企业的节能减排、节能降耗起到良好的助推作用，可以考虑进行大范围推广。

[1]赵争鸣，雷一，贺凡波，等.大容量并网光伏电站技术综述[J].电力系统自动化，2011，35（12）：101－107.

[2]周四清，马超群，李林.太阳能光伏产业可持续发展理论研究思考[J].科技进步与对策，2007，（7）：88－90.

[3]Wen ham S.R.Australian education and research opportunities arising through rapid growth in the photovoltaic industry[J].Solar Energy Material＆Solar Cells，2001：647－656.

[4]John Byrne.Demand－sideman agement of photovoltaic power generation projects[J].Resources for the Future，2005（3）：103－107.

[5]张悦，梁双.光伏发电技术的应用与经济性分析[J].现代商业，2009，（36）：82－84.

[6]严吉坤，孙卓.加油站增设电动汽车充电及光伏发电系统的研究[J].电气技术，2012，（12）：27－31.

[7]丁明，王伟胜，王秀丽，等.大规模光伏发电对电力系统影响综述[J].中国电机工程学报，2014，34（1）：1－14.

[8]张铁，鲁国起等.光伏电站并网对电网可靠性的影响[J].华东电力，2010，（5）：700－706.

[9]刘东冉，陈树勇，马敏，等.光伏发电系统模型综述[J].电网技术，2011，35（8）：47－52.

[10]张兴，曹仁贤，等.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M].北京：机械工业出版社，2011.

[11]周德佳，赵争鸣，袁立强，等.300k W光伏并网系统优化控制与稳定性分析[J].电工技术学报，2008，23（11）：116－122.