光伏發電技術在廣電行業中的應用

司 劍

現代工業的急劇發展，傳統能源消耗巨大，致使能源危機日益突出。與此同時，全球溫室效應、臭氧層的破壞等這些大氣污染問題日益加劇，我們的地球還能適宜我們生存多久值得人類反思。

由于能源危機和大氣污染問題，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構，走可持續發展道路。可再生能源中太陽能以取之不盡、用之不竭的、無污染、廉價、人類能夠自由利用等優勢備受青睞。太陽輻射每秒鐘到達地面的能量高達80萬kW·h，假如把地球表面0.1%的太陽能轉為電能，轉變率5%，每年發電量可達5.6×101 2 kW·h，相當于世界上能耗的40倍。

全球太陽能光伏產業鏈正處于不斷完善、高速增長階段，世界各國均把光伏能源作為未來可持續發展和能源戰略的重要組成部分，紛紛制定相關政策，積極推動太陽能光伏產業發展。據前瞻網《2013-2017年中國光伏發電產業市場前瞻與投資戰略規劃分析報告》調查數據顯示，2011年，全球光伏新增裝機容量約為27.5 GW，較上年的18.1 GW相比，漲幅高達52%，全球累計安裝量超過67 GW。據預測，到2030年太陽能光伏發電在世界總電力供應中將達到10%以上，光伏發電將成為最主要的電力能源，發展前景極其廣闊。但在廣電行業的應用尚無前例。

1 光伏發電技術淺析

太陽能發電分為光熱發電和光伏發電兩種。光伏發電在產銷量、發展速度和發展前景等方面都優于光熱發電。而通俗的“太陽能發電”指的就是光伏發電，全稱為太陽能光伏發電。

光伏發電是以半導體的光電效應為原理，形成電流，發出電能。硅原子有4個電子，如果在純硅中摻入有5個電子的原子如磷原子，就成為帶負電的N型半導體；若在純硅中摻入有3個電子的原子如硼原子，形成帶正電的P型半導體。當P型和N型結合在一起時，接觸面就會形成電勢差，成為太陽能電池。當太陽光照射到P－N結后，空穴由N極區往P極區移動，電子由P極區向N極區移動，產生電流，釋放電能。

光伏發電系統由三部分組成：太陽電池板（組件）、控制器和逆變器，它們均由電子元器件構成，無任何機械部件，因此，設備的可靠性和穩定性表現突出，使用壽命較長，安裝維護也相對簡單。光伏發電系統既可以獨立使用，也可以并網發電，靈活的電力存儲模式適應任何需要電源的場合，上至航天器，下至家用電源，大到兆瓦級電站，小到玩具，光伏電源都可以完美勝任。

2 廣播電視發射臺建設光伏電站構想

安徽省作為光伏應用大省，申報金太陽及光電建筑項目裝機容量達到180 MWp，處于全國前列。為鼓勵各地方分布式光伏發電項目的推廣，省級部分地市均出臺了一系列扶持補貼政策，并積極協助各地申報國家示范區。2013年在《國家發展改革委關于發揮價格杠桿作用促進光伏產業健康發展的通知》中，還進一步完善了光伏發電項目價格政策，安徽省發展改革委員會也對分布式光伏發電實行了全電量補貼，標準為每千瓦時0.42元（含稅），補貼政策執行期原則上為20年。單位投資的光伏發電項目自用有余上網的電量，電網企業應以每千瓦時0.435元的標準收購。

廣播電視發射臺的主要工作任務是發射廣播電視信號，確保廣播電視信號的覆蓋范圍。安徽廣播電視臺現有傳輸發射臺站20座，據統計，截止2013年底廣電發射臺站每年的電費支出巨大，約占總運行成本的50%，因此，如果能夠采用光伏發電這種新能源技術，則能大幅度降低廣播電視發射臺站運行成本，且可以作為臺站災備供電系統。

安徽廣播電視臺傳輸發射臺站有7座臺站地處于高山、13座臺站地處城市郊區等偏遠地區，占地面積較大（特別是中波臺站），周圍無高大建筑遮擋陽光，日照充分，具備建設太陽能光伏發電站的得天獨厚的優勢。

3 安徽廣播電視臺宿州屏山發射臺建設光伏電站實施

3.1 項目工程概況

安徽廣播電視臺宿州屏山發射臺，坐落于安徽省宿州市泗縣屏山鎮屏山山頂，位于北緯33°33′、東經117°51′，海拔105 m。臺區占地面積1公頃，承擔著中央、安徽省及地方廣播電視節目的無線發射工作。泗縣屏山地處淮北平原東部，為安徽省東北邊緣縣。屬暖溫帶半溫潤季風氣候，四季之中春、秋季短，冬、夏季長，年日照時數為2 284～2 495小時，日照率52%～57%，年氣溫14℃，年均無霜期200～220天。

3.2 系統設計原則

第一，解決光伏組件因局部遮擋、老化和朝向不一致導致的發電量損失；第二，場地利用率高，系統布局設計不受朝向一致性限制；第三，減少距離長造成線損問題；第四，故障智能預警，降低事故發生概率，維護財產安全；第五，精確定位故障，減少人工排查的時間和費用；第六，提供多種數據分析和報表，實現對電站數據的有效利用，節省管理成本；第七，光伏并網系統考慮就近并網，減少自身用電；第八，在保證建設質量的基礎上最大程度滿足工程的最佳性價比；第九，并網方式為接入380V低壓電網；第十，采用光伏陣列布置；第十一，充分利用屏山臺區閑置空地。

3.3 工程技術方案

根據屏山發射臺的實際可利用土地面積及經濟效益綜合考慮，擬在屏山發射臺建設80 kW光伏發電站，占地面積為800 m2。屏山發射臺的平面圖如圖1所示，根據太陽能資源和面積情況，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照射面積，光伏組件安裝設計采用正南0°方位角，安裝高度角25°。設計采用兩種逆變器：2臺SG30KTL-M、1臺SG20KTL；光伏組串接入逆變器逆變出交流電接入交流電網，配置一面交流配電柜放置于山頂配電房內。本工程裝機容量較小，屬于小型光伏電站，并網接入山頂35 kV變電站的380 V低壓側。

由于本工程使用低壓入網方式，而且容量較小，可以不設置繼電保護裝置。系統主要包括：太陽能光伏組件、支架及基礎、集成光伏并網逆變器、交流配電柜、防雷接地裝置、系統連接電纜及防護材料。

3.3.1 光伏組件

本工程設計裝機容量為80 kW，計劃選用晶澳250 W多晶硅太陽能組件及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：單塊光伏組件串聯成組串，組串并聯而成光伏電池方陣，光伏組串內部接線如圖2所示。為加快施工進度，光電板MC電纜敷設可與光電板安裝同時進行，電纜敷設后即時接線。

圖1 泗縣屏山發射臺平面圖

圖2 光伏組件內部接線示意圖

太陽能光伏方陣內的電纜敷設：通過太陽能電池組件自帶的引出線連接。在此電氣連接中，必須對方陣的引出電纜線進行正負極標識。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

由于本項目在山頂地面實施，雖然亂石質地堅硬，但仍坑洼不平，需要先進行粉碎處理和填平，然后砌筑混凝土條形基礎，光伏組件支架采用鋼板，支架鋼板底座預埋在混凝土基礎中，組件使用壓塊緊固安裝在支架導軌上，牢固可靠。其支架及基礎施工效果圖如圖4所示。

圖4 支架及基礎施工效果圖

3.3.3 集成光伏并網逆變器

本工程80 kW裝機容量，選用陽光電源逆變器SG2OKTL和SG30KTL-M，具有極性反接保護、短路保護、電網過欠壓保護、電網過欠頻保護、過熱保護、過載保護、接地保護、孤島效應檢測及保護等功能。

光伏組件串并設計如下。

一是組件串聯。逆變器的最高輸入電壓和最低工作電壓、太陽電池組件允許的最大系統電壓中三個電壓決定了太陽電池組件串聯的數量。電池組件串聯數是一個取值范圍，其范圍為：

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

其中，INT是取整符號,上下限值均包含在內。

經計算得：串聯光伏電池數量 N的取值范圍為：[17 21]，根據現場氣候環境結合電池組件連接方便以及逆變器最佳輸入電壓等，取串聯數為20塊。溫度校核計算如下：

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

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

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

圖3 光伏組件之間MC電纜接線方式示意圖

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

3.3.4 電氣主接線及配電裝置

本工程裝機容量80 kW，光伏組直接連接到逆變器上，經逆變后三路逆變器通過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。

0.4 kV低壓光伏配電柜（箱）內配置有4極交流斷路器，該斷路器應具備短路瞬時、長延時保護功能和分勵脫扣器、失壓跳閘及低壓閉鎖合閘等功能。

根據國家電網公司要求：采用“自發自用，余量上網”的模式，以380 V電壓等級接入電網，且單個并網點總裝機容量不宜超過400 kW。臺總裝機容量僅為80 kW，符合單個接入點接入政策。

3.3.5 防雷接地裝置

本系統太陽能光伏組件的金屬緊固件與各支座的鋼筋相聯，實測連接電阻小于4 Ω。光伏電站建在山頂，新增一個接地極耗資巨大且施工困難，可以借助山頂電視發射塔專用接地極，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，可以將光伏發電系統的防雷接地系統直接焊接到山頂防雷接地系統上。

3.3.6 無功補償

根據相關要求：當輸出有功功率大于其額定功率的50%時，功率因數應不小于0.98（超前或滯后）；當輸出有功功率在20%～50%時，功率因數應不小于0.95（超前或滯后）。屏山光伏電站發電功率因數符合上述規定要求，因此，可以不使用功率補償設備和電壓調節設備。

無功補償裝置的作用是：控制光伏電站與電網無功功率實現零交換。如果光伏電站輸出功率因數不符合相關規定，需要配置無功補償裝置，其容量及配置型式根據電站并網運行后6個月內提供的現場運行實測結果確定。

3.3.7 繼電保護

本工程采用380 V接入系統、發電容量80 kW、為低壓網且容量較小、屬于小型光伏發電站。該站因有人值守，所以，該光伏發電系統不設繼電保護、不配置二次監控設備，相關信息可在站內監控系統查閱。

3.3.8 防孤島保護

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

3.3.9 電能計量

在電能采集方面，安裝一套電能采集終端，單獨走1路電能量計費通道，只需上傳發電量信息，不配置獨立的遠動系統。采用關口計費電能表計量方式，同時具備雙向計量功能。

3.3.10 光伏發電系統監控

逆變器提供RS485接口與PC通信，實現遠程監控，可讀出逆變器的運行參數，并能導出多種數據分析和報表，實現對電站數據的有效利用。光伏逆變器之間采用串接方式連接，然后再與PC連接，實現統一管理。

4 建設光伏電站對于廣播電視發射臺的意義

第一，國務院辦公廳于2011年8月31日印發了《“十二五”節能減排綜合性工作方案》，方案要求將節能減排目標合理分解到各地區、各部門，而本項目積極響應了國家環保、節能政策。

第二，屏山發射臺光伏發電項目是安徽廣播電視臺光伏發電項目的試點工程，2014年6月開工建設，7月25日與電網并網發電并正式投入運行，標志著廣電臺創新臺站運行模式試點工作取得成功。

第三，屏山發射臺光伏項目是全國首個廣播電視發射臺，填補了全國廣電系統分布式光伏發電規模應用的空白。同時，這也是安徽省宿州市光伏發電的率先應用，具有良好的示范作用。

總之，廣電臺站多點分布式光伏發電項目具有突出的社會效益和經濟效益。