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        光伏發(fā)電技術(shù)在廣電行業(yè)中的應(yīng)用

        2018-07-05 13:06:16
        西部廣播電視 2018年12期

        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,全球溫室效應(yīng)、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(jī)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(jié)構(gòu),走可持續(xù)發(fā)展道路??稍偕茉粗刑柲芤匀≈槐M、用之不竭的、無污染、廉價、人類能夠自由利用等優(yōu)勢備受青睞。太陽輻射每秒鐘到達(dá)地面的能量高達(dá)80萬kW·h,假如把地球表面0.1%的太陽能轉(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。

        全球太陽能光伏產(chǎn)業(yè)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(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,積極推動太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展。據(jù)前瞻網(wǎng)《2013-2017年中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)市場前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》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%,全球累計安裝量超過67 GW。據(jù)預(yù)測,到2030年太陽能光伏發(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)用尚無前例。

        1 光伏發(fā)電技術(shù)淺析

        太陽能發(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“太陽能發(fā)電”指的就是光伏發(fā)電,全稱為太陽能光伏發(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(fù)電的N型半導(dǎo)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(dǎo)體。當(dāng)P型和N型結(jié)合在一起時,接觸面就會形成電勢差,成為太陽能電池。當(dāng)太陽光照射到P-N結(jié)后,空穴由N極區(qū)往P極區(qū)移動,電子由P極區(qū)向N極區(qū)移動,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,安裝維護(hù)也相對簡單。光伏發(fā)電系統(tǒng)既可以獨立使用,也可以并網(wǎng)發(fā)電,靈活的電力存儲模式適應(yīng)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(fā)射臺建設(shè)光伏電站構(gòu)想

        安徽省作為光伏應(yīng)用大省,申報金太陽及光電建筑項目裝機(jī)容量達(dá)到180 MWp,處于全國前列。為鼓勵各地方分布式光伏發(fā)電項目的推廣,省級部分地市均出臺了一系列扶持補(bǔ)貼政策,并積極協(xié)助各地申報國家示范區(qū)。2013年在《國家發(fā)展改革委關(guān)于發(fā)揮價格杠桿作用促進(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)電項目價格政策,安徽省發(fā)展改革委員會也對分布式光伏發(fā)電實行了全電量補(bǔ)貼,標(biāo)準(zhǔn)為每千瓦時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)電項目自用有余上網(wǎng)的電量,電網(wǎng)企業(yè)應(yīng)以每千瓦時0.435元的標(biāo)準(zhǔn)收購。

        廣播電視發(fā)射臺的主要工作任務(wù)是發(fā)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(xiàn)有傳輸發(fā)射臺站20座,據(jù)統(tǒng)計,截止2013年底廣電發(fā)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(fā)電這種新能源技術(shù),則能大幅度降低廣播電視發(fā)射臺站運行成本,且可以作為臺站災(zāi)備供電系統(tǒng)。

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

        3 安徽廣播電視臺宿州屏山發(fā)射臺建設(shè)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(fā)射臺,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。屬暖溫帶半溫潤季風(fēng)氣候,四季之中春、秋季短,冬、夏季長,年日照時數(shù)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(tǒng)設(shè)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(dǎo)致的發(fā)電量損失;第二,場地利用率高,系統(tǒng)布局設(shè)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(yù)警,降低事故發(fā)生概率,維護(hù)財產(chǎn)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(shù)據(jù)分析和報表,實現(xiàn)對電站數(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,充分利用屏山臺區(qū)閑置空地。

        3.3 工程技術(shù)方案

        根據(jù)屏山發(fā)射臺的實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)射臺建設(shè)80 kW光伏發(fā)電站,占地面積為800 m2。屏山發(fā)射臺的平面圖如圖1所示,根據(jù)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(shè)計采用正南0°方位角,安裝高度角25°。設(shè)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(wǎng),配置一面交流配電柜放置于山頂配電房內(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)計裝機(jī)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(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進(jìn)行,電纜敷設(shè)后即時接線。

        圖1 泗縣屏山發(fā)射臺平面圖

        圖2 光伏組件內(nèi)部接線示意圖

        太陽能光伏方陣內(nèi)的電纜敷設(shè):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(jìn)行正負(fù)極標(biāo)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(chǔ)

        由于本項目在山頂?shù)孛鎸嵤m然亂石質(zhì)地堅硬,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)過欠壓保護(hù)、電網(wǎng)過欠頻保護(hù)、過熱保護(hù)、過載保護(hù)、接地保護(hù)、孤島效應(yīng)檢測及保護(hù)等功能。

        光伏組件串并設(shè)計如下。

        一是組件串聯(lián)。逆變器的最高輸入電壓和最低工作電壓、太陽電池組件允許的最大系統(tǒng)電壓中三個電壓決定了太陽電池組件串聯(lián)的數(shù)量。電池組件串聯(lián)數(shù)是一個取值范圍,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,上下限值均包含在內(nèi)。

        經(jīng)計算得:串聯(lián)光伏電池數(shù)量 N的取值范圍為:[17 21],根據(jù)現(xiàn)場氣候環(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(lián)。逆變器的額定容量決定太陽電池組串的并聯(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(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、長延時保護(hù)功能和分勵脫扣器、失壓跳閘及低壓閉鎖合閘等功能。

        根據(jù)國家電網(wǎng)公司要求:采用“自發(fā)自用,余量上網(wǎng)”的模式,以380 V電壓等級接入電網(wǎng),且單個并網(wǎng)點總裝機(jī)容量不宜超過400 kW。臺總裝機(jī)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(tǒng)太陽能光伏組件的金屬緊固件與各支座的鋼筋相聯(lián),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(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,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,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。

        無功補(bǔ)償裝置的作用是:控制光伏電站與電網(wǎng)無功功率實現(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,需要配置無功補(bǔ)償裝置,其容量及配置型式根據(jù)電站并網(wǎng)運行后6個月內(nèi)提供的現(xiàn)場運行實測結(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(fā)電量信息,不配置獨立的遠(yuǎn)動系統(tǒng)。采用關(guān)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(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控

        逆變器提供RS485接口與PC通信,實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,可讀出逆變器的運行參數(shù),并能導(dǎo)出多種數(shù)據(jù)分析和報表,實現(xiàn)對電站數(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,實現(xiàn)統(tǒng)一管理。

        4 建設(shè)光伏電站對于廣播電視發(fā)射臺的意義

        第一,國務(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,而本項目積極響應(yīng)了國家環(huán)保、節(jié)能政策。

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

        第三,屏山發(fā)射臺光伏項目是全國首個廣播電視發(fā)射臺,填補(bǔ)了全國廣電系統(tǒng)分布式光伏發(fā)電規(guī)模應(yīng)用的空白。同時,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,廣電臺站多點分布式光伏發(fā)電項目具有突出的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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