陸元華

〔中國石化江蘇石油分公司 江蘇南京 210003〕

1 光伏發(fā)電原理

光伏發(fā)電的主要原理是半導體的光電效應(yīng)。光子照射到金屬上時，它的能量可以被金屬中某個電子全部吸收，電子吸收的能量足夠大，能克服金屬內(nèi)部引力做功，離開金屬表面逃逸出來，成為光電子。硅原子有4個外層電子，如果在純硅中摻入有5個外層電子的原子如磷原子，就成為N型半導體；若在純硅中摻入有3個外層電子的原子如硼原子，形成P型半導體。當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。當太陽光照射到P-N結(jié)后，空穴由P極區(qū)往N極區(qū)移動，電子由N極區(qū)向P極區(qū)移動，形成電流。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)通常由光伏方陣、蓄電池組(可選)、蓄電池控制器(可選)、逆變器和交流配電柜組成。

光伏方陣(PV Array)稱光伏陣列，是由若干個光伏組件或光伏板按一定方式組裝在一起并具有固定的支撐結(jié)構(gòu)而構(gòu)成的直流發(fā)電單元。蓄電池組的作用是貯存太陽電池方陣受光照時發(fā)出的電能并可隨時向負載供電。逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的設(shè)備。太陽電池輸出的直流電通過控制逆變裝置變換成交流電，在經(jīng)過相位整合和控制回路進入電網(wǎng)。太陽能發(fā)電系統(tǒng)輸出的電被直接分配到低壓用電負載上，多余的或不足的電力通過連接局域內(nèi)電網(wǎng)來進行調(diào)節(jié)。加油站光伏電站采用“用戶側(cè)”并網(wǎng)的方式，向加油站直接供電，并網(wǎng)點選擇在電網(wǎng)變壓器二次側(cè)和計量表的后端，光伏陣列發(fā)電經(jīng)匯流后，通過逆變器追蹤網(wǎng)電頻率、電壓和相位，經(jīng)逆變整合為與網(wǎng)電相同品質(zhì)的電力，與電網(wǎng)直接連接匯合在一起向負荷供電。光伏供電輸出優(yōu)先于網(wǎng)電，不足部分由網(wǎng)電補充，供電品質(zhì)無任何變化。光伏發(fā)電系統(tǒng)見圖1。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)示意

3 光伏發(fā)電方式選擇

3.1 光伏發(fā)電方式分類

光伏發(fā)電方式分為并網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)(圖2)和獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)(圖3)。

圖2 并網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

圖3 獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

3.1.1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

并網(wǎng)，必須連接到公共電網(wǎng)，就是太陽能發(fā)電、民用電網(wǎng)、公共電網(wǎng)聯(lián)系在一起，這是必須依賴現(xiàn)有電網(wǎng)才能運行的發(fā)電系統(tǒng)。主要由太陽能電池板和逆變器組成，太陽能電池板發(fā)出直接經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電并供電，當太陽能的發(fā)電量超過電器使用的電量時，多余的電就輸送到了公共電網(wǎng)；而當太陽能的發(fā)電量不能滿足電器使用時，就自動從電網(wǎng)中補充。而整個過程都是智能控制，不需要人工操作。

由于這種光伏發(fā)電系統(tǒng)不需要使用蓄電池，也就大大節(jié)省了成本。特別是國家已經(jīng)發(fā)布的并網(wǎng)新政策已經(jīng)明確表示，家庭光伏電站可以免費入網(wǎng)，多余的電還可以賣給電力公司。從投資的長遠角度，按民用光伏電站25年的使用壽命計算，5～10年可以回收成本，剩下的十幾年都是收益。因此，并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)是目前主流的方式[2-4]。

但是，并網(wǎng)也有其缺點，就是當公共電網(wǎng)斷電時，光伏發(fā)電也不能運行。但是如果把其中的并網(wǎng)逆變器換成智能微網(wǎng)逆變器(并網(wǎng)與離網(wǎng)混合逆變器)，斷電時電站仍可以正常運轉(zhuǎn)。

3.1.2 獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

獨立光伏發(fā)電站是不依賴電網(wǎng)而獨立運行的發(fā)電系統(tǒng)，主要由太陽能電池板、儲能蓄電池、充放電控制器、逆變器等部件組成。太陽能電池板發(fā)出的電直接流入蓄電池并儲存起來，需要給電器供電時，蓄電池里的直流電流經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成220 V的交流電，這是一個重復循環(huán)的充放電過程。這種發(fā)電系統(tǒng)由于不受地域的限制，使用很廣泛，只要有陽光照射的地方就可以安裝使用，因此非常適合于偏遠無電網(wǎng)地區(qū)、孤島、漁船、戶外養(yǎng)殖基地等，也可以作為經(jīng)常停電地區(qū)的應(yīng)急發(fā)電設(shè)備[5]。

這種系統(tǒng)由于必須配備蓄電池，且占據(jù)了發(fā)電系統(tǒng)30 %～50 %的成本。而且蓄電池的使用壽命一般都在3～5年，過后又得更換，明顯增加了使用成本。從經(jīng)濟性來說，很難得到大范圍的推廣使用，因此不適合用電方便的地方使用。

3.2 加油站光伏發(fā)電方式選擇

對于加油站光伏項目而言，鑒于耗電自給率與蓄電池成本原因，并網(wǎng)光伏電站更加適合陸上加油站，而水上加油站有些因偏遠無外來電源，獨立光伏發(fā)電站則比較適合。

4 陸上加油站經(jīng)濟效益分析

4.1 加油站分布式光伏經(jīng)濟模型建立

加油站分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電量是經(jīng)濟分析的重要指標，與加油站光伏發(fā)電項目所在地的太陽能資源以及系統(tǒng)裝機容量有關(guān)。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電量為：

(1)

式中：Qs為光伏系統(tǒng)年發(fā)電量，為kW·h;Hy為太陽能年輻射量，kW·h/m2；Hb為標準太陽輻射強度，kW/m2;P為光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機容量，kW；C為光伏組件輻射量系數(shù)；η為光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合影響系數(shù)[6]。

對于江蘇南部地區(qū)，太陽能年輻射量為1 113～1 293 kW·h/m2，對于江蘇北部地區(qū)，太陽能年輻射量為1 293～1 492 kW·h/m2,其中江蘇南京太陽能年輻射量為1 258 kW·h/m2。C取1.05～1.15，一般取1.1。對于并網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，η一般為72%～78%，取為75%。

按照江蘇省光伏上網(wǎng)電價標準,上網(wǎng)電價為P0,加油站商業(yè)用電電價為P1。前期光伏靜態(tài)投資成本為L，每年維護費為β；假設(shè)α系數(shù)電量將上網(wǎng)。則：

年總收入為αQP0+(1-α)QP1

年凈收益為αQP0+(1-α)QP1-β

靜態(tài)投資回收期=前期光伏靜態(tài)投資成本/年凈收益

4.2 投資成本分析

加油站光伏發(fā)電項目投資情況見表1和表2。

表1 加油站光伏項目成本

根據(jù)表1加油站光伏項目成本及表2量化成本與投資回報，從投資分項看，總投資中約40 000元為固定成本，約160 000元為量化成本與光伏面積有關(guān)，可以看出當加油站可安裝面積較小時，由于固定成本的比重較大，投資成本收回用時較長，加油站光伏發(fā)電收益相對較差。

表2 量化成本與投資回報

4.3 發(fā)電量對比分析

4.3.1 經(jīng)濟模型建立預測發(fā)電量

經(jīng)濟模型公式預測按照模型預測表格數(shù)據(jù)如下：以江蘇連云港市某加油站分布式光伏發(fā)電站為例，裝機容量44 kWp，當?shù)靥柲苣贻椛淞繛? 300 kW·h/m2。根據(jù)公式(1)，可預測年發(fā)電量(年衰減按照0.8 %)，可得投產(chǎn)后25年內(nèi)每年預測發(fā)電量(表3)。

表3 經(jīng)濟模型預測發(fā)電量

4.3.2 廠家說明書預測分析

發(fā)電量估算采用NASA數(shù)據(jù)庫所提供的 22 年水平面日均總輻射值作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行分析計算，并將月平均輻射值換算成月峰值日照小時數(shù)。本項目第一年系統(tǒng)總效率為100 %，隨后由于光伏組件實際功率的衰減，系統(tǒng)總效率會逐年下降。本項目擬采用多晶硅太陽電池組件規(guī)格為275 Wp。

假設(shè)本項目運營期為25年，運營期內(nèi)光伏組件的功率呈線性衰減，平均每年衰減0.8 %，25年總共衰減了20 %。光伏電站直流側(cè)電壓高，電流小，導線有一定的損耗，根據(jù)規(guī)范該工程此處損耗為2 %。太陽能組件之間存在特性差異，不一致性損失系數(shù)取3 %。考慮到太陽能組件表面積灰，遮擋損失系數(shù)取4 %。光伏并網(wǎng)逆變器的最大效率為97 %，逆變器一般不會按照最大效率工作，故按照96 %考慮。早晚不可利用太陽能輻射損失系數(shù)為2 %。光伏電池的溫度影響系數(shù)按照2 %考慮。按照當?shù)貧夂蜃兓案鞣N不利因素影響，根據(jù)經(jīng)驗，不可預見因素損失系數(shù)為2 %。系統(tǒng)總效率約為82.5 %。據(jù)此預測本項目 25年內(nèi)的發(fā)電量結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，25年平均發(fā)電量為1 027 350 kW·h(裝機容量為44 kWp)。

表4 說明書項目 25 年內(nèi)的發(fā)電量

4.3.3 經(jīng)濟模型與說明書發(fā)電量及收益比對分析

25年經(jīng)濟模型發(fā)電量為1 073 145 kW·h，說明書預測發(fā)電量為1 027 350 kW·h，二者誤差4 %，屬于正常誤差，影響因素有連云港市太陽能年輻射量與說明書采用的標準太陽能年輻射量不同、光伏組件輻射量系數(shù)與光伏發(fā)電系統(tǒng)綜合影響系數(shù)均采用均值等。

5 光伏發(fā)電經(jīng)濟效益分析

5.1 發(fā)電收益

25年發(fā)電收益預測見表5。根據(jù)2021年江蘇省電網(wǎng)銷售電價表，一般加油站用電為商業(yè)用電，價格為0.64元/kW·h，如果光伏發(fā)電全部轉(zhuǎn)為自用收益，25年預測收益為686 812.6元。

表5 25年發(fā)電收益預測

5.2 投資回報

根據(jù)實例表明，連云港某光伏站靜態(tài)投資回收期為8年，而光伏項目預計運行時間為25年，如不考慮沉沒成本，去除投資成本202 003元，收益為484 809元，年收益19 392元，回報率接近10 %，故具有良好的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和投資價值。

5.3 實際應(yīng)用

5.3.1 實際應(yīng)用前景

根據(jù)《2019年中國石化可持續(xù)發(fā)展進展報告》，系統(tǒng)內(nèi)加油站數(shù)量達到30 702座，且加油站結(jié)構(gòu)基本相同，主要由站房、罩棚、加油島、儲罐區(qū)、行車道、圍墻等組成。其中加油區(qū)的罩棚、站房以及停車區(qū)的停車棚頂部均可以安裝光伏設(shè)備，實現(xiàn)站內(nèi)光伏發(fā)電。光伏項目不占用土地資源，充分利用了加油站建筑物的閑置資源，讓加油站的上層空間變身光伏發(fā)電站，從而達到節(jié)能、環(huán)保、實用、美觀等效果。

5.3.2 實際應(yīng)用效益分析

受太陽能輻射周期變化的影響，光伏發(fā)電變化具有較強的周期性，每天的主要電力輸出時間為08：00-18：00，在負荷高峰期內(nèi)，加油站可使用光伏系統(tǒng)所發(fā)電量，在節(jié)省電費成本的同時實現(xiàn)了環(huán)境效益。在夜間電站無法供電時，仍可使用電網(wǎng)提供電能，合理控制運營成本。

考慮商業(yè)自用電成本高于光伏上網(wǎng)電價，在運行時要考慮發(fā)電量盡可能自用，表6統(tǒng)計了該加油站某日白天12 h用電、光伏發(fā)電及余電上網(wǎng)情況。光伏過載雖是瞬時上網(wǎng)，但模擬計算上網(wǎng)電量，約占發(fā)電量的22.5 %，考慮商業(yè)用電價格與光伏上網(wǎng)電價的價差，如有條件應(yīng)盡可能考慮自給用電。從表6可以看出，10～15時為光伏發(fā)電的峰值，在項目建設(shè)時應(yīng)根據(jù)用電實際情況增加峰值時段的用電情況。從該加油站上網(wǎng)用電比例看出，2020年11月至2021年2月4個月累計發(fā)電量13 200 kW·h，上網(wǎng)電費收益1 402元，上網(wǎng)電價按照0.39元/kW·h，總計3 594 kW·h，約占發(fā)電量27.2 %,這與統(tǒng)計一天上網(wǎng)電比例28.1 %基本吻合。

表6 加油站用電及發(fā)電統(tǒng)計

6 結(jié)束語

加油站分布式光伏項目在推進過程中要結(jié)合電源情況、可用空間、用電情況、發(fā)電情況綜合分析，實現(xiàn)環(huán)境、經(jīng)濟、社會的協(xié)調(diào)發(fā)展。有電網(wǎng)電源加油站一般采取并網(wǎng)光伏站，對于無電網(wǎng)的水上加油站可選用獨立式光伏發(fā)電。并網(wǎng)光伏站根據(jù)加油站站房、罩棚、車棚、圍墻、空地等空間選擇光伏發(fā)電的發(fā)電能力。當加油站可安裝面積小于50 m2時，發(fā)電量相對較小，投資固定成本較高，投資回報時間長，經(jīng)濟和環(huán)境效益一般。當加油站安裝面積50～300 m2，應(yīng)根據(jù)發(fā)電模型公式計算峰值段發(fā)電能力，結(jié)合發(fā)電峰值時段用電量規(guī)劃光伏最佳效益模型，如加油站加油業(yè)務(wù)用電量遠低于發(fā)電量時，加油站可以適當考慮增加充電樁或洗車業(yè)務(wù)等消化光伏余電，以提高光伏發(fā)電的收益。當加油站安裝面積大于300 m2，由于光伏站發(fā)電量較大，一般會超出加油站自用電，此時除考慮投資回報率外，還要考慮投資回報值及光伏發(fā)電的環(huán)境效益。