光伏发电技术在广电行业中的应用

司 剑

现代工业的急剧发展，传统能源消耗巨大，致使能源危机日益突出。与此同时，全球温室效应、臭氧层的破坏等这些大气污染问题日益加剧，我们的地球还能适宜我们生存多久值得人类反思。

由于能源危机和大气污染问题，可再生能源受到人们的重视，全世界都希望可再生能源能够彻底改变能源结构，走可持续发展道路。可再生能源中太阳能以取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用等优势备受青睐。太阳辐射每秒钟到达地面的能量高达80万kW·h，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达5.6×101 2 kW·h，相当于世界上能耗的40倍。

全球太阳能光伏产业链正处于不断完善、高速增长阶段，世界各国均把光伏能源作为未来可持续发展和能源战略的重要组成部分，纷纷制定相关政策，积极推动太阳能光伏产业发展。据前瞻网《2013-2017年中国光伏发电产业市场前瞻与投资战略规划分析报告》调查数据显示，2011年，全球光伏新增装机容量约为27.5 GW，较上年的18.1 GW相比，涨幅高达52%，全球累计安装量超过67 GW。据预测，到2030年太阳能光伏发电在世界总电力供应中将达到10%以上，光伏发电将成为最主要的电力能源，发展前景极其广阔。但在广电行业的应用尚无前例。

1 光伏发电技术浅析

太阳能发电分为光热发电和光伏发电两种。光伏发电在产销量、发展速度和发展前景等方面都优于光热发电。而通俗的“太阳能发电”指的就是光伏发电，全称为太阳能光伏发电。

光伏发电是以半导体的光电效应为原理，形成电流，发出电能。硅原子有4个电子，如果在纯硅中掺入有5个电子的原子如磷原子，就成为带负电的N型半导体；若在纯硅中掺入有3个电子的原子如硼原子，形成带正电的P型半导体。当P型和N型结合在一起时，接触面就会形成电势差，成为太阳能电池。当太阳光照射到P－N结后，空穴由N极区往P极区移动，电子由P极区向N极区移动，产生电流，释放电能。

光伏发电系统由三部分组成：太阳电池板（组件）、控制器和逆变器，它们均由电子元器件构成，无任何机械部件，因此，设备的可靠性和稳定性表现突出，使用寿命较长，安装维护也相对简单。光伏发电系统既可以独立使用，也可以并网发电，灵活的电力存储模式适应任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源都可以完美胜任。

2 广播电视发射台建设光伏电站构想

安徽省作为光伏应用大省，申报金太阳及光电建筑项目装机容量达到180 MWp，处于全国前列。为鼓励各地方分布式光伏发电项目的推广，省级部分地市均出台了一系列扶持补贴政策，并积极协助各地申报国家示范区。2013年在《国家发展改革委关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知》中，还进一步完善了光伏发电项目价格政策，安徽省发展改革委员会也对分布式光伏发电实行了全电量补贴，标准为每千瓦时0.42元（含税），补贴政策执行期原则上为20年。单位投资的光伏发电项目自用有余上网的电量，电网企业应以每千瓦时0.435元的标准收购。

广播电视发射台的主要工作任务是发射广播电视信号，确保广播电视信号的覆盖范围。安徽广播电视台现有传输发射台站20座，据统计，截止2013年底广电发射台站每年的电费支出巨大，约占总运行成本的50%，因此，如果能够采用光伏发电这种新能源技术，则能大幅度降低广播电视发射台站运行成本，且可以作为台站灾备供电系统。

安徽广播电视台传输发射台站有7座台站地处于高山、13座台站地处城市郊区等偏远地区，占地面积较大（特别是中波台站），周围无高大建筑遮挡阳光，日照充分，具备建设太阳能光伏发电站的得天独厚的优势。

3 安徽广播电视台宿州屏山发射台建设光伏电站实施

3.1 项目工程概况

安徽广播电视台宿州屏山发射台，坐落于安徽省宿州市泗县屏山镇屏山山顶，位于北纬33°33′、东经117°51′，海拔105 m。台区占地面积1公顷，承担着中央、安徽省及地方广播电视节目的无线发射工作。泗县屏山地处淮北平原东部，为安徽省东北边缘县。属暖温带半温润季风气候，四季之中春、秋季短，冬、夏季长，年日照时数为2 284～2 495小时，日照率52%～57%，年气温14℃，年均无霜期200～220天。

3.2 系统设计原则

第一，解决光伏组件因局部遮挡、老化和朝向不一致导致的发电量损失；第二，场地利用率高，系统布局设计不受朝向一致性限制；第三，减少距离长造成线损问题；第四，故障智能预警，降低事故发生概率，维护财产安全；第五，精确定位故障，减少人工排查的时间和费用；第六，提供多种数据分析和报表，实现对电站数据的有效利用，节省管理成本；第七，光伏并网系统考虑就近并网，减少自身用电；第八，在保证建设质量的基础上最大程度满足工程的最佳性价比；第九，并网方式为接入380V低压电网；第十，采用光伏阵列布置；第十一，充分利用屏山台区闲置空地。

3.3 工程技术方案

根据屏山发射台的实际可利用土地面积及经济效益综合考虑，拟在屏山发射台建设80 kW光伏发电站，占地面积为800 m2。屏山发射台的平面图如图1所示，根据太阳能资源和面积情况，由于山顶整体为东南→西北方向，角度较大，为了获得最大的太阳照射面积，光伏组件安装设计采用正南0°方位角，安装高度角25°。设计采用两种逆变器：2台SG30KTL-M、1台SG20KTL；光伏组串接入逆变器逆变出交流电接入交流电网，配置一面交流配电柜放置于山顶配电房内。本工程装机容量较小，属于小型光伏电站，并网接入山顶35 kV变电站的380 V低压侧。

由于本工程使用低压入网方式，而且容量较小，可以不设置继电保护装置。系统主要包括：太阳能光伏组件、支架及基础、集成光伏并网逆变器、交流配电柜、防雷接地装置、系统连接电缆及防护材料。

3.3.1 光伏组件

本工程设计装机容量为80 kW，计划选用晶澳250 W多晶硅太阳能组件及250 W多晶硅电池组件，320块光伏组件即可。

光伏组件与光伏方阵：单块光伏组件串联成组串，组串并联而成光伏电池方阵，光伏组串内部接线如图2所示。为加快施工进度，光电板MC电缆敷设可与光电板安装同时进行，电缆敷设后即时接线。

图1 泗县屏山发射台平面图

图2 光伏组件内部接线示意图

太阳能光伏方阵内的电缆敷设：通过太阳能电池组件自带的引出线连接。在此电气连接中，必须对方阵的引出电缆线进行正负极标识。电池组件接线方式为：MC插头、插座连接，P(+)/N(-)线连接，MC电缆接线方式如图3所示。

3.3.2 支架及基础

由于本项目在山顶地面实施，虽然乱石质地坚硬，但仍坑洼不平，需要先进行粉碎处理和填平，然后砌筑混凝土条形基础，光伏组件支架采用钢板，支架钢板底座预埋在混凝土基础中，组件使用压块紧固安装在支架导轨上，牢固可靠。其支架及基础施工效果图如图4所示。

图4 支架及基础施工效果图

3.3.3 集成光伏并网逆变器

本工程80 kW装机容量，选用阳光电源逆变器SG2OKTL和SG30KTL-M，具有极性反接保护、短路保护、电网过欠压保护、电网过欠频保护、过热保护、过载保护、接地保护、孤岛效应检测及保护等功能。

光伏组件串并设计如下。

一是组件串联。逆变器的最高输入电压和最低工作电压、太阳电池组件允许的最大系统电压中三个电压决定了太阳电池组件串联的数量。电池组件串联数是一个取值范围，其范围为：

[INT（逆变器输入直流侧最小电压/电池组件最佳工作电压） INT（逆变器输入直流侧最大电压/电池组件开路电压）]

其中，INT是取整符号,上下限值均包含在内。

经计算得：串联光伏电池数量 N的取值范围为：[17 21]，根据现场气候环境结合电池组件连接方便以及逆变器最佳输入电压等，取串联数为20块。温度校核计算如下：

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

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

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

图3 光伏组件之间MC电缆接线方式示意图

二是组串并联。逆变器的额定容量决定太阳电池组串的并联数量。组串功率250W×20=5kW，总组串数80÷5=16，20 kW逆变器可接入组串数20÷5=4，30 kW逆变器可接入组串数30÷5=6。综上，选用2台SG30KTL-M和一台SG20KTL可满足要求。

3.3.4 电气主接线及配电装置

本工程装机容量80 kW，光伏组直接连接到逆变器上，经逆变后三路逆变器通过交流防雷配电柜汇流后直接就近接入山顶35 kV变电房的380 V低压侧。

0.4 kV低压光伏配电柜（箱）内配置有4极交流断路器，该断路器应具备短路瞬时、长延时保护功能和分励脱扣器、失压跳闸及低压闭锁合闸等功能。

根据国家电网公司要求：采用“自发自用，余量上网”的模式，以380 V电压等级接入电网，且单个并网点总装机容量不宜超过400 kW。台总装机容量仅为80 kW，符合单个接入点接入政策。

3.3.5 防雷接地装置

本系统太阳能光伏组件的金属紧固件与各支座的钢筋相联，实测连接电阻小于4 Ω。光伏电站建在山顶，新增一个接地极耗资巨大且施工困难，可以借助山顶电视发射塔专用接地极，其接地电阻＜1 Ω；而且光伏电站距离电视塔专用接地极非常近，因此，可以将光伏发电系统的防雷接地系统直接焊接到山顶防雷接地系统上。

3.3.6 无功补偿

根据相关要求：当输出有功功率大于其额定功率的50%时，功率因数应不小于0.98（超前或滞后）；当输出有功功率在20%～50%时，功率因数应不小于0.95（超前或滞后）。屏山光伏电站发电功率因数符合上述规定要求，因此，可以不使用功率补偿设备和电压调节设备。

无功补偿装置的作用是：控制光伏电站与电网无功功率实现零交换。如果光伏电站输出功率因数不符合相关规定，需要配置无功补偿装置，其容量及配置型式根据电站并网运行后6个月内提供的现场运行实测结果确定。

3.3.7 继电保护

本工程采用380 V接入系统、发电容量80 kW、为低压网且容量较小、属于小型光伏发电站。该站因有人值守，所以，该光伏发电系统不设继电保护、不配置二次监控设备，相关信息可在站内监控系统查阅。

3.3.8 防孤岛保护

380 V低压等级不配置防孤岛检测及安全自动装置，而采用具备防孤岛能力的逆变器。本方案中的两种型号的逆变器均有防孤岛功能。

3.3.9 电能计量

在电能采集方面，安装一套电能采集终端，单独走1路电能量计费通道，只需上传发电量信息，不配置独立的远动系统。采用关口计费电能表计量方式，同时具备双向计量功能。

3.3.10 光伏发电系统监控

逆变器提供RS485接口与PC通信，实现远程监控，可读出逆变器的运行参数，并能导出多种数据分析和报表，实现对电站数据的有效利用。光伏逆变器之间采用串接方式连接，然后再与PC连接，实现统一管理。

4 建设光伏电站对于广播电视发射台的意义

第一，国务院办公厅于2011年8月31日印发了《“十二五”节能减排综合性工作方案》，方案要求将节能减排目标合理分解到各地区、各部门，而本项目积极响应了国家环保、节能政策。

第二，屏山发射台光伏发电项目是安徽广播电视台光伏发电项目的试点工程，2014年6月开工建设，7月25日与电网并网发电并正式投入运行，标志着广电台创新台站运行模式试点工作取得成功。

第三，屏山发射台光伏项目是全国首个广播电视发射台，填补了全国广电系统分布式光伏发电规模应用的空白。同时，这也是安徽省宿州市光伏发电的率先应用，具有良好的示范作用。

总之，广电台站多点分布式光伏发电项目具有突出的社会效益和经济效益。