加油站分布式光伏發(fā)電技術(shù)及效益模型的分析

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(dǎo)體的光電效應(yīng)。光子照射到金屬上時(shí)，它的能量可以被金屬中某個(gè)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(gè)外層電子，如果在純硅中摻入有5個(gè)外層電子的原子如磷原子，就成為N型半導(dǎo)體；若在純硅中摻入有3個(gè)外層電子的原子如硼原子，形成P型半導(dǎo)體。當(dāng)P型和N型結(jié)合在一起時(shí)，接觸面就會(huì)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P極區(qū)往N極區(qū)移動(dòng)，電子由N極區(qū)向P極區(qū)移動(dòng)，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(gè)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(shí)發(fā)出的電能并可隨時(shí)向負(fù)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(jìn)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(fù)載上，多余的或不足的電力通過連接局域內(nèi)電網(wǎng)來進(jìn)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(diǎn)選擇在電網(wǎng)變壓器二次側(cè)和計(jì)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(fù)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(bǔ)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(dú)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(dú)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(yùn)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(dāng)太陽能的發(fā)電量超過電器使用的電量時(shí)，多余的電就輸送到了公共電網(wǎng)；而當(dāng)太陽能的發(fā)電量不能滿足電器使用時(shí)，就自動(dòng)從電網(wǎng)中補(bǔ)充。而整個(gè)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(fèi)入網(wǎng)，多余的電還可以賣給電力公司。從投資的長遠(yuǎn)角度，按民用光伏電站25年的使用壽命計(jì)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(diǎn)，就是當(dāng)公共電網(wǎng)斷電時(shí)，光伏發(fā)電也不能運(yùn)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(shí)電站仍可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.1.2 獨(dú)立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

獨(dú)立光伏發(fā)電站是不依賴電網(wǎng)而獨(dú)立運(yùn)行的發(fā)電系統(tǒng)，主要由太陽能電池板、儲(chǔ)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(chǔ)存起來，需要給電器供電時(shí)，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(gè)重復(fù)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(yuǎn)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(jì)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(xiàng)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(yuǎn)無外來電源，獨(dú)立光伏發(fā)電站則比較適合。

4 陸上加油站經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1 加油站分布式光伏經(jīng)濟(jì)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(jì)分析的重要指標(biāo)，與加油站光伏發(fā)電項(xiàng)目所在地的太陽能資源以及系統(tǒng)裝機(jī)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(biāo)準(zhǔn)太陽輻射強(qiáng)度，kW/m2;P為光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)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(jià)標(biāo)準(zhǔn),上網(wǎng)電價(jià)為P0,加油站商業(yè)用電電價(jià)為P1。前期光伏靜態(tài)投資成本為L，每年維護(hù)費(fèi)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(xiàng)目投資情況見表1和表2。

表1 加油站光伏項(xiàng)目成本

根據(jù)表1加油站光伏項(xiàng)目成本及表2量化成本與投資回報(bào)，從投資分項(xiàng)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(dāng)加油站可安裝面積較小時(shí)，由于固定成本的比重較大，投資成本收回用時(shí)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(bào)

4.3 發(fā)電量對比分析

4.3.1 經(jīng)濟(jì)模型建立預(yù)測發(fā)電量

經(jīng)濟(jì)模型公式預(yù)測按照模型預(yù)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(jī)容量44 kWp，當(dāng)?shù)靥柲苣贻椛淞繛? 300 kW·h/m2。根據(jù)公式(1)，可預(yù)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(yù)測發(fā)電量(表3)。

表3 經(jīng)濟(jì)模型預(yù)測發(fā)電量

4.3.2 廠家說明書預(yù)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(jìn)行分析計(jì)算，并將月平均輻射值換算成月峰值日照小時(shí)數(shù)。本項(xiàng)目第一年系統(tǒng)總效率為100 %，隨后由于光伏組件實(shí)際功率的衰減，系統(tǒng)總效率會(huì)逐年下降。本項(xiàng)目擬采用多晶硅太陽電池組件規(guī)格為275 Wp。

假設(shè)本項(xiàng)目運(yùn)營期為25年，運(yùn)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(dǎo)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(huì)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(dāng)?shù)貧夂蜃兓案鞣N不利因素影響，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，不可預(yù)見因素?fù)p失系數(shù)為2 %。系統(tǒng)總效率約為82.5 %。據(jù)此預(yù)測本項(xiàng)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(jī)容量為44 kWp)。

表4 說明書項(xiàng)目 25 年內(nèi)的發(fā)電量

4.3.3 經(jīng)濟(jì)模型與說明書發(fā)電量及收益比對分析

25年經(jīng)濟(jì)模型發(fā)電量為1 073 145 kW·h，說明書預(yù)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)效益分析

5.1 發(fā)電收益

25年發(fā)電收益預(yù)測見表5。根據(jù)2021年江蘇省電網(wǎng)銷售電價(jià)表，一般加油站用電為商業(yè)用電，價(jià)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(yù)測收益為686 812.6元。

表5 25年發(fā)電收益預(yù)測

5.2 投資回報(bào)

根據(jù)實(shí)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(xiàng)目預(yù)計(jì)運(yùn)行時(shí)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(bào)率接近10 %，故具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和投資價(jià)值。

5.3 實(shí)際應(yīng)用

5.3.1 實(shí)際應(yīng)用前景

根據(jù)《2019年中國石化可持續(xù)發(fā)展進(jìn)展報(bào)告》，系統(tǒng)內(nèi)加油站數(shù)量達(dá)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)站內(nèi)光伏發(fā)電。光伏項(xiàng)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(dá)到節(jié)能、環(huán)保、實(shí)用、美觀等效果。

5.3.2 實(shí)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(qiáng)的周期性，每天的主要電力輸出時(shí)間為08：00-18：00，在負(fù)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(fèi)成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了環(huán)境效益。在夜間電站無法供電時(shí)，仍可使用電網(wǎng)提供電能，合理控制運(yùn)營成本。

考慮商業(yè)自用電成本高于光伏上網(wǎng)電價(jià)，在運(yùn)行時(shí)要考慮發(fā)電量盡可能自用，表6統(tǒng)計(jì)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(shí)上網(wǎng)，但模擬計(jì)算上網(wǎng)電量，約占發(fā)電量的22.5 %，考慮商業(yè)用電價(jià)格與光伏上網(wǎng)電價(jià)的價(jià)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(shí)為光伏發(fā)電的峰值，在項(xiàng)目建設(shè)時(shí)應(yīng)根據(jù)用電實(shí)際情況增加峰值時(shí)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(gè)月累計(jì)發(fā)電量13 200 kW·h，上網(wǎng)電費(fèi)收益1 402元，上網(wǎng)電價(jià)按照0.39元/kW·h，總計(jì)3 594 kW·h，約占發(fā)電量27.2 %,這與統(tǒng)計(jì)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(jì)

6 結(jié)束語

加油站分布式光伏項(xiàng)目在推進(jìn)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(shí)現(xiàn)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)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(dú)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(dāng)加油站可安裝面積小于50 m2時(shí)，發(fā)電量相對較小，投資固定成本較高，投資回報(bào)時(shí)間長，經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益一般。當(dāng)加油站安裝面積50～300 m2，應(yīng)根據(jù)發(fā)電模型公式計(jì)算峰值段發(fā)電能力，結(jié)合發(fā)電峰值時(shí)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(yuǎn)低于發(fā)電量時(shí)，加油站可以適當(dāng)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(dāng)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(huì)超出加油站自用電，此時(shí)除考慮投資回報(bào)率外，還要考慮投資回報(bào)值及光伏發(fā)電的環(huán)境效益。