加油站分布式光伏发电技术及效益模型的分析

陆元华

〔中国石化江苏石油分公司 江苏南京 210003〕

1 光伏发电原理

光伏发电的主要原理是半导体的光电效应。光子照射到金属上时，它的能量可以被金属中某个电子全部吸收，电子吸收的能量足够大，能克服金属内部引力做功，离开金属表面逃逸出来，成为光电子。硅原子有4个外层电子，如果在纯硅中掺入有5个外层电子的原子如磷原子，就成为N型半导体；若在纯硅中掺入有3个外层电子的原子如硼原子，形成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P极区往N极区移动，电子由N极区向P极区移动，形成电流。

2 光伏发电系统

光伏发电系统通常由光伏方阵、蓄电池组(可选)、蓄电池控制器(可选)、逆变器和交流配电柜组成。

光伏方阵(PV Array)称光伏阵列，是由若干个光伏组件或光伏板按一定方式组装在一起并具有固定的支撑结构而构成的直流发电单元。蓄电池组的作用是贮存太阳电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。逆变器是将直流电转换成交流电的设备。太阳电池输出的直流电通过控制逆变装置变换成交流电，在经过相位整合和控制回路进入电网。太阳能发电系统输出的电被直接分配到低压用电负载上，多余的或不足的电力通过连接局域内电网来进行调节。加油站光伏电站采用“用户侧”并网的方式，向加油站直接供电，并网点选择在电网变压器二次侧和计量表的后端，光伏阵列发电经汇流后，通过逆变器追踪网电频率、电压和相位，经逆变整合为与网电相同品质的电力，与电网直接连接汇合在一起向负荷供电。光伏供电输出优先于网电，不足部分由网电补充，供电品质无任何变化。光伏发电系统见图1。

图1 光伏发电系统示意

3 光伏发电方式选择

3.1 光伏发电方式分类

光伏发电方式分为并网太阳能光伏发电系统(图2)和独立太阳能光伏发电系统(图3)。

图2 并网太阳能光伏发电系统

图3 独立太阳能光伏发电系统

3.1.1 并网光伏发电系统

并网，必须连接到公共电网，就是太阳能发电、民用电网、公共电网联系在一起，这是必须依赖现有电网才能运行的发电系统。主要由太阳能电池板和逆变器组成，太阳能电池板发出直接经逆变器转换成交流电并供电，当太阳能的发电量超过电器使用的电量时，多余的电就输送到了公共电网；而当太阳能的发电量不能满足电器使用时，就自动从电网中补充。而整个过程都是智能控制，不需要人工操作。

由于这种光伏发电系统不需要使用蓄电池，也就大大节省了成本。特别是国家已经发布的并网新政策已经明确表示，家庭光伏电站可以免费入网，多余的电还可以卖给电力公司。从投资的长远角度，按民用光伏电站25年的使用寿命计算，5～10年可以回收成本，剩下的十几年都是收益。因此，并网太阳能发电系统是目前主流的方式[2-4]。

但是，并网也有其缺点，就是当公共电网断电时，光伏发电也不能运行。但是如果把其中的并网逆变器换成智能微网逆变器(并网与离网混合逆变器)，断电时电站仍可以正常运转。

3.1.2 独立太阳能光伏发电系统

独立光伏发电站是不依赖电网而独立运行的发电系统，主要由太阳能电池板、储能蓄电池、充放电控制器、逆变器等部件组成。太阳能电池板发出的电直接流入蓄电池并储存起来，需要给电器供电时，蓄电池里的直流电流经逆变器转换成220 V的交流电，这是一个重复循环的充放电过程。这种发电系统由于不受地域的限制，使用很广泛，只要有阳光照射的地方就可以安装使用，因此非常适合于偏远无电网地区、孤岛、渔船、户外养殖基地等，也可以作为经常停电地区的应急发电设备[5]。

这种系统由于必须配备蓄电池，且占据了发电系统30 %～50 %的成本。而且蓄电池的使用寿命一般都在3～5年，过后又得更换，明显增加了使用成本。从经济性来说，很难得到大范围的推广使用，因此不适合用电方便的地方使用。

3.2 加油站光伏发电方式选择

对于加油站光伏项目而言，鉴于耗电自给率与蓄电池成本原因，并网光伏电站更加适合陆上加油站，而水上加油站有些因偏远无外来电源，独立光伏发电站则比较适合。

4 陆上加油站经济效益分析

4.1 加油站分布式光伏经济模型建立

加油站分布式光伏发电系统的年发电量是经济分析的重要指标，与加油站光伏发电项目所在地的太阳能资源以及系统装机容量有关。分布式光伏发电系统的年发电量为：

(1)

式中：Qs为光伏系统年发电量，为kW·h;Hy为太阳能年辐射量，kW·h/m2；Hb为标准太阳辐射强度，kW/m2;P为光伏发电系统的装机容量，kW；C为光伏组件辐射量系数；η为光伏发电系统综合影响系数[6]。

对于江苏南部地区，太阳能年辐射量为1 113～1 293 kW·h/m2，对于江苏北部地区，太阳能年辐射量为1 293～1 492 kW·h/m2,其中江苏南京太阳能年辐射量为1 258 kW·h/m2。C取1.05～1.15，一般取1.1。对于并网太阳能光伏发电系统，η一般为72%～78%，取为75%。

按照江苏省光伏上网电价标准,上网电价为P0,加油站商业用电电价为P1。前期光伏静态投资成本为L，每年维护费为β；假设α系数电量将上网。则：

年总收入为αQP0+(1-α)QP1

年净收益为αQP0+(1-α)QP1-β

静态投资回收期=前期光伏静态投资成本/年净收益

4.2 投资成本分析

加油站光伏发电项目投资情况见表1和表2。

表1 加油站光伏项目成本

根据表1加油站光伏项目成本及表2量化成本与投资回报，从投资分项看，总投资中约40 000元为固定成本，约160 000元为量化成本与光伏面积有关，可以看出当加油站可安装面积较小时，由于固定成本的比重较大，投资成本收回用时较长，加油站光伏发电收益相对较差。

表2 量化成本与投资回报

4.3 发电量对比分析

4.3.1 经济模型建立预测发电量

经济模型公式预测按照模型预测表格数据如下：以江苏连云港市某加油站分布式光伏发电站为例，装机容量44 kWp，当地太阳能年辐射量为1 300 kW·h/m2。根据公式(1)，可预测年发电量(年衰减按照0.8 %)，可得投产后25年内每年预测发电量(表3)。

表3 经济模型预测发电量

4.3.2 厂家说明书预测分析

发电量估算采用NASA数据库所提供的 22 年水平面日均总辐射值作为基础数据进行分析计算，并将月平均辐射值换算成月峰值日照小时数。本项目第一年系统总效率为100 %，随后由于光伏组件实际功率的衰减，系统总效率会逐年下降。本项目拟采用多晶硅太阳电池组件规格为275 Wp。

假设本项目运营期为25年，运营期内光伏组件的功率呈线性衰减，平均每年衰减0.8 %，25年总共衰减了20 %。光伏电站直流侧电压高，电流小，导线有一定的损耗，根据规范该工程此处损耗为2 %。太阳能组件之间存在特性差异，不一致性损失系数取3 %。考虑到太阳能组件表面积灰，遮挡损失系数取4 %。光伏并网逆变器的最大效率为97 %，逆变器一般不会按照最大效率工作，故按照96 %考虑。早晚不可利用太阳能辐射损失系数为2 %。光伏电池的温度影响系数按照2 %考虑。按照当地气候变化及各种不利因素影响，根据经验，不可预见因素损失系数为2 %。系统总效率约为82.5 %。据此预测本项目 25年内的发电量结果如表4所示。从表4可以看出，25年平均发电量为1 027 350 kW·h(装机容量为44 kWp)。

表4 说明书项目 25 年内的发电量

4.3.3 经济模型与说明书发电量及收益比对分析

25年经济模型发电量为1 073 145 kW·h，说明书预测发电量为1 027 350 kW·h，二者误差4 %，属于正常误差，影响因素有连云港市太阳能年辐射量与说明书采用的标准太阳能年辐射量不同、光伏组件辐射量系数与光伏发电系统综合影响系数均采用均值等。

5 光伏发电经济效益分析

5.1 发电收益

25年发电收益预测见表5。根据2021年江苏省电网销售电价表，一般加油站用电为商业用电，价格为0.64元/kW·h，如果光伏发电全部转为自用收益，25年预测收益为686 812.6元。

表5 25年发电收益预测

5.2 投资回报

根据实例表明，连云港某光伏站静态投资回收期为8年，而光伏项目预计运行时间为25年，如不考虑沉没成本，去除投资成本202 003元，收益为484 809元，年收益19 392元，回报率接近10 %，故具有良好的经济效益、环境效益和投资价值。

5.3 实际应用

5.3.1 实际应用前景

根据《2019年中国石化可持续发展进展报告》，系统内加油站数量达到30 702座，且加油站结构基本相同，主要由站房、罩棚、加油岛、储罐区、行车道、围墙等组成。其中加油区的罩棚、站房以及停车区的停车棚顶部均可以安装光伏设备，实现站内光伏发电。光伏项目不占用土地资源，充分利用了加油站建筑物的闲置资源，让加油站的上层空间变身光伏发电站，从而达到节能、环保、实用、美观等效果。

5.3.2 实际应用效益分析

受太阳能辐射周期变化的影响，光伏发电变化具有较强的周期性，每天的主要电力输出时间为08：00-18：00，在负荷高峰期内，加油站可使用光伏系统所发电量，在节省电费成本的同时实现了环境效益。在夜间电站无法供电时，仍可使用电网提供电能，合理控制运营成本。

考虑商业自用电成本高于光伏上网电价，在运行时要考虑发电量尽可能自用，表6统计了该加油站某日白天12 h用电、光伏发电及余电上网情况。光伏过载虽是瞬时上网，但模拟计算上网电量，约占发电量的22.5 %，考虑商业用电价格与光伏上网电价的价差，如有条件应尽可能考虑自给用电。从表6可以看出，10～15时为光伏发电的峰值，在项目建设时应根据用电实际情况增加峰值时段的用电情况。从该加油站上网用电比例看出，2020年11月至2021年2月4个月累计发电量13 200 kW·h，上网电费收益1 402元，上网电价按照0.39元/kW·h，总计3 594 kW·h，约占发电量27.2 %,这与统计一天上网电比例28.1 %基本吻合。

表6 加油站用电及发电统计

6 结束语

加油站分布式光伏项目在推进过程中要结合电源情况、可用空间、用电情况、发电情况综合分析，实现环境、经济、社会的协调发展。有电网电源加油站一般采取并网光伏站，对于无电网的水上加油站可选用独立式光伏发电。并网光伏站根据加油站站房、罩棚、车棚、围墙、空地等空间选择光伏发电的发电能力。当加油站可安装面积小于50 m2时，发电量相对较小，投资固定成本较高，投资回报时间长，经济和环境效益一般。当加油站安装面积50～300 m2，应根据发电模型公式计算峰值段发电能力，结合发电峰值时段用电量规划光伏最佳效益模型，如加油站加油业务用电量远低于发电量时，加油站可以适当考虑增加充电桩或洗车业务等消化光伏余电，以提高光伏发电的收益。当加油站安装面积大于300 m2，由于光伏站发电量较大，一般会超出加油站自用电，此时除考虑投资回报率外，还要考虑投资回报值及光伏发电的环境效益。