摘要：针对目前太阳能光伏发电站的能耗问题，本文从节能的角度对太阳能光伏电站的设计提出了自己的观点和应对措施。介绍了太阳能光伏发电的发展历程以及常用的节能降损措施，并对其进行了应用的探讨。
关键词：太阳能光伏发电站；节能降损
1前言
1.1太阳能光伏发电的背景
历史上人类社会经历了三次工业革命，分别是第一次工业革命、第二次工业革命以及第三次工业革命，三次工业革命都极大地推动了人类社会的进步，大大解放了生产力。通常意义上，三次工业革命是以不同机器的广泛应用划分的，比如，第一次工业革命革命是以工作机的诞生开始的，以蒸汽机作为动力机被广泛使用为标志的；第二次工业革命是 19世纪后半期至 20世纪初，以电力的广泛应用为标志，用电力驱动机器取代第一次工业革命的蒸汽动力；第三次工业革命以原子能、电子计算机、空间技术和生物工程的发明和应用为主要标志，涉及信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术等诸多领域的一场信息控制技术革命。
与此同时，三次工业革命也可以从其他角度划分，比如从能源的角度：第一次工业革命中广泛应用的蒸汽机使用煤炭作为它的燃料，用煤炭代替木柴。建立了全新的煤炭经济；第二次工业革命是“电力时代”，其中发电机产生的电能是至关重要的电力来源，而石油又代替了上一次的煤炭成为了这次工业革命的主要燃料，建立了石油经济；第三次工业革命与前两次不同，不以某种特定的燃料作为主要能量来源，而专注再“绿色能源”、“清洁能源”这种大类能源上[1]。太阳能因其来源广泛、绿色清洁的特性，成为其中最耀眼、最具发展前景的能源之一，而将太阳能转换为电能的最重要方式，则是太阳能光伏技术，那么对于处在正发生的第三次工业革命中的我们，完全可以用可再生的太阳能代替传统的化石能源，建立全新的“光伏经济”。
1.2太阳能光伏的发展历程
人类历史上从而停止过对太阳能利用的脚步。最早的真正意义上利用太阳能的发动机可追溯到1615年，法国工程师所罗门•德•考克斯在1615年发明了第一台全部能源为太阳能的发动机。其工作原理很简单，利用“热胀冷缩”的原理，工作时收集太阳能并将其转换成热能用来加热容腔中的空气，空气受热体积膨胀，从而对外做功推动物体前进。但是，真正意义上为光伏发电奠定基础则要追溯到1954年，当年美国的贝尔实验室研制成功人类历史上第一块实用型硅太阳能电池，该项技术为今后太阳能光伏发电的广泛使用奠定了坚实的理论基础同时指明了利用太阳能的一条行之有效的道路。
在1958年，太阳能光伏电池随着美国的先锋1号卫星第一次进入太空，在人类探索太空的进程中留下了自己的脚步，为今后航天领域的广泛使用奠定了基础。
在1960年，太阳能光伏发电站首次实现了并网运行，开启了太阳能光伏发电进入电网实际应用的新阶段。
进入到21实际中，随着世界各国对太阳能光伏发电的重视，相关政策的大力推动下。太阳能光伏发电技术有了十足的进步，相比于上个世纪在技术上有了突飞猛进的发展，进入了一个发展的新纪元。
1.3太阳能光伏发电站的发展现状
太阳能光伏电站也是发电站的一种，和其他电站的区别主要在是用于转换电能的能量来源是太阳能而非其他，准确定义是通过太阳能电池方阵将太阳能辐射能转换为电能的发电站称为太阳能光伏电站。按照太阳能光伏电站的运行方式，可以将其分为独立太阳能光伏电站和并网太阳能光伏电站两种。同时，按照是否与公共电网相连接，又可以分成离网光伏电站以及并网光伏电站两种。
离网光伏电站按照字面的意思可以知道，其未与公共电网相联接，自己是一个独立供电的光伏电站。主要应用在远离公共电网的无电地区和一些无法安装传输电缆的特殊场所，比如边远偏僻农村、牧区、海岛、高原、沙漠等地区，离网光伏电站可以为当地的农牧渔民提供照明、看电视、听广播等基本的生活用电，也可以为通信中继站、沿海与内河航标、输油输气管道阴极保护、气象电站、公路道班以及边防哨所等特殊处所提供电源。独立系统的组成包括太阳电池方阵、系统控制器、蓄电池组以及直流/交流逆变器。
与离网光伏电站相对的是并网光伏电站，其直接与公共电网相联接并且一起承担供电任务。它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段、成为电力工业组成部分的重要发展方向，是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。并网系统的组成包括太阳能电池方阵、系统控制器以及并网逆变器等。
目前，我国已经确定将太阳能光伏发电作为一种至关重要的能源利用来源，并且进行了重点的开发、利用，随着太阳能光伏发电的装机容量和应用范围不断提高，截止到2018年，我国太阳能光伏发电新增装机发电量高达约41GW，已经成为全球光伏发电装机容量最大的国家。根据国家能源局提供的规模发展指标，在“十三五”时期，国内的太阳能发电产业规模有望得到进一步的提升，每年将新增1500万~2000万kW的光伏发电。到2020年底，太阳能光伏发电装机容量有望达到1.6亿kW，全年发电量有望达到1700亿kW/h。
太阳能光伏发电站具有供电线路长、发电设备分布广、发电量大同时损耗也高的特点，但是节电潜力巨大，妥善解决好各生产环节的节电，是节约能源的重要手段，通过努力完全可以将一个中等规模的光伏发电站每年的损耗减小几十万千瓦时。
1.4太阳能光伏发电的优势及劣势
汉能控股集团董事局主席李河君有一句顺口溜，该顺口溜言简意赅、生动形象的概括了光伏发电的所有优点，顺口里的内容：“太阳能，量无限，面无边，照无时，盖无偏，取无价，用无染”。太阳能光伏发电的过程没有机械转动部件也不消耗燃料，并且不排放包括温室气体在内的任何物质，具有无噪声、无污染的特点；太阳能资源没有地域限制，分布广泛且取之不尽，用之不竭。因此，与其它新型发电技术(风力发电与生物质能发电等)相比，太阳能光伏发电是一种具可持续发展理想特征（最丰富的资源和最洁净的发电过程）的可再生能源发电技术[2]。
展开来说，优势主要有以下几点：
1太阳能资源取之不尽，用之不竭，而且能量巨大，照射到地球上的太阳能是人类目前消耗能量的6000倍；
2太阳能资源随处可得，可就近发电，就近用电，避免长距离输电；
3光伏发电是直接从光子到电子的转换，无中间过程（如热能转换机械能，机械能转换为电磁能等）和机械运动。根据热力学原理分析，光伏发电具有很高的理论发电效率，未来技术开发潜力大。
4光伏发电对环境友好，是真正的绿色能源，发电过程不排放温室气体和污染物。
5光伏发电不需要冷却水，无环境问题，选址范围比较广，沙漠、戈壁滩、高原等不适合人类居住的地方都可以安装光伏电站。
6光伏发电过程无机械传动部件，维护简单，基本可实现无人值守，维护费用低，但一次投资高。
7光伏电站建设周期短，容量可大可小，极易组合、扩容。
8建设太阳能光伏发电站以及分布式发电站首先需要三大条件，分别是光电转化率、电网发展以及储能技术。
目前，需要的三大主要条件已经具备。首先，对于光电转化率，由于晶硅技术在这些年得到了长足的发展，其直接导致的结果就是光电转化率的大大提高，现在光电转化率已经高达21%；接着，智能电网技术这些年一直都是各个领域的研究热点，得到了大大的发展，并网的实现越来越简单、代价原来越小，使太阳能光伏电站的并网更加普通；再者，储能技术发展迅速，高能量密度的储能装置也已经出现；最后，由于国家对太阳能光伏的发电的重视，有非常多的政策支持、鼓励光伏发电站的建设。这些条件都已经具备，可以开始广泛建设太阳能光伏发电站了。
随着光伏组件及上下游设备价格的下降，平价上网时代将从梦想进入现实，分布式发电站就可以得到普遍认可与普及。据相关机构预测，2020年左右光伏发电的度电成本将会下降到0.31元/kW•h，低于火电的度电成本。届时即使没有国家相应的财政补贴政策，各个厂矿企业、家庭也将积极投入资金建设光伏电站，那么光伏发电装机总量会发生从量变到质变的过程，光伏发电终将会代替传统的化石能源。
太阳能光伏发电也具有一些缺点，如下：
1光伏发电转换效率低，占地面积大，这个缺点可通过技术进步逐步解决；
2光伏发电只能间隙性工作，有太阳时才能发电，晚上不能发电，阴天、雨雪天、雾霾天都会影响发电量，这个缺点导致光伏发电在可预见的未来不可能完全替代其他发电，缓解这一矛盾的技术发展方向就是研究大容量储能设备。
3地域依赖性强，虽然太阳可以找到地球的各个角落，但各地的太阳能资源是不同的。
4发电成本高，现阶段光伏的度电成本是火电的两倍，光伏电站收益的保障是靠国家补贴，未来随着技术的逐渐进步，光伏发电成本也会逐步下降；而随着化石能源的逐步枯竭，可再生能源将是人类的唯一选择。
5晶体硅电池的制造过程高污染、高耗能，晶体硅电池的主要原料是纯净硅，硅的主要存在形式是沙子——二氧化硅，从沙子变成纯净硅需要经过多道化学和物理工序处理，不仅要消耗大量能源，也会造成一定的环境污染。
针对上述提出的缺点，尤其是在能量损耗上，在之后的章节会进行详细的论述并给出具体、可行的实施策略。
2太阳能光伏发电站的节能技术
2.1实现节能技术的前提
太阳能光伏发电站具有两个主要的特点，分别是供电线路长、发电设备分布广。本章主要介绍了通过采用合理选择传输电缆的截面积、变压器的合理选择以及通过无功功率补偿等技术措施，以期实现节能降耗的目的。
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为了做好节能工作，第一步需要做的是了解常见的电能损失种类，因为可以略去一些不明原因的损失。电能损失主要可以分为两种：固定损失和可变损失。
1.固定损失。顾名思义，固定损失是指不随着负荷波动而变化的损耗部分，也可以称为基本损失，例如变压器、消弧线圈和各类仪表、电抗器、互感器的铁损以及电力电容器的介质损失等，这部分损失完全取决于电压以及频率。在给定的通电时间内，可以认为这部分的功率损失是一个不变的常数。其损失数值的大小可认定为这个恒定的功率损失和通电时间的乘积大小。
2.可变损失。可变损失按照字面意思是指随着线路中负荷大小的变动而变化的部分损耗。例如输电线路上的电量损失，变压器、电抗器、仪表、互感器等设备的铜损，这些损失都会随负荷电流大小的变化而变化，电流越大损失也越大，它的大小与电路中电流的平方成正比。
第二步也是最重要的一步，因为针对的是太阳能光伏发电站，因此需要在一定的条件下进行节能改造。需要满足的前提主要有以下几点：
1.不影响产品的质量、性能和产量。
2.不造成生产环境的恶化。如减少照明灯具时，必须考虑对工作人员的视觉影响。
3.能够在较短时间内收回投资费用。
4.能够较快的收回投资，才有可能引起投资方对节电技术的兴趣。
5.不引起其它费用的提高和增加额外的工作。最理想的节电措施是既节能又不增加其它额外的工作量。
1.1常用的节能降损措施
2.2.1选择合适的并网电压等级
独立发电厂或小电力系统与相邻电力系统(见电力系统卷电力系统)发生电气连接，进行功率交换的行为称为并网[3]。并网电压是指独立电网向公共电网并网送电的电压等级，并网电压有三种，分别是高压（660KV及以上）、中压（3-35KV）和低压（380/220-690V）。在相同线路输送相同功率或容量的电能时，流入较高电压等级的线路其中的电流较小，因此功率的损失也较小。故通常情况下优先选择较高的电压进行送电，比如中压送电在不考虑成本等条件下最好选择35KV等级。
2.2.2升压装置深入负荷中心
变压器是一种常见的电气设备，可用来把某一数值的交变电压变换为同频率的另一数值的交变电压。升压变压器就是用来把低数值的交变电压变换为同频率的另一较高数值交变电压的变压器。其在高频领域应用较广，如逆变电源等[4]。升压变压器的位置应该设置在负荷中心处附近。太阳能光伏发电是一种可再生绿色能源，因此电站运行不需要原料就可运行，也不会产生污染物，同时考虑电站运行所需的人力、物力较少，所以可以将大中型光伏发电站并网升压站设在接近公共电网并网点方向的附近。但各个光伏阵列的升压变压器也应该合理利用现场的地形，在有利于运营生产管理及维护的前提下，应该尽可能设置在方阵中心的位置，以便于减少直流电缆长度，降低直流损耗。如果将升压变压器放置在光伏阵列的边缘，虽然可以起到节省检修道路投资的作用，采用延伸低压侧直流或交流电缆的汇集方式，将导致线损大增，日积月累其线损耗资将会远远超出初期的投资。所以当生产布局决定后应及时调整变电所位置，使之始终处于负荷中心，缩短供电距离，最大限度降低低压汇集线路的电能损耗、从而降低电压损失和线缆有色金属消耗量。
2.2.3选择合理的导线截面
众所周知，当线路中电流、导线长度、线路电阻率一定时，线路损耗与导线的截面积成反比，增加导线截面积有利于降低导线的电阻，从而减少电能在线路中的损耗和降低线路的压降。但是增加导的入截面积会增加最初的投资。对于导线的截面，确定合理的电流密度大小，需要站在技术经济的角度考虑这个问题：需要考虑到电缆的全寿命周期成本，也就是不仅要考虑电缆线路的初始成本，而且还要考虑到电缆在经济寿命期间的电能损耗成本，原则上应该使得两项成本之和为最低。采用导体经济截面，电缆运行温度要比电缆绝缘允许最高温度低得多，这样可延长电缆线路的使用寿命。工程设计中，在满足载流量、压降、保护配合的前提下，适当加大电缆截面，会使线路电能损耗降低。
2.3科学选择变压器，降低变压器损耗
2.3.1科学确定和调整变压器容量
当用确定了电路中的电负荷之后，如何确定合适的变压器容量，从而最大限度减少变压器损耗（简称变损），一般来说首先考虑的是变压器的效率，理论上负荷率为50%~60% 时变压器的效率最高，目前变压器容量的确定也主要以这个为原则。但由于此负荷率是由变压器本身的设计参数决定的，运行时可以按照单位功率损耗最小、效率最高的状态进行考虑的，可以忽略了负荷的变化及其它因素，因此在实践中究竟如何确定其负荷率才能获取最佳经济效益尚须综合分析。光伏发电受太阳辐射量直接影响，在一天中发电量一般符合正态分布，满载发电时间较短，所以可以近似按额定装机容量确定变压器容量。
但是对于大中型光伏发电站来说，考虑到二次升压存在的情况，总升压变压器安装于汇集站内，就地升压变压器分布在光伏场区之中。总升压变压器受制于大电网中，供电部门对这类变压器的设置有经济和技术制约，一般在接入系统方案阶段即会指定该工程升压变容量（一般与装机容量相同）。对于就地升压变压器由于不受供电部门的制约，因此就地升压变压器的负荷率可低于汇集站总升压变压器的负荷率。
2.3.2推广使用高效节能变压器
低损耗电力变压器具有很多优点，例如损耗低、质量轻、效率高、抗冲击等，因此近年来各种低损耗电力变压器得到了广泛应用，在节约电能和降低运行费用的方面已经取得了非常耗的效果。
所以对于新建光伏发电站项目，可以考虑使用低损耗的节电变压器，而对于分布式光伏项目中的即有变电所，则应该考虑机械设备更新，逐步更换和改造老设备，达到节约电能的目的。
2.4提高电网的功率因数，减少无功功率
在电能输送的过程中，倘若线路输送的有功功率和运行电压均保存基本不变，提高功率因数可以减少线路的无功分量，进而减少线路中的无功电流损耗。
大、中型光伏电站采取高压SVG补偿方式
无功补偿装置可以极大的减少线路压降，从而提高变压器的带负载能力。目前，大、中型光伏电站的选址基本较偏远，送电距离极其长，电压下降较大，而且由于功率因数的降低，还将导致受电端的电压进一步减少，因此需要在高压端集中进行无功补偿，用以提高线路功率因数，减少无功的电流，提高线路的电压。高压静止无功发生器 SVG 采用了电力电子器件，能够快速吸收或者发出无功功率，对容性和感性无功功率进行补偿，具有补偿快速，跟踪准确的特性。
2.4.1分布式光伏电站可以使用电容器自动投切装置，实现自动调节补偿
分布式光伏电站通常采用的并网接入方式是就地并网，意思是就地并网接入公共配电网络或者配电变压器低压侧。可以使用低压移相电容器自动补偿装置，用以实现自动投切补偿，可以使得功率因数总是处于合适的状态
2.4.2平衡三相负荷，减少损耗
三相负荷的不平衡可能导致变压器处于不对称状态，在这个状态下运行，将会导致变压器的损耗增大；而且对用电设备也有不利的影响。三相不平衡状态对线损的影响主要体现在：各相的负荷电流不相等，那么就会在相间产生不平衡的电流，而且这些不平衡电流不但引起相线上损耗，而且还将引起中性线上的损耗，也就是增加了总的线损，电流的不平衡度越大，线损的数值也越大。
因此在设计中把单相用电设备分类，均衡地分配到三相上，例如照明灯具、插座要尽量实现内部三相平衡；在实际运行中，要定期进行三相负荷的测定和调整工作，使变压器三相电流接近平衡，这是无需任何设备投资且十分有效的降损措施。
2.4.3跟踪技术发展，合理选用节能设备
2.4.3.1采用新型光伏组件和逆变器设备
考虑到光伏发电设备的技术的进步，将其与1000V的光伏发电系统进行比较，采用电压更高的1500V光伏组件及逆变器，可以极大提高光伏系统中直流侧系统的电压，可以减少直流系统中的工作电流，进而达到节能目的。
2.4.3.2采用一体化装置替代传统的分立设备
在大中型光伏发电站的设计中，也可以使用新型的逆变升压一体机，用以代替原有系统使用的集中式逆变器、升压变压器以及中压配电装置。不但可以缩短安装时间，降低安装的难度，同时还可以省去集中式逆变器和升压变压器之间的用以连接的低压电缆，可以极大的提高系统发电效率。
3总结
太阳能光伏发电站具有供电线路长、发电设备分布广的特点，在降低光伏发电系统电耗方面可采用的措施很多，其中最主要的是降低输电线路损耗、降低变压器降耗和提高电网功率因数三方面，其它如均衡低压电网三相负荷、采用新型节能设备等措施也很重要。
总而言之，减少损耗、提高电能的利用率，可以极大的促进经济可持续发展，对于建设节约型社会具有极其重要的意义，在太阳能光伏发电站的工程设计中需要考虑多方面因素，统筹兼顾才可以达到节约用电的目的。
参考文献：
[1]王建涛. 浅述太阳能光伏的发展历程及应用[J]. 中国设备工程, 2018(10):225-226.
[2]周振宇.太阳能光伏发电站节能技术应用[J].节能与环保,2019(03):102-103.
[3]《中国电力百科全书》编辑委员会，中国电力出版社《中国电力百科全书》编辑部．中国电力百科全书•用电卷．北京：中国电力出版社，2001：第16-17页.
[4]巨争号.发电厂大容量升压变压器的选择[J].华电技术,2017,39(02):35-37+77.
论文作者:李铁兴
论文发表刊物:《电力设备》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/19
标签：光伏论文; 太阳能论文; 变压器论文; 发电站论文; 电站论文; 工业革命论文; 电能论文; 《电力设备》2019年第8期论文;