张光明1 曲娟娟2 胡俊鹏3
（1.2山东电力工程咨询院有限公司 济南市历下区 2500133国网山东省供电公司 济南 250000）
摘要：光伏发电作为一种清洁能源，应用范围在迅速扩大，目前已有光伏发电接入变电站站用电系统的实际案例，可为重要变电站内的负荷提供另一种电源接入选择，提高站用电的可靠性。因光伏组件的安装及运行方式的选择直接影响可装机容量，进而影响站用电可靠性提高的效率，因此本文对这一问题进行了研究，并提出了经济技术比较结论。
关键词：光伏；站用电；安装位置；安装方式；运行方式;
0 引言
光伏发电作为一种清洁能源，应用范围在迅速扩大。变电站的站用电系统为各类生产运行设备以及常规的照明及生产生活提供电能,站用电的稳定直接影响着变电站的安全运行[1]。光伏站用电系统可为重要变电站内的负荷提供另外一种电源接入选择，提高站用电的可靠性。在光伏站用电系统设计实例中发现，光伏组件的安装及运行方式的选择直接影响可装机容量，需要进行深入分析。
1 光伏组件的安装方式分析与选择
1.1 各安装方式简介
国外科研人员将光伏与建筑的结合分为两大类：一是建筑物与光伏系统结合，或称为光伏附着设计（BAPV）；二是建筑与光伏组件结合，或称为光伏和建筑的一体化集成设计（BIPV）[2]。
1.2 各安装方式特点
1.2.1 BAPV
BAPV主要有屋顶安装和侧壁安装等。最方便、最适当装置光伏阵列的地方是屋顶，因此BAPV中屋顶安装的方式占绝大多数。
BAPV的缺点是光伏系统与建筑物结合性不高，但BAPV的最大优点是安装方便、可靠性高、运行经验丰富、光电转化效率高、造价低，是工程应用中安装方式的主要选择方案。
1.2.2 BIPV
BIPV建筑构件安装是将太阳能电池与建筑材料复合成在一起成为不可分割的建筑构件，BIPV主要有建筑构件安装、中空玻璃组装等方式。
BIPV有以下优点：第一，建筑物的外壳能为光伏系统提供足够的面积，不需要额外的占地面积，这对于土地昂贵的城市建筑尤其重要，还省去了光伏系统的支撑结构[3]；第二，可原地发电用电，避免传输和分电损失，降低了传输分配的投资和维修成本；第三，光伏组件一般安装在建筑的屋顶及墙的南立面上直接吸收太阳能，这不仅提供了电力，还降低了墙面及屋顶温升，能有效地减少建筑能耗，实现建筑节能。
但BIPV 的光伏建筑一体化程度高，它要求光伏器件与建筑材料集成化代替部分建材，现阶段技术尚不成熟。待技术成熟成本大幅降低后，有利于该技术的推广应用。
1.3 BAPV与BIPV在变电站中的应用分析
变电站内光伏系统要求较高的可靠性、丰富的运行经验、简单的安装方式和低廉的系统投资。因此在目前的技术条件下，具备太阳能光伏发电条件的一般变电站宜选用BAPV的安装方式。
2 光伏电池组件的安装位置的分析与选择
2.1 各安装位置简介
光伏电池组件固定安装位置主要有柱上、地面上、屋顶上和墙壁上四种。
2.2 各安装位置特点
（1）在柱上安装太阳电池板的难度依电池板离地的高度而定。可在变电站的进出线架构处安装。但为避开阴影遮挡、带电距离校验等，安装高度及宽度等均受到一定影响，安装运行维护也非常困难。且户外构架离站用变系统较远，输电损耗较大。所以这虽这一方案并不实用。
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（2）在地面上安装是最简单的，但需要变电站内有大量空地，且易受周围环境阴影遮挡，发电效率需具体分析后确定。敞开式变电站等有较大面积空地，这倒是一种较好的安装方式。
（3）在屋顶上安装是最有效果的。首先，屋顶不必经过复杂的“再加工”就能放置光伏电池；其次，所处位置较高，易充分接受阳光，阴影遮挡几率小；再次，能以“最短”输电距离向站用电系统供电，减少线损；最后，易与建筑风格相适应，不破坏原有建筑风格。屋顶安装是变电站内光伏电池组件的首选安装场所，特别是紧凑型全户内变电站，更是上佳安装位置。
（4）在墙壁上安装受到的限制较多。变电站内可利用的墙壁主要是建筑墙壁及内围墙。围墙外侧安装因易受破坏和盗窃，不予考虑。假定向南按倾斜纬度角安装的太阳电池发电量为100，则在其余朝向安装的位置的发电量均有不同程度减少。南向墙安装最高，发电量为70，东向墙安装次之，发电量为50。从经济性考虑，宜选择南向墙安装。但墙壁安装方式施工较为困难、易被阴影遮挡且转换效率低，受变电站整体朝向及可用墙壁面积的影响较大，虽可行但效果不佳。
2.3 各安装位置在变电站中的应用分析
变电站内光伏组件需考虑阵尺寸、可利用的空间、采光条件、防止破坏和盗窃、风负载、视觉效果及安装难度等因素。
推荐安装位置及方式如下：
（1）一般GIS/HGIS变电站，布置紧凑，建议首选屋顶安装，空地安装与南墙墙壁安装次之，且需具体工程技术经济比较后确定。
（2）敞开式变电站，建议首选屋顶安装，其次是空地安装，最后是南墙墙壁安装。
（3）全户内变电站，因全站仅一个生产综合楼，因此首选屋顶安装，其次是南墙墙壁安装，条件具备的情况下还可结合技术经济比较选择适量的BIPV安装方式。
以上在安装布置时还需避开阴影遮挡，置于通风情况良好的地方，可使得光伏组件的发电效率最高。
3 光伏组件的运行方式分析与选择
光伏组件运行方式目前有以固定倾角安装形式，跟踪太阳轨迹的单轴跟踪系统及双轴跟踪系统等。
3.1 固定式
光伏组件的安装，考虑其可安装性和安全性，目前技术最为成熟、成本相对最低、应用最广泛的方式为固定式安装。光伏组件根据公式推算出所属区域的最佳倾角布置，可获得固定方式下全年最大发电量。
3.2 单轴跟踪
单轴自动跟踪器用于承载传统平板光伏组件，可将日均发电量提高20～35%。光伏组件不同的安装角度接受的太阳光辐射量不同，发出的电量也就不同。安装支架不但要起到支撑和固定光伏组件的作用，还要使光伏组件在特定的时间以特定的角度对准太阳，最大限度的利用太阳光发电。
3.3 双轴跟踪
双轴跟踪是方位角和倾角两个方向都可以运动的跟踪方式，可最大限度的提高太阳能电池对太阳光的利用率。在云量及雾气较多的地方，采用双轴跟踪可提高发电量20～25%；在较晴朗的地方，采用双轴跟踪系统，可提高发电量35%～45%。
3.4 光伏阵列运行方式选择
在北半球的不同纬度、海拔高度下与最佳倾角的固定式安装相比，水平单轴跟踪的发电量可提升17%~30%，倾斜5°单轴跟踪的发电量可提升21%~35%，双轴跟踪的发电量可提升了35%~43%。在低纬度地区，水平单轴对发电量的提升效果较好，而高纬度地区的效果相对较差，斜单轴和双轴对发电量的提升效果较好。采用跟踪式时，发电量将会有较大提高。但跟踪式的运行方式经验较少，且需增加维护成本，不利于大面积应用。
光伏组件安装空间有限，与跟踪式支架相比，固定式支架节省占地，可安装更多光伏组件。
因此，建议光伏组件运行方式采用固定式支架。
4 结论
根据以上分析结果，变电站的光组组件安装及运行方式选择如下：
（1）安装方式选用BAPV型式。安装位置按类选择如下：
一般GIS/HGIS变电站，首选屋顶安装，空地安装与南墙墙壁安装次之。
敞开式变电站，建议首选屋顶安装，其次是空地安装，最后是南墙墙壁安装。
全户内变电站，首选屋顶安装，其次是南墙墙壁安装，条件具备时可选适量的BIPV安装方式。
（2）运行方式选取固定安装方式、按最佳倾斜角倾斜安装。
参考文献：
[1] 王欣,朱安西,朱雁斌.变电站光伏站用变系统的研究[M].2011年云南电力技术论坛论文集,2011:144-148.
[2]张萍,郭伟.太阳能光伏发电与建筑一体化技术在节能建筑中的应用 [M].吉林省土木建筑学会2011年学术年会论文集,2011:44-48.
[3]李淑艳.薄膜光伏电池产业发展路径[J].电子工业专用设备,2008(8):8-14.
作者简介
张光明（1985-），男，本科，工程师，主要从事电力工程变电电气专业设计工作；单位：山东电力工程咨询院有限公司
论文作者:张光明1,曲娟娟2,胡俊鹏3
论文发表刊物:《电力设备》2016年第12期
论文发表时间:2016/8/25
标签：光伏论文; 变电站论文; 方式论文; 组件论文; 发电量论文; 屋顶论文; 系统论文; 《电力设备》2016年第12期论文;