分布式屋頂光伏發(fā)電在工業(yè)企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用及效益分析

陳萍

（安徽華光光電材料科技集團(tuán)有限公司 蚌埠市 233000）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和能源短缺矛盾的日益突出，人們逐漸把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能夠改變?nèi)祟惖哪茉唇Y(jié)構(gòu)，維持長遠(yuǎn)的可持續(xù)發(fā)展。太陽能因取之不盡、用之不竭，具有清潔無污染、使用安全、價(jià)格低廉、壽命長等獨(dú)有優(yōu)勢，被認(rèn)為是目前最為理想的新型能源。

作為世界上最大的發(fā)展中國家，經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展日益受到能源短缺的制約，合理利用巨大能量的太陽能資源解決能源問題已刻不容緩。中國地處溫帶和亞熱帶，具有比較豐富的太陽能資源，全國2/3的國土面積年日照2 200 h以上，年太陽輻射總量大于5 000 MJ/m2，具有有效利用太陽能的較好條件，而且太陽能光伏發(fā)電無需消耗燃料和架設(shè)輸電線路，也節(jié)約了大量的人力、物力、財(cái)力。太陽能光伏發(fā)電站潛力巨大，配合積極穩(wěn)定的政策扶持，中國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，已成為全球光伏發(fā)電裝機(jī)量增長最快的國家，據(jù)國家能源局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2018年上半年，我國光伏發(fā)電裝機(jī)容量已達(dá)到1.5億kW。

1 光伏發(fā)電原理及分類

光伏發(fā)電是利用具有光、電轉(zhuǎn)換特性的半導(dǎo)體器件太陽能光伏電池，直接將太陽輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｋ闹饕硎前雽?dǎo)體的光生伏特效應(yīng)（簡稱光電效應(yīng)），即利用光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同界面之間產(chǎn)生電位差，從而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)，它首先是由光子轉(zhuǎn)化為電子、光能量轉(zhuǎn)化為電能量的過程；其次，是形成電壓的過程。系統(tǒng)由太陽能電池、控制器和逆變器三大主要部件以及蓄電池、交流配電柜、監(jiān)控系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)等組成，其中太陽能電池和逆變器是光伏發(fā)電站的核心系統(tǒng)，太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。光伏發(fā)電的特點(diǎn)是可靠性高、使用壽命長、不污染環(huán)境、既能獨(dú)立發(fā)電又能并網(wǎng)運(yùn)行。光伏并網(wǎng)發(fā)電原理如圖1所示。

光伏發(fā)電系統(tǒng)按輸送方式可分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)三類（獨(dú)立光伏發(fā)電、并網(wǎng)光伏發(fā)電在文章中不涉及，這里不加贅述）。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，又稱分散式發(fā)電或分布式供能，是指在用電現(xiàn)場或靠近用電現(xiàn)場配置較小的光伏發(fā)電供電系統(tǒng)，以滿足特定用電的需求，支持現(xiàn)存配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)包括光伏電池組件、光伏方陣支架、直流匯流箱、直流配電柜、并網(wǎng)逆變器、交流配電柜等設(shè)備，另外配有供電計(jì)量裝置、監(jiān)控裝置和環(huán)境監(jiān)測裝置等。其運(yùn)行模式是在有太陽輻射的條件下，太陽能電池組件陣列將太陽能轉(zhuǎn)換輸出的電能，經(jīng)過直流匯流箱集中送入直流配電柜，由并網(wǎng)逆變器逆變成交流電供給企業(yè)自身負(fù)載，多余或不足的電力通過聯(lián)接電網(wǎng)來調(diào)節(jié)。下面以安徽華光光電材料科技集團(tuán)有限公司投建的“2 MWP分布式屋頂光伏發(fā)電站項(xiàng)目”為例，介紹分布式屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)在工業(yè)企業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用。

2 企業(yè)實(shí)際應(yīng)用

安徽華光光電材料科技集團(tuán)有限公司（以下簡稱安徽華光集團(tuán)）位于安徽省北部城市蚌埠市，地理位置北緯32°56'，東經(jīng)117°22'。該地區(qū)太陽能資源豐富，全年總?cè)照蛰椛淞? 058 MJ/m2，年日照天數(shù)245天，市區(qū)最高溫度達(dá)40.8 ℃，光照條件良好，為公司建設(shè)分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目提供了堅(jiān)實(shí)的資源基礎(chǔ)。蚌埠市全年日照資源情況見表1。

表1 蚌埠市全年日照資源情況

安徽華光集團(tuán)屬于典型高耗能的玻璃行業(yè)，電力消耗占產(chǎn)品能源消耗相當(dāng)比例。利用光伏發(fā)電補(bǔ)充生產(chǎn)用電，是降低單位產(chǎn)品電力消耗經(jīng)濟(jì)有效的方式之一。公司 “高溫太陽能薄膜電池玻璃”生產(chǎn)線于2018年初投產(chǎn)，利用新廠房屋頂及辦公樓玻璃幕墻的有效面積建設(shè)分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，可充分節(jié)約企業(yè)能源成本，提高產(chǎn)品市場競爭力。

由于玻璃熔窯用電負(fù)荷較大，且用電負(fù)荷持續(xù)、穩(wěn)定，其負(fù)荷大小也足以消納該屋頂光伏電站發(fā)出的電力，因此采用完全自發(fā)自用的模式，即將光伏并網(wǎng)點(diǎn)設(shè)在用戶電表的負(fù)荷側(cè)，電量計(jì)量表設(shè)置雙向計(jì)量，用戶負(fù)荷直接消納光伏發(fā)電量，以節(jié)省電費(fèi)的方式直接享受電網(wǎng)銷售電價(jià)，除此之外，光伏發(fā)電量還可另外享受政府補(bǔ)貼。

安徽華光集團(tuán)分布式屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)于2018年5月順利投產(chǎn)，項(xiàng)目采用的并網(wǎng)方式為用戶側(cè)并網(wǎng)，根據(jù)變壓器容量、企業(yè)用電量和廠區(qū)房屋結(jié)構(gòu)面積等實(shí)際條件，將公司切載成品庫、原料及浮法聯(lián)合車間、辦公樓屋頂及墻面等可利用面積30 600 m2合理劃分，共分布7個(gè)光伏系統(tǒng)接入點(diǎn)，每個(gè)接入點(diǎn)均配備容量適當(dāng)?shù)哪孀兤鳎M成各個(gè)獨(dú)立發(fā)電單元。各獨(dú)立發(fā)電單元以400 V電壓等級(jí)經(jīng)過交流匯流后，每400 kW經(jīng)并網(wǎng)柜接入廠區(qū)配電箱，為就近負(fù)荷供電。建筑物主要為電氣設(shè)備室，內(nèi)設(shè)配電開關(guān)柜，太陽能電池板布置于戶外鋼制構(gòu)架上，站區(qū)及電氣設(shè)備室按規(guī)范配置移動(dòng)消防設(shè)備。另外，公司廠區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)光伏照明燈若干，每盞立桿式照明燈上方設(shè)置一塊太陽能光伏板，利用控制器將白天光伏所發(fā)的電力儲(chǔ)存在蓄電池中用作夜晚廠區(qū)照明使用。

項(xiàng)目廠房屋頂在設(shè)計(jì)時(shí)除了計(jì)算風(fēng)雪等基礎(chǔ)荷載外，還考慮到屋頂光伏電站組件、支架等設(shè)施的重量，增加了20 kg/m2的恒定荷載，符合屋面安裝光伏電站的安全荷載要求。整個(gè)太陽能板按功能分區(qū)布置，每個(gè)太陽能電池板方陣之間留有合適寬度的檢修通道。該系統(tǒng)主要裝機(jī)容量2 MWP，建設(shè)面積30 600 m2，共用組件15 243片。光伏發(fā)電站具體分布規(guī)模參數(shù)見表2。

表2 光伏發(fā)電站具體分布規(guī)模參數(shù)

該系統(tǒng)光伏組件采用外形尺寸1 587 mm×664 mm的CIGS薄膜電池組件，單塊功率130 WP。薄膜光伏電池具有輕薄、質(zhì)輕、柔性好等優(yōu)勢，應(yīng)用范圍非常廣泛，尤其適合用在光伏建筑一體化之中；屋頂全部采用彩鋼板結(jié)構(gòu)，考慮到屋頂?shù)某兄睾碗娬镜拿烙^性，太陽能電池組件沿彩鋼板角度平行鋪設(shè)；系統(tǒng)共接入35臺(tái)60 kW逆變器，交流匯入交流匯流箱，然后再接入并網(wǎng)柜，并網(wǎng)柜通過多回路接入廠區(qū)0.4 kV低壓母線，直接并網(wǎng)發(fā)電；匯流箱具有防雷和防反功能。

當(dāng)連續(xù)陰雨或者霧霾天氣，太陽光輻射度較低，系統(tǒng)工作電壓達(dá)不到逆變器的啟動(dòng)電壓時(shí)，光伏系統(tǒng)不工作而不能滿足負(fù)載需求，公共電網(wǎng)的電將自動(dòng)補(bǔ)充，因此不存在電力不足而斷電的問題。當(dāng)電網(wǎng)失電時(shí)，也可直接切斷光伏電網(wǎng)與公共電網(wǎng)的連接，防止“孤島效應(yīng)”發(fā)生，避免并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)公共電網(wǎng)的影響。

3 效益分析

該玻璃熔窯采用天然氣為主要燃料，輔助電加熱燃燒。公司采用35 kV等級(jí)雙回路供電。正常生產(chǎn)情況下，平均電力負(fù)荷在3 100 kW左右，高峰用電時(shí)段主要集中在白天，機(jī)電維修及辦公行政使用。根據(jù)蚌埠市供電公司高峰、平谷和低谷用電時(shí)段劃分：10:00~12:00的早峰時(shí)段和13:00~17:00的平谷時(shí)段，是太陽光日照最佳時(shí)段，也是公司高峰用電時(shí)段，高峰時(shí)段電費(fèi)單價(jià)約是夜間低谷電價(jià)的2.4倍。由此可見，利用最強(qiáng)太陽光輻射能發(fā)電補(bǔ)充公司高峰時(shí)段生產(chǎn)用電可在一定程度上起到削峰作用。

在充分考慮到組件本身熱損、灰塵損耗、不可避免的遮擋物損熱以及設(shè)備故障等情況，技術(shù)人員測算出此分布式屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率可達(dá)到83%左右。雙向計(jì)量表輸出信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集裝置，將溫度、輻射度、光伏電壓、電流、功率等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)監(jiān)控系統(tǒng)中，便于技術(shù)人員實(shí)時(shí)觀測系統(tǒng)運(yùn)行情況。根據(jù)該系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)來看，光伏發(fā)電項(xiàng)目實(shí)施前與實(shí)施后的負(fù)荷曲線對(duì)比如圖2所示。

圖2 光伏發(fā)電項(xiàng)目實(shí)施前與實(shí)施后的負(fù)荷曲線對(duì)比

通過圖2可以看出：項(xiàng)目實(shí)施前，每天上午高峰用電負(fù)荷約3 310 kW，下午用電負(fù)荷約3 380 kW；項(xiàng)目實(shí)施后的負(fù)荷有了明顯下降，上午高峰用電負(fù)荷降至2 300 kW，下午降至2 350 kW，下降負(fù)荷即可理解為該項(xiàng)目光伏發(fā)電量。具體數(shù)據(jù)列表3進(jìn)行分析對(duì)比更顯直觀。

表3 分布式屋頂光伏發(fā)電項(xiàng)目實(shí)施前后參數(shù)對(duì)比

表3中列出項(xiàng)目實(shí)施前后負(fù)荷對(duì)比情況，得出日均發(fā)電量8 180 kWh，參考蚌埠市平均日照天數(shù)245天，預(yù)計(jì)全年發(fā)電量約200萬kWh。公司現(xiàn)實(shí)行兩部制電價(jià)：基本電費(fèi)電價(jià)+峰谷平電量電價(jià) ，按公司實(shí)際綜合執(zhí)行電價(jià)約0.74元/kWh計(jì)算，全年可節(jié)約電費(fèi)148萬元。

除發(fā)電量直接節(jié)約的電費(fèi)支出以外，安徽省對(duì)光伏發(fā)電自發(fā)自用模式還有政策支持，即對(duì)光伏發(fā)電量還進(jìn)行補(bǔ)貼，補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)為0.32元/kWh（含稅），公司每年可獲財(cái)政補(bǔ)貼70.4萬元。綜合以上，公司分布式屋頂光伏發(fā)電每年可產(chǎn)生收益218.4萬元，經(jīng)濟(jì)效益可觀，結(jié)合光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)成本，預(yù)計(jì)7～8年即可收回全部投資成本。

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)沒有燃燒過程，不會(huì)產(chǎn)生空氣污染和噪音，是清潔的低碳能源，具有顯著的社會(huì)環(huán)保效益。就減少二氧化碳效果而言，安裝1 m2光伏發(fā)電系統(tǒng)相當(dāng)于植樹造林100 m2，是最優(yōu)質(zhì)的綠色能源之一。分布式光伏發(fā)電除經(jīng)濟(jì)效益外，對(duì)于人類環(huán)境保護(hù)還將產(chǎn)生更為長遠(yuǎn)的社會(huì)效益。

為了保證分布式屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率，需要對(duì)系統(tǒng)部件進(jìn)行定期檢查、維護(hù)，包括外觀檢查和設(shè)備內(nèi)部檢查。外觀檢查維護(hù)主要是擦拭組件，及時(shí)清理遮擋樹木或雜物，宜選擇清晨或傍晚進(jìn)行，以減少太陽強(qiáng)光灼傷，冬季要及時(shí)去除屋頂積雪，避免影響發(fā)電量；其次，對(duì)設(shè)備內(nèi)部的檢查，一般采用紅外照相的方法對(duì)光伏方陣、線纜和連接器等主要電器元件深度檢查，如接線盒的密封情況，確保沒有裂紋或縫隙，連接器連接是否緊密、無腐蝕、無發(fā)熱現(xiàn)象，防止嚙齒動(dòng)物破壞或氣候原因造成的組件老化，光伏組件接地是否良好等。公司指派專業(yè)人員對(duì)該分布式屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行巡檢維護(hù)并做好巡檢記錄，對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題及時(shí)分析處理，確保系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。

4 結(jié)語

中國可再生能源資源豐富，具有大規(guī)模開發(fā)的資源條件和技術(shù)潛力，可為未來社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供可靠的能源保證。在我國，限制煤電、支持可再生能源發(fā)展的政策不會(huì)改變，尤其是太陽能光伏發(fā)電因其獨(dú)特優(yōu)勢，被廣泛運(yùn)用。預(yù)計(jì)到2040年，可再生能源將占總能耗的50%以上，太陽能光伏發(fā)電將占總電力的20%以上；到21世紀(jì)末，太陽能發(fā)電將占總電力60%以上。由此可見，光伏將是未來低碳發(fā)展和能源轉(zhuǎn)型的主力軍，在能源領(lǐng)域有著重要的戰(zhàn)略地位。

充分認(rèn)識(shí)分布式屋頂光伏發(fā)電在工業(yè)企業(yè)實(shí)施的可行性、適用性和經(jīng)濟(jì)性，準(zhǔn)確把握光伏產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展趨勢，抓住市場機(jī)遇， 光伏發(fā)電給工業(yè)企業(yè)帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益。