屋頂分布式光伏系統在鑄造工業中的應用及經濟環境效益

王 娟，趙春紅，李 瑤

(濰坊市高密生態環境監控中心，山東 濰坊 261500)

0 引 言

碳達峰、碳中和已納入生態文明建設整體布局。在“雙碳”目標下，電廠、工業、交通、建筑行業是推進碳達峰、碳中和的重要部分，產業結構調整和能源結構轉型迫在眉睫，能源結構轉型更是首當其沖。21世紀以來，全球各國陸續進入可再生能源替代化石能源的第三次轉型階段[1-2]。截止2020年底，中國可再生能源發電裝機容量占全部電力裝機容量的42.5%，可再生能源發電量占全部發電量的29.1%，水電、抽水蓄能、風電、太陽能發電、生物質能、地熱、新型儲能、氫能增長迅速，其中太陽能發電隨著技術水平提升和發電成本的不斷降低，裝機容量和發電量增長較快[3-4]。鑄造工業是傳統高耗電行業，在面臨產業升級改造、節能降耗減排的同時能源的“開源”也尤為重要。高密市2021年完成了鑄造行業的整體改造升級，在設備、工藝、產品節能的基礎上，整個行業機械化自動化水平提高，電耗在生產成本中占比大。因此，鑄造行業能源的綠色可持續發展之路勢在必行。本研究基于鑄造企業屋頂光伏電站實測發電量、自用量、氣象等數據，分析光伏電站發電量變化特征，通過建立相關關系分析發電量的影響因素并建立發電量與日照時數(峰值)線性回歸模型，通過計算服務期內發電量預估經濟環境收益，為屋頂光伏投資決策和政府、企業能源規劃提供參考。

1 研究對象及方法

以高密市某鑄造企業車間屋頂分布式光伏系統一期工程為研究對象，該系統2020年9月建成并網運行，裝機容量200 kW，由625塊320 W多晶硅組件串聯而成，平鋪于車間屋頂，屋頂坡度8度。發電量及上網電量數據來源于電站監控系統和供電公司，氣象數據來源于國家氣象信息中心和地方政府網站公布數據；污染物數據來源于地方環保部門網站公布數據。

基于該光伏系統2020年10月至2021年9月運行數據，分析該光伏系統發電量分布特征，并與日照時數、短波輻射總強度、溫度、PM2.5、降塵量等建立相關關系，分析電站運行主要影響因素，根據實際發電量、自用電量、上網量數據探索“自發自用，余量上網”模式下發電系統的實際經濟環境效益，為鑄造行業光伏電站建設提供數據支撐和決策依據。

2 結果與分析

2.1 發電量變化特征

2020年10月到2021年9月200 kW分布式光伏電站月發電量情況如圖1所示。從圖中可以看出，光伏電站發電量的月變化和季節變化波動明顯，11月到次年1月份發電量低，之后發電量從2月份開始逐月增長，5月份發電量達到最高值，6-8月份發電量保持在高位，9月份開始下降；電站發電量季節性變化明顯，秋冬季節明顯低于春夏季節，這是由于高密屬于季風區暖溫帶大陸半溫潤氣候，四季分明，太陽輻射變化明顯。

單日發電量最高值出現在5月份，日最高發電量1 300 kW·h。根據波形良好的日內發電功率隨時間變化曲線統計，發電功率隨著日照強度的變化在中午出現峰值[5]，這正好與該企業用電負荷相反，中午11:30-13:30，發電量占全天的22%～28%，企業監測自用量占發電量的70%左右。由此可知，該企業的上網電量主要源于中午時段。

2.2 相關性分析及模型建立

有學者通過采用相關性分析方法分析了光伏發電功率與各個氣象因子的相關程度[6],影響光伏發電的最主要氣象因子是太陽輻照度[7]。本文以2020年10月到2021年9月月發電量與相應月份氣象因子、污染物因子建立相關關系，結果表明(表1)，風速、相對濕度對發電量影響不大，發電量與溫度、日照時數(峰值)、短波輻射總強度正相關關系明顯，其中發電量與日照時數(峰值)、短波輻射總強度相關性顯著。發電量與降塵量、PM2.5濃度負相關，這是由于大氣降塵落在光伏板表面對太陽輻射起到了阻礙作用。相較與大氣降塵，PM2.5與發電量的負相關較強，這是由于顆粒物濃度影響太陽輻射強度[8]，PM2.5濃度季節性變化明顯[9]，呈現冬季濃度高，夏季濃度低，這與光伏發電量季節性變化正好相反；同時降雨對光伏表面的積塵有一定的沖刷作用，秋冬季節降雨量小，落在光伏組件表面的細顆粒物不易被風、雨帶走。灰塵遮擋不僅影響系統發電量，而且容易引起熱斑效應[10],由此看來，秋冬季節應加強對光伏組件表面清潔工作。

有學者利用日照時數與日發電量建模估算年發電量，模型線性關系顯著[11]。本文進行數據相關分析時發現采用月發電量與相關系數最高的日照時數(峰值)建立擬合方程，線性關系更顯著，基于2020年10月至2021年9月月發電量與日照時數(峰值)數據進行線性擬合，兩者呈現顯著線性關系，R2高達0.968，使用2021年10月的發電量數據進行檢驗，誤差在3.2%，總體看來擬合效果較好。可以看出，日照時數(峰值)越高發電量越多，在設計光伏電站時需要考慮當地太陽能資源，從而可以縮短投資回報周期[12]。

圖2 發電量與日照時數(峰值)線性擬合回歸模型

2.3 經濟環境效益分析

2.3.1 經濟效益分析

并網型分布式光伏根據發電自用量分為全部上網、自發自用余量上網、全部自用三種情況。根據本區域1950年～2020年年日照時數(峰值)資料，計算年日照時數(峰值)平均值，2020年10月至2021年9月日照時數(峰值)低于多年平均值4%左右，根據模型按照多年平均日照時數(峰值)計算發電量多于一年內發電量實測值。

本文以實測發電量為初始值保守計算收益，按照多晶硅光伏組件一年內衰減率3%、后續年內衰減率0.7%、光伏系統使用壽命25年、并網電價0.391、自發自用電量70%、白天平均電價0.72元計算，服務期內不同自用量條件下收益如圖3所示。

圖3 以實測發電量為初始值的投資收益情況

可以看出，發電全部上網第7年可收回全部成本(投資額存款利率按3%計算)，按企業目前70%的自用量計算第4年收回全部成本，發電全部自用3年半可收回成本。25年服務期內，發電全部上網可獲得經濟收益是投資額的4倍，按70%的自用量計算可獲得經濟收益是投資額的6倍，發電全部自用可獲得經濟收入是投資額是7倍。對于工業企業來說，自建光伏電站可以抵扣相關稅費，疊加后按照70%自用電量計算第一年可收回成本45%左右。由圖3可以看出，發電全部上網收益接近于銀行貸款利率，這種模式不適合企業貸款投資。目前，高密市工業屋頂分布式光伏電站建設多集中用電量大的行業或是工業園，一是分布式發電更適合于所發電力的消納[13]，自發自用量越大取得的效益就越高，且光伏電站建設對屋頂構造形態[14]及承載力有一定要求；二是企業決策者考慮購買光伏組件投資資金數量大[15]，受審批條件和決策者投資意識等限制，工業屋頂光伏系統目前并未廣泛普及。

光伏上網電價與夜間谷電價持平，在不考慮儲能條件下，工業企業全資建設與自身用電量相匹配的光伏電站能最快收回成本。

2.3.2 環境效益分析

光伏發電工程除經濟效益外，還具有顯著的環保效益。太陽能是一種清潔的可再生能源，相對于煤炭發電，光伏發電能降低污染物排放。按1噸優質煤發電3 100 kW·h，制造一塊光伏板耗能40 kg煤計算，本項目服務期內可節約煤炭1 570噸，減排二氧化硫排放25噸、氮氧化物8噸、粉塵10.7噸、爐渣216.7噸。項目可減少碳排放4 935噸。光伏組件還能有效保護屋頂、延長屋頂使用壽命，同時起到冬保溫、夏降溫的作用，起到建筑節能的作用。

另外，光伏發電量與降塵量負相關，鑄造企業粉塵產生量較大，雖然經過行業整治實現達標排放，安裝光伏系統的企業勢必要平衡光伏發電收益和粉塵持續治理的關系，以光伏效益促進污染物持續治理。

隨著煤改電、天然氣“壓非保民”、拉閘限電的實施，作為用電量比較多的鑄造業來說，安裝光伏發電系統可自發自用，抵消了一部分傳統電力，還能為環境做貢獻，多余的電力上網收益。

3 結論與問題

光伏電站發電量的月變化和季節變化波動明顯，具體表現在春夏季節高，冬春季節低，11月到次年1月份發電量低，5月份發電量達到最高值，單日發電量最高值也出現在5月份。企業監測自用量占發電量的70%左右，日內發電功率峰值與該企業用電負荷相反，調峰能力建設也是光伏發電的發展方向。

通過發電量與氣象因子、污染因子相關性分析發現，溫度、日照時數(峰值)、短波輻射總強度與發電量正相關，其中發電量與日照時數(峰值)、短波輻射總強度相關系數高達0.984、0.972。發電量與降塵量、PM2.5濃度負相關，降雨對光伏表面的積塵有一定的沖刷作用。秋冬季節降雨量小，落在光伏組件表面的細顆粒物不易被帶走，應該加強對光伏組件表面清潔工作。

工業企業自建并網型光伏電站，發電全部自用效益最高，3年半可收回成本。對于工業企業來說，自建光伏電站可以抵扣相關稅費，疊加后第1年可收回成本45%左右。目前，光伏上網電價與夜間谷電價持平，在不考慮儲能條件下，工業企業建設與自身用電量相匹配的光伏電站能最快收回成本。

光伏發電環境效益明顯，200 kW光伏電站服務期內可節煤1 570噸，減少碳排放4 935噸，減排二氧化硫25噸、氮氧化物8噸、粉塵10.7噸、爐渣216.7噸。服務期滿后，廢棄組件的處理和去向是光伏產業的面臨的一個重要問題。

作為用電量比較多的鑄造業來說，安裝光伏發電系統可自發自用，抵消了一部分傳統電力，還能為環境做貢獻，多余的電力上網。在“雙碳”目標和產業結構調整、能源結構轉型的大形勢下，建設光伏電站也是鑄造企業能源綠色可持續發展的出路。