提增綠色工廠光伏發(fā)電量壓降高耗能企業(yè)電費(fèi)

王 軍，辛永誠，郭方舸，張 思，李燕紅

(1.中國建材國際工程集團(tuán)有限公司，上海 200063；2.深圳市凱盛科技工程有限公司蚌埠分公司，蚌埠 233010；3.中國建材國際工程集團(tuán)有限公司蚌埠分公司，蚌埠 233010)

2021年10月11日，國家發(fā)改委發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步深化燃煤發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)市場(chǎng)化改革的通知》，要求各地要有序推動(dòng)工商業(yè)用戶全部進(jìn)入電力市場(chǎng)，按照市場(chǎng)價(jià)格購電，取消工商業(yè)目錄銷售電價(jià)。

根據(jù)國家電力體制改革工作布置，近日，四川和江蘇等省陸續(xù)出臺(tái)關(guān)于開展2022年電力市場(chǎng)交易工作的通知，10 kV及以上工商業(yè)用戶原則上全部參與市場(chǎng)交易，鼓勵(lì)其他工商業(yè)用戶直接參與市場(chǎng)交易，未參與市場(chǎng)交易的工商業(yè)用戶由電網(wǎng)代理購電。市場(chǎng)交易價(jià)格浮動(dòng)范圍為燃煤機(jī)組發(fā)電基準(zhǔn)價(jià)上下浮動(dòng)原則上不超過20%，高能耗企業(yè)市場(chǎng)交易電價(jià)不受上浮20%限制。未參與市場(chǎng)交易有電網(wǎng)企業(yè)代理購電的高能耗企業(yè)，用電價(jià)格為電網(wǎng)企業(yè)代理購電價(jià)格的1.5倍加上輸配電價(jià)、政府性基金及附加。

1 平板玻璃行業(yè)光伏發(fā)電工程概述

平板玻璃廠作為高能耗用電大戶，用電量大，度電電費(fèi)高，減少市電用電量迫在眉睫。

平板玻璃企業(yè)在加強(qiáng)節(jié)能降碳工藝技術(shù)開發(fā)、推動(dòng)高能耗技術(shù)改造同時(shí)，積極利用玻璃廠區(qū)內(nèi)建筑屋頂和墻面資源。通過綠色工廠建設(shè)，把這些建筑的墻面和屋頂利用起來，不僅能使得生產(chǎn)區(qū)變得美觀，更能將太陽能合理利用起來，增加了光伏發(fā)電量從而減少市電的用電量，減少電費(fèi)開支[1]。

平板玻璃廠內(nèi)以高大工業(yè)廠房為主，輔有皮帶廊及煙囪。主廠房高約20 m，具有大面積墻面和屋頂，其中墻面有東、南、西、北方向之分，不同方位光照條件不一樣。北面墻面全年不被太陽光照射，屋頂則全天被太陽光照射。根據(jù)不同光照情況，實(shí)際工程中可采取不同類型的光伏組件。

現(xiàn)市面上主流的光伏發(fā)電產(chǎn)品是薄膜發(fā)電玻璃和單晶硅光伏組件，非晶硅薄膜發(fā)電玻璃最大特點(diǎn)是弱光發(fā)電，即使沒有太陽直射光照射下也能發(fā)電；單晶硅光伏組件是目前轉(zhuǎn)化效率最大的主流產(chǎn)品，組件正面需太陽直射光[2]。針對(duì)廠房四面墻體及屋頂?shù)牟煌庹諚l件，墻面選擇發(fā)電玻璃來發(fā)揮其弱光發(fā)電的強(qiáng)項(xiàng)，外觀滿足建筑美學(xué)功能，屋頂選擇幕墻轉(zhuǎn)換效率最高主流產(chǎn)品單晶硅光伏組件，在玻璃廠既定的墻面和屋頂資源情形下力爭(zhēng)發(fā)電玻璃與單晶硅組件總發(fā)電量最大化。

2 工程實(shí)例介紹

2.1 總體布局

以一平板壓延玻璃廠主車間的光伏建筑一體設(shè)計(jì)為例，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)力求整個(gè)光伏系統(tǒng)電能損耗最低，從而同樣的發(fā)電玻璃與光伏組件排布使發(fā)電量最大化。

該案例中，主廠房主車間大致以中間軸對(duì)稱，中間部分呈T字型，兩邊分別與玻璃聯(lián)合車間加工工段相接。T字型部分為熱端，夏天時(shí)，其屋頂和墻面溫度極高。兩端大車間為冷端及玻璃深加工區(qū)域，發(fā)電玻璃與單晶硅組件不能受高溫影響，因而布置于兩端大車間墻面和屋頂。左右兩端大車間距離約計(jì)200 m，兩端大車間的屋面及幕墻，總計(jì)4個(gè)部分，分別構(gòu)成光伏系統(tǒng)的4個(gè)子系統(tǒng)，見圖1。

左右兩側(cè)玻璃深加工工段墻面南、北面面積均約7 000 m2，東、西面面積均約2 500 m2。南面墻體除去門窗共安裝約400 kWp銅銦鎵硒發(fā)電玻璃，東、西及北三面墻體除去門窗共安裝約800 kWp碲化鎘發(fā)電玻璃。左右兩側(cè)玻璃深加工工段屋頂面積均為約24 000 m2，除去氣樓遮擋外共安裝5 500 kWp單晶硅光伏組件。

2.2 直流側(cè)系統(tǒng)

光伏電站并網(wǎng)方式分為高壓并網(wǎng)和低壓并網(wǎng)，在某些區(qū)域有個(gè)不成文的規(guī)定，光伏電站低壓并網(wǎng)一般不超過1.6 MWp，即超過1.6 MWp光伏裝機(jī)容量只能以高壓并網(wǎng)。這個(gè)光伏電站裝機(jī)功率6.7 MWp，按照當(dāng)?shù)匾?guī)定只能高壓并網(wǎng)。

單晶硅組件系統(tǒng)電壓有1 000 V、1 500 V兩種，既然高壓并網(wǎng)，選擇系統(tǒng)電壓為1 500 V的光伏組件，相較于1 000 V系統(tǒng)，1 500 V系統(tǒng)單串組件塊數(shù)提高1.5倍，同樣的光伏裝機(jī)功率，組串?dāng)?shù)降低到2/3，相應(yīng)的組串直流線損及施工成本都降低，1 500 V系統(tǒng)匹配大功能的組串逆變器，目前其最大功率為225 kW，交流側(cè)電壓為800 V，逆變電壓提高后，傳輸同等的功率，電流降低，電纜截面減小[3]。

光伏電站隨著一天太陽光強(qiáng)度的變化輸出曲線呈拱形，而逆變器的送出能力有限，當(dāng)逆變器接入光伏組件總?cè)萘窟^大時(shí)，在太陽光較強(qiáng)的夏季，中午前后時(shí)分，大量電能由于受到逆變器極限輸出能力的限制而無法送出[4]，出現(xiàn)“削峰”現(xiàn)象，如圖2曲線A所示。

對(duì)于225 kW的逆變器，若僅接入225 kWp的光伏組件，此時(shí)，由于一年四季中絕大多數(shù)時(shí)候，光伏組件并不能達(dá)到其標(biāo)稱功率，如圖2曲線C所示，一年平均發(fā)電曲線遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到逆變器輸出極限值，同樣也造成了逆變器資源的極大浪費(fèi)。

因此工程中采用1.2～1.3的超配比來解決這個(gè)問題。即針對(duì)225 kW的逆變器，接入225×(1.2～1.3)容量的光伏組件。這樣做的好處是，光伏電站輸出曲線呈圖2曲線B所示，在盛夏中午，允許逆變器有一定程度的削峰出現(xiàn)，但絕大多數(shù)時(shí)候，光伏組件和逆變器的綜合利用率較高，從而在相同裝機(jī)容量情況下，獲得更大的發(fā)電量。

由于薄膜發(fā)電玻璃系統(tǒng)電壓為1 000 V，耐壓較晶硅差一些，同時(shí)為了避免直流組串光伏線纜過長，玻璃廠主車間一般高約20 m，因此只能選用較小功率的逆變器。采用100 kW逆變器，其交流側(cè)電壓為400 V。光伏方陣中，同一光伏組串中個(gè)組件電性能參數(shù)宜保持一致，光伏組串聯(lián)數(shù)應(yīng)按照逆變器MPPT最大電壓來計(jì)算[5]，碲化鎘以5塊為一串，每5小串通過接線盒并聯(lián)成一組串，單臺(tái)逆變器接入16組串。銅銦鎵硒以15塊為一串，每4小串通過接線盒并聯(lián)成一組串，單臺(tái)逆變器接入11組串。接線圖如圖3所示。

2.3 并網(wǎng)方式系統(tǒng)

在各子系統(tǒng)中心設(shè)立升壓站，#1(#3)光伏子系統(tǒng)與#2(#4)光伏子系統(tǒng)距離200 m，故東、西兩側(cè)的屋頂與幕墻部分分開，分別組成1個(gè)子系統(tǒng)。該玻璃生產(chǎn)線建筑采用兩層方案，聯(lián)合車間加工工段的二層布置冷端設(shè)備及其深加工線，一層為電氣變配電室、風(fēng)機(jī)房及成品庫房。一則聯(lián)合車間加工工段沿道路部分皆為光伏幕墻，在廠房外附近不便設(shè)升壓站，以避免對(duì)光伏幕墻產(chǎn)生遮擋；二則聯(lián)合車間加工工段一層大部分區(qū)域?yàn)槌善穾旆浚梢詫⑽挥谥胁康某善穾旆孔鳛樯龎赫痉浚@樣屋頂光伏子系統(tǒng)組串式逆變器交流側(cè)電纜先穿過屋頂氣樓進(jìn)入室內(nèi)，再沿鋼梁、鋼柱下到一層升壓站，這樣從逆變器交流側(cè)到升壓站房交流匯流柜的交流電纜總長度最短。有兩大好處，一節(jié)省線纜投資，二降低線纜損耗，增加光伏系統(tǒng)上網(wǎng)電量。同理幕墻光伏子系統(tǒng)組串逆變器交流電纜到位于聯(lián)合車間加工工段中部的升壓站房中交流電纜總長度最短，線纜投資省，線纜損耗低，光伏上網(wǎng)電量增加。

2.3.1 高壓并網(wǎng)

逆變器輸出需經(jīng)過升壓變升壓后送入并網(wǎng)點(diǎn)。升壓變就近布置于光伏方陣中心，位于廠房內(nèi)一層，盡可能最大減少電纜損耗。東西屋面分別接2 500 kVA升壓變，東幕墻接500 kVA升壓，西幕墻接400 kVA升壓，升壓至35 kV后接入35 kV開關(guān)站。經(jīng)35 kV開關(guān)站后于廠區(qū)總開關(guān)站35 kV母線I段并網(wǎng)。

2.3.2 低壓并網(wǎng)

大多數(shù)玻璃廠生產(chǎn)線配套玻璃深加工生產(chǎn)線，壓延玻璃深加工線的電加熱鋼化爐能耗大，需配大功率的配電變壓器，本生產(chǎn)線東西兩側(cè)的聯(lián)合車間加工工段分別配有6臺(tái)3 150 kVA配電變壓器，共12臺(tái)3 150 kVA配電變壓器，且位于東西兩側(cè)聯(lián)合車間加工工段中部，其位置基本上與高壓并網(wǎng)升壓站位置重疊，處在每個(gè)光伏幕墻子系統(tǒng)和屋頂光伏子系統(tǒng)的中心，光伏幕墻及屋頂光伏裝機(jī)容量6 700 kWp，光伏裝機(jī)容量僅為深加工變壓器總?cè)萘康?7.7%，光伏系統(tǒng)采用低壓400 V并網(wǎng)沒任何技術(shù)上的問題。低壓并網(wǎng)相較高壓并網(wǎng)，省去升壓站升壓設(shè)備及開關(guān)站一次、二次設(shè)備。雖然低壓并網(wǎng)逆變器單機(jī)功率變小，逆變器直流側(cè)系統(tǒng)電壓由1 500 V降為1 100 V，直流串?dāng)?shù)增加，光伏電纜增多；逆變器交流側(cè)電壓由800 V降為400 V，低壓并網(wǎng)電壓交流電纜用量增加，由于低壓并網(wǎng)點(diǎn)距離組串式逆變器較近，平均長度約100 m，故低壓交流電纜費(fèi)用增加有限。綜合考慮，這個(gè)低壓并網(wǎng)方案比高壓并網(wǎng)節(jié)省0.3元/Wp。此外，經(jīng)PVsyst軟件模擬，低壓并網(wǎng)方案還比高壓并網(wǎng)方案要多發(fā)電10多萬度電，由于深加工用電負(fù)荷大，光伏發(fā)電全部被消納，低壓并網(wǎng)方案比高壓并網(wǎng)少一級(jí)降壓變電環(huán)節(jié)，光伏發(fā)電利用效率更高，故玻璃廠在低壓并網(wǎng)條件允許下，采用低壓并網(wǎng)，計(jì)量點(diǎn)發(fā)電量最大化，中間損耗小，自發(fā)自用利用率更高。低壓并網(wǎng)采用低壓逆變器，以380 V電壓經(jīng)并網(wǎng)柜接入車間變電所低壓母線。

每一光伏方陣可就近接入變配電室。并網(wǎng)柜布置于變配電室內(nèi)，這樣高壓并網(wǎng)的升壓站與開關(guān)站皆可以省去，省錢又省地。并網(wǎng)柜布置于變配電室內(nèi)，光伏進(jìn)線經(jīng)并網(wǎng)柜，由并網(wǎng)柜出線再接入配電變低壓母線。

2.4 發(fā)電量估算

高壓并網(wǎng)系統(tǒng)效率81.01%，低壓并網(wǎng)系統(tǒng)效率82.46%。光伏發(fā)電站上網(wǎng)發(fā)電量可按照太陽能總輻射量、組件安裝量、綜合效率系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算獲得[5]，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 年發(fā)電量計(jì)算表

低壓并網(wǎng)西屋面光伏系統(tǒng)年發(fā)電量E3西屋面=226.732 4 kWh/m2×2.584 m2×4 615=2.75×106 kWh東屋面光伏系統(tǒng)年發(fā)電量E3東屋面=230.79 kWh/m2×2.584 m2×4 585=2.734×106 kWh南幕墻光伏系統(tǒng)年發(fā)電量E3南幕墻=95.1 kWh/m2×1.054 m2×2 853=0.286×106 kWh北幕墻光伏系統(tǒng)年發(fā)電量E3北幕墻=49.213 kWh/m2×1.92 m2×1 815=0.175×106 kWh西幕墻光伏系統(tǒng)年發(fā)電量E3西幕墻=70.5 kWh/m2×1.92 m2×562=0.076×106 kWh東幕墻光伏系統(tǒng)年發(fā)電量E3東幕墻=70 kWh/m2×1.92 m2×1 008=0.135×106 kWh全站年發(fā)電量E3∑全站=0.136×106 kWh+0.076×10 6 kWh+0.175×106 kWh+0.286×106 kWh+2.734×106 kWh+2.75×106 kWh=6.157×106 kWh

計(jì)算結(jié)果表明低壓并網(wǎng)具有更高的發(fā)電量，并且低壓并網(wǎng)發(fā)出的電自并網(wǎng)點(diǎn)即可直接被母線上負(fù)荷所使用，而高壓并網(wǎng)還需通過配電變壓器送給負(fù)荷，因而，低壓并網(wǎng)在發(fā)電量與利用效率上占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié) 論

在如今購電模式轉(zhuǎn)變和度電費(fèi)用上漲情形下，作為高能耗的平板玻璃廠，通過光伏建筑一體化，努力打造綠色工廠，不斷優(yōu)化光伏設(shè)計(jì)方案，增加發(fā)電量，減少損耗，所發(fā)電量最大效率地完全在廠里被消納，已達(dá)到最大程度地減少市電用電量，減少電費(fèi)。

綠色工廠建設(shè)在平板玻璃行業(yè)有著良好的應(yīng)用前景，該文重點(diǎn)探討了提高光伏建筑一體技術(shù)發(fā)電量從而達(dá)到最大限度減少電力成本。通過對(duì)建筑光伏一體的總體布局，針對(duì)不同光照情況選擇不同光伏組件，針對(duì)不同安裝工況，選擇不同鋪設(shè)方式，從效率最大角度選擇合適的電壓等級(jí)、逆變器容量、組件串并聯(lián)數(shù)等。以實(shí)際工程案例介紹了設(shè)計(jì)思路，并對(duì)發(fā)電量進(jìn)行演算。