光伏發電在紡紗企業的應用實踐

沈橋慶 沈銘婕 卞克玉

（1.常州虹緯紡織有限公司，江蘇常州，213018；2.江蘇理工學院，江蘇常州，213001；3.常州紡織服裝職業技術學院，江蘇常州，213020）

紡紗企業生產用電均使用國家電網提供的220 V/380 V、50 Hz 交流電，因生產設備24 h 連續運行，屬連續耗電用戶。為適應企業長遠發展以及響應國家“雙碳”需要，企業經過反復調研、論證后利用自有鋸齒形廠房屋頂等建筑實施屋頂分布式光伏發電項目，并由國內一家大型光伏企業負責投資、設計、建設、運維，用能企業付費用電，余電上網，太陽能綠電按照優惠打折價（國網電價的78%）支付給投資方。

1 光伏發電簡介

光伏發電是根據光生伏特效應原理，利用太陽能電池將太陽能直接轉化為電能。太陽能電池可并網發電，光伏發電系統主要由太陽能電池板組件、控制器和逆變器三大部分組成，因主要由電子元器件構成，不涉及精密復雜的機械部件以及后期的維護保養，故光伏發電設備簡潔可靠、安裝維護簡便，以下對利用紡紗廠屋面實施光伏發電項目進行相關分析，供同行參考。

1.1 所在區域太陽能資源分析

江蘇境內大部分地區年太陽總輻射在4 190 MJ/m2~5 016 MJ/m2。太陽總輻射量分布呈現西北多東南少的趨勢，北部年值高于南部，中部東西橫向年值由邊緣向中間遞減。項目在調 研 階 段 采 用Meteonorm 8.0 （1991—2000），Sat=53%獲取項目所在地太陽輻射數據。項目所在地多年年平均總輻射量為4 580 MJ/m2，通過計算得出時數為1 272 h，根據GB/T 37526-2019《太陽能資源評估方法》中太陽能資源豐富程度的分級評估方法，該區域的太陽能資源豐富程度屬C 級（3 780 MJ/m2~5 040 MJ/m2），具有較高的開發潛力和經濟價值。

1.2 工程任務和規模分析

某企業的光伏發電項目地址位于江蘇省常州市境內，場地的地形開闊。光伏發電主要任務是將太陽能轉化為電能，同時兼顧屋頂隔熱、保溫、防水等其他用途。項目建成后，其電力就近送入相鄰的10 kV 配電站并網使用。

從地區能源資源來看，項目所在地太陽能資源較穩定，較適于進行太陽能資源的開發利用。從地區新能源規劃、太陽能資源利用、電力系統供需、項目開發條件以及屋頂資源占地面積和陣列單元排布等方面綜合分析，項目共安裝10 688 塊550 Wp單晶硅組件，總裝機容量為5.568 75 MWp，通過太陽能光伏發電系統及相應的配套設施接入10 kV 電壓等級的電力系統。

1.3 光伏發電系統方案及發電量分析

通過技術論證與經濟綜合比較，屋頂發電所用的光伏組件選用550 Wp 單晶硅光伏組件，電站共安裝10 688 塊電池板。選用300 kW 的組串式逆變器，將逆變器交流側輸出匯集至新建升壓變后匯入新建10 kV 開關站再接入用戶側10 kV 變電站。

光伏電站光伏陣列由光伏組件、光伏陣列支架組成。光伏陣列安裝方式為固定式。根據本工程屋頂結構的特點，結合實際排布、工程經驗，確定采用BIPV 光伏組件平行屋面鋪設，如圖1 所示。項目設計的首年發電量約564.69 萬kW·h，年均發電量528.95 萬kW·h，按照90%的消納比例預測25 年累計發電量約為11 901.375 萬kW·h［1］。

圖1 光伏組件鋪設

2 BIPV 光伏組件特點分析

現代化社會中人們對舒適環境的追求越來越高，導致建筑采暖和空調的能耗日益增長。在發達國家，建筑用能已占全國總能耗的30%~40%，對經濟發展形成了一定的推進作用［2］。BIPV 即Building Integrated PV 是光伏建筑一體化的簡稱。PV 即Photovoltaic（光伏）。BIPV 技術是將太陽能發電產品集成到建筑上的技術，如圖2 所示。

圖2 BIPV

從結構原理分析，BIPV 具有雙層中空玻璃的特點，具有良好的保溫性能，這個結構相當于屋面的建筑混凝土+空氣+玻璃，最外面是玻璃組合體，即玻璃+EVA（封裝膠膜）+電池片+EVA+TPT。單層玻璃作為一種常見的建筑材料，其熱傳導系數通常在0.8 W/（m2·K）~1.5 W/（m2·K）；雙層夾空玻璃的導熱系數通常為0.3 W/（m2·K）~0.5 W/（m2·K）；干 燥 的 磚 墻 導 熱 系 數0.39 W/（m2·K）~0.42 W/（m2·K），濕 磚 在1.0 W/（m2·K）~1.4 W/（m2·K），可 見 雙 層 夾空玻璃具有良好的隔熱和保溫性能。

光伏背板材質一般采用聚氟乙烯復合膜TPT（耐腐蝕，耐紫外，力學性能和熱穩定性好），或采用一種熱塑性彈性體材料用TPE（強度高，回彈性高，可注塑加工，應用范圍廣泛，環保無毒安全，觸感柔軟，耐候性、抗疲勞性和耐溫性好，加工性能優越，無須硫化，可以循環使用降低成本）。背板起到保護電池片的作用，背板應密封、絕緣、防水、耐老化。一般光伏背板的壽命和玻璃、鋁邊框相當，壽命能達到25 年。

把太陽能轉換為電能過程和傳統的屋面的陽光轉換成熱的過程相類似，安裝太陽能的屋頂夏天可以有效降低室內溫度；同時因光伏組件發電過程本身工作溫度達到20 ℃以上，屋面光伏組件在冬季亦有一定的保溫作用，具有加速融冰雪的能力，有利于保護建筑物并延長使用壽命。

3 紡織企業及建筑屋頂特征和分析

光伏發電項目位于江蘇常州境內，涉及使用建筑的屋面為廠區內適合安裝光伏組件的混凝土屋頂和鋸齒形廠房屋頂，其中，鋸齒形屋頂的機制瓦（俗稱“洋瓦”、“琉璃瓦”）屋頂屬于20 世紀70年代后期建造，經勘察均適宜安裝光伏系統。各種類型的屋面合計有4 萬m2。

在鋼筋混凝土平頂或人字形坡頂的屋面敷設光伏組件，采用成熟的光伏支架安裝方式，即在屋面用專用鋁合金材質光伏支架為支撐，支架下端固定在屋面，上部安裝光伏組件，中間的架空隔層可以通風和隔熱、保溫，光伏支架的設計使用年限為25 年，安全等級為三級，重要性系數不小于0.95?？紤]臺風因素，采用50 年一遇風荷載標準值0.45 kN/m2進行設計。

因部分建筑為20 世紀70 年代的鋸齒形廠房，采光窗朝北向，該型屋面采用機制瓦、油毛氈作為屋面防水和保溫材料，油毛氈下方的弓形隔熱保溫層為原鋼筋混凝土預制結構件，屋頂承重架構為木梁和水泥梁組合的桁架結構，鋸齒形廠房屋面總面積2.5 萬m2，需要采用相對特殊的方式安裝鋁合金材質的光伏組件支架后敷設光伏組件，如圖3 所示，即在BIPV 光伏組件下方用鋁合金支架支撐并承重，并用BIPV 光伏組件替代部分機制瓦覆蓋。由于BIPV 單位面積質量小于原有的機制瓦，在屋面敷設光伏組件后，承載負荷減少，可提高屋面的穩定性、安全性，屋面的保溫、隔熱性能均可以得到有效保證，并延長所在鋸齒形建筑物的使用壽命。BIPV 光伏組件下方另鋪設鋁合金排水槽，可有效引流BIPV 光伏組件的雨水，確保無雨水進入室內。這樣的屋面結構可確保屋頂的保溫和防水，也可以確保在臺風來 臨時建筑物構造的安全，延長建筑物的使用壽命。

圖3 敷設光伏組件的雙排支架側視圖

4 光伏組件陣列的運行方式特點

4.1 光伏組件方陣要求

國內屋面光伏發電系統普遍采用固定傾角陣列發電方式。增加自動跟蹤裝置雖增加了發電量，但會增加占地面積，更適合于荒漠區大型并網光伏電站。根據已建工程調研數據，若采用斜單軸跟蹤方式，系統實際發電量可提高約18%，直接投資增加14%；若采用雙軸跟蹤方式，系統實際發電量可提高約25%，直接投資增加22%。此外，固定式支架系統多點支撐，基本免維護；自動跟蹤式初始投資較高，需要一定的維護，且布置分散清洗量較大。因項目安裝環境為廠區內的建筑物屋面，自動跟蹤式雖能增加一定的發電量，但目前初始投資相對較高，后期運行過程中又需要一定的維護，運行費用相對較高［3］，電池陣列的同步性也對機電控制的機械傳動構建要求較高。結合屋面安裝運行條件，項目選用固定式運行方式。

4.2 光伏組件表面的日常清潔措施

因安裝在屋面的光伏組件離地均超過2 m 以上，屬于高空作業，為了方便光伏組件陽光照射面表面的日常清潔，尤其是鋸齒形廠房屋頂光伏組件的清潔，也為了確保作業人員的安全，在設計時將水管引上屋面光伏組件的最高點，采用增壓泵加壓定時自動噴水沖洗的方式。由于噴水口位于光伏組件的最高點位置，可利用噴水口的出水壓力和連續的水流，非常快捷、方便地清洗光伏組件表面，不需要人工作業就可確保光伏組件的清潔，最大效率接受陽光照射。為防止光伏組件因清洗水流和人影造成的陰影導致發電量損失，清洗選擇在早上日出前、晚上日落后進行較為合理。

5 光伏發電用組串式逆變器的作用和特點

逆變器是把太陽能產生的直流電轉變成交流電（一般為220 V，50 Hz 正弦波），由逆變橋、控制電路組成，是光伏發電的關鍵性部件。項目采用了組串式逆變器。組串式逆變器小巧輕便，易于安裝，具有高度靈活性，可做成單組串接入，也可多個組串接入逆變器的不同MPPT（太陽能最大功率點跟蹤控制器）通道中，確保每一光伏組串都具有最大功率輸出。組串型逆變器各MPPT 回路不受組串間模塊差異和遮影的影響，同時減少光伏組件最佳工作點與逆變器不匹配的缺陷，可以更好地跟蹤太陽能組串的最大功率，增加了發電量。

光伏并網系統的直流系統是指太陽電池組件、逆變器輸入直流側所構成的部分。直流發電系統中，太陽電池組件串聯數量為26 塊（10 kV并網系統）。項目采用組串式逆變器，每26 塊組件為一串，每臺接入13 串~18 串，25 臺196 kW 逆變器，并入變壓器低壓側，逆變成交流電通過升壓變壓到10 kV，接入廠區內部10 kV 中壓側并網。

6 項目經濟價值和社會效益分析

項目總裝機容量5.8 MWp，占用屋面總面積4 萬m2，安裝10 688 塊光伏組件，屋面的隔熱保溫、防雨等收到良好效果，且不占用企業寶貴的土地面積，每年可減少二氧化碳排放1 528.43 t。采用發電自用余電上網的結算方式，預計年節省電費87.58 萬元，暫按90%的消納比例，25 年節省電費1 970.55 萬元，根據測算，投資方在12 年內可以收回光伏發電項目全部費用。

光伏發電對環境無污染，發電過程中無溫室氣體排放，是太陽能光伏發電的巨大優勢，光伏發電系統運行后，真正實現零排放。按光伏發電系統穩定運行25 年計算，項目光伏發電系統理論累計發電量可達12 631.61 萬kW·h，相當于節約標準煤38 210.63 t，相當于減少二氧化碳溫室氣體的排放106 610.81 t、減少二氧化硫排量783.16 t、減少粉塵排量7.58 t、減少氮氧化合物排放265.26 t。

由于光伏發電項目剛剛實施，使用時間不長，有關的經濟效益還有待于長期觀察、測算后才能得出較為全面的結論。另外，由于光伏發電組件表面在遇到大雪、冰雹等極端氣候后會嚴重影響發電效率和安全，因此安全、有效、可靠的除雪等預防措施需要在使用過程中不斷摸索后尋找最佳的應對措施。

7 結束語

在紡織企業原有廠房屋面使用光伏發電，不占用寶貴的土地面積，尤其是利用原有的鋸齒形建筑物屋面敷設新型光伏組件，可實現屋面的保溫、隔熱、防雨水滲漏，延長屋面使用壽命，并實現可持續發展，有利于提升企業形象和體現社會責任。積極開發并利用可再生能源，替代部分煤電，實現綠色生產，既可部分減輕能源外購壓力，又能夠改善能源結構和走能源可再生發展道路，十分必要。尤其是對于紡紗企業使用的鋸齒形屋面發電有著非常積極的推廣價值。由于屋面敷設光伏發電組件還要考慮屋面及建筑物承重、項目所在地的臺風、冰雹、降雪等極端氣候情況，建議在設計時參考近50 年的地方氣象記錄，以確保項目的安全、可靠運行。