分布式光伏發(fā)電在現(xiàn)代水廠的應用分析

【關(guān)鍵詞】分布式；光伏發(fā)電；水廠

前言

針對大型自來水廠具有較大的空閑空間和較高的電力負荷，以及持續(xù)不停的生產(chǎn)運營需求，將分布式光伏發(fā)電應用于自來水廠，能夠滿足我國節(jié)能減排的要求，減少自來水廠用電能耗。將分布式光伏發(fā)電項目與水廠現(xiàn)有建筑物有機地融合在一起，在水廠建筑空閑屋頂或水池上部結(jié)構(gòu)上搭建光伏發(fā)電組件，無論是在項目結(jié)構(gòu)還是在經(jīng)濟收益方面，都具有較高可行性。

一、分布式光伏發(fā)電在現(xiàn)代水廠的應用優(yōu)勢

為適應特定客戶用電需求、保障已有配電網(wǎng)絡的經(jīng)濟性，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)一般在多個位置同時接入配電網(wǎng)絡。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要集中在廠區(qū)、公共建筑表面、戶用屋頂和其他零散空地上。一種是“全額上網(wǎng)”的方式，即把所有的光伏發(fā)電的電量都轉(zhuǎn)移到電網(wǎng)[1]。一種是“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”模式，這種模式是將光伏發(fā)電的電能供給客戶負荷，剩余的電能通過兩路智能電表送往電網(wǎng)。分布式光伏并網(wǎng)是一種獨立的發(fā)電模式，對電網(wǎng)的依賴性較小，可以減小對電網(wǎng)的破壞，減小電網(wǎng)損耗。此外，將分布式光伏接入到建筑表層、屋面等處，可實現(xiàn)一地多用，可有效減小光伏系統(tǒng)空間，是未來大規(guī)模光伏發(fā)電的一種重要應用方式。分布式光伏發(fā)電接入系統(tǒng)如圖1所示。

在現(xiàn)代水廠中應用分布式光伏發(fā)電，可以充分利用水廠已有建筑的房頂及池面，在房頂及池面上安裝太陽能電池板，使水廠空間得到有效利用。其次，在屋頂設置太陽能電池板，可以對屋頂進行有效防護。將光伏組件裝在水池上，可以遮擋陽光，并從而有效抑制池塘中藻類生長。

二、分布式光伏發(fā)電項目設計

（一）項目概況

本項目位于湖南省長沙某自來水廠內(nèi)，建設安裝區(qū)域為混合反應及沉淀池、濾池，該池為露天水池，池與池間有混凝土結(jié)構(gòu)墻隔斷，組件安裝解決方案為采用柔性支架方案，廠區(qū)目前配置有2臺500kVA、2臺630kVA變壓器，因本期光伏建設容量為3662.82kWp，逆變器容量為70*1+125*21=2695kW，大于廠區(qū)變壓器總?cè)萘康?0%，故新增2臺箱式升壓變壓器1250*1+1600*1=2850kVA，并網(wǎng)電壓等級為10kV高壓接入，采用自發(fā)自用，余電上網(wǎng)模式[2]。

（二）光伏發(fā)電系統(tǒng)

根據(jù)有無接入電網(wǎng)，將光伏發(fā)電系統(tǒng)分為離網(wǎng)式和并網(wǎng)式兩種。針對大規(guī)模離網(wǎng)光伏電站需要配置多個電池組的特點，本項目將根據(jù)水廠的占地面積、實際需求容量以及投資估算等因素，確定采用自發(fā)自用分布式光伏并網(wǎng)方式。利用水廠已有建筑以及其他構(gòu)筑物與分布式光伏工程相結(jié)合，選定為3662.82kWp發(fā)電工程，在原有建筑的屋頂斜坡上鋪設光伏板。單個光伏板重量通常在20kg左右，太陽能電池板自身的均布荷載提高到0.12 kN/m2，預計其附加荷載在0.08kN/m2左右[3]。

（三）光伏列陣的方位角和傾角選擇

組件面向陽端的夾角對光伏發(fā)電能力有直接影響，某市組件最佳傾角是33°，因為大傾角會產(chǎn)生巨大負風壓，所以需要增加更多支撐重量。從結(jié)構(gòu)安全性角度出發(fā)，混凝土屋蓋在結(jié)構(gòu)強度允許時，可適當考慮其翹起角，通常不大于15°。斜坡屋頂自身朝南，可以直接將屋頂傾斜成一個角。由于該建筑主要結(jié)構(gòu)是磚砌體，并且由于年代久遠，屋頂不適合再增加新的荷載，所以該工程的所有屋面構(gòu)件都按0度傾斜布置。沉淀池、絮凝池與砂濾池上方以斜拉索方式架空安裝光伏組件，按13°傾斜布置。

（三）逆變器選型

串并聯(lián)并網(wǎng)逆變器具有容量小、分布式控制架構(gòu)靈活、安裝和維修方便等優(yōu)點，適合分布式并網(wǎng)系統(tǒng)。每個光伏組件串之間的逆變電源為冗余，互不干擾，具有較高的可靠性。由于該工程中各個建筑結(jié)構(gòu)的屋面、地面及池面都是分布式的，對系統(tǒng)的可維護性和可靠性的要求更高，所以選擇組串式并網(wǎng)型光伏逆變器1臺70kW逆變器、21 臺125kW逆變器，合計容量2695kW。

（五）光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣設計

本工程采用單點10kV電壓等級并網(wǎng)，10kV并網(wǎng)方式如圖2所示[4]。并網(wǎng)光伏系統(tǒng)中所使用的主要設備、材料包括光伏組件、逆變器、箱變、開關(guān)站、二次設備、并網(wǎng)柜、光伏組件支架、交直流電力電纜、電纜橋架等。利用太陽能發(fā)電技術(shù)，解決了自來水廠用電負荷問題，同時利用光伏組件和自來水廠用電設備，提高了供水系統(tǒng)的使用壽命。該光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能達到了國家標準，對自來水廠設備沒有任何危害，具有較高可靠性與安全性。

（六）系統(tǒng)防雷接地設計

為確保該項目中的光伏發(fā)電裝置的安全性和可靠性，避免因雷電和工頻過電壓等外部原因造成的設備損傷，需要對其進行合理的防雷接地設計。將光伏電站逆變器接入到建筑物內(nèi)部，通過建筑物屋面設置閃爍區(qū)來進行直接雷擊保護，將自來水廠結(jié)構(gòu)的天然接地設備和太陽能電池板形成一個綜合接地網(wǎng)絡。對光電系統(tǒng)中的保護接地與工作接地共用一套接地設備，接地電阻不得超過4歐。將太陽能蓄電池組的金屬框架與支承框架牢固相連，并與接地網(wǎng)相連，構(gòu)成一個完整的接地通道。除了要做好防雷接地系統(tǒng)連接，還要在室內(nèi)高壓配電設備的進、出線上加裝無間隙氧化鋅避雷器，并在各個匯流箱、直流柜上加裝防雷組件，以避免雷電侵襲和工作過電壓。

（七）光伏并網(wǎng)接口設計

作為光伏逆變器和電網(wǎng)之間的一個重要節(jié)點，光伏并網(wǎng)接口設備將三相光伏電站作為保護監(jiān)測的目標，能夠?qū)Ψ植际诫娫吹牟Ⅻc遙信、遙測和遙控數(shù)據(jù)進行有效的監(jiān)測，從而達到了對分布式電源的全面監(jiān)測，保護開斷的功能作用[5]。并網(wǎng)接口設備功能主要包括以下幾點：

（1）并網(wǎng)點開斷功能：能清楚地顯示分斷故障電流，有失壓跳閘閉鎖和有壓合閘檢測功能。

（2）測量功能：預先設置電表的地點，并可以設置標準電表，對電能進行測量。

（3）交流匯流功能：具有交流匯流功能，可滿足串聯(lián)型逆變電源接入要求；支持多路交流輸入，各輸入端分別獨立切換，單路輸入故障可與其他回路隔離，且不會影響其他線路的并網(wǎng)。

（4）測控功能：采集線路的電壓、電流和電量，并在現(xiàn)場 LCD上顯示，并能接收電網(wǎng)調(diào)度命令上載的遙測數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)利用光電耦合技術(shù)，實現(xiàn)了對開關(guān)位置、開關(guān)跳閘和分布式電源逆變報警等功能的采集。按照通信協(xié)議，接收電網(wǎng)調(diào)度部門的命令，對分布式能源進行投退和離網(wǎng)控制。

（5）保護功能：包括欠壓保護，過壓保護，失壓閉鎖，低頻保護，短路保護等。同時，當系統(tǒng)出現(xiàn)缺電時，控制裝置要進行分閘，當供電系統(tǒng)恢復時，則能實現(xiàn)對有壓合閘的自動檢測；在監(jiān)測到分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)處于孤島狀態(tài)的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)切換的功能。

三、分布式光伏發(fā)電在現(xiàn)代水廠的應用效益分析

（一）發(fā)電量預測與節(jié)能計算

本項目光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機容量為3662.82kW，2023年實測運行數(shù)據(jù)如表2所示，全年光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量約為346.3萬kW·h。光伏發(fā)電模式屬于清潔能源，不僅不會消耗現(xiàn)有煤炭能源，而且還不會生成二氧化碳，也不會生成二氧化硫、氮氧化物和灰塵等造成污染的物質(zhì)。結(jié)合系統(tǒng)效率與太陽輻射數(shù)據(jù)，計算每月發(fā)電量，如表2所示。該方案的整體效率達到了80%。

本項目第一年系統(tǒng)總效率為80%，隨后由于光伏組件實際功率的衰減，系統(tǒng)總效率會逐年下降。本項目擬采用單晶硅光伏組件，功率首年衰減2.0%，后續(xù)線性年衰減0.55%，25 年共衰減 15.20%。可測算出25年累計發(fā)電量為8074.38萬kW·h，平均每年發(fā)電量為322.98萬kW·h。

（二）經(jīng)濟效益與環(huán)境效益

所有的發(fā)電效益都自發(fā)自用，用來滿足自來水廠的日常生產(chǎn)和生活用電。從光伏25年平均年發(fā)電量來看，平均每年節(jié)省電量322.98萬kW·h，按全年自來水廠平均電度電價0.7元/kW·h計算，可節(jié)省約226.086萬元電費。該項目的總投資額為1836.66萬元，預期可在8年內(nèi)收回本。從光伏工程的實際發(fā)電量來看，該裝置在其壽命內(nèi)25年的預計盈利將在5652.15萬元左右，投資收益率為307.74%。光伏發(fā)電工程在為自來水廠帶來經(jīng)濟效益的同時在環(huán)境方面也有良好的效益。本工程多年平均發(fā)電量322.98萬kW·h，按照火電標準煤單耗306.4g/kW·h計算，可以代替989.60t標準煤，減少CO2排放量2706.53 t，SO2排放量0.60t，NxOy 排放量0.63t，煙塵排放量0.12 t，有效降低有害物質(zhì)排放量，具有良好的環(huán)境效益。

結(jié)論

本分布式光伏發(fā)電方案發(fā)揮了水廠較大空閑空間的優(yōu)勢，最終建成的發(fā)電系統(tǒng)效率達到80%，投資收益率為307.74%，在創(chuàng)造經(jīng)濟效益的同時，能有效降低池面光照強度抑制藻類滋生降低藥耗，還能夠減少碳排放量以及其他有害物質(zhì)排放量。從節(jié)能減排和提高經(jīng)濟收益方面來看，該項目方案的實施不僅具有顯著的經(jīng)濟效益，還具有較高社會效應，而且在技術(shù)上是可行的，因此可在其他水廠中推廣應用。

參考文獻：

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[4] 李利. 自來水廠區(qū)建設光伏發(fā)電項目的探索及效能分析[J]. 城鎮(zhèn)供水，2021（3）：32-36，120.

[5] 董威. 光伏發(fā)電系統(tǒng)在大型水廠中的設計與實踐[J]. 中國給水排水，2020，36（2）：59-64.