南寧市水廠應(yīng)用光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的探討

馮正國

（南寧市生源供水有限公司 廣西南寧市 530000）

南寧市水廠應(yīng)用光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的探討

馮正國

（南寧市生源供水有限公司 廣西南寧市 530000）

豐富的太陽輻射能是重要的能源，是取之不盡、用之不竭的、無污染、廉價、人類能夠自由利用的能源。中國光伏發(fā)電的市場在未來的十幾年中將會由獨立發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。并且中國太陽能光伏發(fā)電發(fā)展?jié)摿薮?，配合積極穩(wěn)定的政策扶持，將會應(yīng)用到更多的企業(yè)中。在加上市場上已出現(xiàn)有太陽能水泵產(chǎn)品及南寧已有光伏發(fā)電并網(wǎng)的案例，故在未來，考慮到水廠具備的廣大廠區(qū)的優(yōu)勢條件及對節(jié)能和成本降低的迫切需求，光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到水廠里的可能性很大。故本論文就在南寧水廠廠區(qū)應(yīng)用光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)事宜進行了探討，探討光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用到南寧水廠的可能性。

光伏發(fā)電；并網(wǎng)；年輻射總量；總發(fā)電量；水廠應(yīng)用

1 光伏發(fā)電原理及應(yīng)用

光伏發(fā)電的主要原理是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。光子照射到金屬上時，它的能量可以被金屬中某個電子全部吸收，電子吸收的能量足夠大，能克服金屬內(nèi)部引力做功，離開金屬表面逃逸出來，成為光電子。硅原子有4個外層電子，如果在純硅中摻入有5個外層電子的原子如磷原子，就成為N型半導(dǎo)體；若在純硅中摻入有3個外層電子的原子如硼原子，形成P型半導(dǎo)體。當(dāng)P型和N型結(jié)合在一起時，接觸面就會形成電勢差，成為太陽能電池。當(dāng)太陽光照射到P－N結(jié)后，空穴由P極區(qū)往N極區(qū)移動，電子由N極區(qū)向P極區(qū)移動，形成電流。

并網(wǎng)光伏發(fā)電就是太陽能組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電電網(wǎng)要求的交流電之后直接接入公共電網(wǎng)?？梢苑譃閹铍姵氐暮筒粠铍姵氐牟⒕W(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。帶有蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有可調(diào)度性，可以根據(jù)需要并入或退出電網(wǎng)，還具有備用電源的功能，當(dāng)電網(wǎng)因故停電時可緊急供電。帶有蓄電池的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)常常安裝在居民建筑；不帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不具備可調(diào)度性和備用電源的功能，一般安裝在較大型的系統(tǒng)上。并網(wǎng)光伏發(fā)電有集中式大型并網(wǎng)光伏電站一般都是國家級電站，主要特點是將所發(fā)電能直接輸送到電網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供電。但這種電站投資大、建設(shè)周期長、占地面積大，還沒有太大發(fā)展。而分散式小型并網(wǎng)光伏，特別是光伏建筑一體化光伏發(fā)電，由于投資小、建設(shè)快、占地面積小、政策支持力度大等優(yōu)點，是并網(wǎng)光伏發(fā)電的主流。

2 光照及太陽輻照量情況

2.1 廣西光照及太陽輻照量情況

表1 廣西太陽能總輻射量與年平均日照當(dāng)量

2.2 南寧氣候

南寧位于廣西南部，北回歸線以南，座落在四面環(huán)山的小盆地內(nèi)，屬濕潤的亞熱帶季風(fēng)氣候，陽光充足，雨量充沛，霜少無雪，氣候溫暖，夏長冬短。南寧的氣溫較高，年平均溫度在22℃左右，冬季中的1月溫度最低，平均溫度近13℃，平均最低溫度也有10℃左右，因而并不感到冷；夏季中的7、8月最熱，平均溫度在29℃左右，平均最高氣溫33℃左右，也不算太高。特點是高溫的時間比較長，從2～10月均有極端最高氣溫達到或超過35℃的記錄。

2.3 南寧輻照情況

2.3.1 南寧輻照基本情況

根據(jù)光伏寶軟件的數(shù)據(jù)顯示，南寧（經(jīng)度：108.37緯度：22.82），最佳傾角為22°，水平輻照年總值為1483.86kWh/m2，傾斜角輻照年總值為1573.09kWh/m2。

2.3.2 南寧月份輻照基本情況（如圖1）

圖1 南寧月份水平輻射值

2.4 南寧有效輻照量情況

以1m2太陽能發(fā)電板為例，考慮到晶體硅組件的光電轉(zhuǎn)換效率（一般在16%），及其受溫度、表面灰塵及太陽輻射不均勻性等因素影響，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率約為60%左右，故1m2太陽能發(fā)電板實際年發(fā)電量=年平均太陽輻射總量×電池總面積×光電轉(zhuǎn)換效率×實際發(fā)電效率=1573.09×1× 16%×60%=151.02kW，約占1m2太陽能發(fā)電板一年太陽能輻照總值的9.6%。

2.5 南寧輻照情況小結(jié)

根據(jù)廣西輻照情況及南寧氣候、南寧輻照情況可得，盡管太陽能材料受其自身因素及環(huán)境影響，有效輻照較低，但南寧市太陽能資源較為豐富，處于可利用的區(qū)域，南寧的一年光照總時數(shù)為1400～2200h。而且太陽能資源主要集中在3～11月，恰逢電力供應(yīng)緊張的迎峰度夏時期，也是供水高峰期。

3 光伏發(fā)電案例

3.1 案例一：振寧·現(xiàn)代魯班小區(qū)幼兒園屋面太陽能光伏發(fā)電項目

2011年，南寧市首例太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)項目振寧·現(xiàn)代魯班小區(qū)幼兒園屋面太陽能光伏發(fā)電項目通過驗收。該項目由小區(qū)開發(fā)商——振寧房地產(chǎn)開發(fā)有限公司投資200多萬，利用小區(qū)內(nèi)幼兒園的600m2建筑屋頂，鋪設(shè)光伏電池組件187塊，架設(shè)多晶硅電池組件384.19m2，裝機總?cè)萘?2.08kW，該系統(tǒng)將太陽能通過光伏發(fā)電組件轉(zhuǎn)化為直流電力，通過直流監(jiān)測配電箱匯集至并網(wǎng)型逆變器，將直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻率、同相位的正波電流，通過并網(wǎng)技術(shù)，將直流電逆變?yōu)?80V交流電后直接并入小區(qū)電網(wǎng)，該系統(tǒng)設(shè)計營運周期25年。該系統(tǒng)正式投入運轉(zhuǎn)后，每年將利用太陽能發(fā)電約10萬度，將產(chǎn)生良好的社會效應(yīng)和經(jīng)濟效益。

3.2 案例二：廣西婦女兒童醫(yī)院光伏發(fā)電項目

廣西婦女兒童醫(yī)院整個光伏發(fā)電系統(tǒng)在醫(yī)院各屋頂?shù)冉ㄖe置區(qū)域鋪設(shè)6268塊195W單硅晶硅光伏組件，在風(fēng)雨連廊的采光頂上安裝414塊260W BIPV組件，光伏組件總安裝面積約為9000m2。光伏組件轉(zhuǎn)化的直流電經(jīng)過防雷匯流箱匯流后，接入8臺各種規(guī)格的科士達系列三相并網(wǎng)逆變器，逆變成交流電，通過并網(wǎng)裝置接入光伏并網(wǎng)柜后，再接入內(nèi)部三相五線制低壓電網(wǎng)上，可供由醫(yī)院內(nèi)部負載使用，做到即時消耗電能。

光伏面積：9000m2；裝機容量：1330kWp；年發(fā)電量：1209MWh（設(shè)計估算）；并網(wǎng)方式：自發(fā)自用。

3.3 案例三：環(huán)太集團美科公司4兆瓦屋頂光伏電站

2015年，揚中市發(fā)改委、供電公司、環(huán)太集團等領(lǐng)導(dǎo)共同見證了環(huán)太集團美科公司4MW屋頂光伏電站成功并網(wǎng)發(fā)電。該項目于2015年6月份開工建設(shè)，經(jīng)過3個月的建設(shè)調(diào)試，于9月份順利進行試運行，成功并入國家電網(wǎng)。項目總裝機4MW，總投資2800萬元，采用16181塊太陽能多晶250W光伏組件，項目組件電池片均為自產(chǎn)高效多晶硅片，預(yù)計年平均發(fā)電450萬kWh，按照火電廠發(fā)電折算，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1500t，減少二氧化碳約3985t，二氧化硫約37.2t，可持續(xù)運行25年以上，是國家節(jié)能環(huán)保典型示范項目，對該市環(huán)境保護和節(jié)能減排具有非常重要的意義。該項目并網(wǎng)后，日均發(fā)電1.2萬度，最高日發(fā)電2萬度，年利潤為643.5萬元/年，項目成本回收期為5年。

4 南寧市水廠光伏發(fā)電并網(wǎng)的可能性、效益及合理性

4.1 項目對比的可能性及效益情況

考慮到南寧水廠具有廣闊的廠區(qū)面積優(yōu)勢（如某廠占地面積為128畝，約85333.76），適合光伏發(fā)電的安裝和建設(shè)，為了更好的探討光伏發(fā)電技術(shù)在南寧市部分水廠的應(yīng)用，現(xiàn)將擬以一個4MW的光伏發(fā)電項目與揚中市的4MW的光伏發(fā)電項目進行對比。

4.1.1 南寧市與揚中市輻照情況對比

表2

4.1.2 南寧市與揚中市年發(fā)電量情況對比

4MW光伏發(fā)電項目，以太陽能多晶250W光伏組件為主，至少需要16000塊光伏組件。就以揚中市16181塊光伏組件為參考，總面積為26485.06m（2單塊太陽能板尺寸為1650×992×40mm）?？紤]到光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率（一般為16%），光伏組件實際效率（受組件溫度、組件表面灰塵的累積、太陽輻射的不均勻性光伏組件的不匹配性和板問連線損失、安裝角度等因素影響，實際效率估計為60%），根據(jù)首年總發(fā)電量=水平年度輻射值×總面積×光電轉(zhuǎn)換率（16%）×系統(tǒng)效率（60%）的公式，可得：

南寧市水廠4MW發(fā)電項目首年總發(fā)電量=1573.09×26485.06×0.16× 0.6=3999684.77kWh≈399.97萬度電。

揚中市廠區(qū)4MW發(fā)電項目首年總發(fā)電量=1755.50×26485.06×0.16× 0.6=4463474.19kWh≈446.35萬度電。

4.1.3 年度可節(jié)省的電費

在不考慮國家補貼及地方政府補助等情況，只按照目前水廠使用的電業(yè)公司大宗工業(yè)0.6357元/度費用為計算標(biāo)準(zhǔn)，年度可節(jié)省電費：

南寧市水廠4MW發(fā)電項目首年電費=首年總發(fā)電量399.97萬度× 0.6357=254.26萬元。

揚中市廠區(qū)4MW發(fā)電項目首年電費=首年總發(fā)電量446.35萬度× 0.6357=283.74萬元。

在與揚中市4MW發(fā)電項目對比，可得：南寧市水廠有條件、有優(yōu)勢應(yīng)用光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)，并且其具有較好的經(jīng)濟效益。此行，有效的減少企業(yè)的耗電成本。

4.2 從光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)及水廠實際應(yīng)用的可行性

太陽能水泵：太陽電池陣列由多塊太陽電池組件串并聯(lián)而成，專用逆變&控制器將太陽電池陣列發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，驅(qū)動水泵，對水泵的運行實施控制和調(diào)節(jié)。根據(jù)日照強度的變化實時地調(diào)節(jié)輸出頻率，實現(xiàn)最大功率點跟蹤，最大限度地利用太陽能。

由此可見，若是4MW光伏發(fā)電項目，在滿足廠區(qū)生產(chǎn)用電的同時，可以滿足8臺到10臺的220kW水泵機組運行。

另外，在水廠滿足供水量且發(fā)電電量有剩余時，可通過并網(wǎng)系統(tǒng)，賣給電業(yè)公司。在得到效益的同時，也不浪費電量。

因此，光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于水廠，從技術(shù)及實際情況中，具有明顯的可行性。

4.3 南寧市水廠應(yīng)用光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的合理性

光伏發(fā)電并網(wǎng)采用與建筑物一體方式，既美化廠區(qū)，也未占用過多的生產(chǎn)所需用地，實際應(yīng)用合理。如廣西婦女兒童醫(yī)院光伏發(fā)電項目。

5 光伏發(fā)電的缺點及局限性

（1）太陽能組件由于其本身特點，呈逐年衰減趨勢，功率及效率逐年降低。

（2）前期投資大，成本回收時間較長。如揚中市光伏發(fā)電項目，前期投資2800萬元，若只以節(jié)電為準(zhǔn)，每年節(jié)省283.74萬電費，預(yù)計10年回本。若有國家及當(dāng)?shù)卣a貼，回本時間可縮短，少于10年。

（3）太陽能光伏組件有其使用年限，即壽命，一般為25年。因此，前十年回本，后十五年盈利，二十五年后，效果差，需更換，會有較大浪費，需重新投入。

（4）太陽能光伏發(fā)電組件受陰雨天氣影響，輻照量嚴(yán)重不足，致使太陽能光伏發(fā)電組件基本不發(fā)電，不能供電給水廠。因此，若要應(yīng)用于水廠，必須采用兩套系統(tǒng)，根據(jù)當(dāng)天的光照輻照情況，進行切換。

（5）太陽能光照時空分布不平衡，使太陽能光伏發(fā)電組件接收的輻照量減少。但此處可以考慮采用跟蹤式（或者叫逐日式）太陽能板系統(tǒng)。同時，為了減少光板損壞的概率，在陰雨天風(fēng)較大時，一般是采取將光板水平擱置，盡量減少與風(fēng)的接觸面積。

6 結(jié)論

從上可得，由于南寧的較豐富的太陽能資源及南寧市部分水廠的廣大廠區(qū)面積優(yōu)勢，在南寧市的部分水廠應(yīng)用光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)具有可能性、可行性、合理性，還具有一定的經(jīng)濟效益，有效的降低水廠的電耗。然而，由于光伏發(fā)電組件具有科技性及前瞻性，受其技術(shù)材料的制約，具有一定的缺點及局限性，以至于在水廠應(yīng)用中，需考慮成本、可持續(xù)性、與水泵、電機技術(shù)結(jié)合等方面的問題。

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TM615

A

1004-7344（2016）15-0071-02

2016-5-9

馮正國（1986-），男，漢族，廣西博白人，助理工程師，本科，主要從事設(shè)備維護管理工作。