節(jié)能減碳措施
—— 屋頂光伏系統(tǒng)在牧場中的應(yīng)用—— 談紅崖子牧場屋頂光伏系統(tǒng)的設(shè)計

陳 葛

（寧夏農(nóng)墾賀蘭山奶業(yè)有限公司，寧夏 銀川 750000）

近年來，隨著畜牧養(yǎng)殖業(yè)高速發(fā)展，奶牛養(yǎng)殖業(yè)飛速向規(guī)?；?、集約化方向發(fā)展，奶牛場建設(shè)迎接來一個新的發(fā)展階段。但是，隨著牧場機械化設(shè)備的采用，規(guī)模化牧場對于電能的需求也在不斷增加，無論是牛舍的通風，擠奶設(shè)備的運行，糞污的處理系統(tǒng)以及養(yǎng)殖人員的生活均需要電力供應(yīng)。此次屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)在紅崖子奶牛場的應(yīng)用在國內(nèi)屬于首例，目前已經(jīng)建成，效益已經(jīng)得到體現(xiàn)。

1.應(yīng)用背景

隨著世界工業(yè)不斷發(fā)展，化石能源利用會不斷給人類環(huán)境帶來各方面的壓力，人們加快了對清潔新能源的開發(fā)利用。太陽能因清潔、分布廣泛的特點，光伏發(fā)電成為當今分布式新能源發(fā)電的熱點。

太陽能的各種綜合開發(fā)利用，有效減少由化石能源帶來對大氣排放的污染，將帶來顯著的環(huán)境效益。本次規(guī)劃的光伏項目建成后，對同等電量的火電來說，將大量減少標煤、煙塵、二氧化碳、有害物質(zhì)的排放，大大減輕了大氣污染。

2020年6月，習近平總書記在寧夏視察期間，對寧夏建設(shè)黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展先行區(qū)提出明確要求，并對寧夏光伏等新能源發(fā)展給予了充分肯定。寧夏為我國太陽能資源最豐富的地區(qū)，年太陽輻射總量6680～8400MJ/m2，相當于日輻射量5.1～6.4kWh/m2，非常適合建設(shè)太陽能光伏電站。

近年來，寧夏回族自治區(qū)先后建設(shè)了石嘴山、寧東、青銅峽等大型光伏園區(qū)，寧夏已經(jīng)成為全國人均光伏發(fā)電裝機最大的省區(qū)，此次也是響應(yīng)自治區(qū)的發(fā)展規(guī)劃要求。

該項目屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的采用可以節(jié)約大量國電及天然氣消耗，實現(xiàn)牛場的無碳化經(jīng)營，又可為本地區(qū)大氣環(huán)境做出貢獻，在取得了良好的社會效益的同時，為企業(yè)帶來經(jīng)濟效益。此舉證明了奶牛場不僅能提供奶、肉等產(chǎn)品，也能生產(chǎn)能源。

2.屋頂光伏系統(tǒng)應(yīng)用于奶牛場的優(yōu)勢

此次設(shè)計安裝的“BIPV”屋頂光伏系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢：

安全性：直流側(cè)48V低壓技術(shù)，并聯(lián)運行，避免了傳統(tǒng)串聯(lián)光伏組件會發(fā)生高壓直流拉弧和PID效應(yīng)的弊端，防止引發(fā)火災(zāi)以及影響發(fā)電量等；產(chǎn)品滿足屋面建材功能：防火、防水、防漏、防潮、隔熱、遮陽、可行走踩踏。

較輕的重量：無支架安裝方式，可代替屋面板使用，完工重量每平方米不超過12kg，低于當?shù)嘏鑫菝嫫毡椴捎玫膸Ц魺岬奈菝姘逯亓俊?/p>

安裝方便：BIPV光伏組件取代普通鋼化玻璃，具有深厚的技術(shù)基礎(chǔ)和優(yōu)勢，完全能達到安裝方便的要求。

壽命長：采用網(wǎng)絡(luò)化背接觸線路技術(shù)，不會因局部陰影遮擋形成熱斑效應(yīng)，從而加速電池發(fā)熱老化，甚至引發(fā)火災(zāi)，免除了日常清掃；全金屬鋼板的背板設(shè)計，屋面保證使用25年，設(shè)計壽命30年。

高效率：同樣面積屋頂，是傳統(tǒng)光伏組件+屋頂（BAPV附著式安裝）屋面利用率的1.2～1.4倍（100～130W/㎡），可代替?zhèn)鹘y(tǒng)彩鋼瓦，光伏發(fā)電布滿率可達90%以上，每平方米能力密度150～180W/㎡。安裝后已經(jīng)對數(shù)據(jù)進行復(fù)核。

綠色環(huán)保：BIPV不零占土地面積，發(fā)電時無轉(zhuǎn)動部件，無噪聲，對環(huán)境無污染。BIPV建筑發(fā)電既可自發(fā)自用，減少電力輸送過程的費用和能耗，降低輸電和分電的投資和維修費用，又可以先國家電網(wǎng)供電，緩解電力需求，減少空氣污染。

智能化設(shè)計

每一個瓦板均可監(jiān)控其電流電壓，每個系統(tǒng)均實時記錄交流側(cè)的輸出電流電壓及屋面溫度等，真正實現(xiàn)了物物相連，互聯(lián)互通，智慧建筑屋頂功能。

不可燃材料

正面采用不可燃玻璃封裝，整體防火等級A級，符合建材要求，確保屋頂使用更安全，系統(tǒng)組件級直流電壓可關(guān)斷，更安全。

3.屋頂光伏系統(tǒng)應(yīng)用于奶牛場的設(shè)計說明

3.1 項目概況

寧夏利墾紅崖子牧場為全群12500頭的奶牛場。牛舍及干草棚屋面建設(shè)分布式光伏電站，BIPV所占屋頂面積約為131903㎡，總裝機容量約 8.9MWp，采用BIPV建筑一體化分布式光伏發(fā)電項目。本項目擬采用“牧場自用，余電上網(wǎng)”模式。場區(qū)牛舍屋頂光伏電站所發(fā)電量就近接入場區(qū)0.4kV配電網(wǎng)內(nèi)進行消納，剩余電量通過場用變壓器返送至國網(wǎng)寧夏電力公司公用電網(wǎng)。

3.2 項目工藝流程

圖1 項目工藝流程

3.3 場區(qū)用電量估算

表1 場區(qū)用電量估算

經(jīng)過計算及與現(xiàn)場運營人員復(fù)核，該牧場每月用電量為396807.00 KWh，年用電量為4827817.64 KWh。

3.4 屋頂光伏系統(tǒng)設(shè)計

本工程全部采用325Wp 多晶硅BIPV光伏瓦和組件式逆變器。每4塊BIPV光伏瓦單獨接入1臺組件式逆變器，共36個微型逆變器。交流側(cè)每3臺微型逆變器組成一路匯流220V交流輸出，共12路；每路由BVR-2×2.5 mm2多芯銅線接入50kW匯流盒，每4臺光伏匯流盒接入1臺200kW交流匯流箱，經(jīng)匯流箱匯流后，接至箱式變壓器低壓側(cè)。

本項目為屋頂分布式小型發(fā)電項目，利用BIPV光伏瓦與原有屋頂形成光伏發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)采用免維護設(shè)計，運行過程以無人值守模式設(shè)計。利用廠區(qū)自身的網(wǎng)絡(luò)通信，通過微逆系統(tǒng)自有的無線發(fā)射裝置將各逆變器數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控。

4.屋頂光伏系統(tǒng)的建造成本和效益分析

4.1 屋頂光伏系統(tǒng)的建造成本

本項目屋頂光伏系統(tǒng)總投資預(yù)估為3802.11萬元。包括光伏瓦、匯流箱及變配電設(shè)備、電纜及管溝、電纜橋架等。

4.2 發(fā)電量估算

年理論發(fā)電量是一年內(nèi)太陽電池按光電轉(zhuǎn)換效率把太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能的數(shù)量。

本項目的裝機容量約為8.9MWp，通過pvsyst軟件數(shù)據(jù)庫查詢當?shù)氐妮椛鋽?shù)據(jù)，經(jīng)PVsyst7軟件取值計算，首年日照有效利用小時數(shù)約1559h，屬于光能資源充足區(qū)，適宜發(fā)展太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)，其發(fā)電量預(yù)測如下：

表2 光伏電站25年發(fā)電量

本項目屋頂BIPV光伏瓦系統(tǒng)裝機容量約為8.9MWp，25年總發(fā)電量32037.83萬kWh，25年均發(fā)電量1281.51萬kWh。

4.3 效益分析

4.3.1 項目收益

項目地執(zhí)行國網(wǎng)寧夏電網(wǎng)大工業(yè)1-10kV以下企業(yè)用電峰谷分時電價，如下：

1.峰：0.6471元/kWh，高 峰 時 段: 8:00～12:00，18:30～22:30；

2.平：0.4683元/kWh， 平 時 段：6:30～8:00，12:00～18:30；

3.谷：0.2455元/kWh，低谷時段：22:30～6:30。

高峰時段4h，平電時段6.5h，低谷時段0h。

光伏發(fā)電的綜合電價 = 4/10.5×0.647元/kWh + 6.5/10.5×0.4683元/kWh = 0.5364元/kWh。上網(wǎng)電價0.2854元/kWh，余電上網(wǎng)比例暫按60%計算。

表3 此項目投資收益

4.3.2 減碳量

本項目年平均發(fā)電量為1281.51萬KWh。等當量折標系數(shù)：電力（萬KWh）=3.333噸煤。相當于減少煤的燃放量：1281.51×3.333=4271.27噸煤。

根據(jù)相關(guān)資料，每噸標煤的二氧化碳排放量是2.3493噸，0.68噸的碳排放量。采用屋頂光伏發(fā)電，每年減少的碳排放量為：4271.27*0.68=2904.46噸。

4.3.3 其他效益

本項目可節(jié)約屋頂免更換維護費用。彩鋼瓦屋頂?shù)氖褂脡勖话銥?～10年。5～10年由于填充物老化導致開始逐漸產(chǎn)生漏水點，一般采取尋找漏水點后使用堵漏劑進行填充封堵作業(yè)。但由于屋面面積較大對于漏水點及漏水成因的搜尋造成極大困難，很難維護且維護費用較高。

本項目彩鋼瓦廠房BIPV所占屋頂面積約為131903㎡，如重新更換這部分屋頂，產(chǎn)生費用較高。安裝屋頂光伏電站后屋頂免更換維護。

5.對于牧場生物安全的影響

5.1 對環(huán)境的影響

太陽能光伏發(fā)電的工藝流程是利用自然光將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程。在生產(chǎn)過程中不消耗燃料，不產(chǎn)生廢水、廢氣等污物。本型工程冬季采用電熱設(shè)施取暖，不新增大氣污染源，從而減少工程建設(shè)投入運營后對區(qū)域大氣、生態(tài)環(huán)境的影響及破壞。職工的生活燃料是用電或液化氣，沒有拉煤運輸、堆放，以及燃燒排放大氣污染對區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量的影響。

5.2 電磁波的潛在影響

該牧場規(guī)劃已經(jīng)遠離居民區(qū)，因此，屋頂光伏單站的逆變器和電氣設(shè)備等附近沒有居民區(qū)，同時也遠離了牧場管理人員生活場所，不構(gòu)成電磁輻射對人群的安全防護要求。變電設(shè)備產(chǎn)生的電磁輻射經(jīng)設(shè)備外殼、箱體屏蔽和距離衰減后，對周圍環(huán)境影響較小。光伏電場位于空曠地帶之中，周邊5km范圍內(nèi)幾乎沒有其他大型單位和通信設(shè)施，場地上空無微波類信號傳輸通道。因此，電場設(shè)備運行對通信和電視信號不會產(chǎn)生電磁影響。

5.3 污染物排放的影響

污染物排放包括廢水排放和固體廢物排放。

由于太陽能光伏發(fā)電具有較高的自動化運行水平，所以一般都是無人值守，僅需2～3個人員值班。生活污水量極少，生活污水經(jīng)化糞池排向沉淀池后由場區(qū)統(tǒng)一處理，對環(huán)境影響較小。在光伏電廠建成投運后，主要固體廢棄物為生活及檢修垃圾，該部分廢棄物要倒往指定地點，并定期集中處理，避免刮風時固體物飛揚，污染附近環(huán)境。

對牧場防疫的影響：

屋頂光伏電站每年進牧場維修約4次，維修人員進場需嚴格遵守牧場的防疫管理制度，并與牧場簽訂防疫安全保證承諾書。

6.發(fā)展前景

隨著傳統(tǒng)能源的日益減少，新能源發(fā)電的重要性愈發(fā)突出，而屋頂光伏發(fā)電由于其不占用地面土地等優(yōu)勢更將成為具有發(fā)展?jié)摿Φ捻椖俊Ｎ蓓敼夥l(fā)電不僅解決了能源問題，同時由于其不需要單獨占用土地資源，因此，其發(fā)展前景十分的廣闊。寧夏農(nóng)墾開創(chuàng)了屋頂光伏系統(tǒng)在奶牛場中應(yīng)用的先河，目前該項目已經(jīng)建成，收益也逐步在得到體現(xiàn)中。該項目使得屋頂光伏系統(tǒng)在牧場中率先得到了應(yīng)用，也是為屋頂光伏系統(tǒng)在整個畜牧業(yè)的推廣起到了表率作用，對于以后整個畜牧業(yè)的減碳、節(jié)能工作起到了推動作用，該項目的建設(shè)意義比較深遠。