屋頂分布式光伏系統(tǒng)在鑄造工業(yè)中的應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益

王 娟，趙春紅，李 瑤

(濰坊市高密生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心，山東 濰坊 261500)

0 引 言

碳達(dá)峰、碳中和已納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局。在“雙碳”目標(biāo)下，電廠、工業(yè)、交通、建筑行業(yè)是推進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和的重要部分，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型迫在眉睫，能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型更是首當(dāng)其沖。21世紀(jì)以來(lái)，全球各國(guó)陸續(xù)進(jìn)入可再生能源替代化石能源的第三次轉(zhuǎn)型階段[1-2]。截止2020年底，中國(guó)可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量占全部電力裝機(jī)容量的42.5%，可再生能源發(fā)電量占全部發(fā)電量的29.1%，水電、抽水蓄能、風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電、生物質(zhì)能、地?zé)帷⑿滦蛢?chǔ)能、氫能增長(zhǎng)迅速，其中太陽(yáng)能發(fā)電隨著技術(shù)水平提升和發(fā)電成本的不斷降低，裝機(jī)容量和發(fā)電量增長(zhǎng)較快[3-4]。鑄造工業(yè)是傳統(tǒng)高耗電行業(yè)，在面臨產(chǎn)業(yè)升級(jí)改造、節(jié)能降耗減排的同時(shí)能源的“開(kāi)源”也尤為重要。高密市2021年完成了鑄造行業(yè)的整體改造升級(jí)，在設(shè)備、工藝、產(chǎn)品節(jié)能的基礎(chǔ)上，整個(gè)行業(yè)機(jī)械化自動(dòng)化水平提高，電耗在生產(chǎn)成本中占比大。因此，鑄造行業(yè)能源的綠色可持續(xù)發(fā)展之路勢(shì)在必行。本研究基于鑄造企業(yè)屋頂光伏電站實(shí)測(cè)發(fā)電量、自用量、氣象等數(shù)據(jù)，分析光伏電站發(fā)電量變化特征，通過(guò)建立相關(guān)關(guān)系分析發(fā)電量的影響因素并建立發(fā)電量與日照時(shí)數(shù)(峰值)線性回歸模型，通過(guò)計(jì)算服務(wù)期內(nèi)發(fā)電量預(yù)估經(jīng)濟(jì)環(huán)境收益，為屋頂光伏投資決策和政府、企業(yè)能源規(guī)劃提供參考。

1 研究對(duì)象及方法

以高密市某鑄造企業(yè)車(chē)間屋頂分布式光伏系統(tǒng)一期工程為研究對(duì)象，該系統(tǒng)2020年9月建成并網(wǎng)運(yùn)行，裝機(jī)容量200 kW，由625塊320 W多晶硅組件串聯(lián)而成，平鋪于車(chē)間屋頂，屋頂坡度8度。發(fā)電量及上網(wǎng)電量數(shù)據(jù)來(lái)源于電站監(jiān)控系統(tǒng)和供電公司，氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象信息中心和地方政府網(wǎng)站公布數(shù)據(jù)；污染物數(shù)據(jù)來(lái)源于地方環(huán)保部門(mén)網(wǎng)站公布數(shù)據(jù)。

基于該光伏系統(tǒng)2020年10月至2021年9月運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析該光伏系統(tǒng)發(fā)電量分布特征，并與日照時(shí)數(shù)、短波輻射總強(qiáng)度、溫度、PM2.5、降塵量等建立相關(guān)關(guān)系，分析電站運(yùn)行主要影響因素，根據(jù)實(shí)際發(fā)電量、自用電量、上網(wǎng)量數(shù)據(jù)探索“自發(fā)自用，余量上網(wǎng)”模式下發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益，為鑄造行業(yè)光伏電站建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)電量變化特征

2020年10月到2021年9月200 kW分布式光伏電站月發(fā)電量情況如圖1所示。從圖中可以看出，光伏電站發(fā)電量的月變化和季節(jié)變化波動(dòng)明顯，11月到次年1月份發(fā)電量低，之后發(fā)電量從2月份開(kāi)始逐月增長(zhǎng)，5月份發(fā)電量達(dá)到最高值，6-8月份發(fā)電量保持在高位，9月份開(kāi)始下降；電站發(fā)電量季節(jié)性變化明顯，秋冬季節(jié)明顯低于春夏季節(jié)，這是由于高密屬于季風(fēng)區(qū)暖溫帶大陸半溫潤(rùn)氣候，四季分明，太陽(yáng)輻射變化明顯。

單日發(fā)電量最高值出現(xiàn)在5月份，日最高發(fā)電量1 300 kW·h。根據(jù)波形良好的日內(nèi)發(fā)電功率隨時(shí)間變化曲線統(tǒng)計(jì)，發(fā)電功率隨著日照強(qiáng)度的變化在中午出現(xiàn)峰值[5]，這正好與該企業(yè)用電負(fù)荷相反，中午11:30-13:30，發(fā)電量占全天的22%～28%，企業(yè)監(jiān)測(cè)自用量占發(fā)電量的70%左右。由此可知，該企業(yè)的上網(wǎng)電量主要源于中午時(shí)段。

2.2 相關(guān)性分析及模型建立

有學(xué)者通過(guò)采用相關(guān)性分析方法分析了光伏發(fā)電功率與各個(gè)氣象因子的相關(guān)程度[6],影響光伏發(fā)電的最主要?dú)庀笠蜃邮翘?yáng)輻照度[7]。本文以2020年10月到2021年9月月發(fā)電量與相應(yīng)月份氣象因子、污染物因子建立相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明(表1)，風(fēng)速、相對(duì)濕度對(duì)發(fā)電量影響不大，發(fā)電量與溫度、日照時(shí)數(shù)(峰值)、短波輻射總強(qiáng)度正相關(guān)關(guān)系明顯，其中發(fā)電量與日照時(shí)數(shù)(峰值)、短波輻射總強(qiáng)度相關(guān)性顯著。發(fā)電量與降塵量、PM2.5濃度負(fù)相關(guān)，這是由于大氣降塵落在光伏板表面對(duì)太陽(yáng)輻射起到了阻礙作用。相較與大氣降塵，PM2.5與發(fā)電量的負(fù)相關(guān)較強(qiáng)，這是由于顆粒物濃度影響太陽(yáng)輻射強(qiáng)度[8]，PM2.5濃度季節(jié)性變化明顯[9]，呈現(xiàn)冬季濃度高，夏季濃度低，這與光伏發(fā)電量季節(jié)性變化正好相反；同時(shí)降雨對(duì)光伏表面的積塵有一定的沖刷作用，秋冬季節(jié)降雨量小，落在光伏組件表面的細(xì)顆粒物不易被風(fēng)、雨帶走?；覊m遮擋不僅影響系統(tǒng)發(fā)電量，而且容易引起熱斑效應(yīng)[10],由此看來(lái)，秋冬季節(jié)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)光伏組件表面清潔工作。

有學(xué)者利用日照時(shí)數(shù)與日發(fā)電量建模估算年發(fā)電量，模型線性關(guān)系顯著[11]。本文進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)采用月發(fā)電量與相關(guān)系數(shù)最高的日照時(shí)數(shù)(峰值)建立擬合方程，線性關(guān)系更顯著，基于2020年10月至2021年9月月發(fā)電量與日照時(shí)數(shù)(峰值)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，兩者呈現(xiàn)顯著線性關(guān)系，R2高達(dá)0.968，使用2021年10月的發(fā)電量數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，誤差在3.2%，總體看來(lái)擬合效果較好?？梢钥闯?，日照時(shí)數(shù)(峰值)越高發(fā)電量越多，在設(shè)計(jì)光伏電站時(shí)需要考慮當(dāng)?shù)靥?yáng)能資源，從而可以縮短投資回報(bào)周期[12]。

圖2 發(fā)電量與日照時(shí)數(shù)(峰值)線性擬合回歸模型

2.3 經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益分析

2.3.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

并網(wǎng)型分布式光伏根據(jù)發(fā)電自用量分為全部上網(wǎng)、自發(fā)自用余量上網(wǎng)、全部自用三種情況。根據(jù)本區(qū)域1950年～2020年年日照時(shí)數(shù)(峰值)資料，計(jì)算年日照時(shí)數(shù)(峰值)平均值，2020年10月至2021年9月日照時(shí)數(shù)(峰值)低于多年平均值4%左右，根據(jù)模型按照多年平均日照時(shí)數(shù)(峰值)計(jì)算發(fā)電量多于一年內(nèi)發(fā)電量實(shí)測(cè)值。

本文以實(shí)測(cè)發(fā)電量為初始值保守計(jì)算收益，按照多晶硅光伏組件一年內(nèi)衰減率3%、后續(xù)年內(nèi)衰減率0.7%、光伏系統(tǒng)使用壽命25年、并網(wǎng)電價(jià)0.391、自發(fā)自用電量70%、白天平均電價(jià)0.72元計(jì)算，服務(wù)期內(nèi)不同自用量條件下收益如圖3所示。

圖3 以實(shí)測(cè)發(fā)電量為初始值的投資收益情況

可以看出，發(fā)電全部上網(wǎng)第7年可收回全部成本(投資額存款利率按3%計(jì)算)，按企業(yè)目前70%的自用量計(jì)算第4年收回全部成本，發(fā)電全部自用3年半可收回成本。25年服務(wù)期內(nèi)，發(fā)電全部上網(wǎng)可獲得經(jīng)濟(jì)收益是投資額的4倍，按70%的自用量計(jì)算可獲得經(jīng)濟(jì)收益是投資額的6倍，發(fā)電全部自用可獲得經(jīng)濟(jì)收入是投資額是7倍。對(duì)于工業(yè)企業(yè)來(lái)說(shuō)，自建光伏電站可以抵扣相關(guān)稅費(fèi)，疊加后按照70%自用電量計(jì)算第一年可收回成本45%左右。由圖3可以看出，發(fā)電全部上網(wǎng)收益接近于銀行貸款利率，這種模式不適合企業(yè)貸款投資。目前，高密市工業(yè)屋頂分布式光伏電站建設(shè)多集中用電量大的行業(yè)或是工業(yè)園，一是分布式發(fā)電更適合于所發(fā)電力的消納[13]，自發(fā)自用量越大取得的效益就越高，且光伏電站建設(shè)對(duì)屋頂構(gòu)造形態(tài)[14]及承載力有一定要求；二是企業(yè)決策者考慮購(gòu)買(mǎi)光伏組件投資資金數(shù)量大[15]，受審批條件和決策者投資意識(shí)等限制，工業(yè)屋頂光伏系統(tǒng)目前并未廣泛普及。

光伏上網(wǎng)電價(jià)與夜間谷電價(jià)持平，在不考慮儲(chǔ)能條件下，工業(yè)企業(yè)全資建設(shè)與自身用電量相匹配的光伏電站能最快收回成本。

2.3.2 環(huán)境效益分析

光伏發(fā)電工程除經(jīng)濟(jì)效益外，還具有顯著的環(huán)保效益。太陽(yáng)能是一種清潔的可再生能源，相對(duì)于煤炭發(fā)電，光伏發(fā)電能降低污染物排放。按1噸優(yōu)質(zhì)煤發(fā)電3 100 kW·h，制造一塊光伏板耗能40 kg煤計(jì)算，本項(xiàng)目服務(wù)期內(nèi)可節(jié)約煤炭1 570噸，減排二氧化硫排放25噸、氮氧化物8噸、粉塵10.7噸、爐渣216.7噸。項(xiàng)目可減少碳排放4 935噸。光伏組件還能有效保護(hù)屋頂、延長(zhǎng)屋頂使用壽命，同時(shí)起到冬保溫、夏降溫的作用，起到建筑節(jié)能的作用。

另外，光伏發(fā)電量與降塵量負(fù)相關(guān)，鑄造企業(yè)粉塵產(chǎn)生量較大，雖然經(jīng)過(guò)行業(yè)整治實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，安裝光伏系統(tǒng)的企業(yè)勢(shì)必要平衡光伏發(fā)電收益和粉塵持續(xù)治理的關(guān)系，以光伏效益促進(jìn)污染物持續(xù)治理。

隨著煤改電、天然氣“壓非保民”、拉閘限電的實(shí)施，作為用電量比較多的鑄造業(yè)來(lái)說(shuō)，安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)可自發(fā)自用，抵消了一部分傳統(tǒng)電力，還能為環(huán)境做貢獻(xiàn)，多余的電力上網(wǎng)收益。

3 結(jié)論與問(wèn)題

光伏電站發(fā)電量的月變化和季節(jié)變化波動(dòng)明顯，具體表現(xiàn)在春夏季節(jié)高，冬春季節(jié)低，11月到次年1月份發(fā)電量低，5月份發(fā)電量達(dá)到最高值，單日發(fā)電量最高值也出現(xiàn)在5月份。企業(yè)監(jiān)測(cè)自用量占發(fā)電量的70%左右，日內(nèi)發(fā)電功率峰值與該企業(yè)用電負(fù)荷相反，調(diào)峰能力建設(shè)也是光伏發(fā)電的發(fā)展方向。

通過(guò)發(fā)電量與氣象因子、污染因子相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，溫度、日照時(shí)數(shù)(峰值)、短波輻射總強(qiáng)度與發(fā)電量正相關(guān)，其中發(fā)電量與日照時(shí)數(shù)(峰值)、短波輻射總強(qiáng)度相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.984、0.972。發(fā)電量與降塵量、PM2.5濃度負(fù)相關(guān)，降雨對(duì)光伏表面的積塵有一定的沖刷作用。秋冬季節(jié)降雨量小，落在光伏組件表面的細(xì)顆粒物不易被帶走，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)光伏組件表面清潔工作。

工業(yè)企業(yè)自建并網(wǎng)型光伏電站，發(fā)電全部自用效益最高，3年半可收回成本。對(duì)于工業(yè)企業(yè)來(lái)說(shuō)，自建光伏電站可以抵扣相關(guān)稅費(fèi)，疊加后第1年可收回成本45%左右。目前，光伏上網(wǎng)電價(jià)與夜間谷電價(jià)持平，在不考慮儲(chǔ)能條件下，工業(yè)企業(yè)建設(shè)與自身用電量相匹配的光伏電站能最快收回成本。

光伏發(fā)電環(huán)境效益明顯，200 kW光伏電站服務(wù)期內(nèi)可節(jié)煤1 570噸，減少碳排放4 935噸，減排二氧化硫25噸、氮氧化物8噸、粉塵10.7噸、爐渣216.7噸。服務(wù)期滿(mǎn)后，廢棄組件的處理和去向是光伏產(chǎn)業(yè)的面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。

作為用電量比較多的鑄造業(yè)來(lái)說(shuō)，安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)可自發(fā)自用，抵消了一部分傳統(tǒng)電力，還能為環(huán)境做貢獻(xiàn)，多余的電力上網(wǎng)。在“雙碳”目標(biāo)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的大形勢(shì)下，建設(shè)光伏電站也是鑄造企業(yè)能源綠色可持續(xù)發(fā)展的出路。