淺析工廠分布式屋面光伏發(fā)電應(yīng)用

向榮 黃珣 賈智勇

（中鋼集團(tuán)天澄環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?武漢 430205）

0 引言

“雙碳”戰(zhàn)略倡導(dǎo)綠色、環(huán)保、低碳的生活方式。近年來，發(fā)揮太陽能發(fā)電適宜分散供電的優(yōu)勢，在城市的建筑物和公共設(shè)施配套安裝太陽能發(fā)電裝置，擴(kuò)大城市可再生能源的利用量，逐漸成為我國新能源利用的一個新方向。本文對某工廠利用倉庫屋面進(jìn)行分布式光伏發(fā)電項目進(jìn)行分析，實踐表明，利用工廠生產(chǎn)車間、倉庫等屋面安裝分布式光伏發(fā)電裝置，可有效減少外部用電需求，優(yōu)化系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)，減輕環(huán)保壓力，實現(xiàn)了社會效益與經(jīng)濟(jì)效益雙贏，同時帶動光伏發(fā)電在工廠屋面中推廣應(yīng)用，提升建筑節(jié)能效果、減少溫室氣體排放等可持續(xù)發(fā)展，且對于光伏建筑一體化技術(shù)的進(jìn)一步推廣具有重要的示范意義［1］。光伏發(fā)電是場地內(nèi)達(dá)到零碳/碳中和目標(biāo)必不可少的基礎(chǔ)性應(yīng)用措施之一。

1 技術(shù)背景及構(gòu)思

1.1 概況

要實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，核心是實現(xiàn)兩個替代，即在能源消費端實現(xiàn)以電能替代化石能源，在能源生產(chǎn)端實現(xiàn)以可再生能源發(fā)電替代化石能源發(fā)電，因此利用工廠屋面安裝光伏發(fā)電可實現(xiàn)在能源生產(chǎn)端以太陽能發(fā)電替代化石能源發(fā)電，有助于企業(yè)實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。分布式屋面光伏發(fā)電符合國家的產(chǎn)業(yè)政策和地方對優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保護(hù)環(huán)境、減少溫室氣體排放、節(jié)約能源的相關(guān)要求。

1.2 建設(shè)條件

該光伏發(fā)電項目地位于武漢市，湖北省太陽能資源空間分布總體上呈現(xiàn)兩大特點：北多南少，以西部山區(qū)最顯著，中東部變化相對較小；同緯度相比，平原多，山區(qū)少。湖北省各地年太陽能總輻射為3 450～4 800 MJ/m2。武漢市國家氣象局的日射觀測站，位于東經(jīng)114.3°、北緯30.6°，根據(jù)武漢氣象站2009—2019年的資料可知，武漢地區(qū)近10年日照小時數(shù)平均值為1 340.7h，總輻射量為4 826.52 MJ/m2，據(jù)《太陽能資源等級—總輻射》（GB/T 31155—2014）中太陽總輻射年輻照量表，該項目等級屬于太陽能資源豐富帶。武漢市逐月日照時數(shù)變化如圖1所示。

圖1 武漢地區(qū)逐月日照時數(shù)變化

統(tǒng)計結(jié)果顯示，該地區(qū)的平均年日照時數(shù)約1 340.7 h，月平均日照時數(shù)在108.5 h，日照時間較長。其變化趨勢亦呈現(xiàn)單峰型，5、6、7、8月份日照時數(shù)較高，其余月份較低，春冬季直射比較夏秋季略高，太陽輻射的這一特征對于開發(fā)利用太陽能有利。

該光伏發(fā)電項目的倉庫屋面為彩鋼瓦屋面，屋面承載力經(jīng)結(jié)構(gòu)復(fù)核，滿足項目增加的相關(guān)荷載。

1.3 項目任務(wù)和規(guī)模

該項目利用工廠倉庫屋面安裝光伏發(fā)電并網(wǎng)，不占用耕地，主要任務(wù)為利用太陽能發(fā)電，待電站建成后，采用“分散逆變升壓，自發(fā)自用”的模式，可有效減少外部用電需求，優(yōu)化系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)。屋面光伏發(fā)電是綠色工廠最好的體現(xiàn)。該項目的實施也將在國內(nèi)同類型工廠起到示范作用。為促進(jìn)我國太陽能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，做好太陽能技術(shù)的戰(zhàn)略儲備，建設(shè)若干個太陽能光伏發(fā)電示范電站，解決我國社會發(fā)展與能源緊缺的矛盾將有非常重大的意義。

該項目工廠倉庫屋面可利用面積76 380 m2，裝機容量約為11 MWp。

2 項目總體設(shè)計方案

2.1 光伏組件選型

工程中常用的光伏組件為晶體材料電池，具有代表性的有硅電池，包括單晶硅光伏電池、多晶硅光伏電池。

單晶硅光伏電池是最早出現(xiàn)、工藝最成熟的太陽能光伏電池，也是光伏組件大規(guī)模生產(chǎn)中效率最高的。隨著單晶硅行業(yè)注重產(chǎn)品研發(fā)和推廣，從而進(jìn)一步降本增效，持續(xù)降低產(chǎn)品價格，加速單晶硅光伏電池產(chǎn)業(yè)平價進(jìn)程［2］。單晶硅電池效率可達(dá)到16%～24%，與其他種類的電池相比，其穩(wěn)定性好，同等容量太陽能電池組件所占面積小，在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位。

多晶硅光伏電池的生產(chǎn)工藝與單晶硅基本相同，但由于生產(chǎn)多晶硅的硅片是由多個不同大小、不同取向的晶粒構(gòu)成，因而多晶硅的轉(zhuǎn)換效率要比單晶硅電池低，規(guī)?；慨a(chǎn)的電池轉(zhuǎn)換率已經(jīng)達(dá)到14%～19%，低于單晶硅電池的水平。

對于一定的裝機規(guī)模，功率大的組件使用的數(shù)量較少，組件數(shù)量少意味著組件間連接點少，故障幾率減少，接觸電阻小，線纜用量少，系統(tǒng)整體損耗也會降低。綜合考慮光電轉(zhuǎn)化效率、市場價格、運行可靠性、電站的自然環(huán)境、施工條件及設(shè)備運輸條件等，為獲得更好的收益，該項目選用目前國內(nèi)主流的455Wp單晶硅光伏組件，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 455 Wp單晶硅組件技術(shù)參數(shù)

2.2 光伏陣列運行方式

光伏組件通過支架固定在屋面上，支架安裝方式目前技術(shù)最為成熟、成本相對較低、應(yīng)用最廣泛的方式為固定式安裝。該項目工廠倉庫屋面為彩鋼瓦屋面，考慮其可安裝性和安全性，光伏組件采用固定安裝方式。光伏組件采用沿屋面傾斜方向平鋪的鋪設(shè)方式進(jìn)行布置，組件安裝傾角同原屋面。

2.3 逆變器選型

光伏逆變器是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要部件和重要組成部分，目前常用的逆變器有組串式逆變器、集中式逆變器。

組串式并網(wǎng)逆變器是基于模塊化的概念，把光伏方陣中每個光伏組串輸入到一臺小功率的逆變器中，多個光伏組串和逆變器模塊化地組合在一起，所有逆變器在交流輸出端并聯(lián)，然后通過交流并聯(lián)電纜送入升壓變壓器中就地升壓。目前常用組串式逆變器的功率等級通常在20 kW到225 kW。

本項目選用組串式逆變器，根據(jù)工廠倉庫建筑的分布特點及負(fù)荷情況，選用225 kW組串式逆變器。組串式逆變器安裝固定靈活，不需要配置專門的逆變器房，不受系統(tǒng)通風(fēng)散熱條件影響、故障率小、而且維護(hù)難度小，較短時間內(nèi)即可完成單臺逆變器的更換。當(dāng)系統(tǒng)部分故障時，除了部分支路受影響外，其余部分依然可以保證最大功率輸出。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，組串式逆變器相對于集中式逆變器來說，可以提高發(fā)電量約3%。

2.4 光伏發(fā)電系統(tǒng)

該光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電壓等級為6 kV，項目全部發(fā)電為工廠自用。選用每串回路串接組件數(shù)量26塊。光伏發(fā)電系統(tǒng)原理圖如圖2所示。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)效率考慮太陽能電池老化效率，交、直流低壓系統(tǒng)損耗及其他設(shè)備老化效率，逆變器效率，電網(wǎng)損耗效率［3］。根據(jù)光伏組件年衰減情況分析表，按光伏電站使用壽命25年進(jìn)行電站全壽命上網(wǎng)電量計算，項目25年發(fā)電量25 964萬kW·h，年均發(fā)電1 038.6萬kW·h。

3 項目實施效果

太陽能光伏發(fā)電是一種清潔、安全的可再生能源利用方式，不產(chǎn)生任何廢氣、廢水和固型物排放污染。與火電相比，太陽能發(fā)電可節(jié)省發(fā)電用煤，并減環(huán)境污染，具有明顯的節(jié)能減排效應(yīng)。光伏發(fā)電是我國鼓勵和支持開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展的新能源，具有明顯的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會效益。該項目具體節(jié)能減排效果如表2所示（按標(biāo)煤煤耗為400 g/kW·h計）。光伏發(fā)電是將太陽能轉(zhuǎn)化成電能的過程，在整個工藝流程中，不產(chǎn)生大氣、液體、固體廢棄物等方面的污染物，也不會產(chǎn)生大的噪聲污染。從節(jié)約煤炭資源和環(huán)境保護(hù)角度來分析，該項目具有較為明顯的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益及環(huán)境效益。

表2 節(jié)能效果數(shù)據(jù)

光伏發(fā)電同燃煤發(fā)電相比，每年可節(jié)約可觀的煤源及相應(yīng)每年可減少多種有害氣體和廢渣排放。太陽能是清潔能源，充分利用太陽能發(fā)電對緩解當(dāng)前的能源壓力和環(huán)境壓力都有著重要的意義。光伏發(fā)電在資源可持續(xù)性和環(huán)境友好性方面都具有明顯優(yōu)勢，可在增加資產(chǎn)使用價值與附加值方面同時實現(xiàn)社會效益與經(jīng)濟(jì)效益的雙贏［4］。

4 結(jié)語

1）該項目全過程分析，證明利用工廠車間、倉庫等屋面建設(shè)分布式光伏發(fā)電是可行的，節(jié)能減排可達(dá)預(yù)期效果。

2）利用工廠屋面光伏發(fā)電，在能源生產(chǎn)端實現(xiàn)以可再生能源發(fā)電替代化石能源發(fā)電，助力企業(yè)實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。

3）合理利用工廠屋面空間，推廣太陽能利用，實現(xiàn)太陽能光伏建筑一體化，有利于企業(yè)踐行國家產(chǎn)業(yè)政策，實現(xiàn)綠色環(huán)保、節(jié)能創(chuàng)新發(fā)展。

4）工廠分布式屋面光伏發(fā)電，既能盤活企業(yè)屋面閑置空間的利用價值，又為工廠太陽能光伏建筑一體化建設(shè)和設(shè)計提供重要借鑒意義。