鋼鐵企業(yè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)介紹

王海波，欒國文，楊領(lǐng)芝

(青島特殊鋼鐵有限公司，青島 266409)

0 引言

中國的鋼鐵行業(yè)經(jīng)過幾十年的技術(shù)進(jìn)步，尤其是近10年來，能耗指標(biāo)發(fā)生了巨大變化，噸鋼綜合能耗已處于世界領(lǐng)先水平[1]，但中國依然是世界上能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主的國家之一，也是世界上最大的煤炭消費(fèi)國。開發(fā)利用太陽能資源是調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、實(shí)施能源可持續(xù)發(fā)展的有效手段。

為積極響應(yīng)國家碳達(dá)峰、碳中和的號召，在進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新、降低系統(tǒng)能耗的同時，應(yīng)鼓勵鋼鐵企業(yè)采用“自發(fā)自用”模式，利用廠區(qū)內(nèi)的建筑物屋頂建設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)[2]，以降低鋼鐵企業(yè)總體電力資源消耗水平。光伏發(fā)電是清潔的可再生能源利用方式，沒有大氣、水污染問題和廢渣堆放問題。光伏發(fā)電項(xiàng)目運(yùn)行期的主要能源消耗為集電線路、電氣設(shè)備的損耗和生產(chǎn)、生活用電的消耗，建設(shè)一個環(huán)保、低耗能、節(jié)約型的光伏發(fā)電項(xiàng)目必要且可行。本文以青島特殊鋼鐵有限公司(下文簡稱為“青島特鋼”)在其廠區(qū)屋頂建設(shè)的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)(下文簡稱為“青島特鋼分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)”)為例，從基礎(chǔ)條件分析、系統(tǒng)方案設(shè)計、創(chuàng)新點(diǎn)及節(jié)能效果分析3個方面，對利用鋼鐵企業(yè)廠區(qū)屋頂建設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的情況進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)介紹。青島特鋼分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的總裝機(jī)容量為23 MWp，共安裝了59836塊385 Wp單晶硅光伏組件[3]，總安裝面積為25萬m2；光伏發(fā)電系統(tǒng)自發(fā)電就地升壓到10 kV，可并入電網(wǎng)直接使用。實(shí)際數(shù)據(jù)顯示，該分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益顯著。

1 青島特鋼建設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)條件分析

1.1 青島特鋼的太陽能資源分析

青島特鋼的廠區(qū)位于山東省青島市。山東省的水平面年均太陽總輻射量在1400～1550 kWh/m2之間，為“很豐富”地區(qū)，屬于II類太陽能資源區(qū)；從地域分布來看，其年均太陽總輻射量為從東向西逐漸增加[4]，具體如圖1所示。

圖1 山東省的水平面年均太陽總輻射量分布圖Fig. 1 Distribution of annual average total solar radiation in the horizontal plane of Shandong Province

采用Meteonorm7的資料作為依據(jù)，對青島特鋼所在區(qū)域的太陽能資源進(jìn)行整理，得到該區(qū)域的水平面多年平均太陽總輻射情況[5]，具體如表1所示。該區(qū)域的水平面月均太陽輻射量的變化情況如圖2所示。

表1 青島特鋼所在區(qū)域的水平面多年平均太陽總輻射情況Table 1 Situation of multi-year average total solar radiation in the horizontal plane in the area where Qingdao Special Iron and Steel Co.，Ltd. is located

從圖2可以看出：青島特鋼所在區(qū)域各月的水平面月均太陽輻射量的變化較大，呈現(xiàn)出單峰變化形式，1—5月的水平面月均太陽輻射量逐漸增大，5月時達(dá)到全年最大值，為637.20 MJ/m2；6—12月的水平面月均太陽輻射量逐漸減小，12月達(dá)到全年最小值，為234.00 MJ/m2?？偟膩碚f，青島特鋼所在區(qū)域秋季和夏季各月的水平面月均太陽輻射量較大，春季和冬季各月的水平面月均太陽輻射量較小。

圖2 青島特鋼所在區(qū)域的水平面月均太陽輻射量變化情況Fig. 2 Variation of monthly average solar radiation in the horizontal plane in the area where Qingdao Special Iron and Steel Co.，Ltd. is located

1.2 制約光伏發(fā)電系統(tǒng)高效運(yùn)行的因素分析

青島特鋼廠區(qū)范圍內(nèi)的水平面年均太陽總輻射量約為5223.60 MJ/m2，屬于太陽能資源很豐富的等級，太陽能資源較穩(wěn)定。制約光伏發(fā)電系統(tǒng)高效運(yùn)行的天氣因素主要為氣溫、揚(yáng)沙及浮塵、風(fēng)速、雷暴、雪及積雪5個方面，綜合分析青島市的氣候特點(diǎn)，針對這些因素對青島特鋼分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的高效運(yùn)行影響進(jìn)行分析。

1.2.1 氣溫

青島市的溫差較大，年平均氣溫為7.1 ℃，年均最低氣溫為-6.6 ℃，年均最高氣溫為21.9 ℃。從氣溫情況來看，青島特鋼分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏組件的工作溫度可控制在其允許范圍以內(nèi)。

1.2.2 揚(yáng)沙及浮塵

沙塵天氣會帶來揚(yáng)沙及浮塵，進(jìn)而影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率。青島特鋼地處沿海地區(qū)，周邊環(huán)境優(yōu)良，并且已經(jīng)完成了超低排放技術(shù)改造，空氣質(zhì)量優(yōu)良，因此，該因素造成的影響不大。通過運(yùn)行維護(hù)中周期性的清洗工作，可使青島特鋼分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)一直處于高效運(yùn)行狀態(tài)。

1.2.3 風(fēng)速

青島特鋼瀕臨黃海，所在地的地勢平坦，常年風(fēng)速平均值為4.8 m/s，風(fēng)速最大值為30 m/s。夏季風(fēng)向主要為東南風(fēng)，冬季風(fēng)向以西北風(fēng)為主。綜合考慮后發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速、風(fēng)向?qū)η鄭u特鋼分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的不利影響較小。

1.2.4 雷暴

青島特鋼所在地區(qū)年平均雷暴天數(shù)為20.8天。由于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的占地面積較大，光伏組件都安裝在固定金屬支架上，所有光伏組件安裝框架都采用了先進(jìn)的防雷接地措施[5]，因此，雷暴對青島特鋼分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行影響較弱。

1.2.5 雪及積雪

在光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行過程中，雪天及積雪對其影響顯著[6]，積雪能夠覆蓋光伏組件表面，從而影響分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電。青島市的年平均雪天為6.8天，在本項(xiàng)目中，光伏組件的安裝是選取向陽坡屋頂進(jìn)行布置安裝，并使光伏陣列傾斜適當(dāng)角度，以便于運(yùn)行過程中進(jìn)行光伏組件表面積雪的清理工作，從而降低積雪對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電的影響程度。

1.3 青島特鋼建設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢

1)青島特鋼每天的用電量約為1500萬kWh，因此分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)每天的發(fā)電量耗用率可保證達(dá)到100%；

2)青島特鋼廠區(qū)的總土地面積為7500畝(1畝≈666.67 m2)，建筑物和廠房的屋頂總面積為100萬m2，廠房鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，完全符合分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)條件；

3)青島特鋼擁有完備的專業(yè)技術(shù)力量，能夠保障分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的日常運(yùn)行維護(hù)工作。

2 青島特鋼分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的方案設(shè)計

青島特鋼分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的一期規(guī)劃總裝機(jī)容量為23 MWp，采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式，在廠區(qū)建筑物和廠房屋頂鋪設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)；系統(tǒng)采用標(biāo)稱功率為385 Wp的單晶硅光伏組件，選用230臺100 kW組串式并網(wǎng)逆變器，單個光伏發(fā)電單元故障或檢修對整個青島特鋼分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行沒有影響。

2.1 光伏組件的安裝分配方案

本項(xiàng)目的光伏組件全部采用國產(chǎn)的385 Wp單晶硅光伏組件，共59836塊，光伏組件串聯(lián)數(shù)量為“20塊1串”，采用組串式并網(wǎng)逆變器，升壓變壓器容量為1000 kVA。所有光伏組件順屋面坡勢固定安裝，組串式并網(wǎng)逆變器就地安裝于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)所在的屋面或附近的外墻上。青島特鋼的建筑物和廠房屋頂面積及光伏組件安裝情況統(tǒng)計表如表2所示。

表2 青島特鋼的建筑物和廠房屋頂面積及光伏組件安裝情況統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of roof area of buildings and workshops and PV modules installation in Qingdao Special Iron and Steel Co.，Ltd.

2.2 電氣及自動化控制設(shè)計方案

青島特鋼分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的自動化控制采用“無人值守”模式。具體為采用“計算機(jī)+工業(yè)視頻監(jiān)控”方式，針對關(guān)鍵控制點(diǎn)，引入視覺識別技術(shù)對重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行人員闖入、煙霧火焰和隔離開關(guān)等視覺監(jiān)控。異常情況下，系統(tǒng)自動向相關(guān)運(yùn)維人員發(fā)出預(yù)警信息。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的電氣設(shè)計為光伏陣列就地升壓為10 kV，然后接入廠區(qū)配電室的10 kV母排，共計4個并網(wǎng)點(diǎn)。

2.3 光伏組件的選型

晶體硅光伏組件和薄膜光伏組件是當(dāng)前廣泛應(yīng)用的兩種光伏組件。相比之下，晶體硅光伏組件的制造技術(shù)更為成熟，在大型光伏發(fā)電項(xiàng)目中有廣泛且成熟的應(yīng)用[7]。目前，采用薄膜光伏組件的光伏發(fā)電系統(tǒng)的最長運(yùn)行時間不到25年，其可靠性還需檢驗(yàn)。晶體硅光伏組件中，雖然多晶硅光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率高于單晶硅光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率，但單晶硅光伏組件的價格更低。由于光伏組件的造價在工程總造價中的占比在60%以上，從節(jié)省工程投資的角度考慮，本項(xiàng)目選用了單晶硅光伏組件[8]。

2.4 光伏組串的設(shè)計方案

光伏組串的最高輸出電壓必須低于組串式并網(wǎng)逆變器允許的最高輸入電壓，最低輸出電壓必須大于組串式并網(wǎng)逆變器允許的最低輸入電壓。根據(jù)GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》，光伏組件串聯(lián)數(shù)N(N向下取整數(shù))的計算式為：

式中：Vdc,max為逆變器允許的最大直流輸入電壓；Voc為光伏組件的開路電壓；Vpm為光伏組件的工作電壓；Vmppt,max為逆變器最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)電壓最大值；Vmppt,min為逆變器MPPT電壓最小值；t為光伏組件工作條件下的極限低溫；t′為光伏組件工作條件下的極限高溫；Kv為光伏組件的開路電壓溫度系數(shù)；K′v為光伏組件的工作電壓溫度系數(shù)。

根據(jù)式(1)、式(2)可知，本項(xiàng)目光伏組件的串聯(lián)數(shù)為20塊。在每個屋面按照每串光伏組串為20塊光伏組件進(jìn)行配置，則每串光伏組串的峰值功率為385×20=7700 Wp，對應(yīng)于100 kW的組串式并網(wǎng)逆變器的標(biāo)稱功率計算，并考慮青島地區(qū)的太陽能資源，按照組串式并網(wǎng)逆變器最大輸入功率計算，可得到并聯(lián)的路數(shù)為15路，即15串光伏組串并聯(lián)形成1個光伏陣列(即為1個光伏發(fā)電單元)。

2.5 光伏陣列的布局

青島特鋼的廠房為彩鋼瓦屋面，且屋面情況良好。本項(xiàng)目光伏組件采用縱向放置，排成規(guī)則的行和列，整個屋面由多個光伏陣列組成。按照全年09:00～15:00前后排光伏陣列之間無陰影遮擋的前提進(jìn)行設(shè)計，光伏組件采用“彩鋼瓦1+1”(BAPV)模式，順屋面坡度鋪設(shè)，鋪設(shè)示意圖及效果圖如圖3所示。

圖3 光伏組件采用BAPV模式鋪設(shè)示意圖及效果圖Fig. 3 Schematic diagram and effect diagram of PV modules are laid with BAPV mode

利用天正陰影分析軟件對青島特鋼分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)屋面的障礙物及陰影遮擋進(jìn)行了模擬分析，分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 屋面障礙物及陰影遮擋的模擬分析結(jié)果Fig. 4 Simulation analysis results of rooftop obstacles and shadow occlusion

2.6 逆變器的選型

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器是關(guān)鍵設(shè)備。在逆變器選型方面，主要技術(shù)原則是：1)對直流輸入電壓有較寬的適應(yīng)范圍；2)能夠進(jìn)行MPPT，在光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，逆變器的輸入端電壓實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整，以保障光伏發(fā)電系統(tǒng)一直保持在最大功率點(diǎn)上運(yùn)行。

數(shù)據(jù)采集方面，逆變器有多種通信接口，采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到中控室，在控制器上有模擬輸入端口與外部傳感器相連接，能夠進(jìn)行自動測量并儲存溫度、日照等信息，為整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理提供數(shù)據(jù)支撐[9]。

目前國內(nèi)分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目主要采用10～50 kW的組串式并網(wǎng)逆變器，且組串式并網(wǎng)逆變器在屋頂分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目中必須考慮屋面承重及結(jié)構(gòu)形式，因此逆變器重量方面，宜選用輕型產(chǎn)品。但由于青島特鋼廠房屋頂?shù)某兄啬芰^好，因此本分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)采用100 kW、9路MPPT跟蹤輸入的組串式并網(wǎng)逆變器。

2.7 發(fā)電量相關(guān)計算

2.7.1 發(fā)電量計算

青島特鋼分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量計算采用RETScreen軟件，數(shù)據(jù)采用Meteonorm7的多年平均水平面月均太陽輻射量數(shù)據(jù)(見表1)。

若每塊光伏組件在1 h中接收的太陽輻射量為1 MJ/m2，計算得到其在1000 W/m2太陽輻照度條件下的等效發(fā)電小時數(shù)為3.6 h。而光伏組件的峰值功率是在太陽輻照度為1000 W/m2條件下標(biāo)定的，因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)理論發(fā)電量的計算方法為：峰值日照小時數(shù)乘以裝機(jī)容量。本項(xiàng)目的月均峰值日照小時數(shù)參照表1。

根據(jù)水平面太陽總輻射量及裝機(jī)容量數(shù)據(jù)，可計算得到本項(xiàng)目的平均傾斜面太陽總輻射量及發(fā)電量[10]。

2.7.2 系統(tǒng)效率計算

在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏陣列發(fā)電效率、逆變器轉(zhuǎn)換效率及交流并網(wǎng)效率會共同影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)總效率。

1)光伏陣列發(fā)電效率η1：光伏陣列發(fā)電效率為在太陽輻照度為1000 W/m2條件下，光伏陣列的實(shí)際直流輸出功率與其標(biāo)稱功率的比值。

光伏陣列的傳輸過程和能量轉(zhuǎn)換中的主要損失取值包括：陰影遮擋損失，取2%；光伏組件匹配損失，取2%；直流線路損失，取3%；溫度影響，取3%；表面塵埃遮擋，取2%；光照角度損失，取1%；不可利用的太陽輻射損失，取1%；光伏組件質(zhì)量損失，取1%。綜合以上要素，本項(xiàng)目的光伏陣列發(fā)電效率為85%。

2)逆變器轉(zhuǎn)換效率η2：逆變器轉(zhuǎn)換效率為逆變器交流輸出功率與直流輸入功率的比值。

逆變器轉(zhuǎn)換效率中的主要損失取值包括：變壓器損失，取1%；MPPT精度損失，取1%；逆變器轉(zhuǎn)化損失，取1%。綜合以上要素，本項(xiàng)目的逆變器轉(zhuǎn)換效率為97%。

3)交流并網(wǎng)效率η3：交流并網(wǎng)效率為逆變器輸出到高壓電網(wǎng)中的傳輸效率。在傳輸過程中，最主要的損耗來自于升壓變壓器效率和交流電氣連接的線路損耗，通常取值為94%～96%。本項(xiàng)目的交流并網(wǎng)效率采用96%。

綜上所述，青島特鋼分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)總效率η=η1η2η3=79%。

2.8 年均理論發(fā)電量的計算

青島特鋼分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏組件均采用固定金屬支架安裝在屋頂上。根據(jù)本項(xiàng)目所在地的太陽能資源，以及系統(tǒng)總裝機(jī)容量(23 MWp)、系統(tǒng)總效率(79%)等數(shù)據(jù)，計算運(yùn)行期內(nèi)，本項(xiàng)目的理論首年逐月發(fā)電量和月均利用小時數(shù)，結(jié)果如表3所示。

表3 本項(xiàng)目的理論首年逐月發(fā)電量及 月均利用小時數(shù)Table 3 Theoretical monthly power generation capacity and monthly average utilization hours of the project in the first year

經(jīng)計算，本項(xiàng)目25年運(yùn)行期內(nèi)的理論年發(fā)電量及理論年均利用小時數(shù)如表4所示。

表4 25年運(yùn)行期內(nèi)的理論年發(fā)電量及 理論年均利用小時數(shù)Table 4 Theoretical annual power generation capacity and theoretical annual average utilization hours in the 25-year operation period

(續(xù)表)

從表4可以看出：青島特鋼分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的25年運(yùn)行期的理論總發(fā)電量為60909.22萬kWh，理論年均發(fā)電量為2436.37萬kWh，理論年均利用小時數(shù)為1059.29 h，理論日均利用小時數(shù)為2.90 h。

3 項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)及節(jié)能效果分析

3.1 項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

青島特鋼分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下3個方面：

1)光伏組件采用光伏組串的方式排布以獲得高電壓，經(jīng)逆變器后就地升壓至10 kV，接入廠內(nèi)電網(wǎng)，能滿足各種電機(jī)的用電需求；

2)采用視覺識別技術(shù)對變電站的安全運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)督，真正實(shí)現(xiàn)了變電站的無人值守。

3)分布式光伏電力清潔無污染，且經(jīng)濟(jì)效益突出，項(xiàng)目的首年日均發(fā)電量理論值為7.23萬kWh。

3.2 項(xiàng)目節(jié)能效果分析

以燃燒煤炭的火力發(fā)電為參考，計算青島特鋼分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)能減排效益。本項(xiàng)目于2020年10月投入運(yùn)行，運(yùn)行10個月的累計實(shí)際發(fā)電量為2390萬kWh，日均實(shí)際發(fā)電量為7.9萬kWh。以該數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，25年運(yùn)行期內(nèi)可發(fā)電72088萬kWh，創(chuàng)造效益達(dá)約1.4億元，經(jīng)濟(jì)效益突出。

根據(jù)專家統(tǒng)計，每節(jié)約電量1 kWh，就相應(yīng)節(jié)約了標(biāo)準(zhǔn)煤0.4 kg，同時減少了0.272 kg碳粉塵、0.997 kg二氧化碳、0.03 kg二氧化硫、0.015 kg氮氧化物等污染排放，則0.400、0.272、0.997、0.030、0.015為各參數(shù)的節(jié)能效益轉(zhuǎn)換系數(shù)。經(jīng)過轉(zhuǎn)換計算，可得到青島特鋼分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)25年運(yùn)行期內(nèi)的節(jié)能減排效果，具體如表5所示。

表5 本項(xiàng)目25年運(yùn)行期內(nèi)的節(jié)能減排效果Table 5 Effect of energy conservation and emission reduction during the 25-year operation period of the project

4 結(jié)論

本文以青島特鋼在其廠區(qū)屋頂建設(shè)的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)為例，對利用鋼鐵企業(yè)廠區(qū)屋頂建設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的情況進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)介紹。該項(xiàng)目25年運(yùn)行期的理論總發(fā)電量為60909.22萬kWh，理論年均發(fā)電量為2436.37萬kWh，理論年均利用小時數(shù)為1059.29 h。25年運(yùn)行期內(nèi)，項(xiàng)目可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤288352.00 t，減排碳粉塵196079.36 t，減排二氧化碳718717.36 t，減排二氧化硫21626.40 t，減排氮氧化物10813.20 t，節(jié)能減排效果顯著。

青島特鋼屋頂分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目充分利用了廠區(qū)房頂，為鋼鐵企業(yè)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了示范性思路。光伏電力在生產(chǎn)過程中不排放任何有害氣體和固體廢棄物，環(huán)境效益明顯，且具有良好的社會效益和綜合經(jīng)濟(jì)效益，值得大力推廣。