光伏發(fā)電在紡紗企業(yè)的應(yīng)用實(shí)踐

沈橋慶 沈銘婕 卞克玉

（1.常州虹緯紡織有限公司，江蘇常州，213018；2.江蘇理工學(xué)院，江蘇常州，213001；3.常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州，213020）

紡紗企業(yè)生產(chǎn)用電均使用國家電網(wǎng)提供的220 V/380 V、50 Hz 交流電，因生產(chǎn)設(shè)備24 h 連續(xù)運(yùn)行，屬連續(xù)耗電用戶。為適應(yīng)企業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展以及響應(yīng)國家“雙碳”需要，企業(yè)經(jīng)過反復(fù)調(diào)研、論證后利用自有鋸齒形廠房屋頂?shù)冉ㄖ?shí)施屋頂分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，并由國內(nèi)一家大型光伏企業(yè)負(fù)責(zé)投資、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)維，用能企業(yè)付費(fèi)用電，余電上網(wǎng)，太陽能綠電按照優(yōu)惠打折價(jià)（國網(wǎng)電價(jià)的78%）支付給投資方。

1 光伏發(fā)電簡(jiǎn)介

光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，利用太陽能電池將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能。太陽能電池可并網(wǎng)發(fā)電，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池板組件、控制器和逆變器三大部分組成，因主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及精密復(fù)雜的機(jī)械部件以及后期的維護(hù)保養(yǎng)，故光伏發(fā)電設(shè)備簡(jiǎn)潔可靠、安裝維護(hù)簡(jiǎn)便，以下對(duì)利用紡紗廠屋面實(shí)施光伏發(fā)電項(xiàng)目進(jìn)行相關(guān)分析，供同行參考。

1.1 所在區(qū)域太陽能資源分析

江蘇境內(nèi)大部分地區(qū)年太陽總輻射在4 190 MJ/m2~5 016 MJ/m2。太陽總輻射量分布呈現(xiàn)西北多東南少的趨勢(shì)，北部年值高于南部，中部東西橫向年值由邊緣向中間遞減。項(xiàng)目在調(diào) 研 階 段 采 用Meteonorm 8.0 （1991—2000），Sat=53%獲取項(xiàng)目所在地太陽輻射數(shù)據(jù)。項(xiàng)目所在地多年年平均總輻射量為4 580 MJ/m2，通過計(jì)算得出時(shí)數(shù)為1 272 h，根據(jù)GB/T 37526-2019《太陽能資源評(píng)估方法》中太陽能資源豐富程度的分級(jí)評(píng)估方法，該區(qū)域的太陽能資源豐富程度屬C 級(jí)（3 780 MJ/m2~5 040 MJ/m2），具有較高的開發(fā)潛力和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1.2 工程任務(wù)和規(guī)模分析

某企業(yè)的光伏發(fā)電項(xiàng)目地址位于江蘇省常州市境內(nèi)，場(chǎng)地的地形開闊。光伏發(fā)電主要任務(wù)是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)兼顧屋頂隔熱、保溫、防水等其他用途。項(xiàng)目建成后，其電力就近送入相鄰的10 kV 配電站并網(wǎng)使用。

從地區(qū)能源資源來看，項(xiàng)目所在地太陽能資源較穩(wěn)定，較適于進(jìn)行太陽能資源的開發(fā)利用。從地區(qū)新能源規(guī)劃、太陽能資源利用、電力系統(tǒng)供需、項(xiàng)目開發(fā)條件以及屋頂資源占地面積和陣列單元排布等方面綜合分析，項(xiàng)目共安裝10 688 塊550 Wp單晶硅組件，總裝機(jī)容量為5.568 75 MWp，通過太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)及相應(yīng)的配套設(shè)施接入10 kV 電壓等級(jí)的電力系統(tǒng)。

1.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)方案及發(fā)電量分析

通過技術(shù)論證與經(jīng)濟(jì)綜合比較，屋頂發(fā)電所用的光伏組件選用550 Wp 單晶硅光伏組件，電站共安裝10 688 塊電池板。選用300 kW 的組串式逆變器，將逆變器交流側(cè)輸出匯集至新建升壓變后匯入新建10 kV 開關(guān)站再接入用戶側(cè)10 kV 變電站。

光伏電站光伏陣列由光伏組件、光伏陣列支架組成。光伏陣列安裝方式為固定式。根據(jù)本工程屋頂結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際排布、工程經(jīng)驗(yàn)，確定采用BIPV 光伏組件平行屋面鋪設(shè)，如圖1 所示。項(xiàng)目設(shè)計(jì)的首年發(fā)電量約564.69 萬kW·h，年均發(fā)電量528.95 萬kW·h，按照90%的消納比例預(yù)測(cè)25 年累計(jì)發(fā)電量約為11 901.375 萬kW·h［1］。

圖1 光伏組件鋪設(shè)

2 BIPV 光伏組件特點(diǎn)分析

現(xiàn)代化社會(huì)中人們對(duì)舒適環(huán)境的追求越來越高，導(dǎo)致建筑采暖和空調(diào)的能耗日益增長(zhǎng)。在發(fā)達(dá)國家，建筑用能已占全國總能耗的30%~40%，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展形成了一定的推進(jìn)作用［2］。BIPV 即Building Integrated PV 是光伏建筑一體化的簡(jiǎn)稱。PV 即Photovoltaic（光伏）。BIPV 技術(shù)是將太陽能發(fā)電產(chǎn)品集成到建筑上的技術(shù)，如圖2 所示。

圖2 BIPV

從結(jié)構(gòu)原理分析，BIPV 具有雙層中空玻璃的特點(diǎn)，具有良好的保溫性能，這個(gè)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于屋面的建筑混凝土+空氣+玻璃，最外面是玻璃組合體，即玻璃+EVA（封裝膠膜）+電池片+EVA+TPT。單層玻璃作為一種常見的建筑材料，其熱傳導(dǎo)系數(shù)通常在0.8 W/（m2·K）~1.5 W/（m2·K）；雙層夾空玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)通常為0.3 W/（m2·K）~0.5 W/（m2·K）；干 燥 的 磚 墻 導(dǎo) 熱 系 數(shù)0.39 W/（m2·K）~0.42 W/（m2·K），濕 磚 在1.0 W/（m2·K）~1.4 W/（m2·K），可 見 雙 層 夾空玻璃具有良好的隔熱和保溫性能。

光伏背板材質(zhì)一般采用聚氟乙烯復(fù)合膜TPT（耐腐蝕，耐紫外，力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性好），或采用一種熱塑性彈性體材料用TPE（強(qiáng)度高，回彈性高，可注塑加工，應(yīng)用范圍廣泛，環(huán)保無毒安全，觸感柔軟，耐候性、抗疲勞性和耐溫性好，加工性能優(yōu)越，無須硫化，可以循環(huán)使用降低成本）。背板起到保護(hù)電池片的作用，背板應(yīng)密封、絕緣、防水、耐老化。一般光伏背板的壽命和玻璃、鋁邊框相當(dāng)，壽命能達(dá)到25 年。

把太陽能轉(zhuǎn)換為電能過程和傳統(tǒng)的屋面的陽光轉(zhuǎn)換成熱的過程相類似，安裝太陽能的屋頂夏天可以有效降低室內(nèi)溫度；同時(shí)因光伏組件發(fā)電過程本身工作溫度達(dá)到20 ℃以上，屋面光伏組件在冬季亦有一定的保溫作用，具有加速融冰雪的能力，有利于保護(hù)建筑物并延長(zhǎng)使用壽命。

3 紡織企業(yè)及建筑屋頂特征和分析

光伏發(fā)電項(xiàng)目位于江蘇常州境內(nèi)，涉及使用建筑的屋面為廠區(qū)內(nèi)適合安裝光伏組件的混凝土屋頂和鋸齒形廠房屋頂，其中，鋸齒形屋頂?shù)臋C(jī)制瓦（俗稱“洋瓦”、“琉璃瓦”）屋頂屬于20 世紀(jì)70年代后期建造，經(jīng)勘察均適宜安裝光伏系統(tǒng)。各種類型的屋面合計(jì)有4 萬m2。

在鋼筋混凝土平頂或人字形坡頂?shù)奈菝娣笤O(shè)光伏組件，采用成熟的光伏支架安裝方式，即在屋面用專用鋁合金材質(zhì)光伏支架為支撐，支架下端固定在屋面，上部安裝光伏組件，中間的架空隔層可以通風(fēng)和隔熱、保溫，光伏支架的設(shè)計(jì)使用年限為25 年，安全等級(jí)為三級(jí)，重要性系數(shù)不小于0.95?？紤]臺(tái)風(fēng)因素，采用50 年一遇風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值0.45 kN/m2進(jìn)行設(shè)計(jì)。

因部分建筑為20 世紀(jì)70 年代的鋸齒形廠房，采光窗朝北向，該型屋面采用機(jī)制瓦、油毛氈作為屋面防水和保溫材料，油毛氈下方的弓形隔熱保溫層為原鋼筋混凝土預(yù)制結(jié)構(gòu)件，屋頂承重架構(gòu)為木梁和水泥梁組合的桁架結(jié)構(gòu)，鋸齒形廠房屋面總面積2.5 萬m2，需要采用相對(duì)特殊的方式安裝鋁合金材質(zhì)的光伏組件支架后敷設(shè)光伏組件，如圖3 所示，即在BIPV 光伏組件下方用鋁合金支架支撐并承重，并用BIPV 光伏組件替代部分機(jī)制瓦覆蓋。由于BIPV 單位面積質(zhì)量小于原有的機(jī)制瓦，在屋面敷設(shè)光伏組件后，承載負(fù)荷減少，可提高屋面的穩(wěn)定性、安全性，屋面的保溫、隔熱性能均可以得到有效保證，并延長(zhǎng)所在鋸齒形建筑物的使用壽命。BIPV 光伏組件下方另鋪設(shè)鋁合金排水槽，可有效引流BIPV 光伏組件的雨水，確保無雨水進(jìn)入室內(nèi)。這樣的屋面結(jié)構(gòu)可確保屋頂?shù)谋睾头浪?，也可以確保在臺(tái)風(fēng)來 臨時(shí)建筑物構(gòu)造的安全，延長(zhǎng)建筑物的使用壽命。

圖3 敷設(shè)光伏組件的雙排支架側(cè)視圖

4 光伏組件陣列的運(yùn)行方式特點(diǎn)

4.1 光伏組件方陣要求

國內(nèi)屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)普遍采用固定傾角陣列發(fā)電方式。增加自動(dòng)跟蹤裝置雖增加了發(fā)電量，但會(huì)增加占地面積，更適合于荒漠區(qū)大型并網(wǎng)光伏電站。根據(jù)已建工程調(diào)研數(shù)據(jù)，若采用斜單軸跟蹤方式，系統(tǒng)實(shí)際發(fā)電量可提高約18%，直接投資增加14%；若采用雙軸跟蹤方式，系統(tǒng)實(shí)際發(fā)電量可提高約25%，直接投資增加22%。此外，固定式支架系統(tǒng)多點(diǎn)支撐，基本免維護(hù)；自動(dòng)跟蹤式初始投資較高，需要一定的維護(hù)，且布置分散清洗量較大。因項(xiàng)目安裝環(huán)境為廠區(qū)內(nèi)的建筑物屋面，自動(dòng)跟蹤式雖能增加一定的發(fā)電量，但目前初始投資相對(duì)較高，后期運(yùn)行過程中又需要一定的維護(hù)，運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較高［3］，電池陣列的同步性也對(duì)機(jī)電控制的機(jī)械傳動(dòng)構(gòu)建要求較高。結(jié)合屋面安裝運(yùn)行條件，項(xiàng)目選用固定式運(yùn)行方式。

4.2 光伏組件表面的日常清潔措施

因安裝在屋面的光伏組件離地均超過2 m 以上，屬于高空作業(yè)，為了方便光伏組件陽光照射面表面的日常清潔，尤其是鋸齒形廠房屋頂光伏組件的清潔，也為了確保作業(yè)人員的安全，在設(shè)計(jì)時(shí)將水管引上屋面光伏組件的最高點(diǎn)，采用增壓泵加壓定時(shí)自動(dòng)噴水沖洗的方式。由于噴水口位于光伏組件的最高點(diǎn)位置，可利用噴水口的出水壓力和連續(xù)的水流，非常快捷、方便地清洗光伏組件表面，不需要人工作業(yè)就可確保光伏組件的清潔，最大效率接受陽光照射。為防止光伏組件因清洗水流和人影造成的陰影導(dǎo)致發(fā)電量損失，清洗選擇在早上日出前、晚上日落后進(jìn)行較為合理。

5 光伏發(fā)電用組串式逆變器的作用和特點(diǎn)

逆變器是把太陽能產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)變成交流電（一般為220 V，50 Hz 正弦波），由逆變橋、控制電路組成，是光伏發(fā)電的關(guān)鍵性部件。項(xiàng)目采用了組串式逆變器。組串式逆變器小巧輕便，易于安裝，具有高度靈活性，可做成單組串接入，也可多個(gè)組串接入逆變器的不同MPPT（太陽能最大功率點(diǎn)跟蹤控制器）通道中，確保每一光伏組串都具有最大功率輸出。組串型逆變器各MPPT 回路不受組串間模塊差異和遮影的影響，同時(shí)減少光伏組件最佳工作點(diǎn)與逆變器不匹配的缺陷，可以更好地跟蹤太陽能組串的最大功率，增加了發(fā)電量。

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的直流系統(tǒng)是指太陽電池組件、逆變器輸入直流側(cè)所構(gòu)成的部分。直流發(fā)電系統(tǒng)中，太陽電池組件串聯(lián)數(shù)量為26 塊（10 kV并網(wǎng)系統(tǒng)）。項(xiàng)目采用組串式逆變器，每26 塊組件為一串，每臺(tái)接入13 串~18 串，25 臺(tái)196 kW 逆變器，并入變壓器低壓側(cè)，逆變成交流電通過升壓變壓到10 kV，接入廠區(qū)內(nèi)部10 kV 中壓側(cè)并網(wǎng)。

6 項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益分析

項(xiàng)目總裝機(jī)容量5.8 MWp，占用屋面總面積4 萬m2，安裝10 688 塊光伏組件，屋面的隔熱保溫、防雨等收到良好效果，且不占用企業(yè)寶貴的土地面積，每年可減少二氧化碳排放1 528.43 t。采用發(fā)電自用余電上網(wǎng)的結(jié)算方式，預(yù)計(jì)年節(jié)省電費(fèi)87.58 萬元，暫按90%的消納比例，25 年節(jié)省電費(fèi)1 970.55 萬元，根據(jù)測(cè)算，投資方在12 年內(nèi)可以收回光伏發(fā)電項(xiàng)目全部費(fèi)用。

光伏發(fā)電對(duì)環(huán)境無污染，發(fā)電過程中無溫室氣體排放，是太陽能光伏發(fā)電的巨大優(yōu)勢(shì)，光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行后，真正實(shí)現(xiàn)零排放。按光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行25 年計(jì)算，項(xiàng)目光伏發(fā)電系統(tǒng)理論累計(jì)發(fā)電量可達(dá)12 631.61 萬kW·h，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤38 210.63 t，相當(dāng)于減少二氧化碳溫室氣體的排放106 610.81 t、減少二氧化硫排量783.16 t、減少粉塵排量7.58 t、減少氮氧化合物排放265.26 t。

由于光伏發(fā)電項(xiàng)目剛剛實(shí)施，使用時(shí)間不長(zhǎng)，有關(guān)的經(jīng)濟(jì)效益還有待于長(zhǎng)期觀察、測(cè)算后才能得出較為全面的結(jié)論。另外，由于光伏發(fā)電組件表面在遇到大雪、冰雹等極端氣候后會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)電效率和安全，因此安全、有效、可靠的除雪等預(yù)防措施需要在使用過程中不斷摸索后尋找最佳的應(yīng)對(duì)措施。

7 結(jié)束語

在紡織企業(yè)原有廠房屋面使用光伏發(fā)電，不占用寶貴的土地面積，尤其是利用原有的鋸齒形建筑物屋面敷設(shè)新型光伏組件，可實(shí)現(xiàn)屋面的保溫、隔熱、防雨水滲漏，延長(zhǎng)屋面使用壽命，并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，有利于提升企業(yè)形象和體現(xiàn)社會(huì)責(zé)任。積極開發(fā)并利用可再生能源，替代部分煤電，實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)，既可部分減輕能源外購壓力，又能夠改善能源結(jié)構(gòu)和走能源可再生發(fā)展道路，十分必要。尤其是對(duì)于紡紗企業(yè)使用的鋸齒形屋面發(fā)電有著非常積極的推廣價(jià)值。由于屋面敷設(shè)光伏發(fā)電組件還要考慮屋面及建筑物承重、項(xiàng)目所在地的臺(tái)風(fēng)、冰雹、降雪等極端氣候情況，建議在設(shè)計(jì)時(shí)參考近50 年的地方氣象記錄，以確保項(xiàng)目的安全、可靠運(yùn)行。