分布式光伏發(fā)電在現(xiàn)代水廠的應(yīng)用分析

【關(guān)鍵詞】分布式；光伏發(fā)電；水廠

前言

針對(duì)大型自來(lái)水廠具有較大的空閑空間和較高的電力負(fù)荷，以及持續(xù)不停的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)需求，將分布式光伏發(fā)電應(yīng)用于自來(lái)水廠，能夠滿足我國(guó)節(jié)能減排的要求，減少自來(lái)水廠用電能耗。將分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目與水廠現(xiàn)有建筑物有機(jī)地融合在一起，在水廠建筑空閑屋頂或水池上部結(jié)構(gòu)上搭建光伏發(fā)電組件，無(wú)論是在項(xiàng)目結(jié)構(gòu)還是在經(jīng)濟(jì)收益方面，都具有較高可行性。

一、分布式光伏發(fā)電在現(xiàn)代水廠的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

為適應(yīng)特定客戶用電需求、保障已有配電網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)性，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)一般在多個(gè)位置同時(shí)接入配電網(wǎng)絡(luò)。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要集中在廠區(qū)、公共建筑表面、戶用屋頂和其他零散空地上。一種是“全額上網(wǎng)”的方式，即把所有的光伏發(fā)電的電量都轉(zhuǎn)移到電網(wǎng)[1]。一種是“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”模式，這種模式是將光伏發(fā)電的電能供給客戶負(fù)荷，剩余的電能通過(guò)兩路智能電表送往電網(wǎng)。分布式光伏并網(wǎng)是一種獨(dú)立的發(fā)電模式，對(duì)電網(wǎng)的依賴性較小，可以減小對(duì)電網(wǎng)的破壞，減小電網(wǎng)損耗。此外，將分布式光伏接入到建筑表層、屋面等處，可實(shí)現(xiàn)一地多用，可有效減小光伏系統(tǒng)空間，是未來(lái)大規(guī)模光伏發(fā)電的一種重要應(yīng)用方式。分布式光伏發(fā)電接入系統(tǒng)如圖1所示。

在現(xiàn)代水廠中應(yīng)用分布式光伏發(fā)電，可以充分利用水廠已有建筑的房頂及池面，在房頂及池面上安裝太陽(yáng)能電池板，使水廠空間得到有效利用。其次，在屋頂設(shè)置太陽(yáng)能電池板，可以對(duì)屋頂進(jìn)行有效防護(hù)。將光伏組件裝在水池上，可以遮擋陽(yáng)光，并從而有效抑制池塘中藻類生長(zhǎng)。

二、分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目設(shè)計(jì)

（一）項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于湖南省長(zhǎng)沙某自來(lái)水廠內(nèi)，建設(shè)安裝區(qū)域?yàn)榛旌戏磻?yīng)及沉淀池、濾池，該池為露天水池，池與池間有混凝土結(jié)構(gòu)墻隔斷，組件安裝解決方案為采用柔性支架方案，廠區(qū)目前配置有2臺(tái)500kVA、2臺(tái)630kVA變壓器，因本期光伏建設(shè)容量為3662.82kWp，逆變器容量為70*1+125*21=2695kW，大于廠區(qū)變壓器總?cè)萘康?0%，故新增2臺(tái)箱式升壓變壓器1250*1+1600*1=2850kVA，并網(wǎng)電壓等級(jí)為10kV高壓接入，采用自發(fā)自用，余電上網(wǎng)模式[2]。

（二）光伏發(fā)電系統(tǒng)

根據(jù)有無(wú)接入電網(wǎng)，將光伏發(fā)電系統(tǒng)分為離網(wǎng)式和并網(wǎng)式兩種。針對(duì)大規(guī)模離網(wǎng)光伏電站需要配置多個(gè)電池組的特點(diǎn)，本項(xiàng)目將根據(jù)水廠的占地面積、實(shí)際需求容量以及投資估算等因素，確定采用自發(fā)自用分布式光伏并網(wǎng)方式。利用水廠已有建筑以及其他構(gòu)筑物與分布式光伏工程相結(jié)合，選定為3662.82kWp發(fā)電工程，在原有建筑的屋頂斜坡上鋪設(shè)光伏板。單個(gè)光伏板重量通常在20kg左右，太陽(yáng)能電池板自身的均布荷載提高到0.12 kN/m2，預(yù)計(jì)其附加荷載在0.08kN/m2左右[3]。

（三）光伏列陣的方位角和傾角選擇

組件面向陽(yáng)端的夾角對(duì)光伏發(fā)電能力有直接影響，某市組件最佳傾角是33°，因?yàn)榇髢A角會(huì)產(chǎn)生巨大負(fù)風(fēng)壓，所以需要增加更多支撐重量。從結(jié)構(gòu)安全性角度出發(fā)，混凝土屋蓋在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度允許時(shí)，可適當(dāng)考慮其翹起角，通常不大于15°。斜坡屋頂自身朝南，可以直接將屋頂傾斜成一個(gè)角。由于該建筑主要結(jié)構(gòu)是磚砌體，并且由于年代久遠(yuǎn)，屋頂不適合再增加新的荷載，所以該工程的所有屋面構(gòu)件都按0度傾斜布置。沉淀池、絮凝池與砂濾池上方以斜拉索方式架空安裝光伏組件，按13°傾斜布置。

（三）逆變器選型

串并聯(lián)并網(wǎng)逆變器具有容量小、分布式控制架構(gòu)靈活、安裝和維修方便等優(yōu)點(diǎn)，適合分布式并網(wǎng)系統(tǒng)。每個(gè)光伏組件串之間的逆變電源為冗余，互不干擾，具有較高的可靠性。由于該工程中各個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的屋面、地面及池面都是分布式的，對(duì)系統(tǒng)的可維護(hù)性和可靠性的要求更高，所以選擇組串式并網(wǎng)型光伏逆變器1臺(tái)70kW逆變器、21 臺(tái)125kW逆變器，合計(jì)容量2695kW。

（五）光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)

本工程采用單點(diǎn)10kV電壓等級(jí)并網(wǎng)，10kV并網(wǎng)方式如圖2所示[4]。并網(wǎng)光伏系統(tǒng)中所使用的主要設(shè)備、材料包括光伏組件、逆變器、箱變、開(kāi)關(guān)站、二次設(shè)備、并網(wǎng)柜、光伏組件支架、交直流電力電纜、電纜橋架等。利用太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，解決了自來(lái)水廠用電負(fù)荷問(wèn)題，同時(shí)利用光伏組件和自來(lái)水廠用電設(shè)備，提高了供水系統(tǒng)的使用壽命。該光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)自來(lái)水廠設(shè)備沒(méi)有任何危害，具有較高可靠性與安全性。

（六）系統(tǒng)防雷接地設(shè)計(jì)

為確保該項(xiàng)目中的光伏發(fā)電裝置的安全性和可靠性，避免因雷電和工頻過(guò)電壓等外部原因造成的設(shè)備損傷，需要對(duì)其進(jìn)行合理的防雷接地設(shè)計(jì)。將光伏電站逆變器接入到建筑物內(nèi)部，通過(guò)建筑物屋面設(shè)置閃爍區(qū)來(lái)進(jìn)行直接雷擊保護(hù)，將自來(lái)水廠結(jié)構(gòu)的天然接地設(shè)備和太陽(yáng)能電池板形成一個(gè)綜合接地網(wǎng)絡(luò)。對(duì)光電系統(tǒng)中的保護(hù)接地與工作接地共用一套接地設(shè)備，接地電阻不得超過(guò)4歐。將太陽(yáng)能蓄電池組的金屬框架與支承框架牢固相連，并與接地網(wǎng)相連，構(gòu)成一個(gè)完整的接地通道。除了要做好防雷接地系統(tǒng)連接，還要在室內(nèi)高壓配電設(shè)備的進(jìn)、出線上加裝無(wú)間隙氧化鋅避雷器，并在各個(gè)匯流箱、直流柜上加裝防雷組件，以避免雷電侵襲和工作過(guò)電壓。

（七）光伏并網(wǎng)接口設(shè)計(jì)

作為光伏逆變器和電網(wǎng)之間的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)，光伏并網(wǎng)接口設(shè)備將三相光伏電站作為保護(hù)監(jiān)測(cè)的目標(biāo)，能夠?qū)Ψ植际诫娫吹牟Ⅻc(diǎn)遙信、遙測(cè)和遙控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，從而達(dá)到了對(duì)分布式電源的全面監(jiān)測(cè)，保護(hù)開(kāi)斷的功能作用[5]。并網(wǎng)接口設(shè)備功能主要包括以下幾點(diǎn)：

（1）并網(wǎng)點(diǎn)開(kāi)斷功能：能清楚地顯示分?jǐn)喙收想娏鳎惺禾l閉鎖和有壓合閘檢測(cè)功能。

（2）測(cè)量功能：預(yù)先設(shè)置電表的地點(diǎn)，并可以設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)電表，對(duì)電能進(jìn)行測(cè)量。

（3）交流匯流功能：具有交流匯流功能，可滿足串聯(lián)型逆變電源接入要求；支持多路交流輸入，各輸入端分別獨(dú)立切換，單路輸入故障可與其他回路隔離，且不會(huì)影響其他線路的并網(wǎng)。

（4）測(cè)控功能：采集線路的電壓、電流和電量，并在現(xiàn)場(chǎng) LCD上顯示，并能接收電網(wǎng)調(diào)度命令上載的遙測(cè)數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)利用光電耦合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)開(kāi)關(guān)位置、開(kāi)關(guān)跳閘和分布式電源逆變報(bào)警等功能的采集。按照通信協(xié)議，接收電網(wǎng)調(diào)度部門的命令，對(duì)分布式能源進(jìn)行投退和離網(wǎng)控制。

（5）保護(hù)功能：包括欠壓保護(hù)，過(guò)壓保護(hù)，失壓閉鎖，低頻保護(hù)，短路保護(hù)等。同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)缺電時(shí)，控制裝置要進(jìn)行分閘，當(dāng)供電系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)，則能實(shí)現(xiàn)對(duì)有壓合閘的自動(dòng)檢測(cè)；在監(jiān)測(cè)到分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)處于孤島狀態(tài)的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)切換的功能。

三、分布式光伏發(fā)電在現(xiàn)代水廠的應(yīng)用效益分析

（一）發(fā)電量預(yù)測(cè)與節(jié)能計(jì)算

本項(xiàng)目光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量為3662.82kW，2023年實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)如表2所示，全年光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量約為346.3萬(wàn)kW·h。光伏發(fā)電模式屬于清潔能源，不僅不會(huì)消耗現(xiàn)有煤炭能源，而且還不會(huì)生成二氧化碳，也不會(huì)生成二氧化硫、氮氧化物和灰塵等造成污染的物質(zhì)。結(jié)合系統(tǒng)效率與太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，計(jì)算每月發(fā)電量，如表2所示。該方案的整體效率達(dá)到了80%。

本項(xiàng)目第一年系統(tǒng)總效率為80%，隨后由于光伏組件實(shí)際功率的衰減，系統(tǒng)總效率會(huì)逐年下降。本項(xiàng)目擬采用單晶硅光伏組件，功率首年衰減2.0%，后續(xù)線性年衰減0.55%，25 年共衰減 15.20%?？蓽y(cè)算出25年累計(jì)發(fā)電量為8074.38萬(wàn)kW·h，平均每年發(fā)電量為322.98萬(wàn)kW·h。

（二）經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益

所有的發(fā)電效益都自發(fā)自用，用來(lái)滿足自來(lái)水廠的日常生產(chǎn)和生活用電。從光伏25年平均年發(fā)電量來(lái)看，平均每年節(jié)省電量322.98萬(wàn)kW·h，按全年自來(lái)水廠平均電度電價(jià)0.7元/kW·h計(jì)算，可節(jié)省約226.086萬(wàn)元電費(fèi)。該項(xiàng)目的總投資額為1836.66萬(wàn)元，預(yù)期可在8年內(nèi)收回本。從光伏工程的實(shí)際發(fā)電量來(lái)看，該裝置在其壽命內(nèi)25年的預(yù)計(jì)盈利將在5652.15萬(wàn)元左右，投資收益率為307.74%。光伏發(fā)電工程在為自來(lái)水廠帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)在環(huán)境方面也有良好的效益。本工程多年平均發(fā)電量322.98萬(wàn)kW·h，按照火電標(biāo)準(zhǔn)煤?jiǎn)魏?06.4g/kW·h計(jì)算，可以代替989.60t標(biāo)準(zhǔn)煤，減少CO2排放量2706.53 t，SO2排放量0.60t，NxOy 排放量0.63t，煙塵排放量0.12 t，有效降低有害物質(zhì)排放量，具有良好的環(huán)境效益。

結(jié)論

本分布式光伏發(fā)電方案發(fā)揮了水廠較大空閑空間的優(yōu)勢(shì)，最終建成的發(fā)電系統(tǒng)效率達(dá)到80%，投資收益率為307.74%，在創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，能有效降低池面光照強(qiáng)度抑制藻類滋生降低藥耗，還能夠減少碳排放量以及其他有害物質(zhì)排放量。從節(jié)能減排和提高經(jīng)濟(jì)收益方面來(lái)看，該項(xiàng)目方案的實(shí)施不僅具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，還具有較高社會(huì)效應(yīng)，而且在技術(shù)上是可行的，因此可在其他水廠中推廣應(yīng)用。

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