水泥廠車(chē)間屋頂光伏系統(tǒng)

潘超

我國(guó)能源緊缺已成為制約國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要因素，水泥工業(yè)是我國(guó)各工業(yè)部門(mén)中的耗能大戶(hù)，占全國(guó)總能耗的5%～8%，因此解決好水泥廠的能源供給至關(guān)重要。太陽(yáng)能是一種清潔、可再生能源，太陽(yáng)能光伏發(fā)電實(shí)現(xiàn)了直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，既不釋放污染物，也不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體，破壞大氣環(huán)境，因此利用光伏發(fā)電具有良好的環(huán)保和節(jié)能效果。利用水泥廠各車(chē)間廠房屋頂建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，既可節(jié)省建設(shè)光伏電站需要的大面積土地，又可為廠區(qū)提供大量的電能，還可減少火電供能過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳、二氧化硫等大氣污染物，非常具有開(kāi)發(fā)價(jià)值。

1 光伏系統(tǒng)的形式

光伏發(fā)電系統(tǒng)一般有離網(wǎng)光伏系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏系統(tǒng)兩種形式。離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)常用于邊遠(yuǎn)地區(qū)的村莊供電、微波中繼站電源、太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)等獨(dú)立電源場(chǎng)合，一般配有蓄電池，以保證供電的連續(xù)性。不可調(diào)度式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)是指可并網(wǎng)運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)，不經(jīng)過(guò)蓄電池儲(chǔ)能，通過(guò)并網(wǎng)逆變器直接反向饋入電網(wǎng)。因?yàn)橹苯訉㈦娔茌斎腚娋W(wǎng)，免除配置蓄電池，省掉了蓄電池儲(chǔ)能和釋放的過(guò)程，可以充分利用太陽(yáng)能所發(fā)出的電力，減小能量損耗，降低系統(tǒng)成本。同時(shí)，根據(jù)是否允許向公用電網(wǎng)逆向發(fā)電來(lái)劃分，可分為可逆流并網(wǎng)系統(tǒng)和不可逆流并網(wǎng)系統(tǒng)。

對(duì)可逆流并網(wǎng)系統(tǒng)，光伏系統(tǒng)總?cè)萘吭瓌t上不宜超過(guò)上一級(jí)變壓器供電區(qū)域的最大負(fù)荷的25%，并需要將原有的計(jì)量系統(tǒng)改裝為雙向表，以便發(fā)電、用電都能計(jì)量；不可逆流發(fā)電系統(tǒng)，光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能只給本地負(fù)荷供電，多余的電需通過(guò)防逆流裝置控制逆變器的發(fā)電功能，不允許通過(guò)配電變壓器向公用電網(wǎng)饋電。本設(shè)計(jì)采用不可逆流的并網(wǎng)光伏發(fā)電方式，如圖1所示。

2 光伏系統(tǒng)的組成及設(shè)計(jì)方案

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)通常由光伏組件、防雷系統(tǒng)、直流配電柜、光伏逆變器、交流配電柜、并網(wǎng)升壓變壓器等組成。本系統(tǒng)中將光伏組件平鋪于車(chē)間屋頂上，合理布置形成光伏陣列，將光伏組件進(jìn)行合理串并聯(lián)后，接入防雷匯流箱，后接至配電房直流配電柜，直流電纜通過(guò)廠房北側(cè)墻引下至廠區(qū)原有電纜溝。本系統(tǒng)對(duì)上海某水泥廠混合材及石膏堆場(chǎng)車(chē)間進(jìn)行設(shè)計(jì)，整個(gè)光伏方陣經(jīng)過(guò)并網(wǎng)逆變器逆變后通過(guò)0.27/10kV升壓變壓器升壓至10kV，經(jīng)10kV 匯集后擬采用分散式并網(wǎng)方式并網(wǎng)，每個(gè)部分的均一回10kV線路接入廠區(qū)變電站的10kV側(cè)。

圖1 不可逆流并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

表1 太陽(yáng)能電池分類(lèi)匯總表

表2 太陽(yáng)能電池參數(shù)表

3 太陽(yáng)能電池組件的選型

太陽(yáng)電池組件是由高效晶體硅太陽(yáng)能電池片、超白布紋鋼化玻璃、EVA（光伏電池封裝膠膜）、透明TPT背板以及鋁合金邊框組成。太陽(yáng)能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管。當(dāng)太陽(yáng)光照到光電二極管上時(shí)，光電二極管就會(huì)把太陽(yáng)的光能變成電能，產(chǎn)生電流。商用太陽(yáng)能電池主要有以下幾種類(lèi)型：?jiǎn)尉Ч杼?yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池、非晶硅太陽(yáng)能電池、碲化鎘電池、銅銦硒電池等。上述各類(lèi)型電池主要性能如表1所示。

非晶硅薄膜太陽(yáng)電池由于穩(wěn)定性較差、光電轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較低、使用壽命相對(duì)較短的原因，在兆瓦級(jí)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的應(yīng)用受到一定的限制。光伏電站太陽(yáng)能電池種類(lèi)應(yīng)選用技術(shù)成熟、轉(zhuǎn)化效率較高、已規(guī)?；a(chǎn)的且在國(guó)內(nèi)有工程應(yīng)用實(shí)例的太陽(yáng)能電池組件作為光電轉(zhuǎn)換的核心器件。但單晶硅組件的價(jià)格比多晶硅組件的價(jià)格高10%左右，且兩種電池組件的電性能、壽命等重要指標(biāo)相差不大，執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)也相同。因此，本工程選用多晶硅類(lèi)太陽(yáng)能電池。

本系統(tǒng)采用275W 多晶硅電池組件，電池組件均固定安裝在屋頂上。

4 光伏陣列設(shè)計(jì)

（1）組件安裝方式

電池組件均沿建筑物走勢(shì)平鋪在彩鋼瓦屋頂上，最大限度地利用有限的屋頂面積。采用專(zhuān)用夾具夾住彩鋼瓦角馳，上面鋪鋁合金橫梁，用壓塊將組件與橫梁連接，組件自帶光伏電纜、直流電纜，可以沿橫梁敷設(shè)。此布置與安裝支架固定組件的方式相比，節(jié)省了支架的制作和安裝成本，縮短了工期，同時(shí)可最大化地利用有限的屋頂使用面積（每?jī)纱M件為一組，每組組件間距為500mm，安裝支架的組件每組之間間隔在2m左右），但由于沒(méi)有使組件處于最佳傾角，降低了方陣的發(fā)電效率（如圖2所示）。

（2）逆變器選型

系統(tǒng)容量為8.1081MWp，從工程運(yùn)行及維護(hù)考慮，若選用單臺(tái)容量大的逆變?cè)O(shè)備，則設(shè)備數(shù)量較少，配電間布置適宜，和小容量的逆變?cè)O(shè)備相比，可在一定程度上降低總投資。因此，本工程選用國(guó)內(nèi)常見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)型的500kW 逆變器。逆變器各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

圖2 組件安裝方式

表3 500kW逆變器主要技術(shù)參數(shù)

表4 上海各月平均太陽(yáng)總輻射量

（3）組件陣列布置

并網(wǎng)逆變器直流工作電壓范圍為500～820V?？紤]到光伏組件電壓-溫度變化特性，25℃工作電壓為36.7V，逆變器最佳工作電壓為550～690V。太陽(yáng)能光伏組件串聯(lián)的組件數(shù) 量Ns=（550～690）/36.7≈15～18。若光伏組件串聯(lián)數(shù)量為18 塊，當(dāng)工作溫度為25℃時(shí)，光伏組件串最高開(kāi)路電壓分別為799.2V，超出逆變器最佳直流工作范圍；若光伏組件串聯(lián)數(shù)量為16 塊，光伏組件串最高開(kāi)路電壓為710.4V，未超出逆變器直流工作范圍；當(dāng)光伏組件串聯(lián)數(shù)量為單數(shù)時(shí)不利于接線，故不考慮選用15 塊、17 塊串聯(lián)。因此選用16 塊光伏組件串聯(lián)是合適的。單列串聯(lián)功率P=16×275W=4400W。

本工程項(xiàng)目建設(shè)所選用的建筑為水泥生產(chǎn)線的廠區(qū)石灰石預(yù)均化堆場(chǎng)，砂巖、鋼渣、粉煤灰堆場(chǎng)，煤預(yù)均化堆場(chǎng)，混合材及石膏堆場(chǎng)4棟廠房建筑屋面，屋面成圓拱形，展開(kāi)面積約為113701m2，無(wú)雜物設(shè)備堆積存放。其中光伏方陣安裝面積65617.165m2，太陽(yáng)電池組件有效利用面積57472.572m2。

光伏陣列由多晶硅光伏組件組成，共計(jì)29484 塊電池板，分成陣列，每個(gè)廠房屋面均以每16 塊組件串聯(lián)組成一個(gè)串組，10 或13 個(gè)串組進(jìn)匯流箱（其中石灰石預(yù)均化堆場(chǎng)屋頂48個(gè)，砂巖、鋼渣、粉煤灰屋頂24個(gè)，煤預(yù)均化堆場(chǎng)屋頂36 個(gè)，混合材及石膏堆場(chǎng)37個(gè)），后接至配電房直流配電柜，直流電纜通過(guò)廠房北側(cè)墻引下至廠區(qū)原有電纜溝，經(jīng)電纜溝引至新建于廠房之間的配電房。在配電房經(jīng)過(guò)500kW 并網(wǎng)逆變器逆變后通過(guò)0.27/10kV 升壓變壓器升壓至10kV。

5 理論發(fā)電量

（1）光伏陣列效率η1

組件匹配損失：對(duì)于精心設(shè)計(jì)、精心施工的系統(tǒng)，約有4%的損失。

太陽(yáng)輻射損失：包括組件表面塵埃遮擋及不可利用的低、弱太陽(yáng)輻射損失，取值5%。

偏離最大功率點(diǎn)損失：如溫度的影響、最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）精度等，取值4%。

直流線路損失：按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，應(yīng)小于3%。

（2）逆變器的轉(zhuǎn)換效率η2

逆變器輸出的交流電功率與直流輸入功率之比，逆變器轉(zhuǎn)換效率可取η2=97%。

（3）其他因素折減η3

除上述各因素外，影響光伏電站發(fā)電量的還包括不可利用的太陽(yáng)輻射損失及電網(wǎng)吸納等其他不確定因素，相應(yīng)的折減修正系數(shù)取為96%。

系統(tǒng)的總效率等于上述各部分效率的乘積：

綜上所述，在未考慮電站設(shè)備元器件老化導(dǎo)致的效率衰減情況下，本太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)總效率為79.1%。

由表4 可知，上海年峰值日照小時(shí)數(shù)為1391.71h，由于給出的電池板平鋪在大棚頂部，沒(méi)有在最佳照射角度，故按80%效率計(jì)算，考慮年峰值日照小時(shí)數(shù)為1113.4h，每日的峰值日照小時(shí)數(shù)為3.048 h。

年理論發(fā)電量=峰值日照小時(shí)數(shù)×電站總規(guī)?！料到y(tǒng)的總效率≈714萬(wàn)kWh。光伏系統(tǒng)按25 年運(yùn)營(yíng)期考慮，隨著運(yùn)營(yíng)年限的增加，由于站內(nèi)元器件設(shè)備老化導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低，損耗加大，最終致使電站發(fā)電量減少，本階段根據(jù)設(shè)備廠家調(diào)研成果，綜合分析后按光伏發(fā)電系統(tǒng)25 年運(yùn)行期內(nèi)的電能輸出衰減幅度為每年-0.8%考慮。本系統(tǒng)25年理論發(fā)電量為16238.84 萬(wàn)kWh，年均發(fā)電量為649.5萬(wàn)kWh。

6 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能發(fā)電有著廣泛的發(fā)展前景，太陽(yáng)輻射地球表面的能量約為17 萬(wàn)億千瓦，相當(dāng)于目前全世界一年能源總消耗量的3.5 萬(wàn)倍。同時(shí)，光伏系統(tǒng)發(fā)電對(duì)于當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境保護(hù)、減少大氣污染具有積極的作用。

本系統(tǒng)預(yù)計(jì)每年可為電網(wǎng)提供電量649.5 萬(wàn)kWh，與相同發(fā)電量的火電相比，相當(dāng)于每年可節(jié)約標(biāo)煤1919.3006t（與先進(jìn)燃煤機(jī)組相比，按供電標(biāo)煤煤耗為302g/kWh 計(jì)），相應(yīng)每年可減少多種大氣污染物的排放，其中減少CO2排放量約5421.0709t、減少SO2排放量約46.39369t、NOx9.53295t、粉 塵680.017t、灰 渣808.39416t。由此可見(jiàn)，合理利用水泥廠車(chē)間的閑置屋頂有實(shí)際的開(kāi)發(fā)價(jià)值。

[1]李寧峰,于國(guó)才.屋頂太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].江蘇電機(jī)工程，2012，31（3）：43-45.

[2]馮垛生.太陽(yáng)能發(fā)電原理與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2007，7.

[3]沈輝,曾祖勤.太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2005,9.