安科瑞 劉邁

摘要：主要對工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用進(jìn)行研究，為工業(yè)廠區(qū)能源供應(yīng)提供一種全新的解決思路和技術(shù)支持。介紹了工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)及其優(yōu)勢，分析了工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，通過對工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)應(yīng)用案例的研究，對電力消納、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了詳細(xì)論述，*后對未來的廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)給出了建議。

關(guān)鍵詞：工業(yè)廠區(qū)屋頂；分布式光伏；可再生能源

0引言

在七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上鄭重宣布：“中國將提高自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。”這既是中國推動(dòng)構(gòu)建人類命運(yùn)共同體的重大舉措，也是負(fù)責(zé)任大國的莊嚴(yán)承諾。分布式光伏作為光伏發(fā)電的一種重要方式，由于其低維護(hù)成本和廣泛應(yīng)用場景，已成為實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型和碳中和目標(biāo)的重要手段之一。

目前中國許多工業(yè)廠區(qū)屋頂資源尚未得到充分開發(fā)和利用，存在大量未利用的潛在屋頂光伏資源。本研究的主要目的是分析工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，深入研究分布式光伏在工業(yè)廠區(qū)中的應(yīng)用潛力。開展相關(guān)案例研究，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)，并為光伏行業(yè)從業(yè)者提供可行性評估和決策支持，促進(jìn)中國分布式光伏發(fā)電的普及應(yīng)用，推動(dòng)可再生能源在工業(yè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和碳中和目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。

1工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)及其優(yōu)勢

工業(yè)廠區(qū)分布式光伏系統(tǒng)是利用工業(yè)廠區(qū)屋頂資源搭建的，通過逆變器將直流光伏電能轉(zhuǎn)換為交流電供廠區(qū)使用。相比于集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)，工業(yè)廠區(qū)分布式光伏系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢。

1）降低能源成本。工業(yè)廠區(qū)分布式光伏系統(tǒng)可以充分利用廠區(qū)閑置的屋頂空間，將其轉(zhuǎn)化為光伏發(fā)電的空間資源。這不僅可以提高廠區(qū)可再生能源的利用率，還可以將未利用的屋頂空間資源轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益，降低企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營成本。

2）節(jié)約線路投資。工業(yè)廠區(qū)分布式光伏系統(tǒng)可以減少電力輸送線路和損耗。集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)需要長距離輸送電力至用電地點(diǎn)，而分布式光伏系統(tǒng)更加靠近用電地點(diǎn)，可以縮短輸電距離和降低能源損耗，提高電力傳輸?shù)男省?/p>

3）節(jié)省土地資源。工業(yè)廠區(qū)分布式光伏系統(tǒng)利用了廠區(qū)的屋頂空間，無須占用額外的土地，避免了土地資源的浪費(fèi)和環(huán)境破壞。

4）減少環(huán)境污染。分布式光伏系統(tǒng)采用清潔能源發(fā)電，減少了燃煤等傳統(tǒng)能源的使用，降低了環(huán)境污染。

2工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

2.1光照條件和陰影分析

工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，需要考慮工業(yè)廠區(qū)特殊環(huán)境因素對系統(tǒng)的影響，如氣候條件、建筑結(jié)構(gòu)等。光伏組件的安裝位置、角度和傾斜度等應(yīng)結(jié)合這些因素進(jìn)行設(shè)置，需要與廠區(qū)實(shí)際情況相匹配，以實(shí)現(xiàn)發(fā)電效率的*大化。因此，光照條件和陰影分析非常重要，通過對廠區(qū)屋頂進(jìn)行光照條件和陰影分析，可以確定光伏組件布置方式，以確保系統(tǒng)的發(fā)電效率和綜合經(jīng)濟(jì)效益。

1）需要對廠區(qū)屋頂進(jìn)行日照分析，確定每天的光照時(shí)間和光照強(qiáng)度，可通過太陽光強(qiáng)度測量儀器或使用光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)輔助軟件（PVsyst）實(shí)現(xiàn)。根據(jù)光照時(shí)間和光照強(qiáng)度的分布情況，確定光伏組件的擺放方式和方向。

2）陰影分析是為了確定工業(yè)廠區(qū)屋頂任何可能的陰影源，如高聳建筑物、樹木等?？赏ㄟ^天正軟件日照系統(tǒng)進(jìn)行陰影遮擋分析。陰影會(huì)導(dǎo)致光伏組件發(fā)電功率降低，因此需要合理規(guī)劃光伏組件的位置，以*大程度降低陰影對系統(tǒng)發(fā)電效率的影。

2.2光伏組件及逆變器的選擇

在工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇適合的光伏組件和逆變器十分重要。光伏組件是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的關(guān)鍵部件，而逆變器則是將直流電轉(zhuǎn)化為交流電的設(shè)備。

選擇光伏組件時(shí)，需要考慮光伏組件的效率、可靠性、耐用性和成本等因素。高效率的光伏組件可以提高系統(tǒng)的發(fā)電效率，而可靠性和耐用性則可以保證系統(tǒng)長期運(yùn)行的穩(wěn)定性。此外，還應(yīng)考慮光伏組件的尺寸和質(zhì)量，以確保其適合廠區(qū)屋頂?shù)陌惭b條件。

目前光伏組件電池主要分為晶硅電池、薄膜電池和聚光電池，其中晶硅電池產(chǎn)量占比超90%。晶硅電池中，PERC（PassivatedEmitterandRearCell，發(fā)射極及背面鈍化電池）是目前主流，市場占比近90%；Al-BSF（Al-BackSurfaceField，鋁背場電池）占比縮減至2.5%，處于被淘汰狀態(tài)；HJT（Hetero-junctionwithIntrinsicThin-layer，本征薄膜異質(zhì)結(jié)）電池、TOPCon（TunnelOxidePassivatedContact，隧穿氧化層鈍化接觸）電池和IBC（InterdigitatedBackContact，全背電極接觸）電池的市場占比呈上升趨勢。薄膜電池市場占比很小，目前逐步轉(zhuǎn)向應(yīng)用于BIPV（BuildingIntegratedPV，光伏建筑一體化）。光伏組件技術(shù)路線主要為晶硅組件技術(shù)，晶硅組件目前轉(zhuǎn)換效率約為23%。相比而言，未來n型晶硅電池較P型晶硅電池轉(zhuǎn)換效率的提升空間更大。

逆變器的選擇需要考慮逆變器的功率和效率。逆變器的功率應(yīng)與光伏組件的總功率相匹配，以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。而逆變器的效率則決定了系統(tǒng)的發(fā)電效率和經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)不同技術(shù)路線以及應(yīng)用場景，逆變器可分為如表1所示的幾種類別。

表1不同技術(shù)路線逆變器對比情況

截至目前，受益于中國分布式市場裝機(jī)大幅增長，中國光伏逆變器市場發(fā)展為以組串式逆變器為主，集中式和集散型逆變器占比進(jìn)一步縮小。其中，組串式逆變器占比提升至78%以上，而集中式逆變器占比為20%左右，集散式逆變器小幅降低。

2.3地面電纜布線設(shè)計(jì)

在工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，地面電纜布線設(shè)計(jì)是確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。地面電纜布線設(shè)計(jì)涉及電纜的選擇、布線路徑的設(shè)計(jì)和保護(hù)措施的設(shè)置等方面。

選擇合適的電纜是地面電纜布線設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。需要考慮電纜的電壓等級(jí)、電流容量和環(huán)境適應(yīng)性等因素。電纜的電壓等級(jí)應(yīng)與系統(tǒng)電壓匹配，電流容量應(yīng)滿足系統(tǒng)需求，而環(huán)境適應(yīng)性則需要考慮電纜的耐候性和耐腐蝕性等能力。

在布線路徑設(shè)計(jì)中，需要考慮電纜的長度、拐角和延伸，以*大限度減小電纜的損耗和阻抗。同時(shí)，還需考慮電纜壓降，以保證光伏發(fā)電質(zhì)量。

電纜保護(hù)措施方面，直流電纜穿PVC管或橋架敷設(shè)，在屋面及墻面敷設(shè)的交流電纜穿橋架敷設(shè)，電纜埋地敷設(shè)時(shí)需穿保護(hù)管或設(shè)置電纜保護(hù)板以防止電纜受到損壞或外界干擾。

2.4并網(wǎng)接入設(shè)計(jì)

工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)接入設(shè)計(jì)是確保光伏系統(tǒng)與廠網(wǎng)正常連接并安全運(yùn)行的重要一環(huán)。并網(wǎng)接入設(shè)計(jì)包括廠網(wǎng)連接點(diǎn)的選擇、電網(wǎng)保護(hù)裝置的設(shè)置和并網(wǎng)安全措施的設(shè)置等方面。廠網(wǎng)連接點(diǎn)的性能應(yīng)與系統(tǒng)的發(fā)電容量和負(fù)荷需求相匹配，并具備穩(wěn)定的供電能力，提供良好的電能質(zhì)量。電網(wǎng)保護(hù)裝置主要包括過流保護(hù)、過壓保護(hù)、防孤島及防逆流保護(hù)等裝置。這些保護(hù)裝置可以保證系統(tǒng)和電網(wǎng)之間的安全連接，防止系統(tǒng)因故障對電網(wǎng)造成影響。并網(wǎng)安全措施包括建立接地系統(tǒng)以及采取防雷措施，建立接地系統(tǒng)可以確保系統(tǒng)與地面之間的電勢平衡，采取防雷措施可以減少雷擊對系統(tǒng)的影響。

3工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)應(yīng)用案例研究

3.1項(xiàng)目概況

某公司廠區(qū)建筑屋頂分布式光伏發(fā)電站項(xiàng)目（以下簡稱“項(xiàng)目”）位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗五間房產(chǎn)業(yè)園區(qū)。廠區(qū)擁有多座面積較大的屋頂，具備良好的光照條件，利用屋頂空間搭建分布式光伏電站，采用“自發(fā)自用”模式為廠區(qū)提供清潔電能。觀展平臺(tái)原貌圖如圖1所示，啟動(dòng)鍋爐房、尿素車間、檢修綜合樓原貌圖如圖2所示。

圖1觀展平臺(tái)原貌圖

圖2啟動(dòng)鍋爐房、尿素車間、檢修綜合樓原貌圖

3.2電力消納情況

該項(xiàng)目裝機(jī)容量為1.625595MW（峰值功率），所發(fā)電能就地消納。目前廠區(qū)擁有2臺(tái)6.6×105kW的發(fā)電機(jī)組，廠用電率為6.5%，廠用電負(fù)荷為85.8MW，廠用電負(fù)荷遠(yuǎn)大于該項(xiàng)目發(fā)電容量。在不發(fā)電的情況下，根據(jù)資料計(jì)算，線路檢修機(jī)組雙停期間，廠內(nèi)場用電總負(fù)荷（包括生活用電、汽機(jī)鍋爐、化學(xué)用電等）為3.034MW，因此該期項(xiàng)目光伏發(fā)電容量可就地消納。

4系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

安科瑞電光伏電站監(jiān)控軟件采用Acrel-2000Z，是安科瑞電氣股份有限公司總結(jié)多年的開發(fā)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和大量的用戶需求而設(shè)計(jì)針對用戶配電系統(tǒng)和光伏電站的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。

4.1軟件運(yùn)行環(huán)境配置

服務(wù)器上安裝Windows7操作系統(tǒng)。

4.2光伏電站電力監(jiān)控軟件架構(gòu)

軟件采用C/S架構(gòu)，實(shí)時(shí)采集光伏電站電流、電壓、日/月/年/累計(jì)發(fā)電量和氣象數(shù)據(jù)。

4.3光伏電站電力監(jiān)控軟件功能

對光伏電站的整體信息進(jìn)行監(jiān)控，采用圖形和數(shù)據(jù)的形式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地展現(xiàn)電站概況、電站實(shí)時(shí)發(fā)電及發(fā)電統(tǒng)計(jì)信息。包括電站概括、環(huán)境參數(shù)、實(shí)時(shí)信息、發(fā)電量統(tǒng)計(jì)及發(fā)電量信息

通過主界面可以對光伏陣列現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與顯示，如室外溫度值、風(fēng)速、風(fēng)向、光照強(qiáng)度等。

a）通過對電站內(nèi)一次及二次配電網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的監(jiān)控，了解電站內(nèi)各電氣設(shè)備的運(yùn)行情況及狀態(tài)，并對電站的并網(wǎng)狀態(tài)、有/無功功率流向情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

b）光伏組件分布監(jiān)控

能夠根據(jù)微逆變反應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示各組太陽能電池板的工作狀態(tài)（是否正常發(fā)電），根據(jù)組串式逆變器顯示各光伏組串輸出功率，分別計(jì)量兩種兩種逆變方式的發(fā)電量日發(fā)電量、日發(fā)電量曲線、月發(fā)電量柱狀圖、年發(fā)電量柱狀圖等，并對這兩種方式發(fā)電量進(jìn)行對比。

c）逆變器監(jiān)控

組串式逆變器主要監(jiān)測指標(biāo)包括：

直流電壓、直流電流、直流功率

交流電壓、交流電流

逆變器內(nèi)溫度、時(shí)鐘

頻率、功率因數(shù)、當(dāng)前發(fā)電功率

日發(fā)電量、累積發(fā)電量、累積CO2減排量

電網(wǎng)電壓過高、電網(wǎng)電壓過低

電網(wǎng)頻率過高、電網(wǎng)頻率過低

直流電壓過高、直流電壓過低

逆變器過載、逆變器過熱、逆變器短路

散熱器過熱

逆變器孤島

DSP故障、通訊故障等。

監(jiān)控系統(tǒng)可繪制顯示逆變器電壓—時(shí)間曲線、功率—時(shí)間曲線等，直流側(cè)輸入電流實(shí)時(shí)曲線、交流側(cè)逆變輸出電流曲線，并采集與顯示各逆變器日發(fā)電量等電參量；

d）交流匯流箱監(jiān)控

交流匯流箱主要監(jiān)測指標(biāo)包括：

光伏組串輸出直流電壓、輸出直流電流、輸出直流功率

各路輸入總發(fā)電功率、總發(fā)電量

匯流箱輸出電流、匯流箱輸出電壓、匯流箱輸出功率

電流監(jiān)測允差報(bào)警

傳輸電纜/短路故障告警

空氣開關(guān)狀態(tài)、故障信息等

e）交流配電柜監(jiān)控

交流配電柜主要監(jiān)測指標(biāo)包括：

光伏發(fā)電總輸出有功功率、無功功率

功率因數(shù)、電壓、電流

斷路器故障信息、防雷器狀態(tài)信息等

f）并網(wǎng)柜監(jiān)控

通過對并網(wǎng)柜的監(jiān)控，計(jì)量上網(wǎng)電量、內(nèi)部用電量、電能質(zhì)量、光伏發(fā)電系統(tǒng)有功和無功輸出、發(fā)電量、功率因數(shù)、并網(wǎng)點(diǎn)的電壓和頻率、注入系統(tǒng)的電等參數(shù)，計(jì)算碳減排量，并折算成標(biāo)準(zhǔn)煤，計(jì)算發(fā)電收益。

g）環(huán)境參數(shù)監(jiān)控

環(huán)境參數(shù)主要監(jiān)測指標(biāo)包括：

日照輻射

風(fēng)速、風(fēng)向

環(huán)境溫度

太陽能電池板溫度等

對比實(shí)際微逆或幾種微逆輸出指導(dǎo)電池板需要清洗等信息。

h）歷史數(shù)據(jù)管理

監(jiān)控系統(tǒng)可針對光伏發(fā)電現(xiàn)場的各種事件進(jìn)行記錄，如：通訊采集異常、開關(guān)變位、操作記錄等，時(shí)間記錄支持按類型查詢，并可對越限報(bào)警值進(jìn)行更改設(shè)置；

i）日發(fā)電趨勢分析

系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)曲線和歷史趨勢兩種曲線分析界面，可以反映出每天24小時(shí)內(nèi)光伏發(fā)電量與該日日照強(qiáng)度，環(huán)境溫度，風(fēng)速等的波動(dòng)情況。

j）故障報(bào)警

當(dāng)電池板長時(shí)間輸出功率偏低進(jìn)行故障指示，建議運(yùn)維人員前往現(xiàn)場檢查是否有故障發(fā)生等；另外對于并網(wǎng)柜部分的主斷路器分合閘狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)出現(xiàn)開關(guān)變位及時(shí)報(bào)警，提醒運(yùn)維人員。

啟動(dòng)鍋爐房、尿素車間、化學(xué)水及工業(yè)廢水處理車間屋頂分布式光伏展示圖如圖3所示。

觀展平臺(tái)分布式光伏展示圖如圖4所示。

圖3啟動(dòng)鍋爐房、尿素車間、化學(xué)水及工業(yè)廢水處理車間屋頂分布式光伏展示圖

圖4觀展平臺(tái)分布式光伏展示圖

5對未來廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)的建議

未來，隨著光伏技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)將會(huì)得到更廣泛的推廣和應(yīng)用。1）進(jìn)一步研究高效率光伏組件和逆變器的開發(fā)，是提高系統(tǒng)發(fā)電效率的關(guān)鍵因素。2）加強(qiáng)對光伏系統(tǒng)的智能化管理和監(jiān)控，以提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。3）注重光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)的連接和能量存儲(chǔ)技術(shù)的研究。對于工業(yè)廠區(qū)需要穩(wěn)定供電的場景，結(jié)合應(yīng)用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，以在太陽能不足或夜間使用，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和能量平衡。4）為保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行，制定符合規(guī)范的防雷、防火措施，提高光伏系統(tǒng)的安全性，并應(yīng)進(jìn)行定期維護(hù)和清潔。5）加強(qiáng)對光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益研究，以促進(jìn)其在工業(yè)廠區(qū)的廣泛應(yīng)用。

6結(jié)束語

系統(tǒng)開展了基于工業(yè)廠區(qū)屋頂資源的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)研究。工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)具有降低能源成本、節(jié)約線路投資、減少環(huán)境污染以及解決土地資源占用問題的優(yōu)勢。重點(diǎn)分析了工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，結(jié)合工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)實(shí)施案例研究，對工業(yè)廠區(qū)分布式光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了詳細(xì)論述。其中光照條件和陰影分析需要考慮廠區(qū)特殊環(huán)境因素對系統(tǒng)的影響，如氣候條件、建筑結(jié)構(gòu)等，光伏組件的安裝排布要與廠區(qū)實(shí)際情況相匹配，以實(shí)現(xiàn)*佳發(fā)電效率。在選擇光伏組件時(shí)，結(jié)合市場主流產(chǎn)品考慮光伏組件的效率、可靠性、耐用性和成本等因素。逆變器的效率決定了系統(tǒng)的發(fā)電效率和經(jīng)濟(jì)效益，對于廠區(qū)分布式光伏系統(tǒng)，選擇高效率的組串式逆變器可以提高系統(tǒng)的發(fā)電效率和經(jīng)濟(jì)回報(bào)。在電纜布線設(shè)計(jì)中，選擇合適的電纜型號(hào)和截面以滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)電能的輸出，同時(shí)在滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范的條件下優(yōu)化電纜布線路徑，采取合理的保護(hù)措施。為確保光伏系統(tǒng)與廠網(wǎng)正常連接并安全運(yùn)行，并網(wǎng)接入設(shè)計(jì)就顯得尤為重要，廠網(wǎng)連接點(diǎn)不僅要與系統(tǒng)的發(fā)電容量和負(fù)荷需求相匹配，也需考慮電網(wǎng)保護(hù)裝置，以確保系統(tǒng)的安全和正常運(yùn)行。

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