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)的設計及應用進行研究，為工業(yè)廠區(qū)能源供應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)設計的要點，通過對工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)應用案例的研究，對電力消納、系統(tǒng)設計方案進行了詳細論述，*后對未來的廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)設計給出了建議。

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)合國大會一般性辯論上鄭重宣布：“中國將提高自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。”這既是中國推動構(gòu)建人類命運共同體的重大舉措，也是負責任大國的莊嚴承諾。分布式光伏作為光伏發(fā)電的一種重要方式，由于其低維護成本和廣泛應用場景，已成為實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型和碳中和目標的重要手段之一。

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)的設計要點，深入研究分布式光伏在工業(yè)廠區(qū)中的應用潛力。開展相關(guān)案例研究，為設計提供依據(jù)，并為光伏行業(yè)從業(yè)者提供可行性評估和決策支持，促進中國分布式光伏發(fā)電的普及應用，推動可再生能源在工業(yè)領(lǐng)域的推廣應用，為實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和碳中和目標做出貢獻。

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，而分布式光伏系統(tǒng)更加靠近用電地點，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)設計要點分析

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)的設計中，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、角度和傾斜度等應結(jié)合這些因素進行設置，需要與廠區(qū)實際情況相匹配，以實現(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)濟效益。

1）需要對廠區(qū)屋頂進行日照分析，確定每天的光照時間和光照強度，可通過太陽光強度測量儀器或使用光伏系統(tǒng)設計輔助軟件（PVsyst）實現(xiàn)。根據(jù)光照時間和光照強度的分布情況，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)進行陰影遮擋分析。陰影會導致光伏組件發(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)設計中，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)化為交流電的設備。

選擇光伏組件時，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)長期運行的穩(wěn)定性。此外，還應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。逆變器的功率應與光伏組件的總功率相匹配，以確保系統(tǒng)的正常運行。而逆變器的效率則決定了系統(tǒng)的發(fā)電效率和經(jīng)濟效益。根據(jù)不同技術(shù)路線以及應用場景，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地面電纜布線設計

在工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)設計中，地面電纜布線設計是確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要環(huán)節(jié)。地面電纜布線設計涉及電纜的選擇、布線路徑的設計和保護措施的設置等方面。

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

在布線路徑設計中，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，還需考慮電纜壓降，以保證光伏發(fā)電質(zhì)量。

電纜保護措施方面，直流電纜穿PVC管或橋架敷設，在屋面及墻面敷設的交流電纜穿橋架敷設，電纜埋地敷設時需穿保護管或設置電纜保護板以防止電纜受到損壞或外界干擾。

2.4并網(wǎng)接入設計

工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)接入設計是確保光伏系統(tǒng)與廠網(wǎng)正常連接并安全運行的重要一環(huán)。并網(wǎng)接入設計包括廠網(wǎng)連接點的選擇、電網(wǎng)保護裝置的設置和并網(wǎng)安全措施的設置等方面。廠網(wǎng)連接點的性能應與系統(tǒng)的發(fā)電容量和負荷需求相匹配，并具備穩(wěn)定的供電能力，提供良好的電能質(zhì)量。電網(wǎng)保護裝置主要包括過流保護、過壓保護、防孤島及防逆流保護等裝置。這些保護裝置可以保證系統(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)應用案例研究

3.1項目概況

某公司廠區(qū)建筑屋頂分布式光伏發(fā)電站項目（以下簡稱“項目”）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。觀展平臺原貌圖如圖1所示，啟動鍋爐房、尿素車間、檢修綜合樓原貌圖如圖2所示。

圖1觀展平臺原貌圖

圖2啟動鍋爐房、尿素車間、檢修綜合樓原貌圖

3.2電力消納情況

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

4系統(tǒng)設計方案

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)、實踐經(jīng)驗和大量的用戶需求而設計針對用戶配電系統(tǒng)和光伏電站的實時監(jiān)控系統(tǒng)。

4.1軟件運行環(huán)境配置

服務器上安裝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)，實時采集光伏電站電流、電壓、日/月/年/累計發(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行監(jiān)控，采用圖形和數(shù)據(jù)的形式實時動態(tài)地展現(xiàn)電站概況、電站實時發(fā)電及發(fā)電統(tǒng)計信息。包括電站概括、環(huán)境參數(shù)、實時信息、發(fā)電量統(tǒng)計及發(fā)電量信息

通過主界面可以對光伏陣列現(xiàn)場環(huán)境進行實時監(jiān)測與顯示，如室外溫度值、風速、風向、光照強度等。

a）通過對電站內(nèi)一次及二次配電網(wǎng)絡狀態(tài)的監(jiān)控，了解電站內(nèi)各電氣設備的運行情況及狀態(tài)，并對電站的并網(wǎng)狀態(tài)、有/無功功率流向情況等進行實時監(jiān)控。

b）光伏組件分布監(jiān)控

能夠根據(jù)微逆變反應的數(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)電量進行對比。

c）逆變器監(jiān)控

組串式逆變器主要監(jiān)測指標包括：

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、時鐘

頻率、功率因數(shù)、當前發(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—時間曲線、功率—時間曲線等，直流側(cè)輸入電流實時曲線、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)點的電壓和頻率、注入系統(tǒng)的電等參數(shù)，計算碳減排量，并折算成標準煤，計算發(fā)電收益。

g）環(huán)境參數(shù)監(jiān)控

環(huán)境參數(shù)主要監(jiān)測指標包括：

日照輻射

風速、風向

環(huán)境溫度

太陽能電池板溫度等

對比實際微逆或幾種微逆輸出指導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)場的各種事件進行記錄，如：通訊采集異常、開關(guān)變位、操作記錄等，時間記錄支持按類型查詢，并可對越限報警值進行更改設置；

i）日發(fā)電趨勢分析

系統(tǒng)提供了實時曲線和歷史趨勢兩種曲線分析界面，可以反映出每天24小時內(nèi)光伏發(fā)電量與該日日照強度，環(huán)境溫度，風速等的波動情況。

j）故障報警

當電池板長時間輸出功率偏低進行故障指示，建議運維人員前往現(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)進行監(jiān)視，當出現(xiàn)開關(guān)變位及時報警，提醒運維人員。

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

觀展平臺分布式光伏展示圖如圖4所示。

圖3啟動鍋爐房、尿素車間、化學水及工業(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)設計的建議

未來，隨著光伏技術(shù)的進一步發(fā)展，廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)將會得到更廣泛的推廣和應用。1）進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)合應用電池儲能系統(tǒng)，以在太陽能不足或夜間使用，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和能量平衡。4）為保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行，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，并應進行定期維護和清潔。5）加強對光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益研究，以促進其在工業(yè)廠區(qū)的廣泛應用。

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)設計技術(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。重點分析了工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)設計要點，結(jié)合工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)實施案例研究，對工業(yè)廠區(qū)分布式光伏系統(tǒng)設計方案進行了詳細論述。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)實際情況相匹配，以實現(xiàn)*佳發(fā)電效率。在選擇光伏組件時，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)濟回報。在電纜布線設計中，選擇合適的電纜型號和截面以滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)電能的輸出，同時在滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范的條件下優(yōu)化電纜布線路徑，采取合理的保護措施。為確保光伏系統(tǒng)與廠網(wǎng)正常連接并安全運行，并網(wǎng)接入設計就顯得尤為重要，廠網(wǎng)連接點不僅要與系統(tǒng)的發(fā)電容量和負荷需求相匹配，也需考慮電網(wǎng)保護裝置，以確保系統(tǒng)的安全和正常運行。

參考文獻

［1］王丹.光伏發(fā)電系統(tǒng)效率優(yōu)化問題的研究［D］.北京：北京交通大學，2009.

［2］陶磊，王艾，孫龍林，等.陰影遮擋下的光伏組件特性分析［J］.太陽能，2015（7）：22-27.

［3］王馨，崔強，苗錦宏，張博.工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)設計及應用

［4］安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版