樊红涛 邵文彬 丁 巍 上海铁路局上海机车检修段
光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术,利用光伏技术而产生的电能属于可再生的清洁能源,符合国家的能源政策和产业政策,可以减少温室气体排放,减少成本支出,具有良好的经济效益、社会效益和环境效益。
上海机车检修段(以下简称“检修段”)于2014年12月29日正式成立,是铁路总公司在全国规划布局新建的七大和谐型大功率机车检修基地之一,也是全国铁路和谐型大功率机车运用维修网之一。主要负责和谐大功率电力机车C4、C5修。目前,已经具备 HXD2B、HXD3C、HXD3、HXD1B 和 HXD1D 等5种和谐型机型、7种修程的“多机型、多修程”检修能力。2016年,检修段年用电量为382.2万kWh,折合成标准煤占用能总量的58.3%。从用能结构而言,检修段电能消耗是单位用能主体,如实施分布式光伏发电(自发自用,余量上网)项目,不仅可以大幅降低电能消耗,节约电费支出,而且还可以享受国家及地方政府的政策性补贴收入,对于企业经营的“增收节支,提质增效”方面具有一定的实际意义。
太阳能光伏发电是一种清洁可再生能源,符合国家的能源政策和产业政策,具有产品运行周期长(寿命周期25y),系统建成后自动运行安全可靠、保养维护简单方便,光电转换的过程中不向环境排放任何污染物,国家、地方政府根据光伏发电量多少进行补贴,余电可回供电网出售,投资回收期适中等特点,具有良好的经济效益、社会效益和环境效益,而且有利于提升企业形象。
检修段年用电一直居高不下,随着检修工作量的不断增加,电力消耗有不断增长的趋势;而另一方面,大量的屋顶资源却被闲置(上海机车检修段转向架库屋面面积19781m2,二年检库屋面面积26907m2。开发检修段太阳能光伏发电项目正是利用既有的屋顶资源,建设太阳能光伏发电系统,所发电量自发自用,余电上网,从而减少检修段每年的电费支出,达到节能降耗的目的。
根据国际能源署 (IEA)研究,我国的CO2排放指数为:0.814kg/kwh,同时,我国火电厂每发电上网1kWh,需消耗标准煤305g,排放6.2g的硫氧化物(SOx)(脱硫前统计数据)和2.1g的氮氧化物(NOx)(脱硝前统计数据)。如检修段光伏发电每年平均发电260×104kwh,可以节约标准煤793t,减排硫氧化物(SOx)16.1t,减排氮氧化物(NOx)5.5t(按火电厂同等发电量所消耗的能耗及污染物排放测算)。
4.1.1空间条件
图1 库房屋面现状图
检修段拥有大面积的机车检修库房(如图1所示),在光伏发电技术应用方面具有一定的先天条件,转向架库屋面面积19781m2,二年检库屋面面积 26907m2,总面积 46688m2,去除采光带、通风口、女儿墙等地方后,实际可安装光伏面积在20000m2左右,可安装总装机容量:2215.84kWp,采用南北向安装的智能双组件光伏系统、7.2kW微型逆变器组,通过10kV高压并网。光伏发电项目效果图详见图2。
图2 智能双组件光伏系统设置效果图
表1 检修段光伏发电能力测算表
4.1.2发电利用率
检修工作时间主要在上午8:00到下午16:00,光伏发电时间在上午7:00到下午17:00,与段用电时间基本吻合,光伏发电系统发电量90%可以被段生产、办公及时利用(自发自用经济效益最好),10%电力上网外送。因此机车检修段光伏发电项目从段自身利用率较高来看,适合实施光伏发电项目。
4.2.1政策性补贴
国家补贴:每发一度电,补贴0.3元,补贴时间为建成并网后20y。
地方政府补贴:上海市每度补贴0.25元,补贴时间5y;江苏省每度0.15元,补贴时间5y,省内各市还有各自补贴标准;浙江省每度0.1元,补贴时间5y,省内各市还有各自补贴标准;安徽省目前没有省级补贴,省内各市有各自补贴标准,如合肥市每度0.25元,补贴时间5y等。
4.2.2发电效益分析
检修段二年检、转向架库2处共可安装5036块440Wp多晶硅电池组件,总装机容量为2215.84kWp,设备寿命周期平均为25y,投资估算为2156.2万元。根据测算,年发电量平均约260万度,项目竣工后的前5y,每年可取得340万收益,第6y~20y,每年可取得271万元收益,按照国家和上海市补贴标准和时间,第21y~25y,因国家财政补贴取消,每年收益为190万元,投资回收期约7y。具体详见表1。
上海全年平均辐射量1391kWh/m2,倾斜面上辐射为1491kWh/m2,系统效率约 82%,检修段将安装容量共2215.84 kW。因此,首年估算年发电量为:1491×82%×2215.84×97.5%=264.26万kWh。
综上所述,检修段库屋顶光伏电站工程,充分合理的利用既有资源,积极响应国家新能源战略,符合环保绿色发展的方向,充分体现了上海铁路局作为央企回报社会的责任感。同时,利用既有检修库的闲置屋面设置光伏发电系统,可以产生明显的经济效益。因此,本工程有着非常重要的现实意义,具备实施条件。
光伏发电工程是利用既有机车检修库房屋顶,因此需要原工程设计单位在考虑到不同厂家的设备重量及房屋结构安全富余的情况下,以光伏发电荷载20kg/m2为核算结构安全,对既有转向架库和二年检库檩条、屋面桁架、柱子以及桩基础进行了核算,确保结构构件满足现行规范的要求。
由于增设的光伏发电系统与屋面为柔性连接,光伏发电系统自身及与屋面的连接的防风掀性能需进行试验验证。
检修段二年检、转向架库顶有部分区域有漏雨、渗水现象,在实施屋顶分布式光伏发电工程之前需要进行屋面整体整治,全面布设防水卷材,彻底解决漏水问题,避免实施光伏发电工程后无法再进行防水漏雨整治工作的尴尬局面。
由于检修段拟采用90%光伏发电量自用,10%的发电量上网。因此,对于光伏发电产生的短路电流、电压波动、电能质量、网点处功率因素、异常响应等方面对于地方电网的影响均有所要求和考虑,需要研究光伏发电并网方案,并报当地电力管理部门进行审批。
光伏发电产业为国家重点支持的新兴战略产业之一,且局内可以开发用于光伏发电的屋顶资源非常广阔,具有较大的光伏发电产业发展前景,但一次性投入较大,建议由路局统筹安排,或者由路外单位以合同能源管理合作方式进行参与。
项目建成后,建议由多经专业公司负责对用电费用、政府补贴进行清算落实,并制定和完善养护维修计划,监督计划的落实。也可由该单位承担运维工作,在局内按地区建立属地化的维保队伍,统一标准,摸索出一套集设计施工、运维、多元创效的样板工程管理模式,为路局创造更大的效益。
[1]中铁第四勘察设计院集团有限公司.《上海机车检修段屋顶光伏发电可行性研究》.2016.06.