提增绿色工厂光伏发电量压降高耗能企业电费

王 军，辛永诚，郭方舸，张 思，李燕红

(1.中国建材国际工程集团有限公司，上海 200063；2.深圳市凯盛科技工程有限公司蚌埠分公司，蚌埠 233010；3.中国建材国际工程集团有限公司蚌埠分公司，蚌埠 233010)

2021年10月11日，国家发改委发布《关于进一步深化燃煤发电上网电价市场化改革的通知》，要求各地要有序推动工商业用户全部进入电力市场，按照市场价格购电，取消工商业目录销售电价。

根据国家电力体制改革工作布置，近日，四川和江苏等省陆续出台关于开展2022年电力市场交易工作的通知，10 kV及以上工商业用户原则上全部参与市场交易，鼓励其他工商业用户直接参与市场交易，未参与市场交易的工商业用户由电网代理购电。市场交易价格浮动范围为燃煤机组发电基准价上下浮动原则上不超过20%，高能耗企业市场交易电价不受上浮20%限制。未参与市场交易有电网企业代理购电的高能耗企业，用电价格为电网企业代理购电价格的1.5倍加上输配电价、政府性基金及附加。

1 平板玻璃行业光伏发电工程概述

平板玻璃厂作为高能耗用电大户，用电量大，度电电费高，减少市电用电量迫在眉睫。

平板玻璃企业在加强节能降碳工艺技术开发、推动高能耗技术改造同时，积极利用玻璃厂区内建筑屋顶和墙面资源。通过绿色工厂建设，把这些建筑的墙面和屋顶利用起来，不仅能使得生产区变得美观，更能将太阳能合理利用起来，增加了光伏发电量从而减少市电的用电量，减少电费开支[1]。

平板玻璃厂内以高大工业厂房为主，辅有皮带廊及烟囱。主厂房高约20 m，具有大面积墙面和屋顶，其中墙面有东、南、西、北方向之分，不同方位光照条件不一样。北面墙面全年不被太阳光照射，屋顶则全天被太阳光照射。根据不同光照情况，实际工程中可采取不同类型的光伏组件。

现市面上主流的光伏发电产品是薄膜发电玻璃和单晶硅光伏组件，非晶硅薄膜发电玻璃最大特点是弱光发电，即使没有太阳直射光照射下也能发电；单晶硅光伏组件是目前转化效率最大的主流产品，组件正面需太阳直射光[2]。针对厂房四面墙体及屋顶的不同光照条件，墙面选择发电玻璃来发挥其弱光发电的强项，外观满足建筑美学功能，屋顶选择幕墙转换效率最高主流产品单晶硅光伏组件，在玻璃厂既定的墙面和屋顶资源情形下力争发电玻璃与单晶硅组件总发电量最大化。

2 工程实例介绍

2.1 总体布局

以一平板压延玻璃厂主车间的光伏建筑一体设计为例，通过优化设计力求整个光伏系统电能损耗最低，从而同样的发电玻璃与光伏组件排布使发电量最大化。

该案例中，主厂房主车间大致以中间轴对称，中间部分呈T字型，两边分别与玻璃联合车间加工工段相接。T字型部分为热端，夏天时，其屋顶和墙面温度极高。两端大车间为冷端及玻璃深加工区域，发电玻璃与单晶硅组件不能受高温影响，因而布置于两端大车间墙面和屋顶。左右两端大车间距离约计200 m，两端大车间的屋面及幕墙，总计4个部分，分别构成光伏系统的4个子系统，见图1。

左右两侧玻璃深加工工段墙面南、北面面积均约7 000 m2，东、西面面积均约2 500 m2。南面墙体除去门窗共安装约400 kWp铜铟镓硒发电玻璃，东、西及北三面墙体除去门窗共安装约800 kWp碲化镉发电玻璃。左右两侧玻璃深加工工段屋顶面积均为约24 000 m2，除去气楼遮挡外共安装5 500 kWp单晶硅光伏组件。

2.2 直流侧系统

光伏电站并网方式分为高压并网和低压并网，在某些区域有个不成文的规定，光伏电站低压并网一般不超过1.6 MWp，即超过1.6 MWp光伏装机容量只能以高压并网。这个光伏电站装机功率6.7 MWp，按照当地规定只能高压并网。

单晶硅组件系统电压有1 000 V、1 500 V两种，既然高压并网，选择系统电压为1 500 V的光伏组件，相较于1 000 V系统，1 500 V系统单串组件块数提高1.5倍，同样的光伏装机功率，组串数降低到2/3，相应的组串直流线损及施工成本都降低，1 500 V系统匹配大功能的组串逆变器，目前其最大功率为225 kW，交流侧电压为800 V，逆变电压提高后，传输同等的功率，电流降低，电缆截面减小[3]。

光伏电站随着一天太阳光强度的变化输出曲线呈拱形，而逆变器的送出能力有限，当逆变器接入光伏组件总容量过大时，在太阳光较强的夏季，中午前后时分，大量电能由于受到逆变器极限输出能力的限制而无法送出[4]，出现“削峰”现象，如图2曲线A所示。

对于225 kW的逆变器，若仅接入225 kWp的光伏组件，此时，由于一年四季中绝大多数时候，光伏组件并不能达到其标称功率，如图2曲线C所示，一年平均发电曲线远远达不到逆变器输出极限值，同样也造成了逆变器资源的极大浪费。

因此工程中采用1.2～1.3的超配比来解决这个问题。即针对225 kW的逆变器，接入225×(1.2～1.3)容量的光伏组件。这样做的好处是，光伏电站输出曲线呈图2曲线B所示，在盛夏中午，允许逆变器有一定程度的削峰出现，但绝大多数时候，光伏组件和逆变器的综合利用率较高，从而在相同装机容量情况下，获得更大的发电量。

由于薄膜发电玻璃系统电压为1 000 V，耐压较晶硅差一些，同时为了避免直流组串光伏线缆过长，玻璃厂主车间一般高约20 m，因此只能选用较小功率的逆变器。采用100 kW逆变器，其交流侧电压为400 V。光伏方阵中，同一光伏组串中个组件电性能参数宜保持一致，光伏组串联数应按照逆变器MPPT最大电压来计算[5]，碲化镉以5块为一串，每5小串通过接线盒并联成一组串，单台逆变器接入16组串。铜铟镓硒以15块为一串，每4小串通过接线盒并联成一组串，单台逆变器接入11组串。接线图如图3所示。

2.3 并网方式系统

在各子系统中心设立升压站，#1(#3)光伏子系统与#2(#4)光伏子系统距离200 m，故东、西两侧的屋顶与幕墙部分分开，分别组成1个子系统。该玻璃生产线建筑采用两层方案，联合车间加工工段的二层布置冷端设备及其深加工线，一层为电气变配电室、风机房及成品库房。一则联合车间加工工段沿道路部分皆为光伏幕墙，在厂房外附近不便设升压站，以避免对光伏幕墙产生遮挡；二则联合车间加工工段一层大部分区域为成品库房，可以将位于中部的成品库房作为升压站房，这样屋顶光伏子系统组串式逆变器交流侧电缆先穿过屋顶气楼进入室内，再沿钢梁、钢柱下到一层升压站，这样从逆变器交流侧到升压站房交流汇流柜的交流电缆总长度最短。有两大好处，一节省线缆投资，二降低线缆损耗，增加光伏系统上网电量。同理幕墙光伏子系统组串逆变器交流电缆到位于联合车间加工工段中部的升压站房中交流电缆总长度最短，线缆投资省，线缆损耗低，光伏上网电量增加。

2.3.1 高压并网

逆变器输出需经过升压变升压后送入并网点。升压变就近布置于光伏方阵中心，位于厂房内一层，尽可能最大减少电缆损耗。东西屋面分别接2 500 kVA升压变，东幕墙接500 kVA升压，西幕墙接400 kVA升压，升压至35 kV后接入35 kV开关站。经35 kV开关站后于厂区总开关站35 kV母线I段并网。

2.3.2 低压并网

大多数玻璃厂生产线配套玻璃深加工生产线，压延玻璃深加工线的电加热钢化炉能耗大，需配大功率的配电变压器，本生产线东西两侧的联合车间加工工段分别配有6台3 150 kVA配电变压器，共12台3 150 kVA配电变压器，且位于东西两侧联合车间加工工段中部，其位置基本上与高压并网升压站位置重叠，处在每个光伏幕墙子系统和屋顶光伏子系统的中心，光伏幕墙及屋顶光伏装机容量6 700 kWp，光伏装机容量仅为深加工变压器总容量的17.7%，光伏系统采用低压400 V并网没任何技术上的问题。低压并网相较高压并网，省去升压站升压设备及开关站一次、二次设备。虽然低压并网逆变器单机功率变小，逆变器直流侧系统电压由1 500 V降为1 100 V，直流串数增加，光伏电缆增多；逆变器交流侧电压由800 V降为400 V，低压并网电压交流电缆用量增加，由于低压并网点距离组串式逆变器较近，平均长度约100 m，故低压交流电缆费用增加有限。综合考虑，这个低压并网方案比高压并网节省0.3元/Wp。此外，经PVsyst软件模拟，低压并网方案还比高压并网方案要多发电10多万度电，由于深加工用电负荷大，光伏发电全部被消纳，低压并网方案比高压并网少一级降压变电环节，光伏发电利用效率更高，故玻璃厂在低压并网条件允许下，采用低压并网，计量点发电量最大化，中间损耗小，自发自用利用率更高。低压并网采用低压逆变器，以380 V电压经并网柜接入车间变电所低压母线。

每一光伏方阵可就近接入变配电室。并网柜布置于变配电室内，这样高压并网的升压站与开关站皆可以省去，省钱又省地。并网柜布置于变配电室内，光伏进线经并网柜，由并网柜出线再接入配电变低压母线。

2.4 发电量估算

高压并网系统效率81.01%，低压并网系统效率82.46%。光伏发电站上网发电量可按照太阳能总辐射量、组件安装量、综合效率系数等参数进行计算获得[5]，计算结果如表2所示。

表2 年发电量计算表

低压并网西屋面光伏系统年发电量E3西屋面=226.732 4 kWh/m2×2.584 m2×4 615=2.75×106 kWh东屋面光伏系统年发电量E3东屋面=230.79 kWh/m2×2.584 m2×4 585=2.734×106 kWh南幕墙光伏系统年发电量E3南幕墙=95.1 kWh/m2×1.054 m2×2 853=0.286×106 kWh北幕墙光伏系统年发电量E3北幕墙=49.213 kWh/m2×1.92 m2×1 815=0.175×106 kWh西幕墙光伏系统年发电量E3西幕墙=70.5 kWh/m2×1.92 m2×562=0.076×106 kWh东幕墙光伏系统年发电量E3东幕墙=70 kWh/m2×1.92 m2×1 008=0.135×106 kWh全站年发电量E3∑全站=0.136×106 kWh+0.076×10 6 kWh+0.175×106 kWh+0.286×106 kWh+2.734×106 kWh+2.75×106 kWh=6.157×106 kWh

计算结果表明低压并网具有更高的发电量，并且低压并网发出的电自并网点即可直接被母线上负荷所使用，而高压并网还需通过配电变压器送给负荷，因而，低压并网在发电量与利用效率上占据优势。

3 结 论

在如今购电模式转变和度电费用上涨情形下，作为高能耗的平板玻璃厂，通过光伏建筑一体化，努力打造绿色工厂，不断优化光伏设计方案，增加发电量，减少损耗，所发电量最大效率地完全在厂里被消纳，已达到最大程度地减少市电用电量，减少电费。

绿色工厂建设在平板玻璃行业有着良好的应用前景，该文重点探讨了提高光伏建筑一体技术发电量从而达到最大限度减少电力成本。通过对建筑光伏一体的总体布局，针对不同光照情况选择不同光伏组件，针对不同安装工况，选择不同铺设方式，从效率最大角度选择合适的电压等级、逆变器容量、组件串并联数等。以实际工程案例介绍了设计思路，并对发电量进行演算。