浅析工厂分布式屋面光伏发电应用

向荣 黄珣 贾智勇

（中钢集团天澄环保科技股份有限公司 武汉 430205）

0 引言

“双碳”战略倡导绿色、环保、低碳的生活方式。近年来，发挥太阳能发电适宜分散供电的优势，在城市的建筑物和公共设施配套安装太阳能发电装置，扩大城市可再生能源的利用量，逐渐成为我国新能源利用的一个新方向。本文对某工厂利用仓库屋面进行分布式光伏发电项目进行分析，实践表明，利用工厂生产车间、仓库等屋面安装分布式光伏发电装置，可有效减少外部用电需求，优化系统电源结构，减轻环保压力，实现了社会效益与经济效益双赢，同时带动光伏发电在工厂屋面中推广应用，提升建筑节能效果、减少温室气体排放等可持续发展，且对于光伏建筑一体化技术的进一步推广具有重要的示范意义［1］。光伏发电是场地内达到零碳/碳中和目标必不可少的基础性应用措施之一。

1 技术背景及构思

1.1 概况

要实现碳达峰、碳中和目标，核心是实现两个替代，即在能源消费端实现以电能替代化石能源，在能源生产端实现以可再生能源发电替代化石能源发电，因此利用工厂屋面安装光伏发电可实现在能源生产端以太阳能发电替代化石能源发电，有助于企业实现“双碳”目标。分布式屋面光伏发电符合国家的产业政策和地方对优化能源结构、保护环境、减少温室气体排放、节约能源的相关要求。

1.2 建设条件

该光伏发电项目地位于武汉市，湖北省太阳能资源空间分布总体上呈现两大特点：北多南少，以西部山区最显著，中东部变化相对较小；同纬度相比，平原多，山区少。湖北省各地年太阳能总辐射为3 450～4 800 MJ/m2。武汉市国家气象局的日射观测站，位于东经114.3°、北纬30.6°，根据武汉气象站2009—2019年的资料可知，武汉地区近10年日照小时数平均值为1 340.7h，总辐射量为4 826.52 MJ/m2，据《太阳能资源等级—总辐射》（GB/T 31155—2014）中太阳总辐射年辐照量表，该项目等级属于太阳能资源丰富带。武汉市逐月日照时数变化如图1所示。

图1 武汉地区逐月日照时数变化

统计结果显示，该地区的平均年日照时数约1 340.7 h，月平均日照时数在108.5 h，日照时间较长。其变化趋势亦呈现单峰型，5、6、7、8月份日照时数较高，其余月份较低，春冬季直射比较夏秋季略高，太阳辐射的这一特征对于开发利用太阳能有利。

该光伏发电项目的仓库屋面为彩钢瓦屋面，屋面承载力经结构复核，满足项目增加的相关荷载。

1.3 项目任务和规模

该项目利用工厂仓库屋面安装光伏发电并网，不占用耕地，主要任务为利用太阳能发电，待电站建成后，采用“分散逆变升压，自发自用”的模式，可有效减少外部用电需求，优化系统电源结构。屋面光伏发电是绿色工厂最好的体现。该项目的实施也将在国内同类型工厂起到示范作用。为促进我国太阳能发电技术的发展，做好太阳能技术的战略储备，建设若干个太阳能光伏发电示范电站，解决我国社会发展与能源紧缺的矛盾将有非常重大的意义。

该项目工厂仓库屋面可利用面积76 380 m2，装机容量约为11 MWp。

2 项目总体设计方案

2.1 光伏组件选型

工程中常用的光伏组件为晶体材料电池，具有代表性的有硅电池，包括单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池。

单晶硅光伏电池是最早出现、工艺最成熟的太阳能光伏电池，也是光伏组件大规模生产中效率最高的。随着单晶硅行业注重产品研发和推广，从而进一步降本增效，持续降低产品价格，加速单晶硅光伏电池产业平价进程［2］。单晶硅电池效率可达到16%～24%，与其他种类的电池相比，其稳定性好，同等容量太阳能电池组件所占面积小，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位。

多晶硅光伏电池的生产工艺与单晶硅基本相同，但由于生产多晶硅的硅片是由多个不同大小、不同取向的晶粒构成，因而多晶硅的转换效率要比单晶硅电池低，规模化量产的电池转换率已经达到14%～19%，低于单晶硅电池的水平。

对于一定的装机规模，功率大的组件使用的数量较少，组件数量少意味着组件间连接点少，故障几率减少，接触电阻小，线缆用量少，系统整体损耗也会降低。综合考虑光电转化效率、市场价格、运行可靠性、电站的自然环境、施工条件及设备运输条件等，为获得更好的收益，该项目选用目前国内主流的455Wp单晶硅光伏组件，其主要技术参数如表1所示。

表1 455 Wp单晶硅组件技术参数

2.2 光伏阵列运行方式

光伏组件通过支架固定在屋面上，支架安装方式目前技术最为成熟、成本相对较低、应用最广泛的方式为固定式安装。该项目工厂仓库屋面为彩钢瓦屋面，考虑其可安装性和安全性，光伏组件采用固定安装方式。光伏组件采用沿屋面倾斜方向平铺的铺设方式进行布置，组件安装倾角同原屋面。

2.3 逆变器选型

光伏逆变器是太阳能光伏发电系统的主要部件和重要组成部分，目前常用的逆变器有组串式逆变器、集中式逆变器。

组串式并网逆变器是基于模块化的概念，把光伏方阵中每个光伏组串输入到一台小功率的逆变器中，多个光伏组串和逆变器模块化地组合在一起，所有逆变器在交流输出端并联，然后通过交流并联电缆送入升压变压器中就地升压。目前常用组串式逆变器的功率等级通常在20 kW到225 kW。

本项目选用组串式逆变器，根据工厂仓库建筑的分布特点及负荷情况，选用225 kW组串式逆变器。组串式逆变器安装固定灵活，不需要配置专门的逆变器房，不受系统通风散热条件影响、故障率小、而且维护难度小，较短时间内即可完成单台逆变器的更换。当系统部分故障时，除了部分支路受影响外，其余部分依然可以保证最大功率输出。据有关数据统计，组串式逆变器相对于集中式逆变器来说，可以提高发电量约3%。

2.4 光伏发电系统

该光伏发电系统接入电压等级为6 kV，项目全部发电为工厂自用。选用每串回路串接组件数量26块。光伏发电系统原理图如图2所示。太阳能光伏发电系统效率考虑太阳能电池老化效率，交、直流低压系统损耗及其他设备老化效率，逆变器效率，电网损耗效率［3］。根据光伏组件年衰减情况分析表，按光伏电站使用寿命25年进行电站全寿命上网电量计算，项目25年发电量25 964万kW·h，年均发电1 038.6万kW·h。

3 项目实施效果

太阳能光伏发电是一种清洁、安全的可再生能源利用方式，不产生任何废气、废水和固型物排放污染。与火电相比，太阳能发电可节省发电用煤，并减环境污染，具有明显的节能减排效应。光伏发电是我国鼓励和支持开发的可持续发展的新能源，具有明显的经济、环境和社会效益。该项目具体节能减排效果如表2所示（按标煤煤耗为400 g/kW·h计）。光伏发电是将太阳能转化成电能的过程，在整个工艺流程中，不产生大气、液体、固体废弃物等方面的污染物，也不会产生大的噪声污染。从节约煤炭资源和环境保护角度来分析，该项目具有较为明显的经济效益、社会效益及环境效益。

表2 节能效果数据

光伏发电同燃煤发电相比，每年可节约可观的煤源及相应每年可减少多种有害气体和废渣排放。太阳能是清洁能源，充分利用太阳能发电对缓解当前的能源压力和环境压力都有着重要的意义。光伏发电在资源可持续性和环境友好性方面都具有明显优势，可在增加资产使用价值与附加值方面同时实现社会效益与经济效益的双赢［4］。

4 结语

1）该项目全过程分析，证明利用工厂车间、仓库等屋面建设分布式光伏发电是可行的，节能减排可达预期效果。

2）利用工厂屋面光伏发电，在能源生产端实现以可再生能源发电替代化石能源发电，助力企业实现碳达峰、碳中和目标。

3）合理利用工厂屋面空间，推广太阳能利用，实现太阳能光伏建筑一体化，有利于企业践行国家产业政策，实现绿色环保、节能创新发展。

4）工厂分布式屋面光伏发电，既能盘活企业屋面闲置空间的利用价值，又为工厂太阳能光伏建筑一体化建设和设计提供重要借鉴意义。