钢铁企业分布式光伏发电系统的建设经验介绍

王海波，栾国文，杨领芝

(青岛特殊钢铁有限公司，青岛 266409)

0 引言

中国的钢铁行业经过几十年的技术进步，尤其是近10年来，能耗指标发生了巨大变化，吨钢综合能耗已处于世界领先水平[1]，但中国依然是世界上能源结构以煤炭为主的国家之一，也是世界上最大的煤炭消费国。开发利用太阳能资源是调整能源结构、实施能源可持续发展的有效手段。

为积极响应国家碳达峰、碳中和的号召，在进行技术创新、降低系统能耗的同时，应鼓励钢铁企业采用“自发自用”模式，利用厂区内的建筑物屋顶建设分布式光伏发电系统[2]，以降低钢铁企业总体电力资源消耗水平。光伏发电是清洁的可再生能源利用方式，没有大气、水污染问题和废渣堆放问题。光伏发电项目运行期的主要能源消耗为集电线路、电气设备的损耗和生产、生活用电的消耗，建设一个环保、低耗能、节约型的光伏发电项目必要且可行。本文以青岛特殊钢铁有限公司(下文简称为“青岛特钢”)在其厂区屋顶建设的分布式光伏发电系统(下文简称为“青岛特钢分布式光伏发电系统”)为例，从基础条件分析、系统方案设计、创新点及节能效果分析3个方面，对利用钢铁企业厂区屋顶建设分布式光伏发电系统的情况进行了经验介绍。青岛特钢分布式光伏发电系统的总装机容量为23 MWp，共安装了59836块385 Wp单晶硅光伏组件[3]，总安装面积为25万m2；光伏发电系统自发电就地升压到10 kV，可并入电网直接使用。实际数据显示，该分布式光伏发电系统的经济效益显著。

1 青岛特钢建设分布式光伏发电系统的基础条件分析

1.1 青岛特钢的太阳能资源分析

青岛特钢的厂区位于山东省青岛市。山东省的水平面年均太阳总辐射量在1400～1550 kWh/m2之间，为“很丰富”地区，属于II类太阳能资源区；从地域分布来看，其年均太阳总辐射量为从东向西逐渐增加[4]，具体如图1所示。

图1 山东省的水平面年均太阳总辐射量分布图Fig. 1 Distribution of annual average total solar radiation in the horizontal plane of Shandong Province

采用Meteonorm7的资料作为依据，对青岛特钢所在区域的太阳能资源进行整理，得到该区域的水平面多年平均太阳总辐射情况[5]，具体如表1所示。该区域的水平面月均太阳辐射量的变化情况如图2所示。

表1 青岛特钢所在区域的水平面多年平均太阳总辐射情况Table 1 Situation of multi-year average total solar radiation in the horizontal plane in the area where Qingdao Special Iron and Steel Co.，Ltd. is located

从图2可以看出：青岛特钢所在区域各月的水平面月均太阳辐射量的变化较大，呈现出单峰变化形式，1—5月的水平面月均太阳辐射量逐渐增大，5月时达到全年最大值，为637.20 MJ/m2；6—12月的水平面月均太阳辐射量逐渐减小，12月达到全年最小值，为234.00 MJ/m2。总的来说，青岛特钢所在区域秋季和夏季各月的水平面月均太阳辐射量较大，春季和冬季各月的水平面月均太阳辐射量较小。

图2 青岛特钢所在区域的水平面月均太阳辐射量变化情况Fig. 2 Variation of monthly average solar radiation in the horizontal plane in the area where Qingdao Special Iron and Steel Co.，Ltd. is located

1.2 制约光伏发电系统高效运行的因素分析

青岛特钢厂区范围内的水平面年均太阳总辐射量约为5223.60 MJ/m2，属于太阳能资源很丰富的等级，太阳能资源较稳定。制约光伏发电系统高效运行的天气因素主要为气温、扬沙及浮尘、风速、雷暴、雪及积雪5个方面，综合分析青岛市的气候特点，针对这些因素对青岛特钢分布式光伏发电系统的高效运行影响进行分析。

1.2.1 气温

青岛市的温差较大，年平均气温为7.1 ℃，年均最低气温为-6.6 ℃，年均最高气温为21.9 ℃。从气温情况来看，青岛特钢分布式光伏发电系统中光伏组件的工作温度可控制在其允许范围以内。

1.2.2 扬沙及浮尘

沙尘天气会带来扬沙及浮尘，进而影响光伏发电系统的运行效率。青岛特钢地处沿海地区，周边环境优良，并且已经完成了超低排放技术改造，空气质量优良，因此，该因素造成的影响不大。通过运行维护中周期性的清洗工作，可使青岛特钢分布式光伏发电系统一直处于高效运行状态。

1.2.3 风速

青岛特钢濒临黄海，所在地的地势平坦，常年风速平均值为4.8 m/s，风速最大值为30 m/s。夏季风向主要为东南风，冬季风向以西北风为主。综合考虑后发现，风速、风向对青岛特钢分布式光伏发电系统运行产生的不利影响较小。

1.2.4 雷暴

青岛特钢所在地区年平均雷暴天数为20.8天。由于分布式光伏发电系统的占地面积较大，光伏组件都安装在固定金属支架上，所有光伏组件安装框架都采用了先进的防雷接地措施[5]，因此，雷暴对青岛特钢分布式光伏发电系统的运行影响较弱。

1.2.5 雪及积雪

在光伏发电系统运行过程中，雪天及积雪对其影响显著[6]，积雪能够覆盖光伏组件表面，从而影响分布式光伏发电系统的发电。青岛市的年平均雪天为6.8天，在本项目中，光伏组件的安装是选取向阳坡屋顶进行布置安装，并使光伏阵列倾斜适当角度，以便于运行过程中进行光伏组件表面积雪的清理工作，从而降低积雪对分布式光伏发电系统发电的影响程度。

1.3 青岛特钢建设分布式光伏发电系统的优势

1)青岛特钢每天的用电量约为1500万kWh，因此分布式光伏发电系统每天的发电量耗用率可保证达到100%；

2)青岛特钢厂区的总土地面积为7500亩(1亩≈666.67 m2)，建筑物和厂房的屋顶总面积为100万m2，厂房钢结构强度较高，完全符合分布式光伏发电系统的建设条件；

3)青岛特钢拥有完备的专业技术力量，能够保障分布式光伏发电系统的日常运行维护工作。

2 青岛特钢分布式光伏发电系统的方案设计

青岛特钢分布式光伏发电系统的一期规划总装机容量为23 MWp，采用“自发自用、余电上网”模式，在厂区建筑物和厂房屋顶铺设分布式光伏发电系统；系统采用标称功率为385 Wp的单晶硅光伏组件，选用230台100 kW组串式并网逆变器，单个光伏发电单元故障或检修对整个青岛特钢分布式光伏发电系统的运行没有影响。

2.1 光伏组件的安装分配方案

本项目的光伏组件全部采用国产的385 Wp单晶硅光伏组件，共59836块，光伏组件串联数量为“20块1串”，采用组串式并网逆变器，升压变压器容量为1000 kVA。所有光伏组件顺屋面坡势固定安装，组串式并网逆变器就地安装于分布式光伏发电系统所在的屋面或附近的外墙上。青岛特钢的建筑物和厂房屋顶面积及光伏组件安装情况统计表如表2所示。

表2 青岛特钢的建筑物和厂房屋顶面积及光伏组件安装情况统计表Table 2 Statistical table of roof area of buildings and workshops and PV modules installation in Qingdao Special Iron and Steel Co.，Ltd.

2.2 电气及自动化控制设计方案

青岛特钢分布式光伏发电系统的自动化控制采用“无人值守”模式。具体为采用“计算机+工业视频监控”方式，针对关键控制点，引入视觉识别技术对重点区域进行人员闯入、烟雾火焰和隔离开关等视觉监控。异常情况下，系统自动向相关运维人员发出预警信息。

分布式光伏发电系统的电气设计为光伏阵列就地升压为10 kV，然后接入厂区配电室的10 kV母排，共计4个并网点。

2.3 光伏组件的选型

晶体硅光伏组件和薄膜光伏组件是当前广泛应用的两种光伏组件。相比之下，晶体硅光伏组件的制造技术更为成熟，在大型光伏发电项目中有广泛且成熟的应用[7]。目前，采用薄膜光伏组件的光伏发电系统的最长运行时间不到25年，其可靠性还需检验。晶体硅光伏组件中，虽然多晶硅光伏组件的光电转换效率高于单晶硅光伏组件的光电转换效率，但单晶硅光伏组件的价格更低。由于光伏组件的造价在工程总造价中的占比在60%以上，从节省工程投资的角度考虑，本项目选用了单晶硅光伏组件[8]。

2.4 光伏组串的设计方案

光伏组串的最高输出电压必须低于组串式并网逆变器允许的最高输入电压，最低输出电压必须大于组串式并网逆变器允许的最低输入电压。根据GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》，光伏组件串联数N(N向下取整数)的计算式为：

式中：Vdc,max为逆变器允许的最大直流输入电压；Voc为光伏组件的开路电压；Vpm为光伏组件的工作电压；Vmppt,max为逆变器最大功率点跟踪(MPPT)电压最大值；Vmppt,min为逆变器MPPT电压最小值；t为光伏组件工作条件下的极限低温；t′为光伏组件工作条件下的极限高温；Kv为光伏组件的开路电压温度系数；K′v为光伏组件的工作电压温度系数。

根据式(1)、式(2)可知，本项目光伏组件的串联数为20块。在每个屋面按照每串光伏组串为20块光伏组件进行配置，则每串光伏组串的峰值功率为385×20=7700 Wp，对应于100 kW的组串式并网逆变器的标称功率计算，并考虑青岛地区的太阳能资源，按照组串式并网逆变器最大输入功率计算，可得到并联的路数为15路，即15串光伏组串并联形成1个光伏阵列(即为1个光伏发电单元)。

2.5 光伏阵列的布局

青岛特钢的厂房为彩钢瓦屋面，且屋面情况良好。本项目光伏组件采用纵向放置，排成规则的行和列，整个屋面由多个光伏阵列组成。按照全年09:00～15:00前后排光伏阵列之间无阴影遮挡的前提进行设计，光伏组件采用“彩钢瓦1+1”(BAPV)模式，顺屋面坡度铺设，铺设示意图及效果图如图3所示。

图3 光伏组件采用BAPV模式铺设示意图及效果图Fig. 3 Schematic diagram and effect diagram of PV modules are laid with BAPV mode

利用天正阴影分析软件对青岛特钢分布式光伏发电系统屋面的障碍物及阴影遮挡进行了模拟分析，分析结果如图4所示。

图4 屋面障碍物及阴影遮挡的模拟分析结果Fig. 4 Simulation analysis results of rooftop obstacles and shadow occlusion

2.6 逆变器的选型

在光伏发电系统中，并网逆变器是关键设备。在逆变器选型方面，主要技术原则是：1)对直流输入电压有较宽的适应范围；2)能够进行MPPT，在光伏发电系统实际运行中，逆变器的输入端电压实现自适应调整，以保障光伏发电系统一直保持在最大功率点上运行。

数据采集方面，逆变器有多种通信接口，采集到的数据发送到中控室，在控制器上有模拟输入端口与外部传感器相连接，能够进行自动测量并储存温度、日照等信息，为整个光伏发电系统的数据分析处理提供数据支撑[9]。

目前国内分布式光伏发电项目主要采用10～50 kW的组串式并网逆变器，且组串式并网逆变器在屋顶分布式光伏发电项目中必须考虑屋面承重及结构形式，因此逆变器重量方面，宜选用轻型产品。但由于青岛特钢厂房屋顶的承重能力较好，因此本分布式光伏发电系统采用100 kW、9路MPPT跟踪输入的组串式并网逆变器。

2.7 发电量相关计算

2.7.1 发电量计算

青岛特钢分布式光伏发电系统的发电量计算采用RETScreen软件，数据采用Meteonorm7的多年平均水平面月均太阳辐射量数据(见表1)。

若每块光伏组件在1 h中接收的太阳辐射量为1 MJ/m2，计算得到其在1000 W/m2太阳辐照度条件下的等效发电小时数为3.6 h。而光伏组件的峰值功率是在太阳辐照度为1000 W/m2条件下标定的，因此，光伏发电系统理论发电量的计算方法为：峰值日照小时数乘以装机容量。本项目的月均峰值日照小时数参照表1。

根据水平面太阳总辐射量及装机容量数据，可计算得到本项目的平均倾斜面太阳总辐射量及发电量[10]。

2.7.2 系统效率计算

在并网光伏发电系统中，光伏阵列发电效率、逆变器转换效率及交流并网效率会共同影响光伏发电系统的系统总效率。

1)光伏阵列发电效率η1：光伏阵列发电效率为在太阳辐照度为1000 W/m2条件下，光伏阵列的实际直流输出功率与其标称功率的比值。

光伏阵列的传输过程和能量转换中的主要损失取值包括：阴影遮挡损失，取2%；光伏组件匹配损失，取2%；直流线路损失，取3%；温度影响，取3%；表面尘埃遮挡，取2%；光照角度损失，取1%；不可利用的太阳辐射损失，取1%；光伏组件质量损失，取1%。综合以上要素，本项目的光伏阵列发电效率为85%。

2)逆变器转换效率η2：逆变器转换效率为逆变器交流输出功率与直流输入功率的比值。

逆变器转换效率中的主要损失取值包括：变压器损失，取1%；MPPT精度损失，取1%；逆变器转化损失，取1%。综合以上要素，本项目的逆变器转换效率为97%。

3)交流并网效率η3：交流并网效率为逆变器输出到高压电网中的传输效率。在传输过程中，最主要的损耗来自于升压变压器效率和交流电气连接的线路损耗，通常取值为94%～96%。本项目的交流并网效率采用96%。

综上所述，青岛特钢分布式光伏发电系统的系统总效率η=η1η2η3=79%。

2.8 年均理论发电量的计算

青岛特钢分布式光伏发电系统的光伏组件均采用固定金属支架安装在屋顶上。根据本项目所在地的太阳能资源，以及系统总装机容量(23 MWp)、系统总效率(79%)等数据，计算运行期内，本项目的理论首年逐月发电量和月均利用小时数，结果如表3所示。

表3 本项目的理论首年逐月发电量及 月均利用小时数Table 3 Theoretical monthly power generation capacity and monthly average utilization hours of the project in the first year

经计算，本项目25年运行期内的理论年发电量及理论年均利用小时数如表4所示。

表4 25年运行期内的理论年发电量及 理论年均利用小时数Table 4 Theoretical annual power generation capacity and theoretical annual average utilization hours in the 25-year operation period

(续表)

从表4可以看出：青岛特钢分布式光伏发电系统的25年运行期的理论总发电量为60909.22万kWh，理论年均发电量为2436.37万kWh，理论年均利用小时数为1059.29 h，理论日均利用小时数为2.90 h。

3 项目创新点及节能效果分析

3.1 项目创新点

青岛特钢分布式光伏发电系统的创新点主要体现在以下3个方面：

1)光伏组件采用光伏组串的方式排布以获得高电压，经逆变器后就地升压至10 kV，接入厂内电网，能满足各种电机的用电需求；

2)采用视觉识别技术对变电站的安全运行进行监督，真正实现了变电站的无人值守。

3)分布式光伏电力清洁无污染，且经济效益突出，项目的首年日均发电量理论值为7.23万kWh。

3.2 项目节能效果分析

以燃烧煤炭的火力发电为参考，计算青岛特钢分布式光伏发电系统的节能减排效益。本项目于2020年10月投入运行，运行10个月的累计实际发电量为2390万kWh，日均实际发电量为7.9万kWh。以该数据进行计算，25年运行期内可发电72088万kWh，创造效益达约1.4亿元，经济效益突出。

根据专家统计，每节约电量1 kWh，就相应节约了标准煤0.4 kg，同时减少了0.272 kg碳粉尘、0.997 kg二氧化碳、0.03 kg二氧化硫、0.015 kg氮氧化物等污染排放，则0.400、0.272、0.997、0.030、0.015为各参数的节能效益转换系数。经过转换计算，可得到青岛特钢分布式光伏发电系统25年运行期内的节能减排效果，具体如表5所示。

表5 本项目25年运行期内的节能减排效果Table 5 Effect of energy conservation and emission reduction during the 25-year operation period of the project

4 结论

本文以青岛特钢在其厂区屋顶建设的分布式光伏发电系统为例，对利用钢铁企业厂区屋顶建设分布式光伏发电系统的情况进行了经验介绍。该项目25年运行期的理论总发电量为60909.22万kWh，理论年均发电量为2436.37万kWh，理论年均利用小时数为1059.29 h。25年运行期内，项目可节约标准煤288352.00 t，减排碳粉尘196079.36 t，减排二氧化碳718717.36 t，减排二氧化硫21626.40 t，减排氮氧化物10813.20 t，节能减排效果显著。

青岛特钢屋顶分布式光伏发电项目充分利用了厂区房顶，为钢铁企业能源结构优化提供了示范性思路。光伏电力在生产过程中不排放任何有害气体和固体废弃物，环境效益明显，且具有良好的社会效益和综合经济效益，值得大力推广。