陈萍

（安徽华光光电材料科技集团有限公司 蚌埠市 233000）

0 引言

随着社会经济的发展和能源短缺矛盾的日益突出，人们逐渐把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。太阳能因取之不尽、用之不竭，具有清洁无污染、使用安全、价格低廉、寿命长等独有优势，被认为是目前最为理想的新型能源。

作为世界上最大的发展中国家，经济的飞速发展日益受到能源短缺的制约，合理利用巨大能量的太阳能资源解决能源问题已刻不容缓。中国地处温带和亚热带，具有比较丰富的太阳能资源，全国2/3的国土面积年日照2 200 h以上，年太阳辐射总量大于5 000 MJ/m2，具有有效利用太阳能的较好条件，而且太阳能光伏发电无需消耗燃料和架设输电线路，也节约了大量的人力、物力、财力。太阳能光伏发电站潜力巨大，配合积极稳定的政策扶持，中国太阳能光伏发电产业迅速发展，已成为全球光伏发电装机量增长最快的国家，据国家能源局统计数据显示，截至2018年上半年，我国光伏发电装机容量已达到1.5亿kW。

1 光伏发电原理及分类

光伏发电是利用具有光、电转换特性的半导体器件太阳能光伏电池，直接将太阳辐射能转变为电能。它的主要原理是半导体的光生伏特效应（简称光电效应），即利用光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同界面之间产生电位差，从而将光能直接转变为电能的一种技术，它首先是由光子转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压的过程。系统由太阳能电池、控制器和逆变器三大主要部件以及蓄电池、交流配电柜、监控系统、防雷系统等组成，其中太阳能电池和逆变器是光伏发电站的核心系统，太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的特点是可靠性高、使用寿命长、不污染环境、既能独立发电又能并网运行。光伏并网发电原理如图1所示。

光伏发电系统按输送方式可分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统和分布式光伏发电系统三类（独立光伏发电、并网光伏发电在文章中不涉及，这里不加赘述）。分布式光伏发电系统，又称分散式发电或分布式供能，是指在用电现场或靠近用电现场配置较小的光伏发电供电系统，以满足特定用电的需求，支持现存配电网的经济运行。分布式光伏发电系统包括光伏电池组件、光伏方阵支架、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜等设备，另外配有供电计量装置、监控装置和环境监测装置等。其运行模式是在有太阳辐射的条件下，太阳能电池组件阵列将太阳能转换输出的电能，经过直流汇流箱集中送入直流配电柜，由并网逆变器逆变成交流电供给企业自身负载，多余或不足的电力通过联接电网来调节。下面以安徽华光光电材料科技集团有限公司投建的“2 MWP分布式屋顶光伏发电站项目”为例，介绍分布式屋顶光伏发电系统在工业企业中的实际应用。

2 企业实际应用

安徽华光光电材料科技集团有限公司（以下简称安徽华光集团）位于安徽省北部城市蚌埠市，地理位置北纬32°56'，东经117°22'。该地区太阳能资源丰富，全年总日照辐射量5 058 MJ/m2，年日照天数245天，市区最高温度达40.8 ℃，光照条件良好，为公司建设分布式光伏发电项目提供了坚实的资源基础。蚌埠市全年日照资源情况见表1。

表1 蚌埠市全年日照资源情况

安徽华光集团属于典型高耗能的玻璃行业，电力消耗占产品能源消耗相当比例。利用光伏发电补充生产用电，是降低单位产品电力消耗经济有效的方式之一。公司 “高温太阳能薄膜电池玻璃”生产线于2018年初投产，利用新厂房屋顶及办公楼玻璃幕墙的有效面积建设分布式光伏发电项目，可充分节约企业能源成本，提高产品市场竞争力。

由于玻璃熔窑用电负荷较大，且用电负荷持续、稳定，其负荷大小也足以消纳该屋顶光伏电站发出的电力，因此采用完全自发自用的模式，即将光伏并网点设在用户电表的负荷侧，电量计量表设置双向计量，用户负荷直接消纳光伏发电量，以节省电费的方式直接享受电网销售电价，除此之外，光伏发电量还可另外享受政府补贴。

安徽华光集团分布式屋顶光伏发电系统于2018年5月顺利投产，项目采用的并网方式为用户侧并网，根据变压器容量、企业用电量和厂区房屋结构面积等实际条件，将公司切载成品库、原料及浮法联合车间、办公楼屋顶及墙面等可利用面积30 600 m2合理划分，共分布7个光伏系统接入点，每个接入点均配备容量适当的逆变器，组成各个独立发电单元。各独立发电单元以400 V电压等级经过交流汇流后，每400 kW经并网柜接入厂区配电箱，为就近负荷供电。建筑物主要为电气设备室，内设配电开关柜，太阳能电池板布置于户外钢制构架上，站区及电气设备室按规范配置移动消防设备。另外，公司厂区范围内布设光伏照明灯若干，每盏立杆式照明灯上方设置一块太阳能光伏板，利用控制器将白天光伏所发的电力储存在蓄电池中用作夜晚厂区照明使用。

项目厂房屋顶在设计时除了计算风雪等基础荷载外，还考虑到屋顶光伏电站组件、支架等设施的重量，增加了20 kg/m2的恒定荷载，符合屋面安装光伏电站的安全荷载要求。整个太阳能板按功能分区布置，每个太阳能电池板方阵之间留有合适宽度的检修通道。该系统主要装机容量2 MWP，建设面积30 600 m2，共用组件15 243片。光伏发电站具体分布规模参数见表2。

表2 光伏发电站具体分布规模参数

该系统光伏组件采用外形尺寸1 587 mm×664 mm的CIGS薄膜电池组件，单块功率130 WP。薄膜光伏电池具有轻薄、质轻、柔性好等优势，应用范围非常广泛，尤其适合用在光伏建筑一体化之中；屋顶全部采用彩钢板结构，考虑到屋顶的承重和电站的美观性，太阳能电池组件沿彩钢板角度平行铺设；系统共接入35台60 kW逆变器，交流汇入交流汇流箱，然后再接入并网柜，并网柜通过多回路接入厂区0.4 kV低压母线，直接并网发电；汇流箱具有防雷和防反功能。

当连续阴雨或者雾霾天气，太阳光辐射度较低，系统工作电压达不到逆变器的启动电压时，光伏系统不工作而不能满足负载需求，公共电网的电将自动补充，因此不存在电力不足而断电的问题。当电网失电时，也可直接切断光伏电网与公共电网的连接，防止“孤岛效应”发生，避免并网光伏发电系统对公共电网的影响。

3 效益分析

该玻璃熔窑采用天然气为主要燃料，辅助电加热燃烧。公司采用35 kV等级双回路供电。正常生产情况下，平均电力负荷在3 100 kW左右，高峰用电时段主要集中在白天，机电维修及办公行政使用。根据蚌埠市供电公司高峰、平谷和低谷用电时段划分：10:00~12:00的早峰时段和13:00~17:00的平谷时段，是太阳光日照最佳时段，也是公司高峰用电时段，高峰时段电费单价约是夜间低谷电价的2.4倍。由此可见，利用最强太阳光辐射能发电补充公司高峰时段生产用电可在一定程度上起到削峰作用。

在充分考虑到组件本身热损、灰尘损耗、不可避免的遮挡物损热以及设备故障等情况，技术人员测算出此分布式屋顶光伏发电系统的运行效率可达到83%左右。双向计量表输出信号通过数据采集装置，将温度、辐射度、光伏电压、电流、功率等实时数据传输到后台监控系统中，便于技术人员实时观测系统运行情况。根据该系统实际运行数据来看，光伏发电项目实施前与实施后的负荷曲线对比如图2所示。

图2 光伏发电项目实施前与实施后的负荷曲线对比

通过图2可以看出：项目实施前，每天上午高峰用电负荷约3 310 kW，下午用电负荷约3 380 kW；项目实施后的负荷有了明显下降，上午高峰用电负荷降至2 300 kW，下午降至2 350 kW，下降负荷即可理解为该项目光伏发电量。具体数据列表3进行分析对比更显直观。

表3 分布式屋顶光伏发电项目实施前后参数对比

表3中列出项目实施前后负荷对比情况，得出日均发电量8 180 kWh，参考蚌埠市平均日照天数245天，预计全年发电量约200万kWh。公司现实行两部制电价：基本电费电价+峰谷平电量电价 ，按公司实际综合执行电价约0.74元/kWh计算，全年可节约电费148万元。

除发电量直接节约的电费支出以外，安徽省对光伏发电自发自用模式还有政策支持，即对光伏发电量还进行补贴，补贴标准为0.32元/kWh（含税），公司每年可获财政补贴70.4万元。综合以上，公司分布式屋顶光伏发电每年可产生收益218.4万元，经济效益可观，结合光伏发电项目建设成本，预计7～8年即可收回全部投资成本。

由于光伏发电系统没有燃烧过程，不会产生空气污染和噪音，是清洁的低碳能源，具有显著的社会环保效益。就减少二氧化碳效果而言，安装1 m2光伏发电系统相当于植树造林100 m2，是最优质的绿色能源之一。分布式光伏发电除经济效益外，对于人类环境保护还将产生更为长远的社会效益。

为了保证分布式屋顶光伏发电系统的运行效率，需要对系统部件进行定期检查、维护，包括外观检查和设备内部检查。外观检查维护主要是擦拭组件，及时清理遮挡树木或杂物，宜选择清晨或傍晚进行，以减少太阳强光灼伤，冬季要及时去除屋顶积雪，避免影响发电量；其次，对设备内部的检查，一般采用红外照相的方法对光伏方阵、线缆和连接器等主要电器元件深度检查，如接线盒的密封情况，确保没有裂纹或缝隙，连接器连接是否紧密、无腐蚀、无发热现象，防止啮齿动物破坏或气候原因造成的组件老化，光伏组件接地是否良好等。公司指派专业人员对该分布式屋顶光伏发电系统进行巡检维护并做好巡检记录，对发现的问题及时分析处理，确保系统安全可靠地运行。

4 结语

中国可再生能源资源丰富，具有大规模开发的资源条件和技术潜力，可为未来社会和经济发展提供可靠的能源保证。在我国，限制煤电、支持可再生能源发展的政策不会改变，尤其是太阳能光伏发电因其独特优势，被广泛运用。预计到2040年，可再生能源将占总能耗的50%以上，太阳能光伏发电将占总电力的20%以上；到21世纪末，太阳能发电将占总电力60%以上。由此可见，光伏将是未来低碳发展和能源转型的主力军，在能源领域有着重要的战略地位。

充分认识分布式屋顶光伏发电在工业企业实施的可行性、适用性和经济性，准确把握光伏产业未来的发展趋势，抓住市场机遇， 光伏发电给工业企业带来更好的经济效益、环境效益。