安科瑞 劉邁

摘要：主要對工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用進行研究,，為工業(yè)廠區(qū)能源供應(yīng)提供一種全新的解決思路和技術(shù)支持,。介紹了工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)及其優(yōu)勢，分析了工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)設(shè)計的要點,，通過對工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)應(yīng)用案例的研究,，對電力消納,、系統(tǒng)設(shè)計方案進行了詳細論述，*后對未來的廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)設(shè)計給出了建議,。

關(guān)鍵詞：工業(yè)廠區(qū)屋頂,；分布式光伏；可再生能源

0引言

在七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上鄭重宣布：“中國將提高自主貢獻力度,，采取更加有力的政策和措施,，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和,。”這既是中國推動構(gòu)建人類命運共同體的重大舉措,，也是負責任大國的莊嚴承諾。分布式光伏作為光伏發(fā)電的一種重要方式,，由于其低維護成本和廣泛應(yīng)用場景,，已成為實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型和碳中和目標的重要手段之一。

目前中國許多工業(yè)廠區(qū)屋頂資源尚未得到充分開發(fā)和利用,，存在大量未利用的潛在屋頂光伏資源,。本研究的主要目的是分析工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)的設(shè)計要點，深入研究分布式光伏在工業(yè)廠區(qū)中的應(yīng)用潛力,。開展相關(guān)案例研究,，為設(shè)計提供依據(jù)，并為光伏行業(yè)從業(yè)者提供可行性評估和決策支持,，促進中國分布式光伏發(fā)電的普及應(yīng)用,，推動可再生能源在工業(yè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，為實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和碳中和目標做出貢獻,。

1工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)及其優(yōu)勢

工業(yè)廠區(qū)分布式光伏系統(tǒng)是利用工業(yè)廠區(qū)屋頂資源搭建的,，通過逆變器將直流光伏電能轉(zhuǎn)換為交流電供廠區(qū)使用,。相比于集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)，工業(yè)廠區(qū)分布式光伏系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢,。

1）降低能源成本,。工業(yè)廠區(qū)分布式光伏系統(tǒng)可以充分利用廠區(qū)閑置的屋頂空間，將其轉(zhuǎn)化為光伏發(fā)電的空間資源,。這不僅可以提高廠區(qū)可再生能源的利用率,，還可以將未利用的屋頂空間資源轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟效益，降低企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營成本,。

2）節(jié)約線路投資,。工業(yè)廠區(qū)分布式光伏系統(tǒng)可以減少電力輸送線路和損耗。集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)需要長距離輸送電力至用電地點,，而分布式光伏系統(tǒng)更加靠近用電地點,，可以縮短輸電距離和降低能源損耗，提高電力傳輸?shù)男省?/p>

3）節(jié)省土地資源,。工業(yè)廠區(qū)分布式光伏系統(tǒng)利用了廠區(qū)的屋頂空間，無須占用額外的土地,，避免了土地資源的浪費和環(huán)境破壞,。

4）減少環(huán)境污染。分布式光伏系統(tǒng)采用清潔能源發(fā)電,，減少了燃煤等傳統(tǒng)能源的使用,，降低了環(huán)境污染。

2工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)設(shè)計要點分析

2.1光照條件和陰影分析

工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)的設(shè)計中,，需要考慮工業(yè)廠區(qū)特殊環(huán)境因素對系統(tǒng)的影響,，如氣候條件、建筑結(jié)構(gòu)等,。光伏組件的安裝位置,、角度和傾斜度等應(yīng)結(jié)合這些因素進行設(shè)置，需要與廠區(qū)實際情況相匹配,，以實現(xiàn)發(fā)電效率的*大化,。因此，光照條件和陰影分析非常重要,，通過對廠區(qū)屋頂進行光照條件和陰影分析,，可以確定光伏組件布置方式，以確保系統(tǒng)的發(fā)電效率和綜合經(jīng)濟效益,。

1）需要對廠區(qū)屋頂進行日照分析,，確定每天的光照時間和光照強度，可通過太陽光強度測量儀器或使用光伏系統(tǒng)設(shè)計輔助軟件（PVsyst）實現(xiàn),。根據(jù)光照時間和光照強度的分布情況,，確定光伏組件的擺放方式和方向,。

2）陰影分析是為了確定工業(yè)廠區(qū)屋頂任何可能的陰影源，如高聳建筑物,、樹木等,。可通過天正軟件日照系統(tǒng)進行陰影遮擋分析,。陰影會導(dǎo)致光伏組件發(fā)電功率降低,，因此需要合理規(guī)劃光伏組件的位置，以*大程度降低陰影對系統(tǒng)發(fā)電效率的影,。

2.2光伏組件及逆變器的選擇

在工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)設(shè)計中,，選擇適合的光伏組件和逆變器十分重要。光伏組件是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的關(guān)鍵部件,，而逆變器則是將直流電轉(zhuǎn)化為交流電的設(shè)備,。

選擇光伏組件時，需要考慮光伏組件的效率,、可靠性,、耐用性和成本等因素。高效率的光伏組件可以提高系統(tǒng)的發(fā)電效率,，而可靠性和耐用性則可以保證系統(tǒng)長期運行的穩(wěn)定性,。此外，還應(yīng)考慮光伏組件的尺寸和質(zhì)量,，以確保其適合廠區(qū)屋頂?shù)陌惭b條件,。

目前光伏組件電池主要分為晶硅電池、薄膜電池和聚光電池,，其中晶硅電池產(chǎn)量占比超90%,。晶硅電池中，PERC（PassivatedEmitterandRearCell,，發(fā)射極及背面鈍化電池）是目前主流,，市場占比近90%；Al-BSF（Al-BackSurfaceField,，鋁背場電池）占比縮減至2.5%,，處于被淘汰狀態(tài)；HJT（Hetero-junctionwithIntrinsicThin-layer,，本征薄膜異質(zhì)結(jié)）電池,、TOPCon（TunnelOxidePassivatedContact，隧穿氧化層鈍化接觸）電池和IBC（InterdigitatedBackContact,，全背電極接觸）電池的市場占比呈上升趨勢,。薄膜電池市場占比很小，目前逐步轉(zhuǎn)向應(yīng)用于BIPV（BuildingIntegratedPV，光伏建筑一體化）,。光伏組件技術(shù)路線主要為晶硅組件技術(shù),，晶硅組件目前轉(zhuǎn)換效率約為23%。相比而言,，未來n型晶硅電池較P型晶硅電池轉(zhuǎn)換效率的提升空間更大,。

逆變器的選擇需要考慮逆變器的功率和效率。逆變器的功率應(yīng)與光伏組件的總功率相匹配,，以確保系統(tǒng)的正常運行,。而逆變器的效率則決定了系統(tǒng)的發(fā)電效率和經(jīng)濟效益。根據(jù)不同技術(shù)路線以及應(yīng)用場景,，逆變器可分為如表1所示的幾種類別,。

表1不同技術(shù)路線逆變器對比情況

截至目前,，受益于中國分布式市場裝機大幅增長,，中國光伏逆變器市場發(fā)展為以組串式逆變器為主，集中式和集散型逆變器占比進一步縮小,。其中,，組串式逆變器占比提升至78%以上，而集中式逆變器占比為20%左右,，集散式逆變器小幅降低,。

2.3地面電纜布線設(shè)計

在工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)設(shè)計中，地面電纜布線設(shè)計是確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要環(huán)節(jié),。地面電纜布線設(shè)計涉及電纜的選擇,、布線路徑的設(shè)計和保護措施的設(shè)置等方面。

選擇合適的電纜是地面電纜布線設(shè)計的首要任務(wù),。需要考慮電纜的電壓等級,、電流容量和環(huán)境適應(yīng)性等因素。電纜的電壓等級應(yīng)與系統(tǒng)電壓匹配,，電流容量應(yīng)滿足系統(tǒng)需求,，而環(huán)境適應(yīng)性則需要考慮電纜的耐候性和耐腐蝕性等能力,。

在布線路徑設(shè)計中，需要考慮電纜的長度,、拐角和延伸,，以*大限度減小電纜的損耗和阻抗。同時,，還需考慮電纜壓降,，以保證光伏發(fā)電質(zhì)量。

電纜保護措施方面,，直流電纜穿PVC管或橋架敷設(shè),，在屋面及墻面敷設(shè)的交流電纜穿橋架敷設(shè)，電纜埋地敷設(shè)時需穿保護管或設(shè)置電纜保護板以防止電纜受到損壞或外界干擾,。

2.4并網(wǎng)接入設(shè)計

工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)接入設(shè)計是確保光伏系統(tǒng)與廠網(wǎng)正常連接并安全運行的重要一環(huán),。并網(wǎng)接入設(shè)計包括廠網(wǎng)連接點的選擇、電網(wǎng)保護裝置的設(shè)置和并網(wǎng)安全措施的設(shè)置等方面,。廠網(wǎng)連接點的性能應(yīng)與系統(tǒng)的發(fā)電容量和負荷需求相匹配,，并具備穩(wěn)定的供電能力，提供良好的電能質(zhì)量,。電網(wǎng)保護裝置主要包括過流保護,、過壓保護、防孤島及防逆流保護等裝置,。這些保護裝置可以保證系統(tǒng)和電網(wǎng)之間的安全連接,，防止系統(tǒng)因故障對電網(wǎng)造成影響。并網(wǎng)安全措施包括建立接地系統(tǒng)以及采取防雷措施,，建立接地系統(tǒng)可以確保系統(tǒng)與地面之間的電勢平衡,，采取防雷措施可以減少雷擊對系統(tǒng)的影響。

3工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)應(yīng)用案例研究

3.1項目概況

某公司廠區(qū)建筑屋頂分布式光伏發(fā)電站項目（以下簡稱“項目”）位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗五間房產(chǎn)業(yè)園區(qū),。廠區(qū)擁有多座面積較大的屋頂,，具備良好的光照條件，利用屋頂空間搭建分布式光伏電站,，采用“自發(fā)自用”模式為廠區(qū)提供清潔電能,。觀展平臺原貌圖如圖1所示，啟動鍋爐房,、尿素車間,、檢修綜合樓原貌圖如圖2所示。

圖1觀展平臺原貌圖

圖2啟動鍋爐房,、尿素車間,、檢修綜合樓原貌圖

3.2電力消納情況

該項目裝機容量為1.625595MW（峰值功率），所發(fā)電能就地消納。目前廠區(qū)擁有2臺6.6×105kW的發(fā)電機組,，廠用電率為6.5%,，廠用電負荷為85.8MW，廠用電負荷遠大于該項目發(fā)電容量,。在不發(fā)電的情況下,，根據(jù)資料計算，線路檢修機組雙停期間,，廠內(nèi)場用電總負荷（包括生活用電,、汽機鍋爐、化學用電等）為3.034MW,，因此該期項目光伏發(fā)電容量可就地消納,。

4系統(tǒng)設(shè)計方案

安科瑞電光伏電站監(jiān)控軟件采用Acrel-2000Z，是安科瑞電氣股份有限公司總結(jié)多年的開發(fā),、實踐經(jīng)驗和大量的用戶需求而設(shè)計針對用戶配電系統(tǒng)和光伏電站的實時監(jiān)控系統(tǒng),。

4.1軟件運行環(huán)境配置

服務(wù)器上安裝Windows7操作系統(tǒng)。

4.2光伏電站電力監(jiān)控軟件架構(gòu)

軟件采用C/S架構(gòu),，實時采集光伏電站電流,、電壓、日/月/年/累計發(fā)電量和氣象數(shù)據(jù),。

4.3光伏電站電力監(jiān)控軟件功能

對光伏電站的整體信息進行監(jiān)控,，采用圖形和數(shù)據(jù)的形式實時動態(tài)地展現(xiàn)電站概況、電站實時發(fā)電及發(fā)電統(tǒng)計信息,。包括電站概括,、環(huán)境參數(shù)、實時信息,、發(fā)電量統(tǒng)計及發(fā)電量信息

通過主界面可以對光伏陣列現(xiàn)場環(huán)境進行實時監(jiān)測與顯示,，如室外溫度值、風速,、風向、光照強度等,。

a）通過對電站內(nèi)一次及二次配電網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的監(jiān)控,，了解電站內(nèi)各電氣設(shè)備的運行情況及狀態(tài)，并對電站的并網(wǎng)狀態(tài),、有/無功功率流向情況等進行實時監(jiān)控,。

b）光伏組件分布監(jiān)控

能夠根據(jù)微逆變反應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示各組太陽能電池板的工作狀態(tài)（是否正常發(fā)電），根據(jù)組串式逆變器顯示各光伏組串輸出功率,，分別計量兩種兩種逆變方式的發(fā)電量日發(fā)電量,、日發(fā)電量曲線、月發(fā)電量柱狀圖、年發(fā)電量柱狀圖等,，并對這兩種方式發(fā)電量進行對比,。

c）逆變器監(jiān)控

組串式逆變器主要監(jiān)測指標包括：

直流電壓、直流電流,、直流功率

交流電壓,、交流電流

逆變器內(nèi)溫度、時鐘

頻率,、功率因數(shù),、當前發(fā)電功率

日發(fā)電量、累積發(fā)電量,、累積CO2減排量

電網(wǎng)電壓過高,、電網(wǎng)電壓過低

電網(wǎng)頻率過高、電網(wǎng)頻率過低

直流電壓過高,、直流電壓過低

逆變器過載,、逆變器過熱、逆變器短路

散熱器過熱

逆變器孤島

DSP故障,、通訊故障等,。

監(jiān)控系統(tǒng)可繪制顯示逆變器電壓—時間曲線、功率—時間曲線等,，直流側(cè)輸入電流實時曲線,、交流側(cè)逆變輸出電流曲線，并采集與顯示各逆變器日發(fā)電量等電參量,；

d）交流匯流箱監(jiān)控

交流匯流箱主要監(jiān)測指標包括：

光伏組串輸出直流電壓,、輸出直流電流、輸出直流功率

各路輸入總發(fā)電功率,、總發(fā)電量

匯流箱輸出電流,、匯流箱輸出電壓、匯流箱輸出功率

電流監(jiān)測允差報警

傳輸電纜/短路故障告警

空氣開關(guān)狀態(tài),、故障信息等

e）交流配電柜監(jiān)控

交流配電柜主要監(jiān)測指標包括：

光伏發(fā)電總輸出有功功率,、無功功率

功率因數(shù)、電壓,、電流

斷路器故障信息,、防雷器狀態(tài)信息等

f）并網(wǎng)柜監(jiān)控

通過對并網(wǎng)柜的監(jiān)控，計量上網(wǎng)電量,、內(nèi)部用電量,、電能質(zhì)量、光伏發(fā)電系統(tǒng)有功和無功輸出,、發(fā)電量,、功率因數(shù),、并網(wǎng)點的電壓和頻率、注入系統(tǒng)的電等參數(shù),，計算碳減排量,，并折算成標準煤，計算發(fā)電收益,。

g）環(huán)境參數(shù)監(jiān)控

環(huán)境參數(shù)主要監(jiān)測指標包括：

日照輻射

風速,、風向

環(huán)境溫度

太陽能電池板溫度等

對比實際微逆或幾種微逆輸出指導(dǎo)電池板需要清洗等信息。

h）歷史數(shù)據(jù)管理

監(jiān)控系統(tǒng)可針對光伏發(fā)電現(xiàn)場的各種事件進行記錄,，如：通訊采集異常,、開關(guān)變位、操作記錄等,，時間記錄支持按類型查詢,，并可對越限報警值進行更改設(shè)置；

i）日發(fā)電趨勢分析

系統(tǒng)提供了實時曲線和歷史趨勢兩種曲線分析界面,，可以反映出每天24小時內(nèi)光伏發(fā)電量與該日日照強度,，環(huán)境溫度，風速等的波動情況,。

j）故障報警

當電池板長時間輸出功率偏低進行故障指示,，建議運維人員前往現(xiàn)場檢查是否有故障發(fā)生等；另外對于并網(wǎng)柜部分的主斷路器分合閘狀態(tài)進行監(jiān)視,，當出現(xiàn)開關(guān)變位及時報警,，提醒運維人員。

啟動鍋爐房,、尿素車間,、化學水及工業(yè)廢水處理車間屋頂分布式光伏展示圖如圖3所示。

觀展平臺分布式光伏展示圖如圖4所示,。

圖3啟動鍋爐房,、尿素車間、化學水及工業(yè)廢水處理車間屋頂分布式光伏展示圖

圖4觀展平臺分布式光伏展示圖

5對未來廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)設(shè)計的建議

未來,，隨著光伏技術(shù)的進一步發(fā)展,，廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)將會得到更廣泛的推廣和應(yīng)用。1）進一步研究高效率光伏組件和逆變器的開發(fā),，是提高系統(tǒng)發(fā)電效率的關(guān)鍵因素,。2）加強對光伏系統(tǒng)的智能化管理和監(jiān)控，以提高系統(tǒng)的可靠性和安全性,。3）注重光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)的連接和能量存儲技術(shù)的研究。對于工業(yè)廠區(qū)需要穩(wěn)定供電的場景,，結(jié)合應(yīng)用電池儲能系統(tǒng),，以在太陽能不足或夜間使用,，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和能量平衡。4）為保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行,，制定符合規(guī)范的防雷,、防火措施，提高光伏系統(tǒng)的安全性,，并應(yīng)進行定期維護和清潔,。5）加強對光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益研究，以促進其在工業(yè)廠區(qū)的廣泛應(yīng)用,。

6結(jié)束語

系統(tǒng)開展了基于工業(yè)廠區(qū)屋頂資源的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)研究,。工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)具有降低能源成本、節(jié)約線路投資,、減少環(huán)境污染以及解決土地資源占用問題的優(yōu)勢,。重點分析了工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)設(shè)計要點，結(jié)合工業(yè)廠區(qū)屋頂分布式光伏系統(tǒng)實施案例研究,，對工業(yè)廠區(qū)分布式光伏系統(tǒng)設(shè)計方案進行了詳細論述,。其中光照條件和陰影分析需要考慮廠區(qū)特殊環(huán)境因素對系統(tǒng)的影響，如氣候條件,、建筑結(jié)構(gòu)等,，光伏組件的安裝排布要與廠區(qū)實際情況相匹配，以實現(xiàn)*佳發(fā)電效率,。在選擇光伏組件時,，結(jié)合市場主流產(chǎn)品考慮光伏組件的效率、可靠性,、耐用性和成本等因素,。逆變器的效率決定了系統(tǒng)的發(fā)電效率和經(jīng)濟效益，對于廠區(qū)分布式光伏系統(tǒng),，選擇高效率的組串式逆變器可以提高系統(tǒng)的發(fā)電效率和經(jīng)濟回報,。在電纜布線設(shè)計中，選擇合適的電纜型號和截面以滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)電能的輸出,，同時在滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范的條件下優(yōu)化電纜布線路徑,，采取合理的保護措施。為確保光伏系統(tǒng)與廠網(wǎng)正常連接并安全運行,，并網(wǎng)接入設(shè)計就顯得尤為重要,，廠網(wǎng)連接點不僅要與系統(tǒng)的發(fā)電容量和負荷需求相匹配，也需考慮電網(wǎng)保護裝置,，以確保系統(tǒng)的安全和正常運行,。

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