南寧市水廠應用光伏發電并網技術的探討

馮正國

（南寧市生源供水有限公司 廣西南寧市 530000）

南寧市水廠應用光伏發電并網技術的探討

馮正國

（南寧市生源供水有限公司 廣西南寧市 530000）

豐富的太陽輻射能是重要的能源，是取之不盡、用之不竭的、無污染、廉價、人類能夠自由利用的能源。中國光伏發電的市場在未來的十幾年中將會由獨立發電系統轉向并網發電系統。并且中國太陽能光伏發電發展潛力巨大，配合積極穩定的政策扶持，將會應用到更多的企業中。在加上市場上已出現有太陽能水泵產品及南寧已有光伏發電并網的案例，故在未來，考慮到水廠具備的廣大廠區的優勢條件及對節能和成本降低的迫切需求，光伏發電并網技術應用到水廠里的可能性很大。故本論文就在南寧水廠廠區應用光伏發電并網技術事宜進行了探討，探討光伏發電技術應用到南寧水廠的可能性。

光伏發電；并網；年輻射總量；總發電量；水廠應用

1 光伏發電原理及應用

光伏發電的主要原理是半導體的光電效應。光子照射到金屬上時，它的能量可以被金屬中某個電子全部吸收，電子吸收的能量足夠大，能克服金屬內部引力做功，離開金屬表面逃逸出來，成為光電子。硅原子有4個外層電子，如果在純硅中摻入有5個外層電子的原子如磷原子，就成為N型半導體；若在純硅中摻入有3個外層電子的原子如硼原子，形成P型半導體。當P型和N型結合在一起時，接觸面就會形成電勢差，成為太陽能電池。當太陽光照射到P－N結后，空穴由P極區往N極區移動，電子由N極區向P極區移動，形成電流。

并網光伏發電就是太陽能組件產生的直流電經過并網逆變器轉換成符合市電電網要求的交流電之后直接接入公共電網。可以分為帶蓄電池的和不帶蓄電池的并網發電系統。帶有蓄電池的并網發電系統具有可調度性，可以根據需要并入或退出電網，還具有備用電源的功能，當電網因故停電時可緊急供電。帶有蓄電池的光伏并網發電系統常常安裝在居民建筑；不帶蓄電池的并網發電系統不具備可調度性和備用電源的功能，一般安裝在較大型的系統上。并網光伏發電有集中式大型并網光伏電站一般都是國家級電站，主要特點是將所發電能直接輸送到電網，由電網統一調配向用戶供電。但這種電站投資大、建設周期長、占地面積大，還沒有太大發展。而分散式小型并網光伏，特別是光伏建筑一體化光伏發電，由于投資小、建設快、占地面積小、政策支持力度大等優點，是并網光伏發電的主流。

2 光照及太陽輻照量情況

2.1 廣西光照及太陽輻照量情況

表1 廣西太陽能總輻射量與年平均日照當量

2.2 南寧氣候

南寧位于廣西南部，北回歸線以南，座落在四面環山的小盆地內，屬濕潤的亞熱帶季風氣候，陽光充足，雨量充沛，霜少無雪，氣候溫暖，夏長冬短。南寧的氣溫較高，年平均溫度在22℃左右，冬季中的1月溫度最低，平均溫度近13℃，平均最低溫度也有10℃左右，因而并不感到冷；夏季中的7、8月最熱，平均溫度在29℃左右，平均最高氣溫33℃左右，也不算太高。特點是高溫的時間比較長，從2～10月均有極端最高氣溫達到或超過35℃的記錄。

2.3 南寧輻照情況

2.3.1 南寧輻照基本情況

根據光伏寶軟件的數據顯示，南寧（經度：108.37緯度：22.82），最佳傾角為22°，水平輻照年總值為1483.86kWh/m2，傾斜角輻照年總值為1573.09kWh/m2。

2.3.2 南寧月份輻照基本情況（如圖1）

圖1 南寧月份水平輻射值

2.4 南寧有效輻照量情況

以1m2太陽能發電板為例，考慮到晶體硅組件的光電轉換效率（一般在16%），及其受溫度、表面灰塵及太陽輻射不均勻性等因素影響，系統轉換效率約為60%左右，故1m2太陽能發電板實際年發電量=年平均太陽輻射總量×電池總面積×光電轉換效率×實際發電效率=1573.09×1× 16%×60%=151.02kW，約占1m2太陽能發電板一年太陽能輻照總值的9.6%。

2.5 南寧輻照情況小結

根據廣西輻照情況及南寧氣候、南寧輻照情況可得，盡管太陽能材料受其自身因素及環境影響，有效輻照較低，但南寧市太陽能資源較為豐富，處于可利用的區域，南寧的一年光照總時數為1400～2200h。而且太陽能資源主要集中在3～11月，恰逢電力供應緊張的迎峰度夏時期，也是供水高峰期。

3 光伏發電案例

3.1 案例一：振寧·現代魯班小區幼兒園屋面太陽能光伏發電項目

2011年，南寧市首例太陽能光伏發電并網系統項目振寧·現代魯班小區幼兒園屋面太陽能光伏發電項目通過驗收。該項目由小區開發商——振寧房地產開發有限公司投資200多萬，利用小區內幼兒園的600m2建筑屋頂，鋪設光伏電池組件187塊，架設多晶硅電池組件384.19m2，裝機總容量52.08kW，該系統將太陽能通過光伏發電組件轉化為直流電力，通過直流監測配電箱匯集至并網型逆變器，將直流電轉化為與電網同頻率、同相位的正波電流，通過并網技術，將直流電逆變為380V交流電后直接并入小區電網，該系統設計營運周期25年。該系統正式投入運轉后，每年將利用太陽能發電約10萬度，將產生良好的社會效應和經濟效益。

3.2 案例二：廣西婦女兒童醫院光伏發電項目

廣西婦女兒童醫院整個光伏發電系統在醫院各屋頂等建筑閑置區域鋪設6268塊195W單硅晶硅光伏組件，在風雨連廊的采光頂上安裝414塊260W BIPV組件，光伏組件總安裝面積約為9000m2。光伏組件轉化的直流電經過防雷匯流箱匯流后，接入8臺各種規格的科士達系列三相并網逆變器，逆變成交流電，通過并網裝置接入光伏并網柜后，再接入內部三相五線制低壓電網上，可供由醫院內部負載使用，做到即時消耗電能。

光伏面積：9000m2；裝機容量：1330kWp；年發電量：1209MWh（設計估算）；并網方式：自發自用。

3.3 案例三：環太集團美科公司4兆瓦屋頂光伏電站

2015年，揚中市發改委、供電公司、環太集團等領導共同見證了環太集團美科公司4MW屋頂光伏電站成功并網發電。該項目于2015年6月份開工建設，經過3個月的建設調試，于9月份順利進行試運行，成功并入國家電網。項目總裝機4MW，總投資2800萬元，采用16181塊太陽能多晶250W光伏組件，項目組件電池片均為自產高效多晶硅片，預計年平均發電450萬kWh，按照火電廠發電折算，每年可節約標準煤1500t，減少二氧化碳約3985t，二氧化硫約37.2t，可持續運行25年以上，是國家節能環保典型示范項目，對該市環境保護和節能減排具有非常重要的意義。該項目并網后，日均發電1.2萬度，最高日發電2萬度，年利潤為643.5萬元/年，項目成本回收期為5年。

4 南寧市水廠光伏發電并網的可能性、效益及合理性

4.1 項目對比的可能性及效益情況

考慮到南寧水廠具有廣闊的廠區面積優勢（如某廠占地面積為128畝，約85333.76），適合光伏發電的安裝和建設，為了更好的探討光伏發電技術在南寧市部分水廠的應用，現將擬以一個4MW的光伏發電項目與揚中市的4MW的光伏發電項目進行對比。

4.1.1 南寧市與揚中市輻照情況對比

表2

4.1.2 南寧市與揚中市年發電量情況對比

4MW光伏發電項目，以太陽能多晶250W光伏組件為主，至少需要16000塊光伏組件。就以揚中市16181塊光伏組件為參考，總面積為26485.06m（2單塊太陽能板尺寸為1650×992×40mm）。考慮到光伏組件的光電轉換效率（一般為16%），光伏組件實際效率（受組件溫度、組件表面灰塵的累積、太陽輻射的不均勻性光伏組件的不匹配性和板問連線損失、安裝角度等因素影響，實際效率估計為60%），根據首年總發電量=水平年度輻射值×總面積×光電轉換率（16%）×系統效率（60%）的公式，可得：

南寧市水廠4MW發電項目首年總發電量=1573.09×26485.06×0.16× 0.6=3999684.77kWh≈399.97萬度電。

揚中市廠區4MW發電項目首年總發電量=1755.50×26485.06×0.16× 0.6=4463474.19kWh≈446.35萬度電。

4.1.3 年度可節省的電費

在不考慮國家補貼及地方政府補助等情況，只按照目前水廠使用的電業公司大宗工業0.6357元/度費用為計算標準，年度可節省電費：

南寧市水廠4MW發電項目首年電費=首年總發電量399.97萬度× 0.6357=254.26萬元。

揚中市廠區4MW發電項目首年電費=首年總發電量446.35萬度× 0.6357=283.74萬元。

在與揚中市4MW發電項目對比，可得：南寧市水廠有條件、有優勢應用光伏發電并網技術，并且其具有較好的經濟效益。此行，有效的減少企業的耗電成本。

4.2 從光伏發電并網技術及水廠實際應用的可行性

太陽能水泵：太陽電池陣列由多塊太陽電池組件串并聯而成，專用逆變&控制器將太陽電池陣列發出的直流電轉換為交流電，驅動水泵，對水泵的運行實施控制和調節。根據日照強度的變化實時地調節輸出頻率，實現最大功率點跟蹤，最大限度地利用太陽能。

由此可見，若是4MW光伏發電項目，在滿足廠區生產用電的同時，可以滿足8臺到10臺的220kW水泵機組運行。

另外，在水廠滿足供水量且發電電量有剩余時，可通過并網系統，賣給電業公司。在得到效益的同時，也不浪費電量。

因此，光伏發電并網技術應用于水廠，從技術及實際情況中，具有明顯的可行性。

4.3 南寧市水廠應用光伏發電并網技術的合理性

光伏發電并網采用與建筑物一體方式，既美化廠區，也未占用過多的生產所需用地，實際應用合理。如廣西婦女兒童醫院光伏發電項目。

5 光伏發電的缺點及局限性

（1）太陽能組件由于其本身特點，呈逐年衰減趨勢，功率及效率逐年降低。

（2）前期投資大，成本回收時間較長。如揚中市光伏發電項目，前期投資2800萬元，若只以節電為準，每年節省283.74萬電費，預計10年回本。若有國家及當地政府補貼，回本時間可縮短，少于10年。

（3）太陽能光伏組件有其使用年限，即壽命，一般為25年。因此，前十年回本，后十五年盈利，二十五年后，效果差，需更換，會有較大浪費，需重新投入。

（4）太陽能光伏發電組件受陰雨天氣影響，輻照量嚴重不足，致使太陽能光伏發電組件基本不發電，不能供電給水廠。因此，若要應用于水廠，必須采用兩套系統，根據當天的光照輻照情況，進行切換。

（5）太陽能光照時空分布不平衡，使太陽能光伏發電組件接收的輻照量減少。但此處可以考慮采用跟蹤式（或者叫逐日式）太陽能板系統。同時，為了減少光板損壞的概率，在陰雨天風較大時，一般是采取將光板水平擱置，盡量減少與風的接觸面積。

6 結論

從上可得，由于南寧的較豐富的太陽能資源及南寧市部分水廠的廣大廠區面積優勢，在南寧市的部分水廠應用光伏發電并網技術具有可能性、可行性、合理性，還具有一定的經濟效益，有效的降低水廠的電耗。然而，由于光伏發電組件具有科技性及前瞻性，受其技術材料的制約，具有一定的缺點及局限性，以至于在水廠應用中，需考慮成本、可持續性、與水泵、電機技術結合等方面的問題。

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TM615

A

1004-7344（2016）15-0071-02

2016-5-9

馮正國（1986-），男，漢族，廣西博白人，助理工程師，本科，主要從事設備維護管理工作。