節能減碳措施
—— 屋頂光伏系統在牧場中的應用—— 談紅崖子牧場屋頂光伏系統的設計

陳 葛

（寧夏農墾賀蘭山奶業有限公司，寧夏 銀川 750000）

近年來，隨著畜牧養殖業高速發展，奶牛養殖業飛速向規模化、集約化方向發展，奶牛場建設迎接來一個新的發展階段。但是，隨著牧場機械化設備的采用，規模化牧場對于電能的需求也在不斷增加，無論是牛舍的通風，擠奶設備的運行，糞污的處理系統以及養殖人員的生活均需要電力供應。此次屋頂光伏發電系統在紅崖子奶牛場的應用在國內屬于首例，目前已經建成，效益已經得到體現。

1.應用背景

隨著世界工業不斷發展，化石能源利用會不斷給人類環境帶來各方面的壓力，人們加快了對清潔新能源的開發利用。太陽能因清潔、分布廣泛的特點，光伏發電成為當今分布式新能源發電的熱點。

太陽能的各種綜合開發利用，有效減少由化石能源帶來對大氣排放的污染，將帶來顯著的環境效益。本次規劃的光伏項目建成后，對同等電量的火電來說，將大量減少標煤、煙塵、二氧化碳、有害物質的排放，大大減輕了大氣污染。

2020年6月，習近平總書記在寧夏視察期間，對寧夏建設黃河流域生態保護和高質量發展先行區提出明確要求，并對寧夏光伏等新能源發展給予了充分肯定。寧夏為我國太陽能資源最豐富的地區，年太陽輻射總量6680～8400MJ/m2，相當于日輻射量5.1～6.4kWh/m2，非常適合建設太陽能光伏電站。

近年來，寧夏回族自治區先后建設了石嘴山、寧東、青銅峽等大型光伏園區，寧夏已經成為全國人均光伏發電裝機最大的省區，此次也是響應自治區的發展規劃要求。

該項目屋頂光伏發電系統的采用可以節約大量國電及天然氣消耗，實現牛場的無碳化經營，又可為本地區大氣環境做出貢獻，在取得了良好的社會效益的同時，為企業帶來經濟效益。此舉證明了奶牛場不僅能提供奶、肉等產品，也能生產能源。

2.屋頂光伏系統應用于奶牛場的優勢

此次設計安裝的“BIPV”屋頂光伏系統具有如下優勢：

安全性：直流側48V低壓技術，并聯運行，避免了傳統串聯光伏組件會發生高壓直流拉弧和PID效應的弊端，防止引發火災以及影響發電量等；產品滿足屋面建材功能：防火、防水、防漏、防潮、隔熱、遮陽、可行走踩踏。

較輕的重量：無支架安裝方式，可代替屋面板使用，完工重量每平方米不超過12kg，低于當地牛場屋面普遍采用的帶隔熱的屋面板重量。

安裝方便：BIPV光伏組件取代普通鋼化玻璃，具有深厚的技術基礎和優勢，完全能達到安裝方便的要求。

壽命長：采用網絡化背接觸線路技術，不會因局部陰影遮擋形成熱斑效應，從而加速電池發熱老化，甚至引發火災，免除了日常清掃；全金屬鋼板的背板設計，屋面保證使用25年，設計壽命30年。

高效率：同樣面積屋頂，是傳統光伏組件+屋頂（BAPV附著式安裝）屋面利用率的1.2～1.4倍（100～130W/㎡），可代替傳統彩鋼瓦，光伏發電布滿率可達90%以上，每平方米能力密度150～180W/㎡。安裝后已經對數據進行復核。

綠色環保：BIPV不零占土地面積，發電時無轉動部件，無噪聲，對環境無污染。BIPV建筑發電既可自發自用，減少電力輸送過程的費用和能耗，降低輸電和分電的投資和維修費用，又可以先國家電網供電，緩解電力需求，減少空氣污染。

智能化設計

每一個瓦板均可監控其電流電壓，每個系統均實時記錄交流側的輸出電流電壓及屋面溫度等，真正實現了物物相連，互聯互通，智慧建筑屋頂功能。

不可燃材料

正面采用不可燃玻璃封裝，整體防火等級A級，符合建材要求，確保屋頂使用更安全，系統組件級直流電壓可關斷，更安全。

3.屋頂光伏系統應用于奶牛場的設計說明

3.1 項目概況

寧夏利墾紅崖子牧場為全群12500頭的奶牛場。牛舍及干草棚屋面建設分布式光伏電站，BIPV所占屋頂面積約為131903㎡，總裝機容量約 8.9MWp，采用BIPV建筑一體化分布式光伏發電項目。本項目擬采用“牧場自用，余電上網”模式。場區牛舍屋頂光伏電站所發電量就近接入場區0.4kV配電網內進行消納，剩余電量通過場用變壓器返送至國網寧夏電力公司公用電網。

3.2 項目工藝流程

圖1 項目工藝流程

3.3 場區用電量估算

表1 場區用電量估算

經過計算及與現場運營人員復核，該牧場每月用電量為396807.00 KWh，年用電量為4827817.64 KWh。

3.4 屋頂光伏系統設計

本工程全部采用325Wp 多晶硅BIPV光伏瓦和組件式逆變器。每4塊BIPV光伏瓦單獨接入1臺組件式逆變器，共36個微型逆變器。交流側每3臺微型逆變器組成一路匯流220V交流輸出，共12路；每路由BVR-2×2.5 mm2多芯銅線接入50kW匯流盒，每4臺光伏匯流盒接入1臺200kW交流匯流箱，經匯流箱匯流后，接至箱式變壓器低壓側。

本項目為屋頂分布式小型發電項目，利用BIPV光伏瓦與原有屋頂形成光伏發電系統，系統采用免維護設計，運行過程以無人值守模式設計。利用廠區自身的網絡通信，通過微逆系統自有的無線發射裝置將各逆變器數據上傳至監控。

4.屋頂光伏系統的建造成本和效益分析

4.1 屋頂光伏系統的建造成本

本項目屋頂光伏系統總投資預估為3802.11萬元。包括光伏瓦、匯流箱及變配電設備、電纜及管溝、電纜橋架等。

4.2 發電量估算

年理論發電量是一年內太陽電池按光電轉換效率把太陽輻射能轉化為電能的數量。

本項目的裝機容量約為8.9MWp，通過pvsyst軟件數據庫查詢當地的輻射數據，經PVsyst7軟件取值計算，首年日照有效利用小時數約1559h，屬于光能資源充足區，適宜發展太陽能光伏發電產業，其發電量預測如下：

表2 光伏電站25年發電量

本項目屋頂BIPV光伏瓦系統裝機容量約為8.9MWp，25年總發電量32037.83萬kWh，25年均發電量1281.51萬kWh。

4.3 效益分析

4.3.1 項目收益

項目地執行國網寧夏電網大工業1-10kV以下企業用電峰谷分時電價，如下：

1.峰：0.6471元/kWh，高 峰 時 段: 8:00～12:00，18:30～22:30；

2.平：0.4683元/kWh， 平 時 段：6:30～8:00，12:00～18:30；

3.谷：0.2455元/kWh，低谷時段：22:30～6:30。

高峰時段4h，平電時段6.5h，低谷時段0h。

光伏發電的綜合電價 = 4/10.5×0.647元/kWh + 6.5/10.5×0.4683元/kWh = 0.5364元/kWh。上網電價0.2854元/kWh，余電上網比例暫按60%計算。

表3 此項目投資收益

4.3.2 減碳量

本項目年平均發電量為1281.51萬KWh。等當量折標系數：電力（萬KWh）=3.333噸煤。相當于減少煤的燃放量：1281.51×3.333=4271.27噸煤。

根據相關資料，每噸標煤的二氧化碳排放量是2.3493噸，0.68噸的碳排放量。采用屋頂光伏發電，每年減少的碳排放量為：4271.27*0.68=2904.46噸。

4.3.3 其他效益

本項目可節約屋頂免更換維護費用。彩鋼瓦屋頂的使用壽命一般為7～10年。5～10年由于填充物老化導致開始逐漸產生漏水點，一般采取尋找漏水點后使用堵漏劑進行填充封堵作業。但由于屋面面積較大對于漏水點及漏水成因的搜尋造成極大困難，很難維護且維護費用較高。

本項目彩鋼瓦廠房BIPV所占屋頂面積約為131903㎡，如重新更換這部分屋頂，產生費用較高。安裝屋頂光伏電站后屋頂免更換維護。

5.對于牧場生物安全的影響

5.1 對環境的影響

太陽能光伏發電的工藝流程是利用自然光將光能直接轉變為電能的過程。在生產過程中不消耗燃料，不產生廢水、廢氣等污物。本型工程冬季采用電熱設施取暖，不新增大氣污染源，從而減少工程建設投入運營后對區域大氣、生態環境的影響及破壞。職工的生活燃料是用電或液化氣，沒有拉煤運輸、堆放，以及燃燒排放大氣污染對區域環境空氣質量的影響。

5.2 電磁波的潛在影響

該牧場規劃已經遠離居民區，因此，屋頂光伏單站的逆變器和電氣設備等附近沒有居民區，同時也遠離了牧場管理人員生活場所，不構成電磁輻射對人群的安全防護要求。變電設備產生的電磁輻射經設備外殼、箱體屏蔽和距離衰減后，對周圍環境影響較小。光伏電場位于空曠地帶之中，周邊5km范圍內幾乎沒有其他大型單位和通信設施，場地上空無微波類信號傳輸通道。因此，電場設備運行對通信和電視信號不會產生電磁影響。

5.3 污染物排放的影響

污染物排放包括廢水排放和固體廢物排放。

由于太陽能光伏發電具有較高的自動化運行水平，所以一般都是無人值守，僅需2～3個人員值班。生活污水量極少，生活污水經化糞池排向沉淀池后由場區統一處理，對環境影響較小。在光伏電廠建成投運后，主要固體廢棄物為生活及檢修垃圾，該部分廢棄物要倒往指定地點，并定期集中處理，避免刮風時固體物飛揚，污染附近環境。

對牧場防疫的影響：

屋頂光伏電站每年進牧場維修約4次，維修人員進場需嚴格遵守牧場的防疫管理制度，并與牧場簽訂防疫安全保證承諾書。

6.發展前景

隨著傳統能源的日益減少，新能源發電的重要性愈發突出，而屋頂光伏發電由于其不占用地面土地等優勢更將成為具有發展潛力的項目。屋頂光伏發電不僅解決了能源問題，同時由于其不需要單獨占用土地資源，因此，其發展前景十分的廣闊。寧夏農墾開創了屋頂光伏系統在奶牛場中應用的先河，目前該項目已經建成，收益也逐步在得到體現中。該項目使得屋頂光伏系統在牧場中率先得到了應用，也是為屋頂光伏系統在整個畜牧業的推廣起到了表率作用，對于以后整個畜牧業的減碳、節能工作起到了推動作用，該項目的建設意義比較深遠。