棉花紡織企業(yè)太陽能發(fā)電EPC項目應(yīng)用研究

■ 劉進軍

〔河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南鄭州450002〕

電力消耗是棉花加工企業(yè)成本費用的重要組成部分，如何使企業(yè)用電更經(jīng)濟，是每個棉花紡織企業(yè)所關(guān)注的問題［1］。棉花紡織企業(yè)通常采取有針對性的措施降低電力消耗，例如通過合理調(diào)整作業(yè)班次降低工業(yè)（或非民）峰谷電價電費；通過加強能源計量管理，實行定額考核等有效措施，做到有序用電；通過提高用電效率、減少線路損耗、降低單位產(chǎn)品耗電量來達到經(jīng)濟節(jié)能的目的［2］。

合同能源管理（Energy Performance Contracting，以下簡稱EPC）是一種基于市場、以節(jié)約的能源費用來支付節(jié)能項目成本的節(jié)能投資運營機制［3］。在這種節(jié)能投資機制運作下的專業(yè)化EPC節(jié)能服務(wù)公司與用能客戶簽訂節(jié)能服務(wù)合同，采用先進的節(jié)能技術(shù)和節(jié)能裝備為節(jié)能客戶實施節(jié)能服務(wù)，使企業(yè)減少能源消耗，產(chǎn)生節(jié)能效益，并用節(jié)能收益來支付實施節(jié)能改造的成本和費用的節(jié)能方式。EPC是一種具備諸多優(yōu)勢的節(jié)能機制，它為各行各業(yè)的節(jié)能活動新添生機與活力，目前在我國很多行業(yè)節(jié)能改造中都有成功的應(yīng)用［4］，對于推進我國各行業(yè)節(jié)能工作的開展、建設(shè)節(jié)約型社會有著重要的現(xiàn)實意義［5］。

近年來，分布式太陽能發(fā)電站建設(shè)進入規(guī)模化建設(shè)應(yīng)用階段，在替代常規(guī)電能和實現(xiàn)低碳減排方面，具有明顯的經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境意義［6］。隨著分布式太陽能發(fā)電技術(shù)不斷完善，裝機成本和系統(tǒng)造價的逐年降低，太陽能發(fā)電在工業(yè)用電和高耗能產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域進行節(jié)能替代，是我國構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系，實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標的必由之路［7］。棉花紡織企業(yè)作為高耗能產(chǎn)業(yè)，適合開展太陽能發(fā)電EPC項目。

從現(xiàn)有研究來看，尚鮮見對棉花紡織企業(yè)太陽能發(fā)電EPC項目進行研究的文獻。本文以河南某棉花紡織企業(yè)建設(shè)太陽能發(fā)電EPC項目為例，介紹了棉花紡織企業(yè)的用電負荷特點、EPC項目運營模式、太陽能發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)方案，依據(jù)項目實際運行數(shù)據(jù)對項目的發(fā)電量進行了預(yù)測，從項目的初始投資、凈現(xiàn)值、內(nèi)部收益率和投資回收期等方面進行了分析研究，并展望了其在棉花紡織行業(yè)的應(yīng)用前景。希望能夠為太陽能發(fā)電EPC項目在棉花紡織行業(yè)投資運營提供一定借鑒，同時也為棉花紡織企業(yè)的經(jīng)濟節(jié)能提供參考。

一、項目概況

EPC項目地址位于河南省境內(nèi)，占地36萬m2，規(guī)模15萬錠，擁有清梳聯(lián)、精梳機、自動絡(luò)筒機、轉(zhuǎn)杯紡紗機、無梭織機等紡織加工設(shè)備車間，建筑面積共10.3萬m2，主要生產(chǎn)和經(jīng)營純棉及混紡紗線、純棉和混紡布、色織布、家用紡織品，年產(chǎn)織物用紗16萬t、服裝面料1.3億m。據(jù)統(tǒng)計，2020年該企業(yè)全年用電量236.4萬kW·h，日均耗電6 476.71 kW·h，年最大負荷3.86 MW，以設(shè)備動力負荷為主。電力負荷高峰時段為9：00—17：00。該地區(qū)目前供電電價按峰平谷時間段劃分：峰平谷電價比為1.64∶1∶0.41，峰段電價以平段電價為基礎(chǔ)上浮64%、谷段電價以平段電價為基礎(chǔ)下浮59%。峰平谷電價分三個階段：高峰時段為08∶30—11∶30、18∶00—23∶00，平時段：07∶00—08∶30、11∶30—18∶00，低谷時段：23∶00—07∶00。高峰時段用電：1.025元/kW·h，平峰時段用電：0.725元/kW·h，谷峰時段用電：0.425元/kW·h。由于棉花紡織企業(yè)的特點是生產(chǎn)季節(jié)性非常強，因此，電力負荷變動非常明顯，棉花紡織設(shè)備工作運行時間大多數(shù)在高峰時段和平峰時段，這樣使用的電量電價往往高于平峰時段電價，用電不經(jīng)濟。同時，隨著業(yè)務(wù)的增加、規(guī)模的不斷擴大，電能消耗呈逐年增長趨勢，原棉花紡織設(shè)備配電負荷設(shè)計不能滿足現(xiàn)有需要，為此，企業(yè)決定引入社會資本采用EPC模式安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)。

二、EPC項目運營模式

經(jīng)過對太陽能發(fā)電相關(guān)的國家政策、行業(yè)特點、投資可行性、技術(shù)方案和經(jīng)濟效益綜合考慮，對不同運營模式、不同并網(wǎng)方案的成本與收益的綜合評價，結(jié)合棉花紡織企業(yè)現(xiàn)有建筑特點和配電系統(tǒng)現(xiàn)狀，考慮在企業(yè)生產(chǎn)車間屋面建設(shè)太陽能發(fā)電系統(tǒng)，太陽能系統(tǒng)所發(fā)電量經(jīng)逆變并到棉花紡織企業(yè)電網(wǎng)后，直接滿足棉花紡織企業(yè)各生產(chǎn)車間使用，太陽能系統(tǒng)多余電量按照企業(yè)當?shù)厝济好摿驒C組標桿電價由當?shù)毓╇娖髽I(yè)收購，不足電量由供電企業(yè)向棉花紡織企業(yè)提供，并按照當?shù)劁N售目錄電價向棉花紡織企業(yè)收取下網(wǎng)電量電費，實現(xiàn)太陽能發(fā)電就地消納，自發(fā)自用，余電上網(wǎng)［8］。經(jīng)雙方友好協(xié)商，該EPC項目采用節(jié)能效益分享型［9］，EPC節(jié)能服務(wù)公司投資100%建設(shè)太陽能發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)建設(shè)完成投入使用以后，棉花紡織企業(yè)按照國家電網(wǎng)平價供電價格向EPC公司繳納電費，采取1：9的比例對節(jié)能收益進行分享，合同期限15年，15年后，項目經(jīng)營權(quán)與所有權(quán)全權(quán)歸棉花紡織企業(yè)所有。EPC節(jié)能服務(wù)公司對該企業(yè)供配電系統(tǒng)進行全面分析和能耗診斷后，根據(jù)該企業(yè)的電力負荷特點和加工車間屋頂面積條件，建設(shè)分布式車間屋面太陽能發(fā)電系統(tǒng)，具體EPC項目運營流程為：雙方簽訂合作意向——向主管單位報備資質(zhì)與設(shè)備清單——進行太陽能發(fā)電方案設(shè)計——雙方簽訂合同——EPC項目實施——分享節(jié)能收益分享。

三、技術(shù)方案

（一）確定裝機容量

該棉花紡織企業(yè)位于北緯34.03°，東經(jīng)113.48°，所在區(qū)域年平均日照時數(shù)為2 021 h～2 118 h，日照百分率為44%～53%。年平均氣溫13.6 ℃～15.6 ℃，年平均降水量1 370 mm～1 563 mm，全年無霜期為192 d～219 d，年均輻射量為4 803 MJ/m2。通過前期選址后實地勘測，棉花紡織企業(yè)車間廠房屋頂面積約10 350 m2可用，可分別在3個車間屋頂布置太陽能電池板，將3個車間屋頂建成建筑一體化并網(wǎng)型太陽能發(fā)電系統(tǒng)。經(jīng)勘查設(shè)計布置太陽能電池組件的面積約為8 452.5 m2，車間屋頂太陽能發(fā)電系統(tǒng)規(guī)劃裝機總?cè)萘吭O(shè)計為0.75 MW。經(jīng)實驗測試和工程測算，總裝機772.5 kW，共計3 090組太陽能電池板組件，電池組件及配套支架選擇固定安裝模式安裝于3個車間屋面空置區(qū)域，太陽能發(fā)電項目安裝完成后不影響棉花紡織企業(yè)整體建筑物風(fēng)貌特點。

（二）計算太陽能電池板陣列間距

參照《CNCA/CTS0016-2015并網(wǎng)光伏電站性能檢測與質(zhì)量評估技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的太陽能電池板陣列遮擋限定條件為：按照冬至日9：00—15：00不遮擋原則設(shè)計，陣列間距由公式（1）計算：

式中：D——兩排方陣之間距離，mm；

L——太陽能電池板斜面長度，mm；

β——方陣傾角，取29°；

φ——當?shù)鼐暥龋?4.03°。

可得到，太陽能電池板陣列間距為1 860 mm。

（三）太陽能發(fā)電系統(tǒng)方案

太陽能發(fā)電系統(tǒng)由三大部件構(gòu)成：一是太陽能電池板、二是并網(wǎng)逆變器、三是組件支架、連接電纜線以及太陽能發(fā)電輔助設(shè)備。

1.太陽能電池板。

太陽能電池板的作用是將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽翘柲馨l(fā)電系統(tǒng)中最核心的組成部件，目前市場中以單晶硅電池板和多晶硅電池板為主［10］。本系統(tǒng)選用轉(zhuǎn)換效率大于16%、單體峰值功率250 W的HR-250P-24/Ba型多晶硅光伏組件，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 太陽能電池板技術(shù)參數(shù)

2.并網(wǎng)逆變器。

并網(wǎng)逆變器為系統(tǒng)關(guān)鍵部件，它的主要作用是將太陽能電池板組件在光照下產(chǎn)生的直流電（DC）匯集后，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒┮话汶姎庠O(shè)施、設(shè)備使用的交流電（AC）。本系統(tǒng)采用的并網(wǎng)逆變器規(guī)格型號為KSG-300K，可實現(xiàn)大功率點跟蹤，在光照強度較大時太陽能系統(tǒng)發(fā)出的多余電量經(jīng)轉(zhuǎn)化成為滿足公共電網(wǎng)要求的交流電注入公共電網(wǎng)中；在陰雨天光照強度較弱情況下，發(fā)電能力不足時，則由公共電網(wǎng)向棉花紡織企業(yè)車間供電。并網(wǎng)逆變器的防逆流檢測點安裝在太陽能發(fā)電系統(tǒng)連接棉花紡織企業(yè)配電系統(tǒng)的主線上，可實時采集電網(wǎng)信號，使逆變器的交流輸出相位與棉花紡織企業(yè)電網(wǎng)保持相同，準確度等級為0.2S級，其技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 逆變器技術(shù)參數(shù)

3.組件支架、連接電纜線以及太陽能發(fā)電輔助設(shè)備。

根據(jù)棉花紡織企業(yè)所在區(qū)域的太陽能輻照條件、生產(chǎn)車間結(jié)構(gòu)、加工廠配電系統(tǒng)現(xiàn)狀以及設(shè)備設(shè)施用電負荷等情況，結(jié)合考慮用能要求，設(shè)計整個太陽能發(fā)電系統(tǒng)由3個257.5 kW 的太陽能電池板方陣子系統(tǒng)組成，太陽能電池板方陣正南朝向，29°安裝傾角，每個子系統(tǒng)選用逆變器1臺和隔離升壓變壓器1臺，布置在空置區(qū)，子系統(tǒng)的太陽能直流電經(jīng)匯流后接至逆變器，經(jīng)逆變升壓后變?yōu)槿嘟涣鬏敵觯瑓R集到該棉花紡織企業(yè)10 kV配電室，通過系統(tǒng)并網(wǎng)裝置與國家電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)。系統(tǒng)實現(xiàn)太陽能發(fā)電系統(tǒng)直接向棉花紡織企業(yè)原配電系統(tǒng)負荷供電，同時可將剩余電力送入國家電網(wǎng)系統(tǒng)，當太陽能發(fā)電系統(tǒng)不能滿足棉花紡織企業(yè)負荷要求時，由國家電網(wǎng)系統(tǒng)供電。遠傳電度表可顯示太陽能發(fā)電系統(tǒng)與國家電網(wǎng)系統(tǒng)的買、賣電量。整個太陽能系統(tǒng)與棉花紡織企業(yè)車間廠房緊密結(jié)合、協(xié)調(diào)一致，實現(xiàn)建筑一體化。系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 太陽能發(fā)電系統(tǒng)方案示意圖

太陽能發(fā)電系統(tǒng)在棉花紡織企業(yè)電力值班室內(nèi)設(shè)中央控制室，通過控制系統(tǒng)后臺可實現(xiàn)對太陽能電池板陣列的電力系統(tǒng)運行情況進行遠程監(jiān)控，其設(shè)備技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 太陽能發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

（四）系統(tǒng)運行測試

系統(tǒng)于2020年5月經(jīng)過項目驗收后開始運行，2022年5月6日09：50—10：30對并網(wǎng)逆變器和太陽能電池板狀態(tài)參數(shù)進行測試。現(xiàn)場測試儀表使用氣象生態(tài)環(huán)境監(jiān)測儀和便攜式太陽能I-V測試儀，當日太陽輻 射 強度710 W/m2～740 W/m2，環(huán) 境 溫 度18.2 ℃～19.6 ℃，組件背板溫度為29.3 ℃～33.4 ℃。從太陽能電池板陣列中隨機抽取10塊太陽能電池組件，測試選定10塊多晶硅太陽能電池組件I-V曲線，實測功率修正到STC條件，同標稱功率比較，得到太陽能電池組件的功率衰減率。測試數(shù)據(jù)顯示，10塊太陽能電池板中最大功率衰減率為2.6%，最小功率衰減率為0.5%，平均衰減率為1.6%。太陽能發(fā)電系統(tǒng)已運行2年，符合《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件（2015年）》對多晶（單晶）組件首年功率衰減≤2.5%，后續(xù)每年衰減在前一年的基礎(chǔ)上增加0.7%的規(guī)范要求，設(shè)備運行狀態(tài)良好。

四、項目應(yīng)用研究

（一）初始投資

系統(tǒng)的初始投資主要包括太陽能電池板、逆變器、支架及輔助設(shè)備、安裝費用、運輸及其他費用，如表4所示。

表4 太陽能發(fā)電系統(tǒng)初投資

從表4可以看到，該太陽能系統(tǒng)初投資共計455.7萬元，折合裝機單價5 899元/kW。其中，太陽能電池組件單價2.09元/W，逆變器單價約1.82元/W。

（二）年發(fā)電量

太陽能發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電量可以通過系統(tǒng)裝機容量和當?shù)啬耆照辗逯禃r數(shù)來預(yù)測，發(fā)電系統(tǒng)第n年發(fā)電量Qn值可由公式（2）計算：

式中：

Qn—第n年太陽能系統(tǒng)發(fā)電量，kW·h/年；

P—太陽能發(fā)電系統(tǒng)裝機容量，kW；

Ts—系統(tǒng)所在地年峰值日照小時數(shù)（可查閱當?shù)貧庀髷?shù)據(jù)得知），h；

K—太陽能發(fā)電系統(tǒng)綜合效率系數(shù)，依據(jù)系統(tǒng)組成設(shè)備性能指標的相關(guān)文獻數(shù)據(jù)取78.68%［11］；

γ—太陽能發(fā)電系統(tǒng)平均年衰減率。

依據(jù)《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件（2015年）》對多晶（單晶）組件首年功率衰減≤2.5%，后續(xù)每年衰減在前一年的基礎(chǔ)上增加0.7%的規(guī)范要求選取。該太陽能發(fā)電項目15年內(nèi)年發(fā)電量預(yù)測如圖2所示。

圖2 太陽能系統(tǒng)年發(fā)電量

從圖2可知，系統(tǒng)在EPC合同期內(nèi)15年累計發(fā)電量1 402.29萬kW·h，年均發(fā)電量93.49萬kW·h。

（三）年累計凈現(xiàn)金流量

依據(jù)EPC項目合同規(guī)定，棉花紡織企業(yè)按照國家電網(wǎng)平價供電價格向EPC公司繳納電費，并采取1∶9的比例對節(jié)能收益進行分享，EPC節(jié)能服務(wù)公司年累計凈現(xiàn)金流量可由公式（3）計算：

式中：

PRn—第n年的累計凈現(xiàn)金流量；

C0—項目的初投資（見表4）；

Cn—第n年運維成本（年運維費取初投資1‰）；

Qn—項目第n年的發(fā)電量，kW·h/年（見圖2）；

PS—電價，0.725元/kW·h；

t—EPC項目合同期限（15年），年累計凈現(xiàn)金流量如圖3所示。

圖3 項目年累計凈現(xiàn)金流量

（四）經(jīng)濟性分析

根據(jù)太陽能發(fā)電項目初投資（見表4）、年發(fā)電量（見圖2）、年累計凈現(xiàn)金流量（見圖3）、貼現(xiàn)率（取人民幣五年以上貸款基準利率4.9%），計算項目經(jīng)濟性指標如表5所示。

表5 項目經(jīng)濟性指標

由表5經(jīng)濟性指標中可看出，該太陽能發(fā)電EPC項目的單位供電成本（0.36元/ kW·h），低于當?shù)毓I(yè)平價用電價格（0.725元/kW·h）。項目15年合同期限到期，凈現(xiàn)值NPV為2.26元/ W，合同期間可以收回投資且盈利能力尚可。內(nèi)部收益率10.3%，在合理的節(jié)能改造收益范圍。投資回收期8.9年，與目前國內(nèi)節(jié)能改造EPC行業(yè)的投資回報期6年—7年相比，投資回收期偏長，可考慮爭取國家或地方對可再生能源的專項補貼或適當延長合同期限來保障EPC項目中節(jié)能服務(wù)公司合理的投資收益率。

五、結(jié)論

本文介紹了河南某棉花紡織企業(yè)太陽能發(fā)電EPC項目運營模式、并網(wǎng)技術(shù)方案以及系統(tǒng)測試情況，對項目的單位供電成本、凈現(xiàn)值以及投資回收期等經(jīng)濟指標進行了研究分析，得到以下結(jié)論：

（1）在棉花紡織企業(yè)利用廠房屋面建設(shè)分布式太陽能發(fā)電EPC項目，直接滿足廠區(qū)各生產(chǎn)車間使用的供電方案合理可行。項目以低于當?shù)毓I(yè)用電的供電價格實現(xiàn)了棉花紡織企業(yè)節(jié)能替代，達到經(jīng)濟節(jié)能和低碳減排的目的。對于在工業(yè)用電和高耗能產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系具有重要的經(jīng)濟和生態(tài)意義。

（2）太陽能發(fā)電EPC項目各項經(jīng)濟性指標良好，合同期間有合理的投資收益，適合在棉花紡織企業(yè)開展。隨著太陽能發(fā)電技術(shù)將日臻完善，太陽能組電池板件及設(shè)備成本不斷下降，EPC項目的投資回收期將逐漸縮短，棉花紡織行業(yè)太陽能發(fā)電EPC項目凸顯投資價值。