提增綠色工廠光伏發電量壓降高耗能企業電費

王 軍，辛永誠，郭方舸，張 思，李燕紅

(1.中國建材國際工程集團有限公司，上海 200063；2.深圳市凱盛科技工程有限公司蚌埠分公司，蚌埠 233010；3.中國建材國際工程集團有限公司蚌埠分公司，蚌埠 233010)

2021年10月11日，國家發改委發布《關于進一步深化燃煤發電上網電價市場化改革的通知》，要求各地要有序推動工商業用戶全部進入電力市場，按照市場價格購電，取消工商業目錄銷售電價。

根據國家電力體制改革工作布置，近日，四川和江蘇等省陸續出臺關于開展2022年電力市場交易工作的通知，10 kV及以上工商業用戶原則上全部參與市場交易，鼓勵其他工商業用戶直接參與市場交易，未參與市場交易的工商業用戶由電網代理購電。市場交易價格浮動范圍為燃煤機組發電基準價上下浮動原則上不超過20%，高能耗企業市場交易電價不受上浮20%限制。未參與市場交易有電網企業代理購電的高能耗企業，用電價格為電網企業代理購電價格的1.5倍加上輸配電價、政府性基金及附加。

1 平板玻璃行業光伏發電工程概述

平板玻璃廠作為高能耗用電大戶，用電量大，度電電費高，減少市電用電量迫在眉睫。

平板玻璃企業在加強節能降碳工藝技術開發、推動高能耗技術改造同時，積極利用玻璃廠區內建筑屋頂和墻面資源。通過綠色工廠建設，把這些建筑的墻面和屋頂利用起來，不僅能使得生產區變得美觀，更能將太陽能合理利用起來，增加了光伏發電量從而減少市電的用電量，減少電費開支[1]。

平板玻璃廠內以高大工業廠房為主，輔有皮帶廊及煙囪。主廠房高約20 m，具有大面積墻面和屋頂，其中墻面有東、南、西、北方向之分，不同方位光照條件不一樣。北面墻面全年不被太陽光照射，屋頂則全天被太陽光照射。根據不同光照情況，實際工程中可采取不同類型的光伏組件。

現市面上主流的光伏發電產品是薄膜發電玻璃和單晶硅光伏組件，非晶硅薄膜發電玻璃最大特點是弱光發電，即使沒有太陽直射光照射下也能發電；單晶硅光伏組件是目前轉化效率最大的主流產品，組件正面需太陽直射光[2]。針對廠房四面墻體及屋頂的不同光照條件，墻面選擇發電玻璃來發揮其弱光發電的強項，外觀滿足建筑美學功能，屋頂選擇幕墻轉換效率最高主流產品單晶硅光伏組件，在玻璃廠既定的墻面和屋頂資源情形下力爭發電玻璃與單晶硅組件總發電量最大化。

2 工程實例介紹

2.1 總體布局

以一平板壓延玻璃廠主車間的光伏建筑一體設計為例，通過優化設計力求整個光伏系統電能損耗最低，從而同樣的發電玻璃與光伏組件排布使發電量最大化。

該案例中，主廠房主車間大致以中間軸對稱，中間部分呈T字型，兩邊分別與玻璃聯合車間加工工段相接。T字型部分為熱端，夏天時，其屋頂和墻面溫度極高。兩端大車間為冷端及玻璃深加工區域，發電玻璃與單晶硅組件不能受高溫影響，因而布置于兩端大車間墻面和屋頂。左右兩端大車間距離約計200 m，兩端大車間的屋面及幕墻，總計4個部分，分別構成光伏系統的4個子系統，見圖1。

左右兩側玻璃深加工工段墻面南、北面面積均約7 000 m2，東、西面面積均約2 500 m2。南面墻體除去門窗共安裝約400 kWp銅銦鎵硒發電玻璃，東、西及北三面墻體除去門窗共安裝約800 kWp碲化鎘發電玻璃。左右兩側玻璃深加工工段屋頂面積均為約24 000 m2，除去氣樓遮擋外共安裝5 500 kWp單晶硅光伏組件。

2.2 直流側系統

光伏電站并網方式分為高壓并網和低壓并網，在某些區域有個不成文的規定，光伏電站低壓并網一般不超過1.6 MWp，即超過1.6 MWp光伏裝機容量只能以高壓并網。這個光伏電站裝機功率6.7 MWp，按照當地規定只能高壓并網。

單晶硅組件系統電壓有1 000 V、1 500 V兩種，既然高壓并網，選擇系統電壓為1 500 V的光伏組件，相較于1 000 V系統，1 500 V系統單串組件塊數提高1.5倍，同樣的光伏裝機功率，組串數降低到2/3，相應的組串直流線損及施工成本都降低，1 500 V系統匹配大功能的組串逆變器，目前其最大功率為225 kW，交流側電壓為800 V，逆變電壓提高后，傳輸同等的功率，電流降低，電纜截面減小[3]。

光伏電站隨著一天太陽光強度的變化輸出曲線呈拱形，而逆變器的送出能力有限，當逆變器接入光伏組件總容量過大時，在太陽光較強的夏季，中午前后時分，大量電能由于受到逆變器極限輸出能力的限制而無法送出[4]，出現“削峰”現象，如圖2曲線A所示。

對于225 kW的逆變器，若僅接入225 kWp的光伏組件，此時，由于一年四季中絕大多數時候，光伏組件并不能達到其標稱功率，如圖2曲線C所示，一年平均發電曲線遠遠達不到逆變器輸出極限值，同樣也造成了逆變器資源的極大浪費。

因此工程中采用1.2～1.3的超配比來解決這個問題。即針對225 kW的逆變器，接入225×(1.2～1.3)容量的光伏組件。這樣做的好處是，光伏電站輸出曲線呈圖2曲線B所示，在盛夏中午，允許逆變器有一定程度的削峰出現，但絕大多數時候，光伏組件和逆變器的綜合利用率較高，從而在相同裝機容量情況下，獲得更大的發電量。

由于薄膜發電玻璃系統電壓為1 000 V，耐壓較晶硅差一些，同時為了避免直流組串光伏線纜過長，玻璃廠主車間一般高約20 m，因此只能選用較小功率的逆變器。采用100 kW逆變器，其交流側電壓為400 V。光伏方陣中，同一光伏組串中個組件電性能參數宜保持一致，光伏組串聯數應按照逆變器MPPT最大電壓來計算[5]，碲化鎘以5塊為一串，每5小串通過接線盒并聯成一組串，單臺逆變器接入16組串。銅銦鎵硒以15塊為一串，每4小串通過接線盒并聯成一組串，單臺逆變器接入11組串。接線圖如圖3所示。

2.3 并網方式系統

在各子系統中心設立升壓站，#1(#3)光伏子系統與#2(#4)光伏子系統距離200 m，故東、西兩側的屋頂與幕墻部分分開，分別組成1個子系統。該玻璃生產線建筑采用兩層方案，聯合車間加工工段的二層布置冷端設備及其深加工線，一層為電氣變配電室、風機房及成品庫房。一則聯合車間加工工段沿道路部分皆為光伏幕墻，在廠房外附近不便設升壓站，以避免對光伏幕墻產生遮擋；二則聯合車間加工工段一層大部分區域為成品庫房，可以將位于中部的成品庫房作為升壓站房，這樣屋頂光伏子系統組串式逆變器交流側電纜先穿過屋頂氣樓進入室內，再沿鋼梁、鋼柱下到一層升壓站，這樣從逆變器交流側到升壓站房交流匯流柜的交流電纜總長度最短。有兩大好處，一節省線纜投資，二降低線纜損耗，增加光伏系統上網電量。同理幕墻光伏子系統組串逆變器交流電纜到位于聯合車間加工工段中部的升壓站房中交流電纜總長度最短，線纜投資省，線纜損耗低，光伏上網電量增加。

2.3.1 高壓并網

逆變器輸出需經過升壓變升壓后送入并網點。升壓變就近布置于光伏方陣中心，位于廠房內一層，盡可能最大減少電纜損耗。東西屋面分別接2 500 kVA升壓變，東幕墻接500 kVA升壓，西幕墻接400 kVA升壓，升壓至35 kV后接入35 kV開關站。經35 kV開關站后于廠區總開關站35 kV母線I段并網。

2.3.2 低壓并網

大多數玻璃廠生產線配套玻璃深加工生產線，壓延玻璃深加工線的電加熱鋼化爐能耗大，需配大功率的配電變壓器，本生產線東西兩側的聯合車間加工工段分別配有6臺3 150 kVA配電變壓器，共12臺3 150 kVA配電變壓器，且位于東西兩側聯合車間加工工段中部，其位置基本上與高壓并網升壓站位置重疊，處在每個光伏幕墻子系統和屋頂光伏子系統的中心，光伏幕墻及屋頂光伏裝機容量6 700 kWp，光伏裝機容量僅為深加工變壓器總容量的17.7%，光伏系統采用低壓400 V并網沒任何技術上的問題。低壓并網相較高壓并網，省去升壓站升壓設備及開關站一次、二次設備。雖然低壓并網逆變器單機功率變小，逆變器直流側系統電壓由1 500 V降為1 100 V，直流串數增加，光伏電纜增多；逆變器交流側電壓由800 V降為400 V，低壓并網電壓交流電纜用量增加，由于低壓并網點距離組串式逆變器較近，平均長度約100 m，故低壓交流電纜費用增加有限。綜合考慮，這個低壓并網方案比高壓并網節省0.3元/Wp。此外，經PVsyst軟件模擬，低壓并網方案還比高壓并網方案要多發電10多萬度電，由于深加工用電負荷大，光伏發電全部被消納，低壓并網方案比高壓并網少一級降壓變電環節，光伏發電利用效率更高，故玻璃廠在低壓并網條件允許下，采用低壓并網，計量點發電量最大化，中間損耗小，自發自用利用率更高。低壓并網采用低壓逆變器，以380 V電壓經并網柜接入車間變電所低壓母線。

每一光伏方陣可就近接入變配電室。并網柜布置于變配電室內，這樣高壓并網的升壓站與開關站皆可以省去，省錢又省地。并網柜布置于變配電室內，光伏進線經并網柜，由并網柜出線再接入配電變低壓母線。

2.4 發電量估算

高壓并網系統效率81.01%，低壓并網系統效率82.46%。光伏發電站上網發電量可按照太陽能總輻射量、組件安裝量、綜合效率系數等參數進行計算獲得[5]，計算結果如表2所示。

表2 年發電量計算表

低壓并網西屋面光伏系統年發電量E3西屋面=226.732 4 kWh/m2×2.584 m2×4 615=2.75×106 kWh東屋面光伏系統年發電量E3東屋面=230.79 kWh/m2×2.584 m2×4 585=2.734×106 kWh南幕墻光伏系統年發電量E3南幕墻=95.1 kWh/m2×1.054 m2×2 853=0.286×106 kWh北幕墻光伏系統年發電量E3北幕墻=49.213 kWh/m2×1.92 m2×1 815=0.175×106 kWh西幕墻光伏系統年發電量E3西幕墻=70.5 kWh/m2×1.92 m2×562=0.076×106 kWh東幕墻光伏系統年發電量E3東幕墻=70 kWh/m2×1.92 m2×1 008=0.135×106 kWh全站年發電量E3∑全站=0.136×106 kWh+0.076×10 6 kWh+0.175×106 kWh+0.286×106 kWh+2.734×106 kWh+2.75×106 kWh=6.157×106 kWh

計算結果表明低壓并網具有更高的發電量，并且低壓并網發出的電自并網點即可直接被母線上負荷所使用，而高壓并網還需通過配電變壓器送給負荷，因而，低壓并網在發電量與利用效率上占據優勢。

3 結 論

在如今購電模式轉變和度電費用上漲情形下，作為高能耗的平板玻璃廠，通過光伏建筑一體化，努力打造綠色工廠，不斷優化光伏設計方案，增加發電量，減少損耗，所發電量最大效率地完全在廠里被消納，已達到最大程度地減少市電用電量，減少電費。

綠色工廠建設在平板玻璃行業有著良好的應用前景，該文重點探討了提高光伏建筑一體技術發電量從而達到最大限度減少電力成本。通過對建筑光伏一體的總體布局，針對不同光照情況選擇不同光伏組件，針對不同安裝工況，選擇不同鋪設方式，從效率最大角度選擇合適的電壓等級、逆變器容量、組件串并聯數等。以實際工程案例介紹了設計思路，并對發電量進行演算。