鋼鐵企業分布式光伏發電系統的建設經驗介紹

王海波，欒國文，楊領芝

(青島特殊鋼鐵有限公司，青島 266409)

0 引言

中國的鋼鐵行業經過幾十年的技術進步，尤其是近10年來，能耗指標發生了巨大變化，噸鋼綜合能耗已處于世界領先水平[1]，但中國依然是世界上能源結構以煤炭為主的國家之一，也是世界上最大的煤炭消費國。開發利用太陽能資源是調整能源結構、實施能源可持續發展的有效手段。

為積極響應國家碳達峰、碳中和的號召，在進行技術創新、降低系統能耗的同時，應鼓勵鋼鐵企業采用“自發自用”模式，利用廠區內的建筑物屋頂建設分布式光伏發電系統[2]，以降低鋼鐵企業總體電力資源消耗水平。光伏發電是清潔的可再生能源利用方式，沒有大氣、水污染問題和廢渣堆放問題。光伏發電項目運行期的主要能源消耗為集電線路、電氣設備的損耗和生產、生活用電的消耗，建設一個環保、低耗能、節約型的光伏發電項目必要且可行。本文以青島特殊鋼鐵有限公司(下文簡稱為“青島特鋼”)在其廠區屋頂建設的分布式光伏發電系統(下文簡稱為“青島特鋼分布式光伏發電系統”)為例，從基礎條件分析、系統方案設計、創新點及節能效果分析3個方面，對利用鋼鐵企業廠區屋頂建設分布式光伏發電系統的情況進行了經驗介紹。青島特鋼分布式光伏發電系統的總裝機容量為23 MWp，共安裝了59836塊385 Wp單晶硅光伏組件[3]，總安裝面積為25萬m2；光伏發電系統自發電就地升壓到10 kV，可并入電網直接使用。實際數據顯示，該分布式光伏發電系統的經濟效益顯著。

1 青島特鋼建設分布式光伏發電系統的基礎條件分析

1.1 青島特鋼的太陽能資源分析

青島特鋼的廠區位于山東省青島市。山東省的水平面年均太陽總輻射量在1400～1550 kWh/m2之間，為“很豐富”地區，屬于II類太陽能資源區；從地域分布來看，其年均太陽總輻射量為從東向西逐漸增加[4]，具體如圖1所示。

圖1 山東省的水平面年均太陽總輻射量分布圖Fig. 1 Distribution of annual average total solar radiation in the horizontal plane of Shandong Province

采用Meteonorm7的資料作為依據，對青島特鋼所在區域的太陽能資源進行整理，得到該區域的水平面多年平均太陽總輻射情況[5]，具體如表1所示。該區域的水平面月均太陽輻射量的變化情況如圖2所示。

表1 青島特鋼所在區域的水平面多年平均太陽總輻射情況Table 1 Situation of multi-year average total solar radiation in the horizontal plane in the area where Qingdao Special Iron and Steel Co.，Ltd. is located

從圖2可以看出：青島特鋼所在區域各月的水平面月均太陽輻射量的變化較大，呈現出單峰變化形式，1—5月的水平面月均太陽輻射量逐漸增大，5月時達到全年最大值，為637.20 MJ/m2；6—12月的水平面月均太陽輻射量逐漸減小，12月達到全年最小值，為234.00 MJ/m2。總的來說，青島特鋼所在區域秋季和夏季各月的水平面月均太陽輻射量較大，春季和冬季各月的水平面月均太陽輻射量較小。

圖2 青島特鋼所在區域的水平面月均太陽輻射量變化情況Fig. 2 Variation of monthly average solar radiation in the horizontal plane in the area where Qingdao Special Iron and Steel Co.，Ltd. is located

1.2 制約光伏發電系統高效運行的因素分析

青島特鋼廠區范圍內的水平面年均太陽總輻射量約為5223.60 MJ/m2，屬于太陽能資源很豐富的等級，太陽能資源較穩定。制約光伏發電系統高效運行的天氣因素主要為氣溫、揚沙及浮塵、風速、雷暴、雪及積雪5個方面，綜合分析青島市的氣候特點，針對這些因素對青島特鋼分布式光伏發電系統的高效運行影響進行分析。

1.2.1 氣溫

青島市的溫差較大，年平均氣溫為7.1 ℃，年均最低氣溫為-6.6 ℃，年均最高氣溫為21.9 ℃。從氣溫情況來看，青島特鋼分布式光伏發電系統中光伏組件的工作溫度可控制在其允許范圍以內。

1.2.2 揚沙及浮塵

沙塵天氣會帶來揚沙及浮塵，進而影響光伏發電系統的運行效率。青島特鋼地處沿海地區，周邊環境優良，并且已經完成了超低排放技術改造，空氣質量優良，因此，該因素造成的影響不大。通過運行維護中周期性的清洗工作，可使青島特鋼分布式光伏發電系統一直處于高效運行狀態。

1.2.3 風速

青島特鋼瀕臨黃海，所在地的地勢平坦，常年風速平均值為4.8 m/s，風速最大值為30 m/s。夏季風向主要為東南風，冬季風向以西北風為主。綜合考慮后發現，風速、風向對青島特鋼分布式光伏發電系統運行產生的不利影響較小。

1.2.4 雷暴

青島特鋼所在地區年平均雷暴天數為20.8天。由于分布式光伏發電系統的占地面積較大，光伏組件都安裝在固定金屬支架上，所有光伏組件安裝框架都采用了先進的防雷接地措施[5]，因此，雷暴對青島特鋼分布式光伏發電系統的運行影響較弱。

1.2.5 雪及積雪

在光伏發電系統運行過程中，雪天及積雪對其影響顯著[6]，積雪能夠覆蓋光伏組件表面，從而影響分布式光伏發電系統的發電。青島市的年平均雪天為6.8天，在本項目中，光伏組件的安裝是選取向陽坡屋頂進行布置安裝，并使光伏陣列傾斜適當角度，以便于運行過程中進行光伏組件表面積雪的清理工作，從而降低積雪對分布式光伏發電系統發電的影響程度。

1.3 青島特鋼建設分布式光伏發電系統的優勢

1)青島特鋼每天的用電量約為1500萬kWh，因此分布式光伏發電系統每天的發電量耗用率可保證達到100%；

2)青島特鋼廠區的總土地面積為7500畝(1畝≈666.67 m2)，建筑物和廠房的屋頂總面積為100萬m2，廠房鋼結構強度較高，完全符合分布式光伏發電系統的建設條件；

3)青島特鋼擁有完備的專業技術力量，能夠保障分布式光伏發電系統的日常運行維護工作。

2 青島特鋼分布式光伏發電系統的方案設計

青島特鋼分布式光伏發電系統的一期規劃總裝機容量為23 MWp，采用“自發自用、余電上網”模式，在廠區建筑物和廠房屋頂鋪設分布式光伏發電系統；系統采用標稱功率為385 Wp的單晶硅光伏組件，選用230臺100 kW組串式并網逆變器，單個光伏發電單元故障或檢修對整個青島特鋼分布式光伏發電系統的運行沒有影響。

2.1 光伏組件的安裝分配方案

本項目的光伏組件全部采用國產的385 Wp單晶硅光伏組件，共59836塊，光伏組件串聯數量為“20塊1串”，采用組串式并網逆變器，升壓變壓器容量為1000 kVA。所有光伏組件順屋面坡勢固定安裝，組串式并網逆變器就地安裝于分布式光伏發電系統所在的屋面或附近的外墻上。青島特鋼的建筑物和廠房屋頂面積及光伏組件安裝情況統計表如表2所示。

表2 青島特鋼的建筑物和廠房屋頂面積及光伏組件安裝情況統計表Table 2 Statistical table of roof area of buildings and workshops and PV modules installation in Qingdao Special Iron and Steel Co.，Ltd.

2.2 電氣及自動化控制設計方案

青島特鋼分布式光伏發電系統的自動化控制采用“無人值守”模式。具體為采用“計算機+工業視頻監控”方式，針對關鍵控制點，引入視覺識別技術對重點區域進行人員闖入、煙霧火焰和隔離開關等視覺監控。異常情況下，系統自動向相關運維人員發出預警信息。

分布式光伏發電系統的電氣設計為光伏陣列就地升壓為10 kV，然后接入廠區配電室的10 kV母排，共計4個并網點。

2.3 光伏組件的選型

晶體硅光伏組件和薄膜光伏組件是當前廣泛應用的兩種光伏組件。相比之下，晶體硅光伏組件的制造技術更為成熟，在大型光伏發電項目中有廣泛且成熟的應用[7]。目前，采用薄膜光伏組件的光伏發電系統的最長運行時間不到25年，其可靠性還需檢驗。晶體硅光伏組件中，雖然多晶硅光伏組件的光電轉換效率高于單晶硅光伏組件的光電轉換效率，但單晶硅光伏組件的價格更低。由于光伏組件的造價在工程總造價中的占比在60%以上，從節省工程投資的角度考慮，本項目選用了單晶硅光伏組件[8]。

2.4 光伏組串的設計方案

光伏組串的最高輸出電壓必須低于組串式并網逆變器允許的最高輸入電壓，最低輸出電壓必須大于組串式并網逆變器允許的最低輸入電壓。根據GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》，光伏組件串聯數N(N向下取整數)的計算式為：

式中：Vdc,max為逆變器允許的最大直流輸入電壓；Voc為光伏組件的開路電壓；Vpm為光伏組件的工作電壓；Vmppt,max為逆變器最大功率點跟蹤(MPPT)電壓最大值；Vmppt,min為逆變器MPPT電壓最小值；t為光伏組件工作條件下的極限低溫；t′為光伏組件工作條件下的極限高溫；Kv為光伏組件的開路電壓溫度系數；K′v為光伏組件的工作電壓溫度系數。

根據式(1)、式(2)可知，本項目光伏組件的串聯數為20塊。在每個屋面按照每串光伏組串為20塊光伏組件進行配置，則每串光伏組串的峰值功率為385×20=7700 Wp，對應于100 kW的組串式并網逆變器的標稱功率計算，并考慮青島地區的太陽能資源，按照組串式并網逆變器最大輸入功率計算，可得到并聯的路數為15路，即15串光伏組串并聯形成1個光伏陣列(即為1個光伏發電單元)。

2.5 光伏陣列的布局

青島特鋼的廠房為彩鋼瓦屋面，且屋面情況良好。本項目光伏組件采用縱向放置，排成規則的行和列，整個屋面由多個光伏陣列組成。按照全年09:00～15:00前后排光伏陣列之間無陰影遮擋的前提進行設計，光伏組件采用“彩鋼瓦1+1”(BAPV)模式，順屋面坡度鋪設，鋪設示意圖及效果圖如圖3所示。

圖3 光伏組件采用BAPV模式鋪設示意圖及效果圖Fig. 3 Schematic diagram and effect diagram of PV modules are laid with BAPV mode

利用天正陰影分析軟件對青島特鋼分布式光伏發電系統屋面的障礙物及陰影遮擋進行了模擬分析，分析結果如圖4所示。

圖4 屋面障礙物及陰影遮擋的模擬分析結果Fig. 4 Simulation analysis results of rooftop obstacles and shadow occlusion

2.6 逆變器的選型

在光伏發電系統中，并網逆變器是關鍵設備。在逆變器選型方面，主要技術原則是：1)對直流輸入電壓有較寬的適應范圍；2)能夠進行MPPT，在光伏發電系統實際運行中，逆變器的輸入端電壓實現自適應調整，以保障光伏發電系統一直保持在最大功率點上運行。

數據采集方面，逆變器有多種通信接口，采集到的數據發送到中控室，在控制器上有模擬輸入端口與外部傳感器相連接，能夠進行自動測量并儲存溫度、日照等信息，為整個光伏發電系統的數據分析處理提供數據支撐[9]。

目前國內分布式光伏發電項目主要采用10～50 kW的組串式并網逆變器，且組串式并網逆變器在屋頂分布式光伏發電項目中必須考慮屋面承重及結構形式，因此逆變器重量方面，宜選用輕型產品。但由于青島特鋼廠房屋頂的承重能力較好，因此本分布式光伏發電系統采用100 kW、9路MPPT跟蹤輸入的組串式并網逆變器。

2.7 發電量相關計算

2.7.1 發電量計算

青島特鋼分布式光伏發電系統的發電量計算采用RETScreen軟件，數據采用Meteonorm7的多年平均水平面月均太陽輻射量數據(見表1)。

若每塊光伏組件在1 h中接收的太陽輻射量為1 MJ/m2，計算得到其在1000 W/m2太陽輻照度條件下的等效發電小時數為3.6 h。而光伏組件的峰值功率是在太陽輻照度為1000 W/m2條件下標定的，因此，光伏發電系統理論發電量的計算方法為：峰值日照小時數乘以裝機容量。本項目的月均峰值日照小時數參照表1。

根據水平面太陽總輻射量及裝機容量數據，可計算得到本項目的平均傾斜面太陽總輻射量及發電量[10]。

2.7.2 系統效率計算

在并網光伏發電系統中，光伏陣列發電效率、逆變器轉換效率及交流并網效率會共同影響光伏發電系統的系統總效率。

1)光伏陣列發電效率η1：光伏陣列發電效率為在太陽輻照度為1000 W/m2條件下，光伏陣列的實際直流輸出功率與其標稱功率的比值。

光伏陣列的傳輸過程和能量轉換中的主要損失取值包括：陰影遮擋損失，取2%；光伏組件匹配損失，取2%；直流線路損失，取3%；溫度影響，取3%；表面塵埃遮擋，取2%；光照角度損失，取1%；不可利用的太陽輻射損失，取1%；光伏組件質量損失，取1%。綜合以上要素，本項目的光伏陣列發電效率為85%。

2)逆變器轉換效率η2：逆變器轉換效率為逆變器交流輸出功率與直流輸入功率的比值。

逆變器轉換效率中的主要損失取值包括：變壓器損失，取1%；MPPT精度損失，取1%；逆變器轉化損失，取1%。綜合以上要素，本項目的逆變器轉換效率為97%。

3)交流并網效率η3：交流并網效率為逆變器輸出到高壓電網中的傳輸效率。在傳輸過程中，最主要的損耗來自于升壓變壓器效率和交流電氣連接的線路損耗，通常取值為94%～96%。本項目的交流并網效率采用96%。

綜上所述，青島特鋼分布式光伏發電系統的系統總效率η=η1η2η3=79%。

2.8 年均理論發電量的計算

青島特鋼分布式光伏發電系統的光伏組件均采用固定金屬支架安裝在屋頂上。根據本項目所在地的太陽能資源，以及系統總裝機容量(23 MWp)、系統總效率(79%)等數據，計算運行期內，本項目的理論首年逐月發電量和月均利用小時數，結果如表3所示。

表3 本項目的理論首年逐月發電量及 月均利用小時數Table 3 Theoretical monthly power generation capacity and monthly average utilization hours of the project in the first year

經計算，本項目25年運行期內的理論年發電量及理論年均利用小時數如表4所示。

表4 25年運行期內的理論年發電量及 理論年均利用小時數Table 4 Theoretical annual power generation capacity and theoretical annual average utilization hours in the 25-year operation period

(續表)

從表4可以看出：青島特鋼分布式光伏發電系統的25年運行期的理論總發電量為60909.22萬kWh，理論年均發電量為2436.37萬kWh，理論年均利用小時數為1059.29 h，理論日均利用小時數為2.90 h。

3 項目創新點及節能效果分析

3.1 項目創新點

青島特鋼分布式光伏發電系統的創新點主要體現在以下3個方面：

1)光伏組件采用光伏組串的方式排布以獲得高電壓，經逆變器后就地升壓至10 kV，接入廠內電網，能滿足各種電機的用電需求；

2)采用視覺識別技術對變電站的安全運行進行監督，真正實現了變電站的無人值守。

3)分布式光伏電力清潔無污染，且經濟效益突出，項目的首年日均發電量理論值為7.23萬kWh。

3.2 項目節能效果分析

以燃燒煤炭的火力發電為參考，計算青島特鋼分布式光伏發電系統的節能減排效益。本項目于2020年10月投入運行，運行10個月的累計實際發電量為2390萬kWh，日均實際發電量為7.9萬kWh。以該數據進行計算，25年運行期內可發電72088萬kWh，創造效益達約1.4億元，經濟效益突出。

根據專家統計，每節約電量1 kWh，就相應節約了標準煤0.4 kg，同時減少了0.272 kg碳粉塵、0.997 kg二氧化碳、0.03 kg二氧化硫、0.015 kg氮氧化物等污染排放，則0.400、0.272、0.997、0.030、0.015為各參數的節能效益轉換系數。經過轉換計算，可得到青島特鋼分布式光伏發電系統25年運行期內的節能減排效果，具體如表5所示。

表5 本項目25年運行期內的節能減排效果Table 5 Effect of energy conservation and emission reduction during the 25-year operation period of the project

4 結論

本文以青島特鋼在其廠區屋頂建設的分布式光伏發電系統為例，對利用鋼鐵企業廠區屋頂建設分布式光伏發電系統的情況進行了經驗介紹。該項目25年運行期的理論總發電量為60909.22萬kWh，理論年均發電量為2436.37萬kWh，理論年均利用小時數為1059.29 h。25年運行期內，項目可節約標準煤288352.00 t，減排碳粉塵196079.36 t，減排二氧化碳718717.36 t，減排二氧化硫21626.40 t，減排氮氧化物10813.20 t，節能減排效果顯著。

青島特鋼屋頂分布式光伏發電項目充分利用了廠區房頂，為鋼鐵企業能源結構優化提供了示范性思路。光伏電力在生產過程中不排放任何有害氣體和固體廢棄物，環境效益明顯，且具有良好的社會效益和綜合經濟效益，值得大力推廣。