分布式光伏發電在現代水廠的應用分析

【關鍵詞】分布式；光伏發電；水廠

前言

針對大型自來水廠具有較大的空閑空間和較高的電力負荷，以及持續不停的生產運營需求，將分布式光伏發電應用于自來水廠，能夠滿足我國節能減排的要求，減少自來水廠用電能耗。將分布式光伏發電項目與水廠現有建筑物有機地融合在一起，在水廠建筑空閑屋頂或水池上部結構上搭建光伏發電組件，無論是在項目結構還是在經濟收益方面，都具有較高可行性。

一、分布式光伏發電在現代水廠的應用優勢

為適應特定客戶用電需求、保障已有配電網絡的經濟性，分布式光伏發電系統一般在多個位置同時接入配電網絡。分布式光伏發電系統主要集中在廠區、公共建筑表面、戶用屋頂和其他零散空地上。一種是“全額上網”的方式，即把所有的光伏發電的電量都轉移到電網[1]。一種是“自發自用，余電上網”模式，這種模式是將光伏發電的電能供給客戶負荷，剩余的電能通過兩路智能電表送往電網。分布式光伏并網是一種獨立的發電模式，對電網的依賴性較小，可以減小對電網的破壞，減小電網損耗。此外，將分布式光伏接入到建筑表層、屋面等處，可實現一地多用，可有效減小光伏系統空間，是未來大規模光伏發電的一種重要應用方式。分布式光伏發電接入系統如圖1所示。

在現代水廠中應用分布式光伏發電，可以充分利用水廠已有建筑的房頂及池面，在房頂及池面上安裝太陽能電池板，使水廠空間得到有效利用。其次，在屋頂設置太陽能電池板，可以對屋頂進行有效防護。將光伏組件裝在水池上，可以遮擋陽光，并從而有效抑制池塘中藻類生長。

二、分布式光伏發電項目設計

（一）項目概況

本項目位于湖南省長沙某自來水廠內，建設安裝區域為混合反應及沉淀池、濾池，該池為露天水池，池與池間有混凝土結構墻隔斷，組件安裝解決方案為采用柔性支架方案，廠區目前配置有2臺500kVA、2臺630kVA變壓器，因本期光伏建設容量為3662.82kWp，逆變器容量為70*1+125*21=2695kW，大于廠區變壓器總容量的50%，故新增2臺箱式升壓變壓器1250*1+1600*1=2850kVA，并網電壓等級為10kV高壓接入，采用自發自用，余電上網模式[2]。

（二）光伏發電系統

根據有無接入電網，將光伏發電系統分為離網式和并網式兩種。針對大規模離網光伏電站需要配置多個電池組的特點，本項目將根據水廠的占地面積、實際需求容量以及投資估算等因素，確定采用自發自用分布式光伏并網方式。利用水廠已有建筑以及其他構筑物與分布式光伏工程相結合，選定為3662.82kWp發電工程，在原有建筑的屋頂斜坡上鋪設光伏板。單個光伏板重量通常在20kg左右，太陽能電池板自身的均布荷載提高到0.12 kN/m2，預計其附加荷載在0.08kN/m2左右[3]。

（三）光伏列陣的方位角和傾角選擇

組件面向陽端的夾角對光伏發電能力有直接影響，某市組件最佳傾角是33°，因為大傾角會產生巨大負風壓，所以需要增加更多支撐重量。從結構安全性角度出發，混凝土屋蓋在結構強度允許時，可適當考慮其翹起角，通常不大于15°。斜坡屋頂自身朝南，可以直接將屋頂傾斜成一個角。由于該建筑主要結構是磚砌體，并且由于年代久遠，屋頂不適合再增加新的荷載，所以該工程的所有屋面構件都按0度傾斜布置。沉淀池、絮凝池與砂濾池上方以斜拉索方式架空安裝光伏組件，按13°傾斜布置。

（三）逆變器選型

串并聯并網逆變器具有容量小、分布式控制架構靈活、安裝和維修方便等優點，適合分布式并網系統。每個光伏組件串之間的逆變電源為冗余，互不干擾，具有較高的可靠性。由于該工程中各個建筑結構的屋面、地面及池面都是分布式的，對系統的可維護性和可靠性的要求更高，所以選擇組串式并網型光伏逆變器1臺70kW逆變器、21 臺125kW逆變器，合計容量2695kW。

（五）光伏發電系統電氣設計

本工程采用單點10kV電壓等級并網，10kV并網方式如圖2所示[4]。并網光伏系統中所使用的主要設備、材料包括光伏組件、逆變器、箱變、開關站、二次設備、并網柜、光伏組件支架、交直流電力電纜、電纜橋架等。利用太陽能發電技術，解決了自來水廠用電負荷問題，同時利用光伏組件和自來水廠用電設備，提高了供水系統的使用壽命。該光伏發電系統輸出的電能達到了國家標準，對自來水廠設備沒有任何危害，具有較高可靠性與安全性。

（六）系統防雷接地設計

為確保該項目中的光伏發電裝置的安全性和可靠性，避免因雷電和工頻過電壓等外部原因造成的設備損傷，需要對其進行合理的防雷接地設計。將光伏電站逆變器接入到建筑物內部，通過建筑物屋面設置閃爍區來進行直接雷擊保護，將自來水廠結構的天然接地設備和太陽能電池板形成一個綜合接地網絡。對光電系統中的保護接地與工作接地共用一套接地設備，接地電阻不得超過4歐。將太陽能蓄電池組的金屬框架與支承框架牢固相連，并與接地網相連，構成一個完整的接地通道。除了要做好防雷接地系統連接，還要在室內高壓配電設備的進、出線上加裝無間隙氧化鋅避雷器，并在各個匯流箱、直流柜上加裝防雷組件，以避免雷電侵襲和工作過電壓。

（七）光伏并網接口設計

作為光伏逆變器和電網之間的一個重要節點，光伏并網接口設備將三相光伏電站作為保護監測的目標，能夠對分布式電源的并點遙信、遙測和遙控數據進行有效的監測，從而達到了對分布式電源的全面監測，保護開斷的功能作用[5]。并網接口設備功能主要包括以下幾點：

（1）并網點開斷功能：能清楚地顯示分斷故障電流，有失壓跳閘閉鎖和有壓合閘檢測功能。

（2）測量功能：預先設置電表的地點，并可以設置標準電表，對電能進行測量。

（3）交流匯流功能：具有交流匯流功能，可滿足串聯型逆變電源接入要求；支持多路交流輸入，各輸入端分別獨立切換，單路輸入故障可與其他回路隔離，且不會影響其他線路的并網。

（4）測控功能：采集線路的電壓、電流和電量，并在現場 LCD上顯示，并能接收電網調度命令上載的遙測數據。

該系統利用光電耦合技術，實現了對開關位置、開關跳閘和分布式電源逆變報警等功能的采集。按照通信協議，接收電網調度部門的命令，對分布式能源進行投退和離網控制。

（5）保護功能：包括欠壓保護，過壓保護，失壓閉鎖，低頻保護，短路保護等。同時，當系統出現缺電時，控制裝置要進行分閘，當供電系統恢復時，則能實現對有壓合閘的自動檢測；在監測到分布式光伏發電系統處于孤島狀態的情況下，能夠實現并網切換的功能。

三、分布式光伏發電在現代水廠的應用效益分析

（一）發電量預測與節能計算

本項目光伏發電系統裝機容量為3662.82kW，2023年實測運行數據如表2所示，全年光伏發電系統發電量約為346.3萬kW·h。光伏發電模式屬于清潔能源，不僅不會消耗現有煤炭能源，而且還不會生成二氧化碳，也不會生成二氧化硫、氮氧化物和灰塵等造成污染的物質。結合系統效率與太陽輻射數據，計算每月發電量，如表2所示。該方案的整體效率達到了80%。

本項目第一年系統總效率為80%，隨后由于光伏組件實際功率的衰減，系統總效率會逐年下降。本項目擬采用單晶硅光伏組件，功率首年衰減2.0%，后續線性年衰減0.55%，25 年共衰減 15.20%。可測算出25年累計發電量為8074.38萬kW·h，平均每年發電量為322.98萬kW·h。

（二）經濟效益與環境效益

所有的發電效益都自發自用，用來滿足自來水廠的日常生產和生活用電。從光伏25年平均年發電量來看，平均每年節省電量322.98萬kW·h，按全年自來水廠平均電度電價0.7元/kW·h計算，可節省約226.086萬元電費。該項目的總投資額為1836.66萬元，預期可在8年內收回本。從光伏工程的實際發電量來看，該裝置在其壽命內25年的預計盈利將在5652.15萬元左右，投資收益率為307.74%。光伏發電工程在為自來水廠帶來經濟效益的同時在環境方面也有良好的效益。本工程多年平均發電量322.98萬kW·h，按照火電標準煤單耗306.4g/kW·h計算，可以代替989.60t標準煤，減少CO2排放量2706.53 t，SO2排放量0.60t，NxOy 排放量0.63t，煙塵排放量0.12 t，有效降低有害物質排放量，具有良好的環境效益。

結論

本分布式光伏發電方案發揮了水廠較大空閑空間的優勢，最終建成的發電系統效率達到80%，投資收益率為307.74%，在創造經濟效益的同時，能有效降低池面光照強度抑制藻類滋生降低藥耗，還能夠減少碳排放量以及其他有害物質排放量。從節能減排和提高經濟收益方面來看，該項目方案的實施不僅具有顯著的經濟效益，還具有較高社會效應，而且在技術上是可行的，因此可在其他水廠中推廣應用。

參考文獻：

[1] 盛大春. 分布式光伏發電在現代水廠的應用分析[J]. 安徽建筑，2023，30（7）：90-92.

[2] 童鷹. 光伏發電系統在水廠中的設計方案探索[J]. 科學技術創新，2023（7）：53-56.

[3] 陳新宇， 曾華斌. 分布式光伏助力自來水廠降本運行[J]. 紅水河，2022，41（2）：84-87，93.

[4] 李利. 自來水廠區建設光伏發電項目的探索及效能分析[J]. 城鎮供水，2021（3）：32-36，120.

[5] 董威. 光伏發電系統在大型水廠中的設計與實踐[J]. 中國給水排水，2020，36（2）：59-64.