棉花纺织企业太阳能发电EPC项目应用研究

2022-02-16刘进军

中国棉花加工 2022年6期

■ 刘进军

〔河南农业大学，河南郑州450002〕

电力消耗是棉花加工企业成本费用的重要组成部分，如何使企业用电更经济，是每个棉花纺织企业所关注的问题［1］。棉花纺织企业通常采取有针对性的措施降低电力消耗，例如通过合理调整作业班次降低工业（或非民）峰谷电价电费；通过加强能源计量管理，实行定额考核等有效措施，做到有序用电；通过提高用电效率、减少线路损耗、降低单位产品耗电量来达到经济节能的目的［2］。

合同能源管理（Energy Performance Contracting，以下简称EPC）是一种基于市场、以节约的能源费用来支付节能项目成本的节能投资运营机制［3］。在这种节能投资机制运作下的专业化EPC节能服务公司与用能客户签订节能服务合同，采用先进的节能技术和节能装备为节能客户实施节能服务，使企业减少能源消耗，产生节能效益，并用节能收益来支付实施节能改造的成本和费用的节能方式。EPC是一种具备诸多优势的节能机制，它为各行各业的节能活动新添生机与活力，目前在我国很多行业节能改造中都有成功的应用［4］，对于推进我国各行业节能工作的开展、建设节约型社会有着重要的现实意义［5］。

近年来，分布式太阳能发电站建设进入规模化建设应用阶段，在替代常规电能和实现低碳减排方面，具有明显的经济和生态环境意义［6］。随着分布式太阳能发电技术不断完善，装机成本和系统造价的逐年降低，太阳能发电在工业用电和高耗能产业领域进行节能替代，是我国构建清洁低碳、安全高效能源体系，实现“碳达峰、碳中和”目标的必由之路［7］。棉花纺织企业作为高耗能产业，适合开展太阳能发电EPC项目。

从现有研究来看，尚鲜见对棉花纺织企业太阳能发电EPC项目进行研究的文献。本文以河南某棉花纺织企业建设太阳能发电EPC项目为例，介绍了棉花纺织企业的用电负荷特点、EPC项目运营模式、太阳能发电并网技术方案，依据项目实际运行数据对项目的发电量进行了预测，从项目的初始投资、净现值、内部收益率和投资回收期等方面进行了分析研究，并展望了其在棉花纺织行业的应用前景。希望能够为太阳能发电EPC项目在棉花纺织行业投资运营提供一定借鉴，同时也为棉花纺织企业的经济节能提供参考。

一、项目概况

EPC项目地址位于河南省境内，占地36万m2，规模15万锭，拥有清梳联、精梳机、自动络筒机、转杯纺纱机、无梭织机等纺织加工设备车间，建筑面积共10.3万m2，主要生产和经营纯棉及混纺纱线、纯棉和混纺布、色织布、家用纺织品，年产织物用纱16万t、服装面料1.3亿m。据统计，2020年该企业全年用电量236.4万kW·h，日均耗电6 476.71 kW·h，年最大负荷3.86 MW，以设备动力负荷为主。电力负荷高峰时段为9：00—17：00。该地区目前供电电价按峰平谷时间段划分：峰平谷电价比为1.64∶1∶0.41，峰段电价以平段电价为基础上浮64%、谷段电价以平段电价为基础下浮59%。峰平谷电价分三个阶段：高峰时段为08∶30—11∶30、18∶00—23∶00，平时段：07∶00—08∶30、11∶30—18∶00，低谷时段：23∶00—07∶00。高峰时段用电：1.025元/kW·h，平峰时段用电：0.725元/kW·h，谷峰时段用电：0.425元/kW·h。由于棉花纺织企业的特点是生产季节性非常强，因此，电力负荷变动非常明显，棉花纺织设备工作运行时间大多数在高峰时段和平峰时段，这样使用的电量电价往往高于平峰时段电价，用电不经济。同时，随着业务的增加、规模的不断扩大，电能消耗呈逐年增长趋势，原棉花纺织设备配电负荷设计不能满足现有需要，为此，企业决定引入社会资本采用EPC模式安装太阳能发电系统。

二、EPC项目运营模式

经过对太阳能发电相关的国家政策、行业特点、投资可行性、技术方案和经济效益综合考虑，对不同运营模式、不同并网方案的成本与收益的综合评价，结合棉花纺织企业现有建筑特点和配电系统现状，考虑在企业生产车间屋面建设太阳能发电系统，太阳能系统所发电量经逆变并到棉花纺织企业电网后，直接满足棉花纺织企业各生产车间使用，太阳能系统多余电量按照企业当地燃煤脱硫机组标杆电价由当地供电企业收购，不足电量由供电企业向棉花纺织企业提供，并按照当地销售目录电价向棉花纺织企业收取下网电量电费，实现太阳能发电就地消纳，自发自用，余电上网［8］。经双方友好协商，该EPC项目采用节能效益分享型［9］，EPC节能服务公司投资100%建设太阳能发电系统，系统建设完成投入使用以后，棉花纺织企业按照国家电网平价供电价格向EPC公司缴纳电费，采取1：9的比例对节能收益进行分享，合同期限15年，15年后，项目经营权与所有权全权归棉花纺织企业所有。EPC节能服务公司对该企业供配电系统进行全面分析和能耗诊断后，根据该企业的电力负荷特点和加工车间屋顶面积条件，建设分布式车间屋面太阳能发电系统，具体EPC项目运营流程为：双方签订合作意向——向主管单位报备资质与设备清单——进行太阳能发电方案设计——双方签订合同——EPC项目实施——分享节能收益分享。

三、技术方案

（一）确定装机容量

该棉花纺织企业位于北纬34.03°，东经113.48°，所在区域年平均日照时数为2 021 h～2 118 h，日照百分率为44%～53%。年平均气温13.6 ℃～15.6 ℃，年平均降水量1 370 mm～1 563 mm，全年无霜期为192 d～219 d，年均辐射量为4 803 MJ/m2。通过前期选址后实地勘测，棉花纺织企业车间厂房屋顶面积约10 350 m2可用，可分别在3个车间屋顶布置太阳能电池板，将3个车间屋顶建成建筑一体化并网型太阳能发电系统。经勘查设计布置太阳能电池组件的面积约为8 452.5 m2，车间屋顶太阳能发电系统规划装机总容量设计为0.75 MW。经实验测试和工程测算，总装机772.5 kW，共计3 090组太阳能电池板组件，电池组件及配套支架选择固定安装模式安装于3个车间屋面空置区域，太阳能发电项目安装完成后不影响棉花纺织企业整体建筑物风貌特点。

（二）计算太阳能电池板阵列间距

参照《CNCA/CTS0016-2015并网光伏电站性能检测与质量评估技术规范》规定的太阳能电池板阵列遮挡限定条件为：按照冬至日9：00—15：00不遮挡原则设计，阵列间距由公式（1）计算：

式中：D——两排方阵之间距离，mm；

L——太阳能电池板斜面长度，mm；

β——方阵倾角，取29°；

φ——当地纬度，取34.03°。

可得到，太阳能电池板阵列间距为1 860 mm。

（三）太阳能发电系统方案

太阳能发电系统由三大部件构成：一是太阳能电池板、二是并网逆变器、三是组件支架、连接电缆线以及太阳能发电辅助设备。

1.太阳能电池板。

太阳能电池板的作用是将太阳能转变为电能，是太阳能发电系统中最核心的组成部件，目前市场中以单晶硅电池板和多晶硅电池板为主［10］。本系统选用转换效率大于16%、单体峰值功率250 W的HR-250P-24/Ba型多晶硅光伏组件，其技术参数如表1所示。

表1 太阳能电池板技术参数

2.并网逆变器。

并网逆变器为系统关键部件，它的主要作用是将太阳能电池板组件在光照下产生的直流电（DC）汇集后，将其转变为可供一般电气设施、设备使用的交流电（AC）。本系统采用的并网逆变器规格型号为KSG-300K，可实现大功率点跟踪，在光照强度较大时太阳能系统发出的多余电量经转化成为满足公共电网要求的交流电注入公共电网中；在阴雨天光照强度较弱情况下，发电能力不足时，则由公共电网向棉花纺织企业车间供电。并网逆变器的防逆流检测点安装在太阳能发电系统连接棉花纺织企业配电系统的主线上，可实时采集电网信号，使逆变器的交流输出相位与棉花纺织企业电网保持相同，准确度等级为0.2S级，其技术参数如表2所示。

表2 逆变器技术参数

3.组件支架、连接电缆线以及太阳能发电辅助设备。

根据棉花纺织企业所在区域的太阳能辐照条件、生产车间结构、加工厂配电系统现状以及设备设施用电负荷等情况，结合考虑用能要求，设计整个太阳能发电系统由3个257.5 kW 的太阳能电池板方阵子系统组成，太阳能电池板方阵正南朝向，29°安装倾角，每个子系统选用逆变器1台和隔离升压变压器1台，布置在空置区，子系统的太阳能直流电经汇流后接至逆变器，经逆变升压后变为三相交流输出，汇集到该棉花纺织企业10 kV配电室，通过系统并网装置与国家电网系统并网。系统实现太阳能发电系统直接向棉花纺织企业原配电系统负荷供电，同时可将剩余电力送入国家电网系统，当太阳能发电系统不能满足棉花纺织企业负荷要求时，由国家电网系统供电。远传电度表可显示太阳能发电系统与国家电网系统的买、卖电量。整个太阳能系统与棉花纺织企业车间厂房紧密结合、协调一致，实现建筑一体化。系统方案如图1所示。

图1 太阳能发电系统方案示意图

太阳能发电系统在棉花纺织企业电力值班室内设中央控制室，通过控制系统后台可实现对太阳能电池板阵列的电力系统运行情况进行远程监控，其设备技术参数如表3所示。

表3 太阳能发电系统技术参数

（四）系统运行测试

系统于2020年5月经过项目验收后开始运行，2022年5月6日09：50—10：30对并网逆变器和太阳能电池板状态参数进行测试。现场测试仪表使用气象生态环境监测仪和便携式太阳能I-V测试仪，当日太阳辐射强度710 W/m2～740 W/m2，环境温度18.2 ℃～19.6 ℃，组件背板温度为29.3 ℃～33.4 ℃。从太阳能电池板阵列中随机抽取10块太阳能电池组件，测试选定10块多晶硅太阳能电池组件I-V曲线，实测功率修正到STC条件，同标称功率比较，得到太阳能电池组件的功率衰减率。测试数据显示，10块太阳能电池板中最大功率衰减率为2.6%，最小功率衰减率为0.5%，平均衰减率为1.6%。太阳能发电系统已运行2年，符合《光伏制造行业规范条件（2015年）》对多晶（单晶）组件首年功率衰减≤2.5%，后续每年衰减在前一年的基础上增加0.7%的规范要求，设备运行状态良好。

四、项目应用研究

（一）初始投资

系统的初始投资主要包括太阳能电池板、逆变器、支架及辅助设备、安装费用、运输及其他费用，如表4所示。

表4 太阳能发电系统初投资

从表4可以看到，该太阳能系统初投资共计455.7万元，折合装机单价5 899元/kW。其中，太阳能电池组件单价2.09元/W，逆变器单价约1.82元/W。

（二）年发电量

太阳能发电系统的年发电量可以通过系统装机容量和当地年日照峰值时数来预测，发电系统第n年发电量Qn值可由公式（2）计算：

式中：

Qn—第n年太阳能系统发电量，kW·h/年；

P—太阳能发电系统装机容量，kW；

Ts—系统所在地年峰值日照小时数（可查阅当地气象数据得知），h；

K—太阳能发电系统综合效率系数，依据系统组成设备性能指标的相关文献数据取78.68%［11］；

γ—太阳能发电系统平均年衰减率。

依据《光伏制造行业规范条件（2015年）》对多晶（单晶）组件首年功率衰减≤2.5%，后续每年衰减在前一年的基础上增加0.7%的规范要求选取。该太阳能发电项目15年内年发电量预测如图2所示。

图2 太阳能系统年发电量

从图2可知，系统在EPC合同期内15年累计发电量1 402.29万kW·h，年均发电量93.49万kW·h。

（三）年累计净现金流量

依据EPC项目合同规定，棉花纺织企业按照国家电网平价供电价格向EPC公司缴纳电费，并采取1∶9的比例对节能收益进行分享，EPC节能服务公司年累计净现金流量可由公式（3）计算：

式中：

PRn—第n年的累计净现金流量；

C0—项目的初投资（见表4）；

Cn—第n年运维成本（年运维费取初投资1‰）；

Qn—项目第n年的发电量，kW·h/年（见图2）；

PS—电价，0.725元/kW·h；

t—EPC项目合同期限（15年），年累计净现金流量如图3所示。

图3 项目年累计净现金流量

（四）经济性分析

根据太阳能发电项目初投资（见表4）、年发电量（见图2）、年累计净现金流量（见图3）、贴现率（取人民币五年以上贷款基准利率4.9%），计算项目经济性指标如表5所示。

表5 项目经济性指标

由表5经济性指标中可看出，该太阳能发电EPC项目的单位供电成本（0.36元/ kW·h），低于当地工业平价用电价格（0.725元/kW·h）。项目15年合同期限到期，净现值NPV为2.26元/ W，合同期间可以收回投资且盈利能力尚可。内部收益率10.3%，在合理的节能改造收益范围。投资回收期8.9年，与目前国内节能改造EPC行业的投资回报期6年—7年相比，投资回收期偏长，可考虑争取国家或地方对可再生能源的专项补贴或适当延长合同期限来保障EPC项目中节能服务公司合理的投资收益率。