光伏发电在纺纱企业的应用实践

沈桥庆 沈铭婕 卞克玉

（1.常州虹纬纺织有限公司，江苏常州，213018；2.江苏理工学院，江苏常州，213001；3.常州纺织服装职业技术学院，江苏常州，213020）

纺纱企业生产用电均使用国家电网提供的220 V/380 V、50 Hz 交流电，因生产设备24 h 连续运行，属连续耗电用户。为适应企业长远发展以及响应国家“双碳”需要，企业经过反复调研、论证后利用自有锯齿形厂房屋顶等建筑实施屋顶分布式光伏发电项目，并由国内一家大型光伏企业负责投资、设计、建设、运维，用能企业付费用电，余电上网，太阳能绿电按照优惠打折价（国网电价的78%）支付给投资方。

1 光伏发电简介

光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳能直接转化为电能。太阳能电池可并网发电，光伏发电系统主要由太阳能电池板组件、控制器和逆变器三大部分组成，因主要由电子元器件构成，不涉及精密复杂的机械部件以及后期的维护保养，故光伏发电设备简洁可靠、安装维护简便，以下对利用纺纱厂屋面实施光伏发电项目进行相关分析，供同行参考。

1.1 所在区域太阳能资源分析

江苏境内大部分地区年太阳总辐射在4 190 MJ/m2~5 016 MJ/m2。太阳总辐射量分布呈现西北多东南少的趋势，北部年值高于南部，中部东西横向年值由边缘向中间递减。项目在调 研 阶 段 采 用Meteonorm 8.0 （1991—2000），Sat=53%获取项目所在地太阳辐射数据。项目所在地多年年平均总辐射量为4 580 MJ/m2，通过计算得出时数为1 272 h，根据GB/T 37526-2019《太阳能资源评估方法》中太阳能资源丰富程度的分级评估方法，该区域的太阳能资源丰富程度属C 级（3 780 MJ/m2~5 040 MJ/m2），具有较高的开发潜力和经济价值。

1.2 工程任务和规模分析

某企业的光伏发电项目地址位于江苏省常州市境内，场地的地形开阔。光伏发电主要任务是将太阳能转化为电能，同时兼顾屋顶隔热、保温、防水等其他用途。项目建成后，其电力就近送入相邻的10 kV 配电站并网使用。

从地区能源资源来看，项目所在地太阳能资源较稳定，较适于进行太阳能资源的开发利用。从地区新能源规划、太阳能资源利用、电力系统供需、项目开发条件以及屋顶资源占地面积和阵列单元排布等方面综合分析，项目共安装10 688 块550 Wp单晶硅组件，总装机容量为5.568 75 MWp，通过太阳能光伏发电系统及相应的配套设施接入10 kV 电压等级的电力系统。

1.3 光伏发电系统方案及发电量分析

通过技术论证与经济综合比较，屋顶发电所用的光伏组件选用550 Wp 单晶硅光伏组件，电站共安装10 688 块电池板。选用300 kW 的组串式逆变器，将逆变器交流侧输出汇集至新建升压变后汇入新建10 kV 开关站再接入用户侧10 kV 变电站。

光伏电站光伏阵列由光伏组件、光伏阵列支架组成。光伏阵列安装方式为固定式。根据本工程屋顶结构的特点，结合实际排布、工程经验，确定采用BIPV 光伏组件平行屋面铺设，如图1 所示。项目设计的首年发电量约564.69 万kW·h，年均发电量528.95 万kW·h，按照90%的消纳比例预测25 年累计发电量约为11 901.375 万kW·h［1］。

图1 光伏组件铺设

2 BIPV 光伏组件特点分析

现代化社会中人们对舒适环境的追求越来越高，导致建筑采暖和空调的能耗日益增长。在发达国家，建筑用能已占全国总能耗的30%~40%，对经济发展形成了一定的推进作用［2］。BIPV 即Building Integrated PV 是光伏建筑一体化的简称。PV 即Photovoltaic（光伏）。BIPV 技术是将太阳能发电产品集成到建筑上的技术，如图2 所示。

图2 BIPV

从结构原理分析，BIPV 具有双层中空玻璃的特点，具有良好的保温性能，这个结构相当于屋面的建筑混凝土+空气+玻璃，最外面是玻璃组合体，即玻璃+EVA（封装胶膜）+电池片+EVA+TPT。单层玻璃作为一种常见的建筑材料，其热传导系数通常在0.8 W/（m2·K）~1.5 W/（m2·K）；双层夹空玻璃的导热系数通常为0.3 W/（m2·K）~0.5 W/（m2·K）；干 燥 的 砖 墙 导 热 系 数0.39 W/（m2·K）~0.42 W/（m2·K），湿 砖 在1.0 W/（m2·K）~1.4 W/（m2·K），可 见 双 层 夹空玻璃具有良好的隔热和保温性能。

光伏背板材质一般采用聚氟乙烯复合膜TPT（耐腐蚀，耐紫外，力学性能和热稳定性好），或采用一种热塑性弹性体材料用TPE（强度高，回弹性高，可注塑加工，应用范围广泛，环保无毒安全，触感柔软，耐候性、抗疲劳性和耐温性好，加工性能优越，无须硫化，可以循环使用降低成本）。背板起到保护电池片的作用，背板应密封、绝缘、防水、耐老化。一般光伏背板的寿命和玻璃、铝边框相当，寿命能达到25 年。

把太阳能转换为电能过程和传统的屋面的阳光转换成热的过程相类似，安装太阳能的屋顶夏天可以有效降低室内温度；同时因光伏组件发电过程本身工作温度达到20 ℃以上，屋面光伏组件在冬季亦有一定的保温作用，具有加速融冰雪的能力，有利于保护建筑物并延长使用寿命。

3 纺织企业及建筑屋顶特征和分析

光伏发电项目位于江苏常州境内，涉及使用建筑的屋面为厂区内适合安装光伏组件的混凝土屋顶和锯齿形厂房屋顶，其中，锯齿形屋顶的机制瓦（俗称“洋瓦”、“琉璃瓦”）屋顶属于20 世纪70年代后期建造，经勘察均适宜安装光伏系统。各种类型的屋面合计有4 万m2。

在钢筋混凝土平顶或人字形坡顶的屋面敷设光伏组件，采用成熟的光伏支架安装方式，即在屋面用专用铝合金材质光伏支架为支撑，支架下端固定在屋面，上部安装光伏组件，中间的架空隔层可以通风和隔热、保温，光伏支架的设计使用年限为25 年，安全等级为三级，重要性系数不小于0.95。考虑台风因素，采用50 年一遇风荷载标准值0.45 kN/m2进行设计。

因部分建筑为20 世纪70 年代的锯齿形厂房，采光窗朝北向，该型屋面采用机制瓦、油毛毡作为屋面防水和保温材料，油毛毡下方的弓形隔热保温层为原钢筋混凝土预制结构件，屋顶承重架构为木梁和水泥梁组合的桁架结构，锯齿形厂房屋面总面积2.5 万m2，需要采用相对特殊的方式安装铝合金材质的光伏组件支架后敷设光伏组件，如图3 所示，即在BIPV 光伏组件下方用铝合金支架支撑并承重，并用BIPV 光伏组件替代部分机制瓦覆盖。由于BIPV 单位面积质量小于原有的机制瓦，在屋面敷设光伏组件后，承载负荷减少，可提高屋面的稳定性、安全性，屋面的保温、隔热性能均可以得到有效保证，并延长所在锯齿形建筑物的使用寿命。BIPV 光伏组件下方另铺设铝合金排水槽，可有效引流BIPV 光伏组件的雨水，确保无雨水进入室内。这样的屋面结构可确保屋顶的保温和防水，也可以确保在台风来 临时建筑物构造的安全，延长建筑物的使用寿命。

图3 敷设光伏组件的双排支架侧视图

4 光伏组件阵列的运行方式特点

4.1 光伏组件方阵要求

国内屋面光伏发电系统普遍采用固定倾角阵列发电方式。增加自动跟踪装置虽增加了发电量，但会增加占地面积，更适合于荒漠区大型并网光伏电站。根据已建工程调研数据，若采用斜单轴跟踪方式，系统实际发电量可提高约18%，直接投资增加14%；若采用双轴跟踪方式，系统实际发电量可提高约25%，直接投资增加22%。此外，固定式支架系统多点支撑，基本免维护；自动跟踪式初始投资较高，需要一定的维护，且布置分散清洗量较大。因项目安装环境为厂区内的建筑物屋面，自动跟踪式虽能增加一定的发电量，但目前初始投资相对较高，后期运行过程中又需要一定的维护，运行费用相对较高［3］，电池阵列的同步性也对机电控制的机械传动构建要求较高。结合屋面安装运行条件，项目选用固定式运行方式。

4.2 光伏组件表面的日常清洁措施

因安装在屋面的光伏组件离地均超过2 m 以上，属于高空作业，为了方便光伏组件阳光照射面表面的日常清洁，尤其是锯齿形厂房屋顶光伏组件的清洁，也为了确保作业人员的安全，在设计时将水管引上屋面光伏组件的最高点，采用增压泵加压定时自动喷水冲洗的方式。由于喷水口位于光伏组件的最高点位置，可利用喷水口的出水压力和连续的水流，非常快捷、方便地清洗光伏组件表面，不需要人工作业就可确保光伏组件的清洁，最大效率接受阳光照射。为防止光伏组件因清洗水流和人影造成的阴影导致发电量损失，清洗选择在早上日出前、晚上日落后进行较为合理。

5 光伏发电用组串式逆变器的作用和特点

逆变器是把太阳能产生的直流电转变成交流电（一般为220 V，50 Hz 正弦波），由逆变桥、控制电路组成，是光伏发电的关键性部件。项目采用了组串式逆变器。组串式逆变器小巧轻便，易于安装，具有高度灵活性，可做成单组串接入，也可多个组串接入逆变器的不同MPPT（太阳能最大功率点跟踪控制器）通道中，确保每一光伏组串都具有最大功率输出。组串型逆变器各MPPT 回路不受组串间模块差异和遮影的影响，同时减少光伏组件最佳工作点与逆变器不匹配的缺陷，可以更好地跟踪太阳能组串的最大功率，增加了发电量。

光伏并网系统的直流系统是指太阳电池组件、逆变器输入直流侧所构成的部分。直流发电系统中，太阳电池组件串联数量为26 块（10 kV并网系统）。项目采用组串式逆变器，每26 块组件为一串，每台接入13 串~18 串，25 台196 kW 逆变器，并入变压器低压侧，逆变成交流电通过升压变压到10 kV，接入厂区内部10 kV 中压侧并网。

6 项目经济价值和社会效益分析

项目总装机容量5.8 MWp，占用屋面总面积4 万m2，安装10 688 块光伏组件，屋面的隔热保温、防雨等收到良好效果，且不占用企业宝贵的土地面积，每年可减少二氧化碳排放1 528.43 t。采用发电自用余电上网的结算方式，预计年节省电费87.58 万元，暂按90%的消纳比例，25 年节省电费1 970.55 万元，根据测算，投资方在12 年内可以收回光伏发电项目全部费用。

光伏发电对环境无污染，发电过程中无温室气体排放，是太阳能光伏发电的巨大优势，光伏发电系统运行后，真正实现零排放。按光伏发电系统稳定运行25 年计算，项目光伏发电系统理论累计发电量可达12 631.61 万kW·h，相当于节约标准煤38 210.63 t，相当于减少二氧化碳温室气体的排放106 610.81 t、减少二氧化硫排量783.16 t、减少粉尘排量7.58 t、减少氮氧化合物排放265.26 t。

由于光伏发电项目刚刚实施，使用时间不长，有关的经济效益还有待于长期观察、测算后才能得出较为全面的结论。另外，由于光伏发电组件表面在遇到大雪、冰雹等极端气候后会严重影响发电效率和安全，因此安全、有效、可靠的除雪等预防措施需要在使用过程中不断摸索后寻找最佳的应对措施。

7 结束语

在纺织企业原有厂房屋面使用光伏发电，不占用宝贵的土地面积，尤其是利用原有的锯齿形建筑物屋面敷设新型光伏组件，可实现屋面的保温、隔热、防雨水渗漏，延长屋面使用寿命，并实现可持续发展，有利于提升企业形象和体现社会责任。积极开发并利用可再生能源，替代部分煤电，实现绿色生产，既可部分减轻能源外购压力，又能够改善能源结构和走能源可再生发展道路，十分必要。尤其是对于纺纱企业使用的锯齿形屋面发电有着非常积极的推广价值。由于屋面敷设光伏发电组件还要考虑屋面及建筑物承重、项目所在地的台风、冰雹、降雪等极端气候情况，建议在设计时参考近50 年的地方气象记录，以确保项目的安全、可靠运行。