并網光伏發電技術在屋頂光伏發電系統在工廠的應用

摘要：結合工程案例，討論了在地下污水處理廠工程設計中，依據規劃，建筑、景觀設計，建設并網光伏發電系統，用于地下污水處理廠照明及通風等系統供電的可行性。從系統的設計、計算、成本等方面介紹了并網光伏發電技術在該項目中的應用，并對系統在類似項目中應用存在的問題進行了分析。

關鍵詞：并網光伏發電系統；地下污水處理廠；效益分析

引言

山東博物館太陽能光伏并網發電系統位于博物館頂層，實施區域面積約7000m2，光伏矩陣采用標準功率為180Wp的多晶硅光伏組件，共計39組2500塊，總裝機容量429kWp。項目于2010年7月建成投入使用，截至目前已持續運行11年。結合電站日常管理的工作經驗以及其他項目的調研情況，本文將探討光伏電站日常運維過程中需要注意的幾點問題，為完善文化公益場館光伏發電運營體系助力。

1、并網光伏電站運維過程中的突出問題

1.1設計缺乏統籌性、前瞻性

在分布式光伏發電系統現有水平的基礎上，設計時應綜合考慮方案實施的實際條件，如硬件設施、工作環境等，以發展的眼光規劃電站建設，既方便日常維護管理，又具備接駁未來先進技術的能力。在山東博物館逆變器工作的11年內，除日常維護外，機房內的設備工作正常，室外則已大修兩次。事實證明，逆變器根據太陽能電池板的單元劃分散布在場區內，位置設計不合理將給人員日常巡檢帶來不便；室外環境惡劣，風沙、灰塵、水汽等容易進入逆變器，如不采取防護措施，容易引發內部電路故障；設備選型更換不匹配、不兼容，會影響系統發電效率，給電網的安全與穩定運行帶來隱患。

1.2生產和技術服務水平參差不齊

現階段，我國太陽能光伏發電已經步入商業化應用階段。光伏產品生產方面，市場供應商良莠不齊，產品質量波動大；技術服務方面，運維單位綜合實力薄弱，人員的技能水平參差不齊，最終導致光伏電站在運維管理中暴露出各種各樣的問題。光伏電站建設初期，方案設計疏忽、設備質量缺陷、施工質量差等問題給電站的后期運維帶來嚴峻挑戰；日常管理中，電站工程師對于光伏產業了解不細致，職業素養低下，實操經驗匱乏，電站時常因操作不當而引發技術故障，或者因監測不到位而無法準確判斷并消除故障，影響光伏發電系統的正常運行。

1.3業主和維保單位權責劃分不清、管理混亂

良好的運維管理制度是保證電站穩定運行的基礎，扎實地執行制度則是電站正常運行的可靠保障。光伏電站運維管理制度，主要是明確電站在運行維保方面的管理細節，明確業主和維保單位在電站管理中的工作職責和處理權限。但是，當前光伏電站運行管理中確實存在權責不清、管理混亂的現象：單位部門間的管理界面模糊不清甚至留有管理空白，制度權責不完善、不明晰，導致業主和維保雙方產生消極怠工的態度，在電站運行、數據管理和維護保養等方面相互扯皮；有的電站雖然制定了較為完善的運維管理制度，但在人員落實方面存在缺位錯位，懶散現象時有發生。

1.4資產激勵策略不健全

長期以來，國有資產的管理研究習慣側重于資產顯性的投資收益，而隱性的、內在的資產收益研究一直未引起足夠的重視?？稍偕茉撮_發利用作為科室的主管經費項目，在單位主體申報財政預算時，往往被納入整體運行經費中，沒有體現其突出的重要性，導致資產管理經常出現諸如績效考核目標不清晰、重使用輕管理、經費被擠占、產出效益不高等現象。針對以營利為目的的光伏電站，人們從投資者的角度完成了其運作模式、管理機制、政策支持等投資策略的全過程研究，而“自產自用”模式下潛在的能源節約，也應當及時撥付運維資金，積極探索可持續發展的資產激勵策略。

2、并網光伏電站運維管理建議

2.1優化系統設計方案

文化場館設施平層面積大，屋面無遮擋，平面鋪開優勢明顯，適合釆用屋頂分布式光伏發電系統。新建場館建筑與光伏發電系統應統一規劃設計，建筑外型協調美觀、供用電系統安全可靠；在既有建筑物上實施光伏建筑附加（BAPV）工程時也要綜合考慮結構改造和電氣安全性。

根據光伏電站的實際工況，太陽能機房宜設置在建筑屋頂或頂層，控制設備集中管理，優化線路敷設方案，降低線路能耗，減少故障點。

逆變器作為光伏發電系統的關鍵設備，其內部有電容、顯示屏等電子元件，不耐高溫，宜集中安裝于屋面或頂層的機房內，遮陰避雨、防塵防濕、通風散熱良好；安裝位置兼顧網點、組件兩者的距離，靠近網點則節約投資成本，靠近組件則電纜損耗低、施工方便。電池方陣的支架基座多采用現澆混凝土方式建設，澆筑過程中，建議添加適量的防水混合劑到混凝土內，與屋面防水系統共同設計、集中施工，杜絕出現屋面雨水滲漏問題。

2.2選擇質優價廉的光伏產品和技術服務

經過十多年的發展，我國光伏制造業已實現本土化生產，產業化技術水平和體系建設達到了世界水平，多晶硅材料、電池板組件、逆變器等生產成本下降明顯。巨大的市場發展前景也引發了行業思考：如何甄別眾多光伏產品的良莠，保證電站運營的壽命與品質。

光伏電站的全壽命周期長達二十余年，關鍵設備的品牌選擇和技術服務是決定電站收益的關鍵因素。由于技術專利的排他性，買方單位應慎重選擇品牌，以明確的標準對龐大的光伏市場進行篩選，綜合考察品牌影響力、科研實力和企業發展潛力等，選擇合作意向目標。以市場導向為主線，兼顧成本控制和性能提升，優先選擇擁有強大技術支撐和研發投入，在產品質量上不斷提高的品牌企業作為長期戰略合作伙伴。

影響分布式光伏電站發電量的關鍵因素是系統效率，系統組件的選擇或更換要遵循規范要求，以逆變器為單元劃分子系統，接入系統的組件電性能參數要盡可能一致。對于太陽能電池板之類的核心產品要注重光電轉換效率，而對于質量技術相對成熟的逆變器、變壓器、匯流箱、線纜等設備，在滿足設計參數的范圍內優先選擇性價比高的產品。

2.3制定詳實可行的管理方案并執行

文化單位要定期組織學習國家新能源相關政策，緊跟光伏發電產業的發展步伐，制定符合自身場館特點的運行、維護和檢修等中長期規劃，做好電站營運管理工作。

制定詳實可行的管理方案，根本任務是保持國有資產的安全完整，不僅要重視約束維保單位，確保運維質量，更要明確產權單位自身的責任和義務，強化職員監督管理的積極性和責任心。對于電站的整體管理與維護，國家近十年相繼出臺了多項標準規范，細化巡檢周期、維護規則，規范電站信息化管理。

光伏電站的正常運行，定期維護工作必不可少。維保單位要分析電站服役工況，檢查設備是否帶病運轉，準確查找故障原因，判定故障點位。要留意匯流箱、配電柜等箱體內是否有積塵雜物、觸點松動等，檢查線纜老化問題，掌握電池板熱斑現象及逆變器元器件工作情況。在進行維護與管理的同時，注意記錄電站的實時運行數據，如天氣條件、發電時間、發電量、負荷情況、設備不良故障等。詳實可靠的運維記錄是判定系統工作是否正常的基本依據，有助于系統故障預判，從而及時制訂處理預案。

2.4完善資產激勵和效能評價體系

目前，我國對公共建筑能效提升的激勵手段主要為財政補貼兇?！笆奈濉逼陂g，光伏發電將實現無補貼平價上網，相應的財政補貼政策陸續停止，公共建筑節能降耗將面臨著激勵不足等問題。如何讓光伏發電保值增值，確定科學的資產激勵方案迫在眉睫。

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資產激勵，大部分產權單位側重于設備的維護責任，強調安全可靠，而諸如光伏發電等利用可再生能源進行節能降耗的資產具有隱性產出的特點，設備收益較易被忽視。

資產激勵的對象主要是產權單位。一方面，應注重資產的保值性，防止資產流失。公益類事業單位的經費主要來源于公共財政，政府決策經費的分配比例時，應留意開發利用可再生能源項目的資金申請，將節能降耗項目的經費單獨列支，優先予以保證，充足的運維資金是項目保值運行的前提條件。另一方面，要維持資產的增值性，確保持久穩定的經濟效益。對于有條件、有能力開展碳中和的文化公益場館，將節能降耗作為主評項或者加分項納入單位的年度績效考核計劃中，制定科學的績效激勵標準，量化測評指標，用好獎懲項，提升資產激勵的導向性，促進可再生能源在公共建筑中的應用廣度和深度。

眾所周知，文化場館具有建筑體量大、能耗強度高的特點，采用光伏發電系統能夠實現“自產自用”，減輕負荷用電的部分壓力。在健全的政策激勵下，產權單位能夠從光伏發電系統的運維實況中獲取準確的反饋信息，查找客觀事實與設計初衷的差距，得出正反兩面的經驗教訓，形成項目效能評估報告，凸顯設備隱性的經濟效益。效能評價對運維方案的完整性和系統性具有重要的意義，有益于業主各個方位剖析管理方案，調動和提高人員的工作積極性和職責意識，不斷改進設計理念和節能技術；推動運維企業提高服務質量，規范員工的工作行為，避免出現權責不清、管理混亂的局面，將光伏發電系統的經濟社會效益發揮到較佳。

3、安科瑞分布式光伏運維云平臺介紹

污水處理作為能耗型行業，電能消耗是主要的能源消耗，其成本占其總成本的40％以上。據相關數據統計，我國城鎮污水處理年電耗已突破100億kW·h，其能耗量約占到社會總能耗量的2％。隨著城鎮化建設步伐的加快，新增的污水量需要新建或改擴建污水處理廠，同時規劃等部門對污水處理廠工程節約土地資源提出了更高的要求。在“生態治污”理念的指導下，在土地資源相對緊缺的城鎮地區發展地下污水處理廠，成為城鎮新建污水處理設施發展的目標。但是地下污水處理廠對通風、照明等要求較高，照明及通風設備折算到單位處理水量的能耗較高。經實際工程測算，此部分能耗約占到地下污水處理廠總電耗的7％一10％，且該部分負荷在地下污水處理廠中需要系數遠高于常規污水處理廠。所以在地下污水處理廠的工程設計中，如何降低地下式污水處理廠相對常規污水處理廠額外增加的運營成本，成為工程設計中一個須考慮的課題。

在方案設計階段，經過多方案對比(光伏發電、光導照明等)，在本項目中，擬結合地上建(構)筑物及景觀設計，設置光伏方陣，建設光伏系統，實現光伏系統與污水廠地上建(構)筑物及景觀的有機結合，為地下空間照明、通風等設備補充電源，有效利用污水處理廠地上空間，降低本項目的運營成本。

一、并網光伏發電系統設計

1工程概況

本工程根據規劃批復采用地下式污水處理廠建設方案，近期規模7．5萬m3／d，遠期規模15萬m3／d，工程占地約68．8畝。規劃對本項目地上景觀的要求較高，但實際可利用的地上空間有限。項目地上景觀效果如圖1所示。

結合總圖布置及景觀要求，確定利用地上綜合樓屋頂進行光伏發電系統綜合設計，光伏組件按照20串、4并連接方式進行方陣布局安裝。方陣結合總圖布置及景觀要求，確定利用地上綜合樓屋頂進行光伏發電系統綜合設計，光伏組件按照20串、4并連接方式進行方陣布局安裝。方陣由架臺固定安裝后，平鋪固定在南向屋頂上。方陣的方位角為0°(朝向正南)，傾斜角為20°，其東西長度為33．19m，南北寬度為3．76m，總建筑面積約為125㎡。

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2光伏發電系統設計計算

（1）負荷要求：

經計算，本工程地下箱體部分照明負荷約48kW，通風負荷約133kW。根據光伏方陣可實施的面積情況，確定地下箱體照明負荷為光伏發電系統的負載。

氣象地理數據：

由國家氣象局查找本次項目所在地區的多年氣象數據，如表1所示。

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（3）系統設計系數：

根據以上氣象數據并結合現場的其他各種情況，設計的系統參數如下文所示。

①有關光伏電池設計方面的設計系數

1)光伏方陣組合損耗系數

光伏方陣組合損耗系數是組件在組合成方陣的過程中由于組件失配而引起的損耗。在進行組件配置時，要求電壓失配控制值為±2％，電流失配控制值為4-1％，功率失配控制值為4-1％。

2)環境系數

工程中并網型發電系統進行優化安裝，使系統的環境適應達到好效果，環境系數取100％。

3)衰減系數

隨著使用時間的推移，光伏電池組件在紫外線照射引起物理反應，發電量會有所衰減。選用的組件10年實際衰減率≤10％。

②有關系統運行和安全方面的設計系數

1)系統供電可用率99．99％以上。

2)平均無故障時間MTBF>100000h。

3)光伏電池支架風力系數30m／s。

4)電壓電流回路安全系數≥1．5。

5)設備容量安全系數低值為120％。

③系統發電量統計

系統發電量統計如表2所示。

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3并網系統設計

本工程中，有公共電網的正常情況下，在晴朗的白天由光伏方陣產生電能，然后經過并網發電用功率調節器控制，輸出給光伏能系統與電網并網點的用電負荷——污水廠地下空間照明。本工程中因地下空間照明負荷消耗的功率一般情況下大于電池方陣的發電功率，所以此時照明設備所消耗的功率雖然由電池方陣和電網同時提供，但優先使用光伏電池方陣所產生的電能。在特殊情況下，如污水處理廠地下空間照明采用特殊場景組合方式，在某些特定場景下，光伏電池方陣的發電功率大于照明設備消耗功率，則將剩余電量上送到公共電網，然后通過電網給電網上的其他用電負荷設備供電。

地下污水處理廠按照二級負荷設計，且對包括地下空間照明負荷在內的重要負荷已考慮備用電源，因此本工程的太陽能系統一般不會出現“孤島效應”。但為預防意外，采用過／欠壓、過／欠頻保護方案：如果并網逆變器輸出功率(有功功率、無功功率)與負載需求功率不匹配，電壓或頻率將產生偏移，一旦超出正常范圍，此時可以利用系統軟硬件所規定的電網電壓的過(欠)電壓保護設置點及過(欠)頻率保護設置點來進行檢測，將逆變器并網開關跳閘，逆變器就將停止運行，從而防止孤島的產生。

4計算機數據采集裝置

為直觀地展示光伏發電系統的運行，凸顯清潔能源的有效利用，項目設計了光伏發電系統的計算機數據采集裝置。裝置通過RS485接口連接功率調節器，并將所采集的數據進行相應的處理，形成圖形顯示界面和數據表格形式，并計算統計每天、每月、每年的各種參數數據的分項數據和匯總數據，形成數據曲線圖表的形式進行存儲。

5效益分析

（1）社會效益

本項目并網光伏發電系統每年的發電量約15×103kW．h，相當于每年可節約標準煤5．4t，減少CO2的排放量約為12．2t，SO2的排放量約為0．135t，減少氮氧化物的排放量約為0．066t。

（2）經濟效益

本工程光伏發電系統每日的工作時間在白天高峰時段，按照項目地區平均電費1．1元／kWh，在不考慮電價上漲、國家及地方補貼的情況下，測算本項目的年節約電費約16．5萬元，靜態投資回收期約3年。

二、安科瑞分布式光伏監控系統

1概述

AcrelCloud-1200分布式光伏運維云平臺通過監測光伏站點的逆變器設備，氣象設備以及攝像頭設備、幫助用戶管理分散在各地的光伏站點。主要功能包括：站點監測，逆變器監測，發電統計，逆變器一次圖，操作日志，告警信息，環境監測，設備檔案，運維管理，角色管理。用戶可通過WEB端以及APP端訪問平臺，及時掌握光伏發電效率和發電收益。

2應用場所

目前我國的兩種分布式應用場景分別是：廣大農村屋頂的戶用光伏和工商業企業屋頂光伏，這兩類分布式光伏電站今年都發展迅速。

3系統結構

在光伏變電站安裝逆變器、以及多功能電力計量儀表，通過網關將采集的數據上傳至服務器，并將數據進行集中存儲管理。用戶可以通過PC訪問平臺，及時獲取分布式光伏電站的運行情況以及各逆變器運行狀況。平臺整體結構如圖所示。

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4系統功能

AcrelCloud-1200分布式光伏運維云平臺軟件采用B/S架構，任何具備權限的用戶都可以通過WEB瀏覽器根據權限范圍監視分布在區域內各建筑的光伏電站的運行狀態（如電站地理分布、電站信息、逆變器狀態、發電功率曲線、是否并網、當前發電量、總發電量等信息）。

（1）光伏發電綜合看板

●顯示所有光伏電站的數量，裝機容量，實時發電功率。

●累計日、月、年發電量及發電收益。

●累計社會效益。

●柱狀圖展示月發電量

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（2）電站狀態

●電站狀態展示當前光伏電站發電功率，補貼電價，峰值功率等基本參數。

●統計當前光伏電站的日、月、年發電量及發電收益。

●攝像頭實時監測現場環境，并且接入輻照度、溫濕度、風速等環境參數。

●顯示當前光伏電站逆變器接入數量及基本參數。

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（3）逆變器狀態

●逆變器基本參數顯示。

●日、月、年發電量及發電收益顯示。

●通過曲線圖顯示逆變器功率、環境輻照度曲線。

●直流側電壓電流查詢。

●交流電壓、電流、有功功率、頻率、功率因數查詢。

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（4）電站發電統計

●展示所選電站的時、日、月、年發電量統計報表。

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（5）逆變器發電統計

●展示所選逆變器的時、日、月、年發電量統計報表

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（6）配電圖

●實時展示逆變器交、直流側的數據。

●展示當前逆變器接入組件數量。

●展示當前輻照度、溫濕度、風速等環境參數。

●展示逆變器型號及廠商。

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（7）逆變器曲線分析

●展示交、直流側電壓、功率、輻照度、溫度曲線。

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（8）事件記錄

●操作日志：用戶登錄情況查詢。

●短信日志：查詢短信推送時間、內容、發送結果、回復等。

●平臺運行日志：查看儀表、網關離線狀況。

●報警信息：將報警分進行分級處理，記錄報警內容，發生時間以及確認狀態。

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（9）運行環境

●視頻監控：通過安裝在現場的視頻攝像頭，可以實時監視光伏站運行情況。對于有硬件條件的攝像頭，還支持錄像回放以及云臺控制功能。

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三、結語

地下污水處理廠相對常規污水處理廠雖然增加了地下空間照明及通風負荷，單采用光伏發電技術作為補充電源是可行的。且因為在地下污水處理廠中這部分負荷是常用負荷，光伏發電系統產生的電能可以即發即用，無需考慮儲能裝置，簡化了系統配置，避免了廢舊蓄電池的回收及污染問題。

地下污水處理廠受項目總體規劃、地上建筑、景觀設計等限制，大規模利用地上空間建設光伏方陣較為困難，需在確定負荷需求后，結合光伏發電系統的容量，合理設計配電及并網系統。如果要在地下污水處理廠實現建筑光伏一體化，要在項目前期報規階段提前介入，結合地上建筑功能及建筑、結構等專業，確定光伏發電系統的參數。

近年來隨著光伏發電技術的成熟、成本的降低，光伏發電系統在污水處理廠中的應用逐漸增加，大規模應用的成功案例也時有報道，但是在地下污水處理廠建設中，較大規模光伏發電系統的案例較少，筆者認為，主要是受地下污水處理廠的規劃、總平、景觀、可有效利用空間等條件限制。要在地下污水處理廠實現可再生能源的有效利用，在實現污水處理的同時，有效地降低地下污水處理廠相對常規污水處理廠增加的電能消耗和運營成本，需要行業設計師從多角度去進行研究、分析與設計。本文結合工程實例進行的分析僅做拋磚引玉，不妥之處還望指正。

?審核編輯 黃宇