并网光伏发电技术在屋顶光伏发电系统在工厂的应用

摘要：结合工程案例，讨论了在地下污水处理厂工程设计中，依据规划，建筑、景观设计，建设并网光伏发电系统，用于地下污水处理厂照明及通风等系统供电的可行性。从系统的设计、计算、成本等方面介绍了并网光伏发电技术在该项目中的应用，并对系统在类似项目中应用存在的问题进行了分析。

关键词：并网光伏发电系统；地下污水处理厂；效益分析

引言

山东博物馆太阳能光伏并网发电系统位于博物馆顶层，实施区域面积约7000m2，光伏矩阵采用标准功率为180Wp的多晶硅光伏组件，共计39组2500块，总装机容量429kWp。项目于2010年7月建成投入使用，截至目前已持续运行11年。结合电站日常管理的工作经验以及其他项目的调研情况，本文将探讨光伏电站日常运维过程中需要注意的几点问题，为完善文化公益场馆光伏发电运营体系助力。

1、并网光伏电站运维过程中的突出问题

1.1设计缺乏统筹性、前瞻性

在分布式光伏发电系统现有水平的基础上，设计时应综合考虑方案实施的实际条件，如硬件设施、工作环境等，以发展的眼光规划电站建设，既方便日常维护管理，又具备接驳未来先进技术的能力。在山东博物馆逆变器工作的11年内，除日常维护外，机房内的设备工作正常，室外则已大修两次。事实证明，逆变器根据太阳能电池板的单元划分散布在场区内，位置设计不合理将给人员日常巡检带来不便；室外环境恶劣，风沙、灰尘、水汽等容易进入逆变器，如不采取防护措施，容易引发内部电路故障；设备选型更换不匹配、不兼容，会影响系统发电效率，给电网的安全与稳定运行带来隐患。

1.2生产和技术服务水平参差不齐

现阶段，我国太阳能光伏发电已经步入商业化应用阶段。光伏产品生产方面，市场供应商良莠不齐，产品质量波动大；技术服务方面，运维单位综合实力薄弱，人员的技能水平参差不齐，最终导致光伏电站在运维管理中暴露出各种各样的问题。光伏电站建设初期，方案设计疏忽、设备质量缺陷、施工质量差等问题给电站的后期运维带来严峻挑战；日常管理中，电站工程师对于光伏产业了解不细致，职业素养低下，实操经验匮乏，电站时常因操作不当而引发技术故障，或者因监测不到位而无法准确判断并消除故障，影响光伏发电系统的正常运行。

1.3业主和维保单位权责划分不清、管理混乱

良好的运维管理制度是保证电站稳定运行的基础，扎实地执行制度则是电站正常运行的可靠保障。光伏电站运维管理制度，主要是明确电站在运行维保方面的管理细节，明确业主和维保单位在电站管理中的工作职责和处理权限。但是，当前光伏电站运行管理中确实存在权责不清、管理混乱的现象：单位部门间的管理界面模糊不清甚至留有管理空白，制度权责不完善、不明晰，导致业主和维保双方产生消极怠工的态度，在电站运行、数据管理和维护保养等方面相互扯皮；有的电站虽然制定了较为完善的运维管理制度，但在人员落实方面存在缺位错位，懒散现象时有发生。

1.4资产激励策略不健全

长期以来，国有资产的管理研究习惯侧重于资产显性的投资收益，而隐性的、内在的资产收益研究一直未引起足够的重视。可再生能源开发利用作为科室的主管经费项目，在单位主体申报财政预算时，往往被纳入整体运行经费中，没有体现其突出的重要性，导致资产管理经常出现诸如绩效考核目标不清晰、重使用轻管理、经费被挤占、产出效益不高等现象。针对以营利为目的的光伏电站，人们从投资者的角度完成了其运作模式、管理机制、政策支持等投资策略的全过程研究，而“自产自用”模式下潜在的能源节约，也应当及时拨付运维资金，积极探索可持续发展的资产激励策略。

2、并网光伏电站运维管理建议

2.1优化系统设计方案

文化场馆设施平层面积大，屋面无遮挡，平面铺开优势明显，适合釆用屋顶分布式光伏发电系统。新建场馆建筑与光伏发电系统应统一规划设计，建筑外型协调美观、供用电系统安全可靠；在既有建筑物上实施光伏建筑附加（BAPV）工程时也要综合考虑结构改造和电气安全性。

根据光伏电站的实际工况，太阳能机房宜设置在建筑屋顶或顶层，控制设备集中管理，优化线路敷设方案，降低线路能耗，减少故障点。

逆变器作为光伏发电系统的关键设备，其内部有电容、显示屏等电子元件，不耐高温，宜集中安装于屋面或顶层的机房内，遮阴避雨、防尘防湿、通风散热良好；安装位置兼顾网点、组件两者的距离，靠近网点则节约投资成本，靠近组件则电缆损耗低、施工方便。电池方阵的支架基座多采用现浇混凝土方式建设，浇筑过程中，建议添加适量的防水混合剂到混凝土内，与屋面防水系统共同设计、集中施工，杜绝出现屋面雨水渗漏问题。

2.2选择质优价廉的光伏产品和技术服务

经过十多年的发展，我国光伏制造业已实现本土化生产，产业化技术水平和体系建设达到了世界水平，多晶硅材料、电池板组件、逆变器等生产成本下降明显。巨大的市场发展前景也引发了行业思考：如何甄别众多光伏产品的良莠，保证电站运营的寿命与品质。

光伏电站的全寿命周期长达二十余年，关键设备的品牌选择和技术服务是决定电站收益的关键因素。由于技术专利的排他性，买方单位应慎重选择品牌，以明确的标准对庞大的光伏市场进行筛选，综合考察品牌影响力、科研实力和企业发展潜力等，选择合作意向目标。以市场导向为主线，兼顾成本控制和性能提升，优先选择拥有强大技术支撑和研发投入，在产品质量上不断提高的品牌企业作为长期战略合作伙伴。

影响分布式光伏电站发电量的关键因素是系统效率，系统组件的选择或更换要遵循规范要求，以逆变器为单元划分子系统，接入系统的组件电性能参数要尽可能一致。对于太阳能电池板之类的核心产品要注重光电转换效率，而对于质量技术相对成熟的逆变器、变压器、汇流箱、线缆等设备，在满足设计参数的范围内优先选择性价比高的产品。

2.3制定详实可行的管理方案并执行

文化单位要定期组织学习国家新能源相关政策，紧跟光伏发电产业的发展步伐，制定符合自身场馆特点的运行、维护和检修等中长期规划，做好电站营运管理工作。

制定详实可行的管理方案，根本任务是保持国有资产的安全完整，不仅要重视约束维保单位，确保运维质量，更要明确产权单位自身的责任和义务，强化职员监督管理的积极性和责任心。对于电站的整体管理与维护，国家近十年相继出台了多项标准规范，细化巡检周期、维护规则，规范电站信息化管理。

光伏电站的正常运行，定期维护工作必不可少。维保单位要分析电站服役工况，检查设备是否带病运转，准确查找故障原因，判定故障点位。要留意汇流箱、配电柜等箱体内是否有积尘杂物、触点松动等，检查线缆老化问题，掌握电池板热斑现象及逆变器元器件工作情况。在进行维护与管理的同时，注意记录电站的实时运行数据，如天气条件、发电时间、发电量、负荷情况、设备不良故障等。详实可靠的运维记录是判定系统工作是否正常的基本依据，有助于系统故障预判，从而及时制订处理预案。

2.4完善资产激励和效能评价体系

目前，我国对公共建筑能效提升的激励手段主要为财政补贴凶。“十四五”期间，光伏发电将实现无补贴平价上网，相应的财政补贴政策陆续停止，公共建筑节能降耗将面临着激励不足等问题。如何让光伏发电保值增值，确定科学的资产激励方案迫在眉睫。

资产激励，大部分产权单位侧重于设备的维护责任，强调安全可靠，而诸如光伏发电等利用可再生能源进行节能降耗的资产具有隐性产出的特点，设备收益较易被忽视。

资产激励的对象主要是产权单位。一方面，应注重资产的保值性，防止资产流失。公益类事业单位的经费主要来源于公共财政，政府决策经费的分配比例时，应留意开发利用可再生能源项目的资金申请，将节能降耗项目的经费单独列支，优先予以保证，充足的运维资金是项目保值运行的前提条件。另一方面，要维持资产的增值性，确保持久稳定的经济效益。对于有条件、有能力开展碳中和的文化公益场馆，将节能降耗作为主评项或者加分项纳入单位的年度绩效考核计划中，制定科学的绩效激励标准，量化测评指标，用好奖惩项，提升资产激励的导向性，促进可再生能源在公共建筑中的应用广度和深度。

众所周知，文化场馆具有建筑体量大、能耗强度高的特点，采用光伏发电系统能够实现“自产自用”，减轻负荷用电的部分压力。在健全的政策激励下，产权单位能够从光伏发电系统的运维实况中获取准确的反馈信息，查找客观事实与设计初衷的差距，得出正反两面的经验教训，形成项目效能评估报告，凸显设备隐性的经济效益。效能评价对运维方案的完整性和系统性具有重要的意义，有益于业主各个方位剖析管理方案，调动和提高人员的工作积极性和职责意识，不断改进设计理念和节能技术；推动运维企业提高服务质量，规范员工的工作行为，避免出现权责不清、管理混乱的局面，将光伏发电系统的经济社会效益发挥到较佳。

3、安科瑞分布式光伏运维云平台介绍

污水处理作为能耗型行业，电能消耗是主要的能源消耗，其成本占其总成本的40％以上。据相关数据统计，我国城镇污水处理年电耗已突破100亿kW·h，其能耗量约占到社会总能耗量的2％。随着城镇化建设步伐的加快，新增的污水量需要新建或改扩建污水处理厂，同时规划等部门对污水处理厂工程节约土地资源提出了更高的要求。在“生态治污”理念的指导下，在土地资源相对紧缺的城镇地区发展地下污水处理厂，成为城镇新建污水处理设施发展的目标。但是地下污水处理厂对通风、照明等要求较高，照明及通风设备折算到单位处理水量的能耗较高。经实际工程测算，此部分能耗约占到地下污水处理厂总电耗的7％一10％，且该部分负荷在地下污水处理厂中需要系数远高于常规污水处理厂。所以在地下污水处理厂的工程设计中，如何降低地下式污水处理厂相对常规污水处理厂额外增加的运营成本，成为工程设计中一个须考虑的课题。

在方案设计阶段，经过多方案对比(光伏发电、光导照明等)，在本项目中，拟结合地上建(构)筑物及景观设计，设置光伏方阵，建设光伏系统，实现光伏系统与污水厂地上建(构)筑物及景观的有机结合，为地下空间照明、通风等设备补充电源，有效利用污水处理厂地上空间，降低本项目的运营成本。

一、并网光伏发电系统设计

1工程概况

本工程根据规划批复采用地下式污水处理厂建设方案，近期规模7．5万m³／d，远期规模15万m³／d，工程占地约68．8亩。规划对本项目地上景观的要求较高，但实际可利用的地上空间有限。项目地上景观效果如图1所示。

结合总图布置及景观要求，确定利用地上综合楼屋顶进行光伏发电系统综合设计，光伏组件按照20串、4并连接方式进行方阵布局安装。方阵结合总图布置及景观要求，确定利用地上综合楼屋顶进行光伏发电系统综合设计，光伏组件按照20串、4并连接方式进行方阵布局安装。方阵由架台固定安装后，平铺固定在南向屋顶上。方阵的方位角为0°(朝向正南)，倾斜角为20°，其东西长度为33．19m，南北宽度为3．76m，总建筑面积约为125㎡。

2光伏发电系统设计计算

（1）负荷要求：

经计算，本工程地下箱体部分照明负荷约48kW，通风负荷约133kW。根据光伏方阵可实施的面积情况，确定地下箱体照明负荷为光伏发电系统的负载。

1. 气象地理数据：

由国家气象局查找本次项目所在地区的多年气象数据，如表1所示。

（3）系统设计系数：

根据以上气象数据并结合现场的其他各种情况，设计的系统参数如下文所示。

①有关光伏电池设计方面的设计系数

1)光伏方阵组合损耗系数

光伏方阵组合损耗系数是组件在组合成方阵的过程中由于组件失配而引起的损耗。在进行组件配置时，要求电压失配控制值为±2％，电流失配控制值为4-1％，功率失配控制值为4-1％。

2)环境系数

工程中并网型发电系统进行优化安装，使系统的环境适应达到好效果，环境系数取100％。

3)衰减系数

随着使用时间的推移，光伏电池组件在紫外线照射引起物理反应，发电量会有所衰减。选用的组件10年实际衰减率≤10％。

②有关系统运行和安全方面的设计系数

1)系统供电可用率99．99％以上。

2)平均无故障时间MTBF>100000h。

3)光伏电池支架风力系数30m／s。

4)电压电流回路安全系数≥1．5。

5)设备容量安全系数低值为120％。

③系统发电量统计

系统发电量统计如表2所示。

3并网系统设计

本工程中，有公共电网的正常情况下，在晴朗的白天由光伏方阵产生电能，然后经过并网发电用功率调节器控制，输出给光伏能系统与电网并网点的用电负荷——污水厂地下空间照明。本工程中因地下空间照明负荷消耗的功率一般情况下大于电池方阵的发电功率，所以此时照明设备所消耗的功率虽然由电池方阵和电网同时提供，但优先使用光伏电池方阵所产生的电能。在特殊情况下，如污水处理厂地下空间照明采用特殊场景组合方式，在某些特定场景下，光伏电池方阵的发电功率大于照明设备消耗功率，则将剩余电量上送到公共电网，然后通过电网给电网上的其他用电负荷设备供电。

地下污水处理厂按照二级负荷设计，且对包括地下空间照明负荷在内的重要负荷已考虑备用电源，因此本工程的太阳能系统一般不会出现“孤岛效应”。但为预防意外，采用过／欠压、过／欠频保护方案：如果并网逆变器输出功率(有功功率、无功功率)与负载需求功率不匹配，电压或频率将产生偏移，一旦超出正常范围，此时可以利用系统软硬件所规定的电网电压的过(欠)电压保护设置点及过(欠)频率保护设置点来进行检测，将逆变器并网开关跳闸，逆变器就将停止运行，从而防止孤岛的产生。

4计算机数据采集装置

为直观地展示光伏发电系统的运行，凸显清洁能源的有效利用，项目设计了光伏发电系统的计算机数据采集装置。装置通过RS485接口连接功率调节器，并将所采集的数据进行相应的处理，形成图形显示界面和数据表格形式，并计算统计每天、每月、每年的各种参数数据的分项数据和汇总数据，形成数据曲线图表的形式进行存储。

5效益分析

（1）社会效益

本项目并网光伏发电系统每年的发电量约15×103kW．h，相当于每年可节约标准煤5．4t，减少CO2的排放量约为12．2t，SO2的排放量约为0．135t，减少氮氧化物的排放量约为0．066t。

（2）经济效益

本工程光伏发电系统每日的工作时间在白天高峰时段，按照项目地区平均电费1．1元／kWh，在不考虑电价上涨、国家及地方补贴的情况下，测算本项目的年节约电费约16．5万元，静态投资回收期约3年。

二、安科瑞分布式光伏监控系统

1概述

AcrelCloud-1200分布式光伏运维云平台通过监测光伏站点的逆变器设备，气象设备以及摄像头设备、帮助用户管理分散在各地的光伏站点。主要功能包括：站点监测，逆变器监测，发电统计，逆变器一次图，操作日志，告警信息，环境监测，设备档案，运维管理，角色管理。用户可通过WEB端以及APP端访问平台，及时掌握光伏发电效率和发电收益。

2应用场所

目前我国的两种分布式应用场景分别是：广大农村屋顶的户用光伏和工商业企业屋顶光伏，这两类分布式光伏电站今年都发展迅速。

3系统结构

在光伏变电站安装逆变器、以及多功能电力计量仪表，通过网关将采集的数据上传至服务器，并将数据进行集中存储管理。用户可以通过PC访问平台，及时获取分布式光伏电站的运行情况以及各逆变器运行状况。平台整体结构如图所示。

4系统功能

AcrelCloud-1200分布式光伏运维云平台软件采用B/S架构，任何具备权限的用户都可以通过WEB浏览器根据权限范围监视分布在区域内各建筑的光伏电站的运行状态（如电站地理分布、电站信息、逆变器状态、发电功率曲线、是否并网、当前发电量、总发电量等信息）。

（1）光伏发电综合看板

●显示所有光伏电站的数量，装机容量，实时发电功率。

●累计日、月、年发电量及发电收益。

●累计社会效益。

●柱状图展示月发电量

（2）电站状态

●电站状态展示当前光伏电站发电功率，补贴电价，峰值功率等基本参数。

●统计当前光伏电站的日、月、年发电量及发电收益。

●摄像头实时监测现场环境，并且接入辐照度、温湿度、风速等环境参数。

●显示当前光伏电站逆变器接入数量及基本参数。

（3）逆变器状态

●逆变器基本参数显示。

●日、月、年发电量及发电收益显示。

●通过曲线图显示逆变器功率、环境辐照度曲线。

●直流侧电压电流查询。

●交流电压、电流、有功功率、频率、功率因数查询。

（4）电站发电统计

●展示所选电站的时、日、月、年发电量统计报表。

（5）逆变器发电统计

●展示所选逆变器的时、日、月、年发电量统计报表

（6）配电图

●实时展示逆变器交、直流侧的数据。

●展示当前逆变器接入组件数量。

●展示当前辐照度、温湿度、风速等环境参数。

●展示逆变器型号及厂商。

（7）逆变器曲线分析

●展示交、直流侧电压、功率、辐照度、温度曲线。

（8）事件记录

●操作日志：用户登录情况查询。

●短信日志：查询短信推送时间、内容、发送结果、回复等。

●平台运行日志：查看仪表、网关离线状况。

●报警信息：将报警分进行分级处理，记录报警内容，发生时间以及确认状态。

（9）运行环境

●视频监控：通过安装在现场的视频摄像头，可以实时监视光伏站运行情况。对于有硬件条件的摄像头，还支持录像回放以及云台控制功能。

三、结语

地下污水处理厂相对常规污水处理厂虽然增加了地下空间照明及通风负荷，单采用光伏发电技术作为补充电源是可行的。且因为在地下污水处理厂中这部分负荷是常用负荷，光伏发电系统产生的电能可以即发即用，无需考虑储能装置，简化了系统配置，避免了废旧蓄电池的回收及污染问题。

地下污水处理厂受项目总体规划、地上建筑、景观设计等限制，大规模利用地上空间建设光伏方阵较为困难，需在确定负荷需求后，结合光伏发电系统的容量，合理设计配电及并网系统。如果要在地下污水处理厂实现建筑光伏一体化，要在项目前期报规阶段提前介入，结合地上建筑功能及建筑、结构等专业，确定光伏发电系统的参数。

近年来随着光伏发电技术的成熟、成本的降低，光伏发电系统在污水处理厂中的应用逐渐增加，大规模应用的成功案例也时有报道，但是在地下污水处理厂建设中，较大规模光伏发电系统的案例较少，笔者认为，主要是受地下污水处理厂的规划、总平、景观、可有效利用空间等条件限制。要在地下污水处理厂实现可再生能源的有效利用，在实现污水处理的同时，有效地降低地下污水处理厂相对常规污水处理厂增加的电能消耗和运营成本，需要行业设计师从多角度去进行研究、分析与设计。本文结合工程实例进行的分析仅做抛砖引玉，不妥之处还望指正。