任榮

（陜西省榆林市靖邊縣政務(wù)服務(wù)中心，陜西 靖邊 718500）

人類社會(huì)的快速發(fā)展，人類對(duì)能源需求也在不斷地增長，但是傳統(tǒng)的化石燃料日漸枯竭，全球性的能源危機(jī)日趨加劇，加之近幾年我國出現(xiàn)的霧霾天氣，造成PM2.5 嚴(yán)重超標(biāo)，環(huán)境污染已嚴(yán)重影響了人們的正常生活，因此，尋求新的可再生能源替代傳統(tǒng)能源，已經(jīng)得到了人們廣泛的共識(shí)，我國政府也已將此列入國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略層面上[1]。太陽能作為一種理想的可再生清潔能源，已在世界范圍得到了廣泛應(yīng)用，其中利用太陽能光伏發(fā)電，特別是在建筑屋頂上的應(yīng)用越來越廣泛。故結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)太陽能光伏發(fā)電在工業(yè)廠房屋頂上應(yīng)用進(jìn)行討論。

一、光伏發(fā)電原理及分類

光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體器件太陽能光伏電池，把太陽輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。它的原理是半?dǎo)體的光生伏特效應(yīng)，即利用光照在不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同界面形成電位差，進(jìn)而把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，這一過程是指光子轉(zhuǎn)化為電子、光能量轉(zhuǎn)化為電能量；其次，是電壓形成的過程。

系統(tǒng)的主要部件包括太陽能電池、控制器和逆變器，以及蓄電池、交流配電柜、監(jiān)控系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)等，而光伏發(fā)電站的核心系統(tǒng)是太陽能電池和逆變器，串聯(lián)太陽能電池實(shí)行封裝保護(hù)后，得到大面積的太陽電池組件，配置功率控制器后，便是光伏發(fā)電裝置。光伏發(fā)電具有可靠性高、使用時(shí)間長、不污染環(huán)境等特點(diǎn)。

按輸送方式，光伏發(fā)電系統(tǒng)包括獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，還稱為分散式發(fā)電或分布式功能，是指在用電現(xiàn)場或接近用電現(xiàn)場配置較小的光伏發(fā)電供電系統(tǒng)，進(jìn)而達(dá)到特定用電的要求，為配電網(wǎng)運(yùn)行提供支持。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)包括光伏電池組件、光伏方陣支架、直流匯流箱、直流配電柜、并網(wǎng)逆變器、交流配電柜等設(shè)備，此外配置了供電計(jì)量裝置、監(jiān)控裝置和環(huán)境監(jiān)測裝置等。其運(yùn)行模式是基于太陽輻射，太陽能電池組件陣列轉(zhuǎn)換太陽能變成電能，以直流匯流箱綜合向直流配電柜傳輸，通過并網(wǎng)逆變器逆變呈交流電提供給企業(yè)，剩余或不足的電力借助電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。

二、工業(yè)廠房光伏屋頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.光伏組件選型

設(shè)計(jì)光伏發(fā)電系統(tǒng)，應(yīng)注意光伏組件的型號(hào)、功率和形狀的選擇。對(duì)其影響因素還有屋頂面積、光伏支架結(jié)構(gòu)類型和附近環(huán)境、建筑外型等。另外，設(shè)計(jì)光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)還要對(duì)組件尺寸重點(diǎn)考慮，組件選擇適合的尺寸可節(jié)省工作量與時(shí)間。

對(duì)光伏組件發(fā)電效率、大小、質(zhì)量和屋頂面積等系統(tǒng)考慮，初步選取單晶硅光伏組件，簡化光伏組件質(zhì)量為密度形式，且在鋼化玻璃內(nèi)賦值。

2.光伏組件的最佳傾角

在屋頂光伏系統(tǒng)中利用固定光伏組件傾角的支架方式。針對(duì)這一發(fā)電系統(tǒng)，選擇最理想的光伏組件傾角，有利于發(fā)揮光伏組件的最佳工作狀態(tài)，提高工作效率，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)獲得最大輸出功率。結(jié)合光伏組件表面連續(xù)、均勻承受太陽能輻射的情況確定最佳傾角，保證在發(fā)電量偏少月份，光伏系統(tǒng)的發(fā)電量與蓄電池補(bǔ)充電量可以滿足供電正常需求[2]。

3.光伏組件的布置方式

因工業(yè)廠房跨度18m，總長度42m，每個(gè)柱距6m，考慮到不同光伏組件傾角影響支架柱的柱高情況，為對(duì)其有效減小，可根據(jù)組件傾角進(jìn)行布置。其中第一種光伏組件傾角為4°、10°、15°，第二種光伏組件傾角為20°、25°、30°。

經(jīng)選取的光伏組件平面尺寸為1.95m×0.99m，廠房每個(gè)柱距為6m，由廠房長度方向以串聯(lián)方式在一個(gè)柱距內(nèi)布置3 塊光伏組件，在跨度方式并聯(lián)布置9 塊光伏組件，進(jìn)一步在屋頂產(chǎn)生一個(gè)獨(dú)立的光伏發(fā)電系統(tǒng)。該屋頂光伏組件可單獨(dú)在串聯(lián)體系內(nèi)使用，獨(dú)立使用每塊光伏組件，如此避免光伏組件受損。

（二）光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.支架布置

在光伏組件周圍布置支架。具體方案為：1）對(duì)較小跨度的結(jié)構(gòu)，支架柱連接鋼梁，形成第二屋蓋結(jié)構(gòu)，以檁條連接鋼梁，從而安裝光伏組件；2）對(duì)較大跨度的結(jié)構(gòu)，可加固原屋蓋體系，在屋頂平鋪組件。經(jīng)對(duì)比分析，初步采取第一種連接方案，支架柱直接焊接下部鋼架梁柱，部分支架柱連接檁條及檁條位置的屋頂板。

2.支架截面選型

光伏支架通常選擇槽鋼或角鋼。為了方便安裝光伏組件，建議采用L型截面構(gòu)建屋頂周圍的支架邊梁，將倒置雙角鋼組合倒置T 型截面設(shè)置中間支架梁，支架柱使用方鋼管截面。

三、太陽能光伏發(fā)電發(fā)展建議

太陽能是一種重要的可再生清潔能源，分布式光伏發(fā)電充分利用了太陽能廣泛存在的特點(diǎn)，遵循因地制宜、清潔高效、就近利用的原則，避免了地面光伏電站集中建設(shè)的場地限制因素，具有建設(shè)靈活的特點(diǎn)。當(dāng)前我國政策方向是鼓勵(lì)分布式光伏發(fā)電的應(yīng)用，充分利用當(dāng)?shù)靥柲苜Y源，替換和減少化石能源消費(fèi)。

（一）太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)狀況

國家能源單位下發(fā)的創(chuàng)建名單中納入了榆林市，提出要積極發(fā)展水電、風(fēng)電、光伏發(fā)電、核電和生物質(zhì)能，不斷擴(kuò)大新能源產(chǎn)業(yè)規(guī)模?？茖W(xué)規(guī)劃，錯(cuò)位發(fā)展，初步建立太陽能電池材料、專用設(shè)備研發(fā)、電池組件生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)鏈條。

當(dāng)前，很多因素都影響了榆林太陽能發(fā)電的就地容納能力和送出能力。榆林電網(wǎng)供電以省電力公司和地電公司實(shí)現(xiàn)。省電力公司榆林電網(wǎng)建立了全面的縣域電網(wǎng)。地電公司榆林電網(wǎng)全網(wǎng)最大供電能力大概2880MW，其中容量最大的是北部電網(wǎng)。榆林北部有充足的火電電源，電網(wǎng)光伏電站難以就地消納；冬季負(fù)荷供給對(duì)象為火電，基本完全需要外送光伏；夏季，陜南有水電，一些火電機(jī)組可以停機(jī)，光伏出力可少量消納，其余利用電網(wǎng)輸送。但榆林光伏發(fā)電站只向關(guān)中輸送多余電力。

市場上的太陽能電站投入成本偏高，不利于太陽能電廠的可持續(xù)發(fā)展。基于扶貧產(chǎn)業(yè)的落實(shí)，大量自然村建設(shè)光伏發(fā)電項(xiàng)目，輸電能力不佳，降低了穩(wěn)定性。故有必要切斷外省電源，不利于火電小機(jī)組的發(fā)展，導(dǎo)致本地的光伏發(fā)電站擴(kuò)大發(fā)電容納的能力。

榆林地區(qū)是中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)季候，四季鮮明，日照強(qiáng)烈，經(jīng)過分析，榆林年太陽輻射達(dá)5500-6000 兆焦/平方米，年平均日照時(shí)數(shù)2620-2830 小時(shí)，富集大量太陽能資源，為大型光伏電站建設(shè)創(chuàng)造了條件。

榆林靖邊縣的20 兆瓦光伏電站在2011 年通過并網(wǎng)驗(yàn)收，是陜西省內(nèi)第一個(gè)建成并網(wǎng)的大型光伏電站。之后，很多大型企業(yè)陸續(xù)在榆林建設(shè)光伏電站，相應(yīng)擴(kuò)大了單機(jī)容量。太陽能光伏產(chǎn)業(yè)園區(qū)，從最初的20 兆瓦光伏發(fā)電項(xiàng)目到100 兆瓦項(xiàng)目再到200 兆瓦光伏發(fā)電項(xiàng)目，相繼增大了項(xiàng)目規(guī)模，同時(shí)這種單體最大項(xiàng)目依然在持續(xù)被突破。陜西省第一個(gè)“風(fēng)光互補(bǔ)”光伏電站一期工程成功并網(wǎng)發(fā)電。經(jīng)調(diào)查研究，陜西地區(qū)的太陽能發(fā)電企業(yè)達(dá)754 家，覆蓋率超過99%。其中，太陽能發(fā)電企業(yè)達(dá)到21%，而各項(xiàng)優(yōu)惠政策和綠色電價(jià)都為太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了支持。

近年來，陜西持續(xù)增大了光伏發(fā)電規(guī)模建設(shè)力度，光伏發(fā)電示范項(xiàng)目紛紛出現(xiàn)在煤礦采集區(qū)和荒灘草地，加快了地面光伏電站并網(wǎng)的貫徹落實(shí)。2014 年并網(wǎng)運(yùn)行的榆神協(xié)和生態(tài)200MW 光伏發(fā)電站項(xiàng)目，每年發(fā)電2.7 億度，獲得2.6 億元收入。該項(xiàng)目選擇“耕地生電”方法，有機(jī)融合了生態(tài)農(nóng)業(yè)與光伏發(fā)電，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、資源開發(fā)與新興產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

（二）太陽能并網(wǎng)發(fā)電存在的問題及發(fā)展建議

1.就地容納能力受限

榆林電網(wǎng)具體由陜西省電力公司和榆林市地電公司供電。陜西電力公司有完善的縣域電網(wǎng)，而地電公司的北部網(wǎng)容量最大。榆林地區(qū)為火力發(fā)電提供了充足的電源，當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)光伏電站處理不能就地消納。

2.送出能力受限

榆林光伏電站多余電力僅為關(guān)中送電；陜北和關(guān)中主要的斷面問題是指多重環(huán)網(wǎng)網(wǎng)架解環(huán)運(yùn)行，以750kv 變電站為中心建立小環(huán)網(wǎng)或輻射網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。通過3-4 回330kv 線路將漢中、商洛、安康等地電網(wǎng)與主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)。另外，作為陜西750kv主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要輸電通道的陜北-關(guān)中750kv二通道，具體發(fā)揮了送出陜北新能源、關(guān)中負(fù)荷供電等功能。

3.地方電網(wǎng)送出能力不足

光伏發(fā)電的隨機(jī)性與間隙性，導(dǎo)致其難以準(zhǔn)確把握可調(diào)發(fā)電容量，而功率波動(dòng)還需要發(fā)電系統(tǒng)的備用電實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。因此在光伏并網(wǎng)發(fā)展過程有必要解決系統(tǒng)調(diào)峰問題。另外，太陽能發(fā)電不夠穩(wěn)定，不少住戶應(yīng)周圍缺少變電站而無法建立家庭光伏發(fā)電；個(gè)人利用光伏發(fā)電的回報(bào)率不高[3]。

（1）采取合理的措施，如：切斷外省電源、地區(qū)火電，約束火電小機(jī)組發(fā)展，適當(dāng)擴(kuò)大光伏電站發(fā)展容納的能力。

（2）建設(shè)光伏電站應(yīng)按照電網(wǎng)的容納和送出能力規(guī)劃進(jìn)度，防止建成后發(fā)生無法并入電網(wǎng)的現(xiàn)象。

結(jié)束語

光伏發(fā)電擁有廣闊的市場空間，在商業(yè)、工業(yè)、政府和公共建筑以及住宅的屋頂，大力開發(fā)分布式光伏發(fā)電的應(yīng)用，符合我國可持續(xù)發(fā)展能源戰(zhàn)略規(guī)劃，也是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的一個(gè)重要模式，對(duì)于促進(jìn)節(jié)能減排、打造低碳城市將產(chǎn)生積極的推動(dòng)作用。相信隨著國家政策支持和資金扶持力度的加大，以及太陽能光伏建筑一體化的技術(shù)發(fā)展，分布式光伏發(fā)電在建筑上的應(yīng)用一定會(huì)得到大力的普及和快速的發(fā)展。