■ 劉進軍

〔河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南鄭州450002〕

電力消耗是棉花加工企業(yè)成本費用的重要組成部分，如何使企業(yè)用電更經(jīng)濟，是每個棉花紡織企業(yè)所關(guān)注的問題［1］。棉花紡織企業(yè)通常采取有針對性的措施降低電力消耗，例如通過合理調(diào)整作業(yè)班次降低工業(yè)（或非民）峰谷電價電費；通過加強能源計量管理，實行定額考核等有效措施，做到有序用電；通過提高用電效率、減少線路損耗、降低單位產(chǎn)品耗電量來達到經(jīng)濟節(jié)能的目的［2］。

合同能源管理（Energy Performance Contracting，以下簡稱EPC）是一種基于市場、以節(jié)約的能源費用來支付節(jié)能項目成本的節(jié)能投資運營機制［3］。在這種節(jié)能投資機制運作下的專業(yè)化EPC節(jié)能服務(wù)公司與用能客戶簽訂節(jié)能服務(wù)合同，采用先進的節(jié)能技術(shù)和節(jié)能裝備為節(jié)能客戶實施節(jié)能服務(wù)，使企業(yè)減少能源消耗，產(chǎn)生節(jié)能效益，并用節(jié)能收益來支付實施節(jié)能改造的成本和費用的節(jié)能方式。EPC是一種具備諸多優(yōu)勢的節(jié)能機制，它為各行各業(yè)的節(jié)能活動新添生機與活力，目前在我國很多行業(yè)節(jié)能改造中都有成功的應(yīng)用［4］，對于推進我國各行業(yè)節(jié)能工作的開展、建設(shè)節(jié)約型社會有著重要的現(xiàn)實意義［5］。

近年來，分布式太陽能發(fā)電站建設(shè)進入規(guī)?；ㄔO(shè)應(yīng)用階段，在替代常規(guī)電能和實現(xiàn)低碳減排方面，具有明顯的經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境意義［6］。隨著分布式太陽能發(fā)電技術(shù)不斷完善，裝機成本和系統(tǒng)造價的逐年降低，太陽能發(fā)電在工業(yè)用電和高耗能產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域進行節(jié)能替代，是我國構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系，實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標(biāo)的必由之路［7］。棉花紡織企業(yè)作為高耗能產(chǎn)業(yè)，適合開展太陽能發(fā)電EPC項目。

從現(xiàn)有研究來看，尚鮮見對棉花紡織企業(yè)太陽能發(fā)電EPC項目進行研究的文獻。本文以河南某棉花紡織企業(yè)建設(shè)太陽能發(fā)電EPC項目為例，介紹了棉花紡織企業(yè)的用電負(fù)荷特點、EPC項目運營模式、太陽能發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)方案，依據(jù)項目實際運行數(shù)據(jù)對項目的發(fā)電量進行了預(yù)測，從項目的初始投資、凈現(xiàn)值、內(nèi)部收益率和投資回收期等方面進行了分析研究，并展望了其在棉花紡織行業(yè)的應(yīng)用前景。希望能夠為太陽能發(fā)電EPC項目在棉花紡織行業(yè)投資運營提供一定借鑒，同時也為棉花紡織企業(yè)的經(jīng)濟節(jié)能提供參考。

一、項目概況

EPC項目地址位于河南省境內(nèi)，占地36萬m2，規(guī)模15萬錠，擁有清梳聯(lián)、精梳機、自動絡(luò)筒機、轉(zhuǎn)杯紡紗機、無梭織機等紡織加工設(shè)備車間，建筑面積共10.3萬m2，主要生產(chǎn)和經(jīng)營純棉及混紡紗線、純棉和混紡布、色織布、家用紡織品，年產(chǎn)織物用紗16萬t、服裝面料1.3億m。據(jù)統(tǒng)計，2020年該企業(yè)全年用電量236.4萬kW·h，日均耗電6 476.71 kW·h，年最大負(fù)荷3.86 MW，以設(shè)備動力負(fù)荷為主。電力負(fù)荷高峰時段為9：00—17：00。該地區(qū)目前供電電價按峰平谷時間段劃分：峰平谷電價比為1.64∶1∶0.41，峰段電價以平段電價為基礎(chǔ)上浮64%、谷段電價以平段電價為基礎(chǔ)下浮59%。峰平谷電價分三個階段：高峰時段為08∶30—11∶30、18∶00—23∶00，平時段：07∶00—08∶30、11∶30—18∶00，低谷時段：23∶00—07∶00。高峰時段用電：1.025元/kW·h，平峰時段用電：0.725元/kW·h，谷峰時段用電：0.425元/kW·h。由于棉花紡織企業(yè)的特點是生產(chǎn)季節(jié)性非常強，因此，電力負(fù)荷變動非常明顯，棉花紡織設(shè)備工作運行時間大多數(shù)在高峰時段和平峰時段，這樣使用的電量電價往往高于平峰時段電價，用電不經(jīng)濟。同時，隨著業(yè)務(wù)的增加、規(guī)模的不斷擴大，電能消耗呈逐年增長趨勢，原棉花紡織設(shè)備配電負(fù)荷設(shè)計不能滿足現(xiàn)有需要，為此，企業(yè)決定引入社會資本采用EPC模式安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)。

二、EPC項目運營模式

經(jīng)過對太陽能發(fā)電相關(guān)的國家政策、行業(yè)特點、投資可行性、技術(shù)方案和經(jīng)濟效益綜合考慮，對不同運營模式、不同并網(wǎng)方案的成本與收益的綜合評價，結(jié)合棉花紡織企業(yè)現(xiàn)有建筑特點和配電系統(tǒng)現(xiàn)狀，考慮在企業(yè)生產(chǎn)車間屋面建設(shè)太陽能發(fā)電系統(tǒng)，太陽能系統(tǒng)所發(fā)電量經(jīng)逆變并到棉花紡織企業(yè)電網(wǎng)后，直接滿足棉花紡織企業(yè)各生產(chǎn)車間使用，太陽能系統(tǒng)多余電量按照企業(yè)當(dāng)?shù)厝济好摿驒C組標(biāo)桿電價由當(dāng)?shù)毓╇娖髽I(yè)收購，不足電量由供電企業(yè)向棉花紡織企業(yè)提供，并按照當(dāng)?shù)劁N售目錄電價向棉花紡織企業(yè)收取下網(wǎng)電量電費，實現(xiàn)太陽能發(fā)電就地消納，自發(fā)自用，余電上網(wǎng)［8］。經(jīng)雙方友好協(xié)商，該EPC項目采用節(jié)能效益分享型［9］，EPC節(jié)能服務(wù)公司投資100%建設(shè)太陽能發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)建設(shè)完成投入使用以后，棉花紡織企業(yè)按照國家電網(wǎng)平價供電價格向EPC公司繳納電費，采取1：9的比例對節(jié)能收益進行分享，合同期限15年，15年后，項目經(jīng)營權(quán)與所有權(quán)全權(quán)歸棉花紡織企業(yè)所有。EPC節(jié)能服務(wù)公司對該企業(yè)供配電系統(tǒng)進行全面分析和能耗診斷后，根據(jù)該企業(yè)的電力負(fù)荷特點和加工車間屋頂面積條件，建設(shè)分布式車間屋面太陽能發(fā)電系統(tǒng)，具體EPC項目運營流程為：雙方簽訂合作意向——向主管單位報備資質(zhì)與設(shè)備清單——進行太陽能發(fā)電方案設(shè)計——雙方簽訂合同——EPC項目實施——分享節(jié)能收益分享。

三、技術(shù)方案

（一）確定裝機容量

該棉花紡織企業(yè)位于北緯34.03°，東經(jīng)113.48°，所在區(qū)域年平均日照時數(shù)為2 021 h～2 118 h，日照百分率為44%～53%。年平均氣溫13.6 ℃～15.6 ℃，年平均降水量1 370 mm～1 563 mm，全年無霜期為192 d～219 d，年均輻射量為4 803 MJ/m2。通過前期選址后實地勘測，棉花紡織企業(yè)車間廠房屋頂面積約10 350 m2可用，可分別在3個車間屋頂布置太陽能電池板，將3個車間屋頂建成建筑一體化并網(wǎng)型太陽能發(fā)電系統(tǒng)。經(jīng)勘查設(shè)計布置太陽能電池組件的面積約為8 452.5 m2，車間屋頂太陽能發(fā)電系統(tǒng)規(guī)劃裝機總?cè)萘吭O(shè)計為0.75 MW。經(jīng)實驗測試和工程測算，總裝機772.5 kW，共計3 090組太陽能電池板組件，電池組件及配套支架選擇固定安裝模式安裝于3個車間屋面空置區(qū)域，太陽能發(fā)電項目安裝完成后不影響棉花紡織企業(yè)整體建筑物風(fēng)貌特點。

（二）計算太陽能電池板陣列間距

參照《CNCA/CTS0016-2015并網(wǎng)光伏電站性能檢測與質(zhì)量評估技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的太陽能電池板陣列遮擋限定條件為：按照冬至日9：00—15：00不遮擋原則設(shè)計，陣列間距由公式（1）計算：

式中：D——兩排方陣之間距離，mm；

L——太陽能電池板斜面長度，mm；

β——方陣傾角，取29°；

φ——當(dāng)?shù)鼐暥龋?4.03°。

可得到，太陽能電池板陣列間距為1 860 mm。

（三）太陽能發(fā)電系統(tǒng)方案

太陽能發(fā)電系統(tǒng)由三大部件構(gòu)成：一是太陽能電池板、二是并網(wǎng)逆變器、三是組件支架、連接電纜線以及太陽能發(fā)電輔助設(shè)備。

1.太陽能電池板。

太陽能電池板的作用是將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中最核心的組成部件，目前市場中以單晶硅電池板和多晶硅電池板為主［10］。本系統(tǒng)選用轉(zhuǎn)換效率大于16%、單體峰值功率250 W的HR-250P-24/Ba型多晶硅光伏組件，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 太陽能電池板技術(shù)參數(shù)

2.并網(wǎng)逆變器。

并網(wǎng)逆變器為系統(tǒng)關(guān)鍵部件，它的主要作用是將太陽能電池板組件在光照下產(chǎn)生的直流電（DC）匯集后，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒┮话汶姎庠O(shè)施、設(shè)備使用的交流電（AC）。本系統(tǒng)采用的并網(wǎng)逆變器規(guī)格型號為KSG-300K，可實現(xiàn)大功率點跟蹤，在光照強度較大時太陽能系統(tǒng)發(fā)出的多余電量經(jīng)轉(zhuǎn)化成為滿足公共電網(wǎng)要求的交流電注入公共電網(wǎng)中；在陰雨天光照強度較弱情況下，發(fā)電能力不足時，則由公共電網(wǎng)向棉花紡織企業(yè)車間供電。并網(wǎng)逆變器的防逆流檢測點安裝在太陽能發(fā)電系統(tǒng)連接棉花紡織企業(yè)配電系統(tǒng)的主線上，可實時采集電網(wǎng)信號，使逆變器的交流輸出相位與棉花紡織企業(yè)電網(wǎng)保持相同，準(zhǔn)確度等級為0.2S級，其技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 逆變器技術(shù)參數(shù)

3.組件支架、連接電纜線以及太陽能發(fā)電輔助設(shè)備。

根據(jù)棉花紡織企業(yè)所在區(qū)域的太陽能輻照條件、生產(chǎn)車間結(jié)構(gòu)、加工廠配電系統(tǒng)現(xiàn)狀以及設(shè)備設(shè)施用電負(fù)荷等情況，結(jié)合考慮用能要求，設(shè)計整個太陽能發(fā)電系統(tǒng)由3個257.5 kW 的太陽能電池板方陣子系統(tǒng)組成，太陽能電池板方陣正南朝向，29°安裝傾角，每個子系統(tǒng)選用逆變器1臺和隔離升壓變壓器1臺，布置在空置區(qū)，子系統(tǒng)的太陽能直流電經(jīng)匯流后接至逆變器，經(jīng)逆變升壓后變?yōu)槿嘟涣鬏敵?，匯集到該棉花紡織企業(yè)10 kV配電室，通過系統(tǒng)并網(wǎng)裝置與國家電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)。系統(tǒng)實現(xiàn)太陽能發(fā)電系統(tǒng)直接向棉花紡織企業(yè)原配電系統(tǒng)負(fù)荷供電，同時可將剩余電力送入國家電網(wǎng)系統(tǒng)，當(dāng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)不能滿足棉花紡織企業(yè)負(fù)荷要求時，由國家電網(wǎng)系統(tǒng)供電。遠(yuǎn)傳電度表可顯示太陽能發(fā)電系統(tǒng)與國家電網(wǎng)系統(tǒng)的買、賣電量。整個太陽能系統(tǒng)與棉花紡織企業(yè)車間廠房緊密結(jié)合、協(xié)調(diào)一致，實現(xiàn)建筑一體化。系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 太陽能發(fā)電系統(tǒng)方案示意圖

太陽能發(fā)電系統(tǒng)在棉花紡織企業(yè)電力值班室內(nèi)設(shè)中央控制室，通過控制系統(tǒng)后臺可實現(xiàn)對太陽能電池板陣列的電力系統(tǒng)運行情況進行遠(yuǎn)程監(jiān)控，其設(shè)備技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 太陽能發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

（四）系統(tǒng)運行測試

系統(tǒng)于2020年5月經(jīng)過項目驗收后開始運行，2022年5月6日09：50—10：30對并網(wǎng)逆變器和太陽能電池板狀態(tài)參數(shù)進行測試。現(xiàn)場測試儀表使用氣象生態(tài)環(huán)境監(jiān)測儀和便攜式太陽能I-V測試儀，當(dāng)日太陽輻 射 強度710 W/m2～740 W/m2，環(huán) 境 溫 度18.2 ℃～19.6 ℃，組件背板溫度為29.3 ℃～33.4 ℃。從太陽能電池板陣列中隨機抽取10塊太陽能電池組件，測試選定10塊多晶硅太陽能電池組件I-V曲線，實測功率修正到STC條件，同標(biāo)稱功率比較，得到太陽能電池組件的功率衰減率。測試數(shù)據(jù)顯示，10塊太陽能電池板中最大功率衰減率為2.6%，最小功率衰減率為0.5%，平均衰減率為1.6%。太陽能發(fā)電系統(tǒng)已運行2年，符合《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件（2015年）》對多晶（單晶）組件首年功率衰減≤2.5%，后續(xù)每年衰減在前一年的基礎(chǔ)上增加0.7%的規(guī)范要求，設(shè)備運行狀態(tài)良好。

四、項目應(yīng)用研究

（一）初始投資

系統(tǒng)的初始投資主要包括太陽能電池板、逆變器、支架及輔助設(shè)備、安裝費用、運輸及其他費用，如表4所示。

表4 太陽能發(fā)電系統(tǒng)初投資

從表4可以看到，該太陽能系統(tǒng)初投資共計455.7萬元，折合裝機單價5 899元/kW。其中，太陽能電池組件單價2.09元/W，逆變器單價約1.82元/W。

（二）年發(fā)電量

太陽能發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電量可以通過系統(tǒng)裝機容量和當(dāng)?shù)啬耆照辗逯禃r數(shù)來預(yù)測，發(fā)電系統(tǒng)第n年發(fā)電量Qn值可由公式（2）計算：

式中：

Qn—第n年太陽能系統(tǒng)發(fā)電量，kW·h/年；

P—太陽能發(fā)電系統(tǒng)裝機容量，kW；

Ts—系統(tǒng)所在地年峰值日照小時數(shù)（可查閱當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)得知），h；

K—太陽能發(fā)電系統(tǒng)綜合效率系數(shù)，依據(jù)系統(tǒng)組成設(shè)備性能指標(biāo)的相關(guān)文獻數(shù)據(jù)取78.68%［11］；

γ—太陽能發(fā)電系統(tǒng)平均年衰減率。

依據(jù)《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件（2015年）》對多晶（單晶）組件首年功率衰減≤2.5%，后續(xù)每年衰減在前一年的基礎(chǔ)上增加0.7%的規(guī)范要求選取。該太陽能發(fā)電項目15年內(nèi)年發(fā)電量預(yù)測如圖2所示。

圖2 太陽能系統(tǒng)年發(fā)電量

從圖2可知，系統(tǒng)在EPC合同期內(nèi)15年累計發(fā)電量1 402.29萬kW·h，年均發(fā)電量93.49萬kW·h。

（三）年累計凈現(xiàn)金流量

依據(jù)EPC項目合同規(guī)定，棉花紡織企業(yè)按照國家電網(wǎng)平價供電價格向EPC公司繳納電費，并采取1∶9的比例對節(jié)能收益進行分享，EPC節(jié)能服務(wù)公司年累計凈現(xiàn)金流量可由公式（3）計算：

式中：

PRn—第n年的累計凈現(xiàn)金流量；

C0—項目的初投資（見表4）；

Cn—第n年運維成本（年運維費取初投資1‰）；

Qn—項目第n年的發(fā)電量，kW·h/年（見圖2）；

PS—電價，0.725元/kW·h；

t—EPC項目合同期限（15年），年累計凈現(xiàn)金流量如圖3所示。

圖3 項目年累計凈現(xiàn)金流量

（四）經(jīng)濟性分析

根據(jù)太陽能發(fā)電項目初投資（見表4）、年發(fā)電量（見圖2）、年累計凈現(xiàn)金流量（見圖3）、貼現(xiàn)率（取人民幣五年以上貸款基準(zhǔn)利率4.9%），計算項目經(jīng)濟性指標(biāo)如表5所示。

表5 項目經(jīng)濟性指標(biāo)

由表5經(jīng)濟性指標(biāo)中可看出，該太陽能發(fā)電EPC項目的單位供電成本（0.36元/ kW·h），低于當(dāng)?shù)毓I(yè)平價用電價格（0.725元/kW·h）。項目15年合同期限到期，凈現(xiàn)值NPV為2.26元/ W，合同期間可以收回投資且盈利能力尚可。內(nèi)部收益率10.3%，在合理的節(jié)能改造收益范圍。投資回收期8.9年，與目前國內(nèi)節(jié)能改造EPC行業(yè)的投資回報期6年—7年相比，投資回收期偏長，可考慮爭取國家或地方對可再生能源的專項補貼或適當(dāng)延長合同期限來保障EPC項目中節(jié)能服務(wù)公司合理的投資收益率。

五、結(jié)論

本文介紹了河南某棉花紡織企業(yè)太陽能發(fā)電EPC項目運營模式、并網(wǎng)技術(shù)方案以及系統(tǒng)測試情況，對項目的單位供電成本、凈現(xiàn)值以及投資回收期等經(jīng)濟指標(biāo)進行了研究分析，得到以下結(jié)論：

（1）在棉花紡織企業(yè)利用廠房屋面建設(shè)分布式太陽能發(fā)電EPC項目，直接滿足廠區(qū)各生產(chǎn)車間使用的供電方案合理可行。項目以低于當(dāng)?shù)毓I(yè)用電的供電價格實現(xiàn)了棉花紡織企業(yè)節(jié)能替代，達到經(jīng)濟節(jié)能和低碳減排的目的。對于在工業(yè)用電和高耗能產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系具有重要的經(jīng)濟和生態(tài)意義。

（2）太陽能發(fā)電EPC項目各項經(jīng)濟性指標(biāo)良好，合同期間有合理的投資收益，適合在棉花紡織企業(yè)開展。隨著太陽能發(fā)電技術(shù)將日臻完善，太陽能組電池板件及設(shè)備成本不斷下降，EPC項目的投資回收期將逐漸縮短，棉花紡織行業(yè)太陽能發(fā)電EPC項目凸顯投資價值。