浅谈分布式光伏系统在工业企业的设计及应用

摘要：主要对工业厂区屋顶分布式光伏发电系统的设计及应用进行研究，为工业厂区能源供应提供一种全新的解决思路和技术支持。介绍了工业厂区屋顶分布式光伏系统及其优势，分析了工业厂区屋顶分布式光伏系统设计的要点，通过对工业厂区屋顶分布式光伏系统应用案例的研究，对电力消纳、系统设计方案进行了详细论述，*后对未来的厂区屋顶分布式光伏系统设计给出了建议。

关键词：工业厂区屋顶；分布式光伏；可再生能源

安科瑞汪洋/汪小姐/汪女士（销售专员）联系方式：18702106706

0引言

目前中国许多工业厂区屋顶资源尚未得到充分开发和利用，存在大量未利用的潜在屋顶光伏资源。本研究的主要目的是分析工业厂区屋顶分布式光伏系统的设计要点，深入研究分布式光伏在工业厂区中的应用潜力。开展相关案例研究，为设计提供依据，并为光伏行业从业者提供可行性评估和决策支持，促进中国分布式光伏发电的普及应用，推动可再生能源在工业领域的推广应用，为实现能源结构转型和碳中和目标做出贡献。

1工业厂区屋顶分布式光伏系统及其优势

工业厂区分布式光伏系统是利用工业厂区屋顶资源搭建的，通过逆变器将直流光伏电能转换为交流电供厂区使用。相比于集中式光伏发电系统，工业厂区分布式光伏系统具有以下优势。

1）降低能源成本。工业厂区分布式光伏系统可以充分利用厂区闲置的屋顶空间，将其转化为光伏发电的空间资源。这不仅可以提高厂区可再生能源的利用率，还可以将未利用的屋顶空间资源转化为经济效益，降低企业的生产经营成本。

2）节约线路投资。工业厂区分布式光伏系统可以减少电力输送线路和损耗。集中式光伏发电系统需要长距离输送电力至用电地点，而分布式光伏系统更加靠近用电地点，可以缩短输电距离和降低能源损耗，提高电力传输的效率。

3）节省土地资源。工业厂区分布式光伏系统利用了厂区的屋顶空间，无须占用额外的土地，避免了土地资源的浪费和环境破坏。

4）减少环境污染。分布式光伏系统采用清洁能源发电，减少了燃煤等传统能源的使用，降低了环境污染。

2工业厂区屋顶分布式光伏系统设计要点分析

2.1光照条件和阴影分析

工业厂区屋顶分布式光伏系统的设计中，需要考虑工业厂区特殊环境因素对系统的影响，如气候条件、建筑结构等。光伏组件的安装位置、角度和倾斜度等应结合这些因素进行设置，需要与厂区实际情况相匹配，以实现发电效率的*大化。因此，光照条件和阴影分析非常重要，通过对厂区屋顶进行光照条件和阴影分析，可以确定光伏组件布置方式，以确保系统的发电效率和综合经济效益。

1）需要对厂区屋顶进行日照分析，确定每天的光照时间和光照强度，可通过太阳光强度测量仪器或使用光伏系统设计辅助软件（PVsyst）实现。根据光照时间和光照强度的分布情况，确定光伏组件的摆放方式和方向。

2）阴影分析是为了确定工业厂区屋顶任何可能的阴影源，如高耸建筑物、树木等。可通过天正软件日照系统进行阴影遮挡分析。阴影会导致光伏组件发电功率降低，因此需要合理规划光伏组件的位置，以*大程度降低阴影对系统发电效率的影。

2.2光伏组件及逆变器的选择

在工业厂区屋顶分布式光伏系统设计中，选择适合的光伏组件和逆变器十分重要。光伏组件是将太阳能转化为电能的关键部件，而逆变器则是将直流电转化为交流电的设备。

选择光伏组件时，需要考虑光伏组件的效率、可靠性、耐用性和成本等因素。高效率的光伏组件可以提高系统的发电效率，而可靠性和耐用性则可以保证系统长期运行的稳定性。此外，还应考虑光伏组件的尺寸和质量，以确保其适合厂区屋顶的安装条件。

目前光伏组件电池主要分为晶硅电池、薄膜电池和聚光电池，其中晶硅电池产量占比超90%。晶硅电池中，PERC（PassivatedEmitterandRearCell，发射极及背面钝化电池）是目前主流，市场占比近90%；Al-BSF（Al-BackSurfaceField，铝背场电池）占比缩减至2.5%，处于被淘汰状态；HJT（Hetero-junctionwithIntrinsicThin-layer，本征薄膜异质结）电池、TOPCon（TunnelOxidePassivatedContact，隧穿氧化层钝化接触）电池和IBC（InterdigitatedBackContact，全背电极接触）电池的市场占比呈上升趋势。薄膜电池市场占比很小，目前逐步转向应用于BIPV（BuildingIntegratedPV，光伏建筑一体化）。光伏组件技术路线主要为晶硅组件技术，晶硅组件目前转换效率约为23%。相比而言，未来n型晶硅电池较P型晶硅电池转换效率的提升空间更大。

逆变器的选择需要考虑逆变器的功率和效率。逆变器的功率应与光伏组件的总功率相匹配，以确保系统的正常运行。而逆变器的效率则决定了系统的发电效率和经济效益。根据不同技术路线以及应用场景，逆变器可分为如表1所示的几种类别。

表1不同技术路线逆变器对比情况

逆变器类型	工作原理	MPPT对应组件数量	常见输出功率范围	发电效率	逆变器成本	主要应用场景	代表厂家
集中式逆变器	光伏组串多列并联输入，直流电转为交流电并入电网	系统层级、数量较多的组串	500kW以上	一般	低	集中式发电场景	阳光电源
组串式逆变器	光伏组串单组或多组并联输入，直流电转为交流电并入电网	单/多个组串层级	2～320kW	高	较低	集中式发电场景、分布式发电场景（工商业、户用）	华为、固德威、锦浪科技
集散型逆变器	前置多个MPPT（MaximumPowerPointTracking，大功率点追踪）控制优化器，实现多路MPPT寻优功能	多个组串层级	1MW以上	高	较低	集中式发电场景、分布式大型发电场景	上能电气
微型逆变器	对每块光伏组件进行单独的大功率峰值跟踪，直流电转为交流电汇集并入电网	组件层级	0.25～2.00kW	高	高	分布式发电场景（户用为主）	昱能科技、禾迈股份

截至目前，受益于中国分布式市场装机大幅增长，中国光伏逆变器市场发展为以组串式逆变器为主，集中式和集散型逆变器占比进一步缩小。其中，组串式逆变器占比提升至78%以上，而集中式逆变器占比为20%左右，集散式逆变器市场份额小幅降低。

2.3地面电缆布线设计

在工业厂区屋顶分布式光伏系统设计中，地面电缆布线设计是确保系统安全稳定运行的重要环节。地面电缆布线设计涉及电缆的选择、布线路径的设计和保护措施的设置等方面。

选择合适的电缆是地面电缆布线设计的首要任务。需要考虑电缆的电压等级、电流容量和环境适应性等因素。电缆的电压等级应与系统电压匹配，电流容量应满足系统需求，而环境适应性则需要考虑电缆的耐候性和耐腐蚀性等能力。

在布线路径设计中，需要考虑电缆的长度、拐角和延伸，以*大限度减小电缆的损耗和阻抗。同时，还需考虑电缆压降，以保证光伏发电质量。

电缆保护措施方面，直流电缆穿PVC管或桥架敷设，在屋面及墙面敷设的交流电缆穿桥架敷设，电缆埋地敷设时需穿保护管或设置电缆保护板以防止电缆受到损坏或外界干扰。

2.4并网接入设计

工业厂区屋顶分布式光伏系统的并网接入设计是确保光伏系统与厂网正常连接并安全运行的重要一环。并网接入设计包括厂网连接点的选择、电网保护装置的设置和并网安全措施的设置等方面。厂网连接点的性能应与系统的发电容量和负荷需求相匹配，并具备稳定的供电能力，提供良好的电能质量。电网保护装置主要包括过流保护、过压保护、防孤岛及防逆流保护等装置。这些保护装置可以保证系统和电网之间的安全连接，防止系统因故障对电网造成影响。并网安全措施包括建立接地系统以及采取防雷措施，建立接地系统可以确保系统与地面之间的电势平衡，采取防雷措施可以减少雷击对系统的影响。

3工业厂区屋顶分布式光伏系统应用案例研究

3.1项目概况

某公司厂区建筑屋顶分布式光伏发电站项目（以下简称“项目”）位于内蒙古自治区锡林郭勒盟西乌珠穆沁旗五间房产业园区。厂区拥有多座面积较大的屋顶，具备良好的光照条件，利用屋顶空间搭建分布式光伏电站，采用“自发自用”模式为厂区提供清洁电能。观展平台原貌图如图1所示，启动锅炉房、尿素车间、检修综合楼原貌图如图2所示。

图1观展平台原貌图

3.2电力消纳情况

该项目装机容量为1.625595MW（峰值功率），所发电能就地消纳。目前厂区拥有2台6.6×105kW的发电机组，厂用电率为6.5%，厂用电负荷为85.8MW，厂用电负荷远大于该项目发电容量。在不发电的情况下，根据资料计算，线路检修机组双停期间，厂内场用电总负荷（包括生活用电、汽机锅炉、化学用电等）为3.034MW，因此该期项目光伏发电容量可就地消纳。

4系统设计方案

安科瑞电光伏电站监控软件采用Acrel-2000Z，是安科瑞电气股份有限公司总结多年的开发、实践经验和大量的用户需求而设计针对用户配电系统和光伏电站的实时监控系统。

4.1软件运行环境配置

服务器上安装Windows7操作系统。

4.2光伏电站电力监控软件架构

软件采用C/S架构，实时采集光伏电站电流、电压、日/月/年/累计发电量和气象数据。

4.3光伏电站电力监控软件功能

对光伏电站的整体信息进行监控，采用图形和数据的形式实时动态地展现电站概况、电站实时发电及发电统计信息。包括电站概括、环境参数、实时信息、发电量统计及发电量TOP10信息

通过主界面可以对光伏阵列现场环境进行实时监测与显示，如室外温度值、风速、风向、光照强度等。

a）通过对电站内一次及二次配电网络状态的监控，了解电站内各电气设备的运行情况及状态，并对电站的并网状态、有/无功功率流向情况等进行实时监控。

b）光伏组件分布监控

能够根据微逆变反应的数据显示各组太阳能电池板的工作状态（是否正常发电），根据组串式逆变器显示各光伏组串输出功率，分别计量两种两种逆变方式的发电量日发电量、日发电量曲线、月发电量柱状图、年发电量柱状图等，并对这两种方式发电量进行对比。

c）逆变器监控

组串式逆变器主要监测指标包括：

直流电压、直流电流、直流功率

交流电压、交流电流

逆变器内温度、时钟

频率、功率因数、当前发电功率

日发电量、累积发电量、累积CO2减排量

电网电压过高、电网电压过低

电网频率过高、电网频率过低

直流电压过高、直流电压过低

逆变器过载、逆变器过热、逆变器短路

散热器过热

逆变器孤岛

DSP故障、通讯故障等。

监控系统可绘制显示逆变器电压—时间曲线、功率—时间曲线等，直流侧输入电流实时曲线、交流侧逆变输出电流曲线，并采集与显示各逆变器日发电量等电参量；

d）交流汇流箱监控

交流汇流箱主要监测指标包括：

光伏组串输出直流电压、输出直流电流、输出直流功率

各路输入总发电功率、总发电量

汇流箱输出电流、汇流箱输出电压、汇流箱输出功率

电流监测允差报警

传输电缆/短路故障告警

空气开关状态、故障信息等

e）交流配电柜监控

交流配电柜主要监测指标包括：

光伏发电总输出有功功率、无功功率

功率因数、电压、电流

断路器故障信息、防雷器状态信息等

f）并网柜监控

通过对并网柜的监控，计量上网电量、内部用电量、电能质量、光伏发电系统有功和无功输出、发电量、功率因数、并网点的电压和频率、注入系统的电等参数，计算碳减排量，并折算成标准煤，计算发电收益。

g）环境参数监控

环境参数主要监测指标包括：

日照辐射

风速、风向

环境温度

太阳能电池板温度等

对比实际微逆或几种微逆输出指导电池板需要清洗等信息。

h）历史数据管理

监控系统可针对光伏发电现场的各种事件进行记录，如：通讯采集异常、开关变位、操作记录等，时间记录支持按类型查询，并可对越限报警值进行更改设置；

i）日发电趋势分析

系统提供了实时曲线和历史趋势两种曲线分析界面，可以反映出每天24小时内光伏发电量与该日日照强度，环境温度，风速等的波动情况。

j）故障报警

当电池板长时间输出功率偏低进行故障指示，建议运维人员前往现场检查是否有故障发生等；另外对于并网柜部分的主断路器分合闸状态进行监视，当出现开关变位及时报警，提醒运维人员。

启动锅炉房、尿素车间、化学水及工业废水处理车间屋顶分布式光伏展示图如图3所示。

观展平台分布式光伏展示图如图4所示。

图3启动锅炉房、尿素车间、化学水及工业废水处理车间屋顶分布式光伏展示图

图4观展平台分布式光伏展示图

5对未来厂区屋顶分布式光伏系统设计的建议

未来，随着光伏技术的进一步发展，厂区屋顶分布式光伏系统将会得到更广泛的推广和应用。1）进一步研究高效率光伏组件和逆变器的开发，是提高系统发电效率的关键因素。2）加强对光伏系统的智能化管理和监控，以提高系统的可靠性和安全性。3）注重光伏系统与电网的连接和能量存储技术的研究。对于工业厂区需要稳定供电的场景，结合应用电池储能系统，以在太阳能不足或夜间使用，从而实现系统的稳定运行和能量平衡。4）为保证系统的长期稳定运行，制定符合规范的防雷、防火措施，提高光伏系统的安全性，并应进行定期维护和清洁。5）加强对光伏发电系统的经济效益和环境效益研究，以促进其在工业厂区的广泛应用。

6结束语

系统开展了基于工业厂区屋顶资源的分布式光伏发电系统设计技术研究。工业厂区屋顶分布式光伏系统具有降低能源成本、节约线路投资、减少环境污染以及解决土地资源占用问题的优势。重点分析了工业厂区屋顶分布式光伏系统设计要点，结合工业厂区屋顶分布式光伏系统实施案例研究，对工业厂区分布式光伏系统设计方案进行了详细论述。其中光照条件和阴影分析需要考虑厂区特殊环境因素对系统的影响，如气候条件、建筑结构等，光伏组件的安装排布要与厂区实际情况相匹配，以实现*佳发电效率。在选择光伏组件时，结合市场主流产品考虑光伏组件的效率、可靠性、耐用性和成本等因素。逆变器的效率决定了系统的发电效率和经济效益，对于厂区分布式光伏系统，选择高效率的组串式逆变器可以提高系统的发电效率和经济回报。在电缆布线设计中，选择合适的电缆型号和截面以满足光伏发电系统电能的输出，同时在满足相关规程规范的条件下优化电缆布线路径，采取合理的保护措施。为确保光伏系统与厂网正常连接并安全运行，并网接入设计就显得尤为重要，厂网连接点不仅要与系统的发电容量和负荷需求相匹配，也需考虑电网保护装置，以确保系统的安全和正常运行。

审核编辑 黄宇