南宁市水厂应用光伏发电并网技术的探讨

冯正国

（南宁市生源供水有限公司 广西南宁市 530000）

南宁市水厂应用光伏发电并网技术的探讨

冯正国

（南宁市生源供水有限公司 广西南宁市 530000）

丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。中国光伏发电的市场在未来的十几年中将会由独立发电系统转向并网发电系统。并且中国太阳能光伏发电发展潜力巨大，配合积极稳定的政策扶持，将会应用到更多的企业中。在加上市场上已出现有太阳能水泵产品及南宁已有光伏发电并网的案例，故在未来，考虑到水厂具备的广大厂区的优势条件及对节能和成本降低的迫切需求，光伏发电并网技术应用到水厂里的可能性很大。故本论文就在南宁水厂厂区应用光伏发电并网技术事宜进行了探讨，探讨光伏发电技术应用到南宁水厂的可能性。

光伏发电；并网；年辐射总量；总发电量；水厂应用

1 光伏发电原理及应用

光伏发电的主要原理是半导体的光电效应。光子照射到金属上时，它的能量可以被金属中某个电子全部吸收，电子吸收的能量足够大，能克服金属内部引力做功，离开金属表面逃逸出来，成为光电子。硅原子有4个外层电子，如果在纯硅中掺入有5个外层电子的原子如磷原子，就成为N型半导体；若在纯硅中掺入有3个外层电子的原子如硼原子，形成P型半导体。当P型和N型结合在一起时，接触面就会形成电势差，成为太阳能电池。当太阳光照射到P－N结后，空穴由P极区往N极区移动，电子由N极区向P极区移动，形成电流。

并网光伏发电就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。可以分为带蓄电池的和不带蓄电池的并网发电系统。带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性，可以根据需要并入或退出电网，还具有备用电源的功能，当电网因故停电时可紧急供电。带有蓄电池的光伏并网发电系统常常安装在居民建筑；不带蓄电池的并网发电系统不具备可调度性和备用电源的功能，一般安装在较大型的系统上。并网光伏发电有集中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，还没有太大发展。而分散式小型并网光伏，特别是光伏建筑一体化光伏发电，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是并网光伏发电的主流。

2 光照及太阳辐照量情况

2.1 广西光照及太阳辐照量情况

表1 广西太阳能总辐射量与年平均日照当量

2.2 南宁气候

南宁位于广西南部，北回归线以南，座落在四面环山的小盆地内，属湿润的亚热带季风气候，阳光充足，雨量充沛，霜少无雪，气候温暖，夏长冬短。南宁的气温较高，年平均温度在22℃左右，冬季中的1月温度最低，平均温度近13℃，平均最低温度也有10℃左右，因而并不感到冷；夏季中的7、8月最热，平均温度在29℃左右，平均最高气温33℃左右，也不算太高。特点是高温的时间比较长，从2～10月均有极端最高气温达到或超过35℃的记录。

2.3 南宁辐照情况

2.3.1 南宁辐照基本情况

根据光伏宝软件的数据显示，南宁（经度：108.37纬度：22.82），最佳倾角为22°，水平辐照年总值为1483.86kWh/m2，倾斜角辐照年总值为1573.09kWh/m2。

2.3.2 南宁月份辐照基本情况（如图1）

图1 南宁月份水平辐射值

2.4 南宁有效辐照量情况

以1m2太阳能发电板为例，考虑到晶体硅组件的光电转换效率（一般在16%），及其受温度、表面灰尘及太阳辐射不均匀性等因素影响，系统转换效率约为60%左右，故1m2太阳能发电板实际年发电量=年平均太阳辐射总量×电池总面积×光电转换效率×实际发电效率=1573.09×1× 16%×60%=151.02kW，约占1m2太阳能发电板一年太阳能辐照总值的9.6%。

2.5 南宁辐照情况小结

根据广西辐照情况及南宁气候、南宁辐照情况可得，尽管太阳能材料受其自身因素及环境影响，有效辐照较低，但南宁市太阳能资源较为丰富，处于可利用的区域，南宁的一年光照总时数为1400～2200h。而且太阳能资源主要集中在3～11月，恰逢电力供应紧张的迎峰度夏时期，也是供水高峰期。

3 光伏发电案例

3.1 案例一：振宁·现代鲁班小区幼儿园屋面太阳能光伏发电项目

2011年，南宁市首例太阳能光伏发电并网系统项目振宁·现代鲁班小区幼儿园屋面太阳能光伏发电项目通过验收。该项目由小区开发商——振宁房地产开发有限公司投资200多万，利用小区内幼儿园的600m2建筑屋顶，铺设光伏电池组件187块，架设多晶硅电池组件384.19m2，装机总容量52.08kW，该系统将太阳能通过光伏发电组件转化为直流电力，通过直流监测配电箱汇集至并网型逆变器，将直流电转化为与电网同频率、同相位的正波电流，通过并网技术，将直流电逆变为380V交流电后直接并入小区电网，该系统设计营运周期25年。该系统正式投入运转后，每年将利用太阳能发电约10万度，将产生良好的社会效应和经济效益。

3.2 案例二：广西妇女儿童医院光伏发电项目

广西妇女儿童医院整个光伏发电系统在医院各屋顶等建筑闲置区域铺设6268块195W单硅晶硅光伏组件，在风雨连廊的采光顶上安装414块260W BIPV组件，光伏组件总安装面积约为9000m2。光伏组件转化的直流电经过防雷汇流箱汇流后，接入8台各种规格的科士达系列三相并网逆变器，逆变成交流电，通过并网装置接入光伏并网柜后，再接入内部三相五线制低压电网上，可供由医院内部负载使用，做到即时消耗电能。

光伏面积：9000m2；装机容量：1330kWp；年发电量：1209MWh（设计估算）；并网方式：自发自用。

3.3 案例三：环太集团美科公司4兆瓦屋顶光伏电站

2015年，扬中市发改委、供电公司、环太集团等领导共同见证了环太集团美科公司4MW屋顶光伏电站成功并网发电。该项目于2015年6月份开工建设，经过3个月的建设调试，于9月份顺利进行试运行，成功并入国家电网。项目总装机4MW，总投资2800万元，采用16181块太阳能多晶250W光伏组件，项目组件电池片均为自产高效多晶硅片，预计年平均发电450万kWh，按照火电厂发电折算，每年可节约标准煤1500t，减少二氧化碳约3985t，二氧化硫约37.2t，可持续运行25年以上，是国家节能环保典型示范项目，对该市环境保护和节能减排具有非常重要的意义。该项目并网后，日均发电1.2万度，最高日发电2万度，年利润为643.5万元/年，项目成本回收期为5年。

4 南宁市水厂光伏发电并网的可能性、效益及合理性

4.1 项目对比的可能性及效益情况

考虑到南宁水厂具有广阔的厂区面积优势（如某厂占地面积为128亩，约85333.76），适合光伏发电的安装和建设，为了更好的探讨光伏发电技术在南宁市部分水厂的应用，现将拟以一个4MW的光伏发电项目与扬中市的4MW的光伏发电项目进行对比。

4.1.1 南宁市与扬中市辐照情况对比

表2

4.1.2 南宁市与扬中市年发电量情况对比

4MW光伏发电项目，以太阳能多晶250W光伏组件为主，至少需要16000块光伏组件。就以扬中市16181块光伏组件为参考，总面积为26485.06m（2单块太阳能板尺寸为1650×992×40mm）。考虑到光伏组件的光电转换效率（一般为16%），光伏组件实际效率（受组件温度、组件表面灰尘的累积、太阳辐射的不均匀性光伏组件的不匹配性和板问连线损失、安装角度等因素影响，实际效率估计为60%），根据首年总发电量=水平年度辐射值×总面积×光电转换率（16%）×系统效率（60%）的公式，可得：

南宁市水厂4MW发电项目首年总发电量=1573.09×26485.06×0.16× 0.6=3999684.77kWh≈399.97万度电。

扬中市厂区4MW发电项目首年总发电量=1755.50×26485.06×0.16× 0.6=4463474.19kWh≈446.35万度电。

4.1.3 年度可节省的电费

在不考虑国家补贴及地方政府补助等情况，只按照目前水厂使用的电业公司大宗工业0.6357元/度费用为计算标准，年度可节省电费：

南宁市水厂4MW发电项目首年电费=首年总发电量399.97万度× 0.6357=254.26万元。

扬中市厂区4MW发电项目首年电费=首年总发电量446.35万度× 0.6357=283.74万元。

在与扬中市4MW发电项目对比，可得：南宁市水厂有条件、有优势应用光伏发电并网技术，并且其具有较好的经济效益。此行，有效的减少企业的耗电成本。

4.2 从光伏发电并网技术及水厂实际应用的可行性

太阳能水泵：太阳电池阵列由多块太阳电池组件串并联而成，专用逆变&控制器将太阳电池阵列发出的直流电转换为交流电，驱动水泵，对水泵的运行实施控制和调节。根据日照强度的变化实时地调节输出频率，实现最大功率点跟踪，最大限度地利用太阳能。

由此可见，若是4MW光伏发电项目，在满足厂区生产用电的同时，可以满足8台到10台的220kW水泵机组运行。

另外，在水厂满足供水量且发电电量有剩余时，可通过并网系统，卖给电业公司。在得到效益的同时，也不浪费电量。

因此，光伏发电并网技术应用于水厂，从技术及实际情况中，具有明显的可行性。

4.3 南宁市水厂应用光伏发电并网技术的合理性

光伏发电并网采用与建筑物一体方式，既美化厂区，也未占用过多的生产所需用地，实际应用合理。如广西妇女儿童医院光伏发电项目。

5 光伏发电的缺点及局限性

（1）太阳能组件由于其本身特点，呈逐年衰减趋势，功率及效率逐年降低。

（2）前期投资大，成本回收时间较长。如扬中市光伏发电项目，前期投资2800万元，若只以节电为准，每年节省283.74万电费，预计10年回本。若有国家及当地政府补贴，回本时间可缩短，少于10年。

（3）太阳能光伏组件有其使用年限，即寿命，一般为25年。因此，前十年回本，后十五年盈利，二十五年后，效果差，需更换，会有较大浪费，需重新投入。

（4）太阳能光伏发电组件受阴雨天气影响，辐照量严重不足，致使太阳能光伏发电组件基本不发电，不能供电给水厂。因此，若要应用于水厂，必须采用两套系统，根据当天的光照辐照情况，进行切换。

（5）太阳能光照时空分布不平衡，使太阳能光伏发电组件接收的辐照量减少。但此处可以考虑采用跟踪式（或者叫逐日式）太阳能板系统。同时，为了减少光板损坏的概率，在阴雨天风较大时，一般是采取将光板水平搁置，尽量减少与风的接触面积。

6 结论

从上可得，由于南宁的较丰富的太阳能资源及南宁市部分水厂的广大厂区面积优势，在南宁市的部分水厂应用光伏发电并网技术具有可能性、可行性、合理性，还具有一定的经济效益，有效的降低水厂的电耗。然而，由于光伏发电组件具有科技性及前瞻性，受其技术材料的制约，具有一定的缺点及局限性，以至于在水厂应用中，需考虑成本、可持续性、与水泵、电机技术结合等方面的问题。

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TM615

A

1004-7344（2016）15-0071-02

2016-5-9

冯正国（1986-），男，汉族，广西博白人，助理工程师，本科，主要从事设备维护管理工作。