公交维修厂屋顶分布式光伏发电站的应用
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公交维修厂屋顶分布式光伏发电站的应用
马 莉
摘要
随着全球对可再生能源需求的日益增加，分布式光伏发电成为了一种绿色、高效的解决方案。本文探讨了屋顶分布式光伏发电站在公交维修厂的建设与应用。文章首先介绍了分布式光伏发电的基本原理和优势，随后详细分析了公交维修厂屋顶建设光伏发电站的可行性，包括经济效益、环境影响和技术挑战等方面。最后，文章对公交维修厂屋顶分布式光伏发电站的前景进行了展望。
关键词：分布式光伏发电、公交维修厂、屋顶、可再生能源
1. 引言
近年来，发展包括风电、太阳能发电等在内的可再生能源已成为世界各国保障能源供应安全、应对全球气候变化和推动能源产业升级的共同选择，习近平总书记提出2030年前实现碳达峰，2060 年前实现碳中和，大力发展新能源产业是响应国家号召、助力“双碳”目标达成的责任要求。2022年初，发改委、工信部、住建部、商务部等研究制定《促进绿色消费实施方案》，要求进一步激发全社会绿色电力消费潜力，鼓励行业龙头企业、大型国有企业、跨国公司等消费绿色电力，发挥示范带动作用。2024年5月23日，国务院印发的“国发〔2024〕12号《2024—2025年节能降碳行动方案》（以下简称《行动方案》）指出：“尽最大努力完成“十四五”节能降碳约束性指标“，把交通运输节能降碳作为实现“双碳”目标的重点内容之一，明确提出“鼓励交通枢纽场站及路网沿线建设光伏发电设施”。本文旨在根据笔者工作经验，探讨在公交维修厂屋顶建设分布式光伏发电站，作为城市公交行业利用可再生能源对标“双碳”目标的途径之一提供参考。
2. 分布式光伏发电的基本原理和优势
太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿性和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的器件，这种光电转换的过程通常叫作“光伏效应”或“光伏发电”。
2.1 分布式光伏发电的基本原理简介
i. 光伏发电
光伏发电是指利用太阳能光伏效应，将太阳光能直接转换为电能的发电方式。其基本原理是通过光伏效应，使太阳光照射到光伏电池板上产生电流和电压，进而产生电能。
ii. 分布式光伏发电系统
分布式光伏发电系统又称分散式发电或分布式供能，是指在用户现场或靠近用电现场配置较小的光伏发电供电系统，以满足特定用户的需求，支持现存配电网的经济运行，或者同时满足这两个方面的要求。
2.2 分布式光伏发电的优势
i. 能源分散：分布式光伏发电系统可以将发电能力分散到多个地点，降低了单点故障的风险，提高了能源的稳定性和可靠性；
ii. 减轻电网负荷：分布式光伏发电系统将发电能力分布在用户附近，可以减轻电网的负荷，降低输电损耗和提高电网的稳定性；
iii. 增强电网韧性：分布式光伏发电系统可以提高电网的韧性和抗灾能力，当发生自然灾害或其他故障时，分布式发电系统可以继续运行，为社区提供能源支持；
iv. 降低能源消费：通过在用电负荷附近发电，分布式光伏发电系统可以减少输电损耗和能源消耗，提高能源利用效率。
2.3 公交企业建设屋顶光伏发电站的特点
分布式光伏发电系统可以分布在多个地点，可以安装在建筑物的屋顶、墙壁或者地面等位置，利用了分布式布局的灵活性。鉴于公交运营线路在城市呈网状分布，有较多的业务用房分布在城市的各个区域。分布式光伏发电站，可以统筹闲置的屋顶资源，来产生绿色能源，采用‘自发自用，余电上网’的模式，并且在发电过程中没有噪声，不会对空气和水产生污染，同时有效减少对城市供电网的依赖，改善城市用电环境，并可提高土地利用率。
3. 公交维修厂屋顶建设光伏发电站的案例分析
根据分布式光伏发电站可以根据用户需求进行定制的特点，笔者参与了多个公交维修厂屋顶分布式光伏发电站的设计和建设，下面选择其中一例进行阐述：
3.1 背景
本文案例所谈维修厂房占地30余亩，有1栋综合办公楼及3个维修车间（其中3号车间共4层，上面3层为办公用房），年耗电量在80万度上下，维修厂占50%~60%。厂区有两台变压器，分别为800KVA和630KVA，根据用电情况，仅投用一台800KVA变压器，基本电费按照容量交纳，每月为19200元，后根据实际用电情况调整为按需量交纳，每月降低成本5000~7000元，但在夏季用电高峰，存在按需量交纳高于按容量交纳的情况。整体来看，项目能耗及用电成本双高，根据对维修厂用电情况、周边建筑相邻间距及维修厂内各建筑屋顶荷载分析，其综合办公楼及厂房屋顶具备安装分布式光伏发电站组件的条件。
3.2 项目简介
i. 项目概况
根据本项目工作日日间用电数据统计分析，设计了400KWp容量的屋顶分布式光伏发电站，分别安装在项目办公大楼楼顶及2、3号车间屋顶，分成两期完成，一期100KWp安装在办公楼屋顶，于2023年5月29日建设完成并开始发电，二期因3号车间进行了防水处理，房屋屋顶承重发生变化，最终调整为200KWp，仅在2号车间楼顶安装，于2023年12月20日建设完成并开始发电，整个厂区分布式光伏发电于2024年5月22日完成并网；
ii. 项目初期效果
项目总投资约120万（4元/W）；资金年利率3%；项目属地按照年有效发电时间800小时测算；参照同时段国网电价，保守按照1元/度；发电25年，根据生产厂家提供的技术参数，光伏组件发电效率衰减首年2 %，以后每年0.6%计算投资回报。根据测算6年半左右时间收回投资，25年内，发电成本平均0.32元/度。项目属地按照尖峰平谷分时段计算电价，据观察，属地光伏有效发电时段为早上8点至下午6点，光伏发电与城市用电尖段、峰段、部分平段重合。2023年，属地国网电价，尖段达到1.5元/度，峰段在1.0~1.2元/度之间，平段在0.6~0.8元/度。
iii. 项目运营
截至2024年5月底，项目一期100KW运行满1年，二期200KW仅运行5个多月，根据对一期设备运行1年情况的跟踪，在二期未建成之前（2023年12月20日），100KW容量光伏发电完全被消纳。在2024年5月22日前未并网前，光伏发电效率影响因素主要有两个，分别是日照时间和用户侧消纳量。如在2024年春节放假期间，由于停工停产，整个厂区除了设备基本用电以外，无更多用电需求，导致虽然日照极好，却造成了光伏系统发电效率极低，在实现并网后，发电功率影响因素主要为光照强度。故而，分析一期1年的数据，虽然100KW容量只发电79400KWH，但能够判定项目属地年有效发电日照时间大于800小时；按照国网同时段电价计算光伏发电电价，不含税价均在1元/度以上，如果厂区本身不能消纳完光伏发电量，余电上网，项目属地光伏发电余电上网的价格约0.4元/度，这也是为什么强调在初始设计时一定要考虑用户侧消纳的问题，根据项目地厂区的实际用电需求来建设相对应功率的太阳能光伏发电系统。根据目前各类数据显示，本维修厂分布式光伏发电站项目运行情况符合预期。
3.3 项目减碳效果
i. 运营生产减碳
本案例从2023年5月29日运行至2024年5月28日1年时间，发电量79400KWH，等效植树4340棵、节约标准煤32.08吨、单纯以绿电减碳79.17t、综合减碳量及碳金融效果尚待评估。
ii. 后勤设施节能降碳
以往屋面的降温主要通过栽种植绿植或者是加盖遮阳层来达到遮阳降温的目的，屋顶"盖"上光伏电池板，光伏电池板可以吸收80%的光照热量，而这部分热量就聚集在光伏电池板上，光伏板下方形成阴影区域，光伏板的热通过热传导到下面的屋面上，而不是太阳光直接照在屋面上。再加上热能是往上散发的，使得传导到屋顶的热量大幅度减少。一旦太阳能光伏电站发电后，光伏板上的热能有20%左右直接转化为电能，能够传导到屋顶的热能会更加少，在太阳直射地面和光伏板下阴影部分地面温差可达15~20℃，装有分布式光伏电站的屋顶，至少能降低室内3-6℃，该建筑顶层用于降温的耗能也将会下降。如果用于彩钢瓦屋面的维修厂房，在获得光伏绿电的同时，其隔热降温效果将更为显著。
3.4 前景
本项目属小范围探索、试验性质，但在属于山地且日照相对较差城市，却取得了比较可观的减碳及经济效益，为公交减碳提供了一条新途径：
i. “双碳”效应
城市公交分布在市区的闲置建筑物屋顶较多，尤以公交维修厂较为集中，是建设分布式光伏发电站不可多得的资源。在屋顶建设分布式光伏发电站，属于交通和能源互补互济的一体化项目，其模式的核心在于采用分布式光伏供给厂内的生产设施，达到高比例自消纳，减少碳排放和污染物排放，推动公交场站用能清洁化、低碳化。为全面推动公交的绿色转型，积极推进企业的生态环保和节能减排工作，为“双碳”目标贡献应有之力；
ii. 建设成本将持续下降
由于2024年年初硅片价格大幅下降，组件价格下降明显，建设成本持续走低，后面项目的成本回收期及运行期发电成本将更低；因为有了光伏发电调节，有效控制了用电高峰期的瞬间需量，确保了每个月按需量交纳基本电费低于按容量交纳。从经济效益的角度来看，投资回报非常可观；
iii. 日照及电价
影响分布式光伏发电站投资回报的大致有项目属地的电价及天气等主要因素。本项目属地日照条件不理想，主城区年有效发电时间在850小时上下，但城市供电网用电缺口较大，每年约有1/3的用电量需要向外购买，电价持续上涨是趋势，故分布式光伏发电站的经济效益会更加明显；
iv. 联合
推动分布式光伏发电在其他配套场景如公交场站的应用，建立基于公交场站空间的绿电微网，涉及分布式光伏发电站涉及到光伏发电与储能、微电网等技术，而减碳评估及交易等都不是公交企业的强项，需要联合相关专业机构和企业进行跨行业的技术融合应用，才能取得较好的成果。
4. 结论
屋顶分布式光伏发电站在公交维修厂的应用，充分利用闲置屋顶资源、太阳能资源，具有显著的节能减排、降低用电成本和提高能源自给率等优势。随着政策支持力度和用电需求的不断扩大，以及技术创新和应用拓展的推动，未来，可推动分布式光伏发电技术在公交领域多场景的应用，将推动公交企业绿色经济，提升公交企业形象，为公共交通实现绿色低碳可持续发展目标贡献力量。
作者：马莉 重庆公交集团凤筑科技有限公司副总经理
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