节能减碳措施
—— 屋顶光伏系统在牧场中的应用—— 谈红崖子牧场屋顶光伏系统的设计

陈 葛

（宁夏农垦贺兰山奶业有限公司，宁夏 银川 750000）

近年来，随着畜牧养殖业高速发展，奶牛养殖业飞速向规模化、集约化方向发展，奶牛场建设迎接来一个新的发展阶段。但是，随着牧场机械化设备的采用，规模化牧场对于电能的需求也在不断增加，无论是牛舍的通风，挤奶设备的运行，粪污的处理系统以及养殖人员的生活均需要电力供应。此次屋顶光伏发电系统在红崖子奶牛场的应用在国内属于首例，目前已经建成，效益已经得到体现。

1.应用背景

随着世界工业不断发展，化石能源利用会不断给人类环境带来各方面的压力，人们加快了对清洁新能源的开发利用。太阳能因清洁、分布广泛的特点，光伏发电成为当今分布式新能源发电的热点。

太阳能的各种综合开发利用，有效减少由化石能源带来对大气排放的污染，将带来显著的环境效益。本次规划的光伏项目建成后，对同等电量的火电来说，将大量减少标煤、烟尘、二氧化碳、有害物质的排放，大大减轻了大气污染。

2020年6月，习近平总书记在宁夏视察期间，对宁夏建设黄河流域生态保护和高质量发展先行区提出明确要求，并对宁夏光伏等新能源发展给予了充分肯定。宁夏为我国太阳能资源最丰富的地区，年太阳辐射总量6680～8400MJ/m2，相当于日辐射量5.1～6.4kWh/m2，非常适合建设太阳能光伏电站。

近年来，宁夏回族自治区先后建设了石嘴山、宁东、青铜峡等大型光伏园区，宁夏已经成为全国人均光伏发电装机最大的省区，此次也是响应自治区的发展规划要求。

该项目屋顶光伏发电系统的采用可以节约大量国电及天然气消耗，实现牛场的无碳化经营，又可为本地区大气环境做出贡献，在取得了良好的社会效益的同时，为企业带来经济效益。此举证明了奶牛场不仅能提供奶、肉等产品，也能生产能源。

2.屋顶光伏系统应用于奶牛场的优势

此次设计安装的“BIPV”屋顶光伏系统具有如下优势：

安全性：直流侧48V低压技术，并联运行，避免了传统串联光伏组件会发生高压直流拉弧和PID效应的弊端，防止引发火灾以及影响发电量等；产品满足屋面建材功能：防火、防水、防漏、防潮、隔热、遮阳、可行走踩踏。

较轻的重量：无支架安装方式，可代替屋面板使用，完工重量每平方米不超过12kg，低于当地牛场屋面普遍采用的带隔热的屋面板重量。

安装方便：BIPV光伏组件取代普通钢化玻璃，具有深厚的技术基础和优势，完全能达到安装方便的要求。

寿命长：采用网络化背接触线路技术，不会因局部阴影遮挡形成热斑效应，从而加速电池发热老化，甚至引发火灾，免除了日常清扫；全金属钢板的背板设计，屋面保证使用25年，设计寿命30年。

高效率：同样面积屋顶，是传统光伏组件+屋顶（BAPV附着式安装）屋面利用率的1.2～1.4倍（100～130W/㎡），可代替传统彩钢瓦，光伏发电布满率可达90%以上，每平方米能力密度150～180W/㎡。安装后已经对数据进行复核。

绿色环保：BIPV不零占土地面积，发电时无转动部件，无噪声，对环境无污染。BIPV建筑发电既可自发自用，减少电力输送过程的费用和能耗，降低输电和分电的投资和维修费用，又可以先国家电网供电，缓解电力需求，减少空气污染。

智能化设计

每一个瓦板均可监控其电流电压，每个系统均实时记录交流侧的输出电流电压及屋面温度等，真正实现了物物相连，互联互通，智慧建筑屋顶功能。

不可燃材料

正面采用不可燃玻璃封装，整体防火等级A级，符合建材要求，确保屋顶使用更安全，系统组件级直流电压可关断，更安全。

3.屋顶光伏系统应用于奶牛场的设计说明

3.1 项目概况

宁夏利垦红崖子牧场为全群12500头的奶牛场。牛舍及干草棚屋面建设分布式光伏电站，BIPV所占屋顶面积约为131903㎡，总装机容量约 8.9MWp，采用BIPV建筑一体化分布式光伏发电项目。本项目拟采用“牧场自用，余电上网”模式。场区牛舍屋顶光伏电站所发电量就近接入场区0.4kV配电网内进行消纳，剩余电量通过场用变压器返送至国网宁夏电力公司公用电网。

3.2 项目工艺流程

图1 项目工艺流程

3.3 场区用电量估算

表1 场区用电量估算

经过计算及与现场运营人员复核，该牧场每月用电量为396807.00 KWh，年用电量为4827817.64 KWh。

3.4 屋顶光伏系统设计

本工程全部采用325Wp 多晶硅BIPV光伏瓦和组件式逆变器。每4块BIPV光伏瓦单独接入1台组件式逆变器，共36个微型逆变器。交流侧每3台微型逆变器组成一路汇流220V交流输出，共12路；每路由BVR-2×2.5 mm²多芯铜线接入50kW汇流盒，每4台光伏汇流盒接入1台200kW交流汇流箱，经汇流箱汇流后，接至箱式变压器低压侧。

本项目为屋顶分布式小型发电项目，利用BIPV光伏瓦与原有屋顶形成光伏发电系统，系统采用免维护设计，运行过程以无人值守模式设计。利用厂区自身的网络通信，通过微逆系统自有的无线发射装置将各逆变器数据上传至监控。

4.屋顶光伏系统的建造成本和效益分析

4.1 屋顶光伏系统的建造成本

本项目屋顶光伏系统总投资预估为3802.11万元。包括光伏瓦、汇流箱及变配电设备、电缆及管沟、电缆桥架等。

4.2 发电量估算

年理论发电量是一年内太阳电池按光电转换效率把太阳辐射能转化为电能的数量。

本项目的装机容量约为8.9MWp，通过pvsyst软件数据库查询当地的辐射数据，经PVsyst7软件取值计算，首年日照有效利用小时数约1559h，属于光能资源充足区，适宜发展太阳能光伏发电产业，其发电量预测如下：

表2 光伏电站25年发电量

本项目屋顶BIPV光伏瓦系统装机容量约为8.9MWp，25年总发电量32037.83万kWh，25年均发电量1281.51万kWh。

4.3 效益分析

4.3.1 项目收益

项目地执行国网宁夏电网大工业1-10kV以下企业用电峰谷分时电价，如下：

1.峰：0.6471元/kWh，高 峰 时 段: 8:00～12:00，18:30～22:30；

2.平：0.4683元/kWh， 平 时 段：6:30～8:00，12:00～18:30；

3.谷：0.2455元/kWh，低谷时段：22:30～6:30。

高峰时段4h，平电时段6.5h，低谷时段0h。

光伏发电的综合电价 = 4/10.5×0.647元/kWh + 6.5/10.5×0.4683元/kWh = 0.5364元/kWh。上网电价0.2854元/kWh，余电上网比例暂按60%计算。

表3 此项目投资收益

4.3.2 减碳量

本项目年平均发电量为1281.51万KWh。等当量折标系数：电力（万KWh）=3.333吨煤。相当于减少煤的燃放量：1281.51×3.333=4271.27吨煤。

根据相关资料，每吨标煤的二氧化碳排放量是2.3493吨，0.68吨的碳排放量。采用屋顶光伏发电，每年减少的碳排放量为：4271.27*0.68=2904.46吨。

4.3.3 其他效益

本项目可节约屋顶免更换维护费用。彩钢瓦屋顶的使用寿命一般为7～10年。5～10年由于填充物老化导致开始逐渐产生漏水点，一般采取寻找漏水点后使用堵漏剂进行填充封堵作业。但由于屋面面积较大对于漏水点及漏水成因的搜寻造成极大困难，很难维护且维护费用较高。

本项目彩钢瓦厂房BIPV所占屋顶面积约为131903㎡，如重新更换这部分屋顶，产生费用较高。安装屋顶光伏电站后屋顶免更换维护。

5.对于牧场生物安全的影响

5.1 对环境的影响

太阳能光伏发电的工艺流程是利用自然光将光能直接转变为电能的过程。在生产过程中不消耗燃料，不产生废水、废气等污物。本型工程冬季采用电热设施取暖，不新增大气污染源，从而减少工程建设投入运营后对区域大气、生态环境的影响及破坏。职工的生活燃料是用电或液化气，没有拉煤运输、堆放，以及燃烧排放大气污染对区域环境空气质量的影响。

5.2 电磁波的潜在影响

该牧场规划已经远离居民区，因此，屋顶光伏单站的逆变器和电气设备等附近没有居民区，同时也远离了牧场管理人员生活场所，不构成电磁辐射对人群的安全防护要求。变电设备产生的电磁辐射经设备外壳、箱体屏蔽和距离衰减后，对周围环境影响较小。光伏电场位于空旷地带之中，周边5km范围内几乎没有其他大型单位和通信设施，场地上空无微波类信号传输通道。因此，电场设备运行对通信和电视信号不会产生电磁影响。

5.3 污染物排放的影响

污染物排放包括废水排放和固体废物排放。

由于太阳能光伏发电具有较高的自动化运行水平，所以一般都是无人值守，仅需2～3个人员值班。生活污水量极少，生活污水经化粪池排向沉淀池后由场区统一处理，对环境影响较小。在光伏电厂建成投运后，主要固体废弃物为生活及检修垃圾，该部分废弃物要倒往指定地点，并定期集中处理，避免刮风时固体物飞扬，污染附近环境。

对牧场防疫的影响：

屋顶光伏电站每年进牧场维修约4次，维修人员进场需严格遵守牧场的防疫管理制度，并与牧场签订防疫安全保证承诺书。

6.发展前景

随着传统能源的日益减少，新能源发电的重要性愈发突出，而屋顶光伏发电由于其不占用地面土地等优势更将成为具有发展潜力的项目。屋顶光伏发电不仅解决了能源问题，同时由于其不需要单独占用土地资源，因此，其发展前景十分的广阔。宁夏农垦开创了屋顶光伏系统在奶牛场中应用的先河，目前该项目已经建成，收益也逐步在得到体现中。该项目使得屋顶光伏系统在牧场中率先得到了应用，也是为屋顶光伏系统在整个畜牧业的推广起到了表率作用，对于以后整个畜牧业的减碳、节能工作起到了推动作用，该项目的建设意义比较深远。