混凝土搅拌站光伏发电应用可行性研究.docx
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混凝土搅拌站光伏发电应用可行性研究
混凝土搅拌站光伏发电应用可行性研究
1光伏概念及效益分析
1.1光伏概念
光伏（PVorphotovoltaic）是太阳能光伏发电系统（photovoltaicpowersystem）的简称。
是一种利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式[1]。
1.2社会环境效益
光伏发电是一种清洁、绿色、可再生能源，既不存在排放废水、废渣、废气，也不消耗地球原有自然资源排放二氧化碳，能够有效保护地球环境与自然资源。
一个装机容量为3千瓦的小型分布式发电系统，年发电量为3650度，25年即可发电91250度，相当于节约标准煤36.5吨，减排二氧化碳94.9吨，减排二氧化硫0.8吨。
另外光伏产业可创造的就业机会远远多于其他能源技术，平均每兆瓦能源可创造出20个与制造相关的工作机会；而安装每兆瓦光伏系统也可创造出13个与安装、维修相关的就业机会[2]。
2全球光伏产业概况、激励政策及未来趋势
2.1装机容量
全球光伏发电累计装机容量从2000年的1.288GW增长到2016年的303GW，年复合增长率为40.68%，2016年全球光伏新增装机约73GW，其中中国34.54GW，美国14.1GW、日本8.6GW、欧洲6.9GW、印度4GW。
中国、美国、日本合计新增装机容量为57.8GW，超过全球新增装机容量的70%。
光伏市场最主要的增长动力来自于中国、日本、美国等体量较大的市场，以及英国、印度、智利等新兴光伏市场。
中国既是光伏制造大国，同时也是光伏应用大国。
中国贡献了34.54GW，与2015年新增装机量相比，同比增长了128%，累计装机容量77.42GW，新增与累计光伏装机容量均达到世界第一。
2.2产能产量
多晶硅产能从区域分布来看，全球光伏制造的寡头格局已经形成。
由于中国光伏巨大产能以及供应链体系，中国多晶硅产能已经占全球产能的45%，晶硅电池片和晶硅组件占全球产能的75%。
2016年，我国多晶硅产量约为19.4万吨，同比增长17.6%；太阳能电池及其组件产量达到53GW，同比增长15.7%。
截至2016年，我国已连续十年成为全球光伏产品制造总产量第一，并于2015年起跃居光伏累计装机量世界首位。
2.3国际激励政策
国际上促进太阳能光伏产业和市场发展的激励政策主要有三种，即购电法、补贴和税收政策以及净电量计量法[2]。
购电法是国际上认可度最高的可再生能源激励政策，目前已有60多个国家实施该政策，通俗的也称为“分类电价制度”，电价的确定有两种方式，一种是可再生能源电力确定一个固定的最低上网电价，德国、意大利、荷兰等西欧发达国家采取这种模式；财税激励政策通常包括初始投资补贴政策和税收优惠政策。
在日本主要采用户补贴政策和净电表计量法，净电量计量法是针对太阳能光伏发电的特有的激励政策。
目前，日本、美国的42个州都对光伏产业实施实施净电量计量法。
由于光伏发电的成本远大于常规能源发电成本和电网的销售电价，净电量计量法常与补贴政策同时使用。
2.4系统价格走势
随着光伏组件发电效率的不断提高，光伏发电系统及其组件价格持续降低，从2010年到2016年，光伏组件和光伏系统的价格分别降低了60.5%与52%。
预计从2017年到2020年，大型光伏系统价格的降幅将保持平稳，光伏系统的价格在现有基础上还将降低21.9%。
2.5市场预期
2014-2016年光伏行业经过深度调整，开始步入健康良性发展的轨道，行业的发展促使光伏终端多样化应用市场崛起，中国、日本、印度等亚洲市场需求继续增加。
随着新能源与互联网技术的不断融合，光伏产品的研究越来越深入，市场细分越来越细，多样化的产品与技术跨界融合，将使得光伏产品技术更新换代并持续降低其生产与使用成本。
同时由于光伏产品受各位政策推动与影响，光伏终端最终将完全由市场化的机制替代，使光伏终端产品在日常生产生活中进入平价上网时代。
3中国光伏相关政策、产业链及关键设备技术
3.1中国光伏相关政策及光伏产业链
中国是光伏产品、混凝土机械生产和制造大国，占据全球60%以上的产能和产量，中国的光伏市场是政策激励下形成的[3]。
国家制定和发布《太阳能发电发展十二五规划》、《关于促进光伏产业健康发展的若干意见》国务院[2013]24号、《关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知》国家发改委[2013]1638号、《关于下达2014年光伏发电年度新增建设规模的通知》国家能源局、《关于国家电网公司购买分布式光伏发电项目电力产品发票开具等有关问题的公告》国家税务局、《关于进一步落实分布式光伏发电有关政策的通知》国能综新能[2014]514号等一系列的产业政策，对光伏产业扶持的力度很大。
晶硅电池的制造流程比较复杂，产业链包括：
石英沙、金属硅、多晶硅、硅锭/硅棒、硅片、光伏电池、光伏组件和光伏发电系统，如图1所示。
图1光伏产业链图
3.2光伏发电原理及关键设备技术
光电效应太阳能电池的工作原理是太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结内建电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。
太阳能光伏发电系统是由太阳能电池方阵、蓄电池组、充放电控制器、逆变器、交流配电柜、太阳跟踪控制系统等设备组成[4]。
其中光伏组件（阵列）、充电控制器、蓄电池组、逆变器等部件，这几个部件涉及到的技术都是光伏发电中较为关键的技术，如图2所示。
图2光伏发电系统示意图
3.2.1光伏组件（阵列）
光伏阵列作为光伏发电系统中的供能者，通过光伏效应直接把太阳能转化为电能，同时进行最大功率跟踪以保证最大的输出功率，以消除外部因素（如光照强度、温度）的变化及光伏阵列自身非线性特性影响。
在线性电路中，电源内阻抗与外部负载的等效阻抗成共轭，这时外部负载就可以获得最大的输出功率。
实现光伏阵列的MPPT方法主要有恒定电压控制法、扰动观测法、功率回授法等[5]。
3.2.2光伏充电控制器的智能控制技术
光伏充电控制器的作用是对蓄电池起到充电保护、过放电保护以及整个系统运行状态的监控，光伏充电器一般采用DSP高能芯片实现智能控制。
因为在外界光照强度、温度等周围环境变化的情况下，采用智能控制技术对蓄电池充放电进行科学的管理不仅有效的提高系统的工作效率也能延长蓄电池使用寿命，降低成本。
3.2.3逆变技术
光伏逆变器一般分为电站型、组串型及微型。
电站型光伏逆变器功率在30kW～l000kW，
在大型商业屋顶、工业厂房和大型地面光伏电站等领域广泛应用。
光伏逆变器的转换效率是核心指标，其直接影响在寿命期内太阳能系统的发电量，国际上一线品牌的光伏逆变器的转换效率一般可达98%，大功率光伏逆变器甚至能达到98.7%，最大功率跟踪器（MPPT）效率可达到99.9%，同时使用寿命长，可靠性高。
光伏发电系统初始设计寿命为20年左右，光伏逆变器的关键技术指标就是高可靠性，并且在符合电网并网要求下要保证直流电压工作范围要宽[6]。
实际应用中将多块太阳能电池组件串联，得到一个较高的直流电压，在进行多组并联后输入到光伏逆变器。
不同功率、不同电压的组件、不同的串并联方案组合，要求光伏逆变器能够适应的直流电压输入不同。
所以光伏逆变器的直流工作电压要宽，以适应客户不同的需求。
同时输出的电流不能对电网造成冲击，符合电网并网要求。
4搅拌站光伏应用技术可行性分析
2016年中国商品混凝土产量为17.9亿立方米，每方混凝土生产成本中搅拌站运营成本电费约占46%，电费1.5元/方，搅拌车运营成本柴油费约占53%，油费10元/方，泵车运营成本柴油费约占约29%，油费5～8元/方，混凝土的生产、运输、施工消耗了大量的电能、石油等能源，同时给环境带来了巨大的压力。
在混凝土搅拌站上安装光伏发电系统，既能吸收部分光伏产品产能，也能减少混凝土生产过程中的能量消耗，降低排放，通过新能源混凝土设备实现混凝土生产节约环保的转型升级。
4.1系统设计
本项目拟在2×180混凝土环保搅拌站安装光伏系统，拟建规模为500kW，安装2000块功率为250W的多晶硅太阳能光伏组件。
综合考虑建站地区的供电网络、自身的发电容量及输配电容量、电能质量等技术要求建立光伏发电站，本项目考虑以1kV电压等级接入配电系统，2×180混凝土环保搅拌站如图3所示，500kW光伏系统设备配置如表1所示。
图32xHZS180环保搅拌站图
表1500kW光伏系统设备配置表
序号
名称
型号
数量
单位
品牌、厂家
占比
价格趋势
备注
1
多晶硅板
CSUN250-60P
500
kW
联维、晶科、丽瀑能源
50%
总体价格持平并有下降趋势
2000块多晶250组件
2
箱式逆变器
25K
20
台
固德威、欧姆尼克、阳光电源
12%
总体价格相对较平稳
3
升压变压器
25K
20
台
上海福彻电气，西鲁电气
8%
总体价格相对较平稳
4
电缆
PV1-F4mm2/70mm2/240mm2
/
m
绿宝电缆
2.00%
总体价格相对较平稳，随国家铜价价格波动
4mm2、70mm2、240mm2直流光伏线缆
5
光伏支架
T6065
1
套
安徽苏亚
12%
总体价格波动较大，钢材价格波动大
热度锌
6
1kV配电装置
100K
1
个
安徽苏亚
2%
总体价格相对较平稳
包含母线设备柜、动态无功补偿开关柜、电缆出线柜、专用计量柜、并网出线柜
7
通信系统
/
1
套
安徽苏亚
1%
总体价格相对较平稳
标准通信屏，直流配电单元，SDH光端机，24芯光配单元，电能质量检测设备
8
防雷、接地系统
/
1
套
安徽苏亚
1.50%
总体价格相对较平稳
9
监控系统
/
1
套
安徽苏亚
1.50%
总体价格相对较平稳
10
系统设计、施工
/
1
套
安徽苏亚
2%
总体价格相对较平稳
4.1.1电气一次
本项目总装机容量为500kW，组成20个独立的发电单元。
每个发电单元25kW，由20块组件组成一串，5串并入一个直流汇流箱.汇流箱并入一个直流配电柜和25kW逆变器，将直流电转换成交流电后经过交流配电柜进入0.4/1kV升压变器的低侧。
确定接入系统原则是：
发电量自用，余量上网。
4.1.2光伏组件
综合考虑光伏组件、产品技术成熟度、市场占有率、投资经济性及外购供应链，本项目推荐选用高效率多晶硅CS250-60P组件，峰值电压29.9V，峰值电流8.36A。
高效率的光伏组件极大减少了安装所需的区域面积。
为满足逆变器的直流MPPT电压和最大直流允许电压计算组件串联个数，本项目设定并网逆变器MPPT电压跟踪范围为641～820V（25℃），最大开路电压为1000V。
同时对开路电压温度系数也要进行合适选择，根据计算，晶体硅组件串联数量设计为20块较适合。
本工程晶体硅固定安装系统一级并联接线由汇流箱实现。
对于本工程大型光伏电场，串联回路较多，为优化线路，按15路汇1路汇流箱设计。
4.1.3支架及安装设计
对于混泥土及轻型钢屋面屋顶，组件采取沿屋面斜铺的方式，可以有效减小风压。
支架使用直立锁边轻质镀锌型材，不需要打孔和做防水处理，避免了破坏混凝土结构，安装方便快捷。
压块材料也为铝合金，可以保证与光伏组件有效连接，满足竖向和水平方向静态载荷强度和承载的受力要求。
光伏组件采用了坚固耐用的铝合金变框，完全满足5400Pa受力要求；且边框采用阳极氧化的防腐处理，保证组件的耐久性。
4.1.4逆变器
本设计采用20台25kW的并网逆变器，共500kW。
这种大型集中式逆变器相对成熟、成本最低、且操作简易、维护方便。
4.1.5电气二次
当光伏电站或电网发生故障或异常时，为保证电网、光伏设备的运行、维修及公众的安全，必须安装继电保护、安全自动、易操作的保护装置。
即在逆变器输出汇总点设置可靠、灵敏性和可闭锁的并网总断路器，以保护相关人员的人身安全。
系统继电保护，1kV线路在配电站内原有的保护不做改动。
防孤岛检测，逆变器应该保证在检测孤岛有危险时主动关闭或切断与电网的连接。
逆变器监测到上级电网断电，即断开与电网连接，不会影响1kV线路瞬时故障重合闸功能。
4.1.6防雷接地
沿组件阵列布置防雷带和接地线，进行雷击保护和接地保护。
4.1.7搅拌车充电桩
根据需求信息，电池组为123串，66Ah，电池类型为锂电池，电池标称电压3.2V/节，充电截止电压3.65V/节，可知充电桩的压为449V，因此充电桩输出压可以选择为450V。
快速充电要求18min内给车充满电，需要3C的充电电流，则充电桩最大输出功率需要为89kW。
考虑到通常情况下电动汽车会有20%的剩余电量，因此可以选择配置75kW的直流充电桩。
在标准充电模式和发电机工作下，充电桩的输出功率需求远低于快充，充电桩可以根据BMS要求自行调节输出功率。
综上所述，本项目可以配置450V75kW。
混合动力搅拌车及充电桩如图4所示。
图4混合动力搅拌车及充电桩
4.2投资回报分析
光伏电站发电量计算式：
式中，EP为发电量，kWh；HA为水平面太阳能总辐照量，kWh/m2，PAZ为组件安装容量，kWp；
ES为标准条件下的辐照度，常数为1kWh/m2；K为综合效率系数。
投资回报计算式：
式中，n为投资回报周期，年；WA为光伏发电、并网系统总投资，万元；WB为6台充电桩总投资，万元；Ep为发电量，kWh；ta为国家补贴，元/度；tb为省市补贴，元/度；C为电价，元/度；v为光伏系统维修成本。
通过测算最终选择环保站配套光伏发电、并网配电及搅拌车充电桩方案，可装备面积4850平方米，光伏发电、并网系统总投资455万元，10台充电桩总投资100万元（快充18min，正常70～240min可调），投资回报周期根据日照城市测算4～6年，见表2所示。
表2投资回收期
地区
城市
峰值日照小时/h
投资回收期（年）
北京
4.21
4.66
上海
4.09
4.77
东北
长春
4.74
4.23
华北
内蒙古通辽
5.44
3.77
华中
长沙
3.18
5.81
西南
昆明
4.4
4.5
西北
新疆和田
5.59
3.69
华南
海南三亚
4.75
4.23
华东
南京
3.71
5.16
注：
本表中的投资回收期仅为直接计算，不含财务资金成本、维护人员工资成本、企业管理成本、企业纳税成本等。
4.3总结与建议
目前，国家政策对并网光伏发电系统国家补贴0.42元/度，总共补20年，供给电网时政府回收1.0元/度，地方政府补贴按省市0.1～1.2元/度不同标准。
我们在2×180混凝土环保搅拌站进行了前期可行性分析，安装在太阳能一般的地区，光伏装机设计总容量500kW，
2×180混凝土环保搅拌站出厂价650万～700万，光伏发电、并网系统总投资预计为455万，通过测算投资回报周期预计在4～6年。
按寿命20年计算，盈利平衡后发电每年直接创造利润为72万元，可累计创造1008万利润，如果搅拌站30%采用光伏发电，全国可节省电费约8亿度/年，经济、社会、环境效益凸显。
但由于前期投资巨大、融资平台缺乏，光伏一次性投入金额基本与主体投资持平，其相关优惠政策扶持不够，企业投资意愿不强烈。
光伏搅拌站能在推动地方经济建设发展的同时能维持环境的保护，对持续创建经济环境友好社会有积极意义，因此我们建议在全国北京、上海、昆明、乌鲁木齐等太阳能富裕地区推广扶持新能源（光伏）混凝土搅拌站示范项目开发，将光伏发电混凝土搅拌站纳入国家新兴产业创业投资引导基金支持范畴，对优先开发生产光伏混凝土搅拌站企业给予专项投资补贴。
提供适当的研究资金，鼓励光伏、新能源、混凝土机械标杆企业展开合作，联合成立新能源试点，开发光伏搅拌站、油电搅拌车设备，整合相关技术，提供新能源商混解决方案，培育一些具有较强国际竞争力的新能源设备制造企业。
合理推广PPP融资模式，在政府的主导下引入政府资本、企业资本、社会资本等共同建设光伏搅拌站项目研究与开发，控制风险，顺利实现光伏发电在混凝土机械领域的应用。
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