为了促进太阳能技术的商业应用，本文根据水泥厂的特点，提出了水泥厂屋顶太阳能光伏发电系统的解决方案。研究了太阳能光伏发电系统的工作原理、水泥厂的电力负荷、水泥厂对太阳能光伏发电能力的评价和太阳能光伏发电系统的规划。从而为绿色清洁水泥厂的推广应用积累经验。
太阳能光伏发电系统以光生伏特效应技术原理和方法为基础，使用光伏太阳能燃料电池直接将太阳光照转换为能源。由于无能源消耗、无温室气体等化学物质的排放，太阳能光伏发电具备无噪声、无污染的特性。加之其分布范围也很广，所以太阳能作为可再生能源的发电技术具备可持续发展的理想特征。
近年来，在我国的经济发展越来越快的背景下，各类工业化进程和交通运输业发展加快，碳排放也相应迅速增长。“十三五”中后期，在政策引导下，我国的碳排放开始逐年降低。据相关数据显示，从2005年到2019年，我国降低了约48.1%的碳排放量，“十三五”目标提前顺利达成。将来由于我国经济不仅仅依靠高速度，而更多是要转为高质量发展，碳排放量的控制也变得愈加重要。
我国的能源不足问题导致国民经济发展受到了严重制约。在我国各工业部门的高能耗行业中，水泥工业占全国总能耗的近10%，所以解决水泥厂的能耗问题就十分必要。大部分水泥厂屋顶面积大、灰尘少，为屋顶太阳能光伏发电系统的应用提供了良好的发展机会。利用水泥厂各车间的厂房屋顶建设太阳能光伏发电系统，不仅可以节约建设太阳能光伏发电厂所需的大面积土地，还可以为厂区供电提供帮助。
1 太
太阳能光伏发电系统中最重要的部件是太阳能电池。他们通过串联或者并联封装保护形成了太阳能电池零件，并与输出控制器等模块结合组成了太阳能光伏发电装置。目前太阳能光伏发电系统分为两大类：离网光伏发电系统和并网光伏发电系统。
（1）离网光伏发电系统。通过蓄电池、控制器和太阳能电池部件组合构成，再配置AC逆变器就可为交流负载供电。图1显示了典型水泥厂的离网光伏发电系统。
光照条件良好时候，全厂照明与通风等负荷由太阳能光伏发电系统供电，当光照条件稍差的时候，太阳能光伏发电系统为照明系统供电，当太阳能光伏系统发电功率继续减少时，该系统向蓄电池供电，此时全部用电负荷由电网供电，待蓄电池电量充满后切断电网，由蓄电池系统供电。
（2）并网光伏发电系统。通过太阳能电池部件，将太阳能元件产生的直流电力转化为满足城市电网要求的交流电力，通过并联网络逆变器直接连接到公共电网，不需要经过蓄电池的能量储存。例如图2太阳能光伏发电建筑的综合发电系统。
太阳能光伏发电建筑的综合发电系统占地少、建设快、投资少、政策支持强的特点使其成为了目前光伏发电的主流方式。并且由于直接向电网输入电力，可以免除电池的配置，节约了电池的储存和释放过程，这样利用太阳能所产生的电力更加充分，能源损失也较少，也就控制了系统成本。
水泥厂的电气负荷一般包括照明系统、空调系统、通风系统、生产设备系统、电梯和插座系统。一般宿舍和食堂的照明设备不需要白天供电。白天水泥厂的用电负荷主要为除食堂、宿舍外用电负荷，约为32 000 kVA。
2.1 屋顶面积的估算
本工程中选择的建筑为水泥生产线的A、B两个分区，A区为工厂厂前区食堂、宿舍楼、办公行政楼，建筑面积共36 242 m2，B区为工厂厂区生料库、熟料库、水泥库共8座库的屋顶和石灰石预均化堆场、混合材堆场、煤预均化堆场4座厂房的屋顶，屋顶呈圆形或拱形，展开面积约156 512 m2。经估算屋顶可装太阳能电池板面积约70 000 m2。太阳能电池板与屋顶平行安装，根据工厂所在维度情况，为了高效利用太阳能，太阳能电池板与水平面呈18°角。
2.2 系统输出功率估算
目前大型项目太阳能电池板的发电量为120~140 W/m2，考虑到逆变器的效率等因素，综合效率约为90%。以太阳能电池板发电能力为130 W/m2为例，该厂太阳能光伏发电系统的实际功率为8 190 kW。
目前市面常见的太阳能电池基本分为两种，主要是非硅薄膜太阳能电池和晶体硅（单晶硅和多晶硅）太阳能电池。由于其技术成熟，在已执行的各类项目中更常用的是晶体硅模块。而其中单晶硅电池部件转换效率高，技术成熟，可靠性高，使用寿命长。国内工程应用案例中的太阳能电池部件必须选择光电转换的优质部件。因此，本项目推荐使用单晶硅部件，电池模块均固定在屋顶上，共同组成光伏阵列，然后串接进配电系统。
（1）经济效益。该水泥厂一次性投资约7 000万元，建设太阳能光伏发电系统，换算成8.55元/W，系统总寿命预计为25年。根据对厂区太阳辐射资源等因素的分析，本项目25年平均使用时间为1 002 h，年均发电量达852.2万kWh。按照最新的工厂的工业电费为每千瓦时0.808 3元来计算，这样企业每年可以节约688.8万元。在指标满足要求的前提下，投资回报期大约是11年。
（2）社会效益。太阳能光伏发电项目竣工后就近供电，避免了远距离输电线路的电力损耗，节约了输电成本。在工厂屋顶安装太阳能光伏发电系统，可以有效保护工厂屋顶，降低室内温度。作为新型绿色再生能源，此工程建成后每年都可以减少各种大气污染物的排放。其中，碳排放减少约4 938.04 t，NOx减少排放约73.45 t，SO2减少排放约178.65 t，粉尘减少排放约1 623.02 t。同时可节约标准煤2 120.09 t。
本文提出在水泥厂屋顶设置太阳能光伏发电板，建立太阳能光伏发电系统，为降低供电负荷提供解决方案。该方案是对太阳能资源开发和利用的有益尝试，对减少环境污染，抑制二氧化碳等温室效应气体排放起到了积极作用。从技术上看，太阳能光伏发电系统的技术越来越成熟，取得了巨大成功，其一次性投资高、发电系统使用寿命长、运行维护成本低的特点，是建设创新型、清洁型、智慧型绿色水泥厂的极佳解决方案。
从政策上看，依照《“十四五”规划指导纲要》的要求，在“十四五”期间，我国将上线一批新能源产业建设项目，包含水风、核电及电网系统建设等一系列工程。水泥厂的太阳能光伏发电系统跟随政策导向，为新产业赋能。从经济上看，特别是欧洲的经验告诉我们，将来碳排放权必然将会形成市场化交易，而且极有可能受到政策导向，以“总量控制，灵活分配”的原则，有效促成碳排放的管理，顺利实现节能减排的规划。
（Afin de promouvoir l'application commerciale de la technologie de l'énergie solaire, selon les caractéristiques de la cimenterie, cet article propose une solution pour le système de production d'énergie solaire photovoltaïque sur le toit de la cimenterie.
Le principe de fonctionnement du système de production d'énergie solaire photovoltaïque, la charge électrique de la cimenterie, l'évaluation de la capacité de production d'énergie solaire photovoltaïque de la cimenterie et la planification du système
de production d'énergie solaire photovoltaïque sont étudiés. Par conséquent, il a accumulé de l'expérience pour la promotion et l'application de l'usine de ciment propre verte.
Le système de production d'énergie solaire photovoltaïque est basé sur le principe et la méthode de l'effet photovoltaïque, qui utilise des piles à combustible photovoltaïques pour convertir directement l'éclairage solaire en énergie. En raison
de l'absence de consommation d'énergie, d'émissions de gaz à effet de serre et d'autres substances chimiques, la production d'énergie solaire photovoltaïque a les caractéristiques d'être exempte de bruit et de pollution. En outre, sa distribution est
très large, de sorte que l'énergie solaire en tant que technologie de production d'énergie renouvelable a les caractéristiques idéales du développement durable.
Ces dernières années, dans le contexte du développement économique de plus en plus rapide de la Chine, le processus d'industrialisation et le développement de l'industrie des transports se sont accélérés et les émissions de carbone ont augmenté
rapidement. Au milieu et à la fin du 13e Plan quinquennal, sous la direction des politiques, les émissions de carbone de la Chine ont commencé à diminuer d'année en année. Selon les données pertinentes, de 2005 à 2019, la Chine a réduit ses émissions
de carbone d'environ 48,1%, et l'objectif du 13e Plan quinquennal a été atteint avec succès à l'avance. À l'avenir, le contrôle des émissions de carbone deviendra de plus en plus important, car notre économie ne dépend pas seulement d'une vitesse élevée,
mais aussi d'un développement de haute qualité.
La pénurie d'énergie en Chine a gravement entravé le développement de l'économie nationale. L'industrie du ciment représente près de 10% de la consommation totale d'énergie de l'ensemble du pays, de sorte qu'il est nécessaire de résoudre le problème
de la consommation d'énergie des cimenteries. La plupart des cimenteries ont une grande surface de toit et moins de poussière, ce qui offre de bonnes possibilités de développement pour l'application du système de production d'énergie solaire photovoltaïque
sur le toit. La construction d'un système de production d'énergie solaire photovoltaïque à l'aide des toits des ateliers de cimenterie peut non seulement économiser une grande superficie de terrain nécessaire à la construction d'une centrale solaire photovoltaïque,
mais aussi fournir de l'électricité pour la zone de la centrale.
1 trop
1 Principe de fonctionnement et classification des systèmes photovoltaïques solaires
L'élément le plus important du système photovoltaïque solaire est la cellule solaire. Ils forment des pièces de cellules solaires par une protection d'emballage en série ou en parallèle et se combinent avec des modules tels que le Contrôleur de
sortie pour former un dispositif de production d'énergie solaire photovoltaïque. À l'heure actuelle, les systèmes photovoltaïques solaires sont divisés en deux catégories: les systèmes photovoltaïques hors réseau et les systèmes photovoltaïques connectés
au réseau.
Système de production d'énergie photovoltaïque hors réseau. L'onduleur AC peut alimenter la charge en courant alternatif en combinant la batterie, le Contrôleur et les composants de la cellule solaire. La figure 1 montre le système photovoltaïque
hors réseau d'une cimenterie typique.
Lorsque les conditions d'éclairage sont bonnes, les charges d'éclairage et de ventilation de l'ensemble de l'installation sont alimentées par le système de production d'énergie photovoltaïque solaire. Lorsque les conditions d'éclairage sont un
peu mauvaises, le système de production d'énergie photovoltaïque solaire fournit de l'énergie au système d'éclairage. Lorsque l'énergie produite par le système de production d'énergie photovoltaïque solaire continue de diminuer, le système fournit de
l'énergie à la batterie de stockage. À ce moment, toutes les charges d'énergie sont alimentées par le réseau électrique. Lorsque la batterie de stockage est pleine, le réseau électrique
Système de production d'énergie photovoltaïque raccordé au réseau. L'énergie en courant continu générée par les cellules solaires est convertie en énergie en courant alternatif pour répondre aux exigences du réseau électrique urbain par l'intermédiaire
de composants de cellules solaires, qui sont directement connectés au réseau public par l'intermédiaire d'un onduleur de réseau parallèle sans stockage d'énergie par batterie. Par exemple, la figure 2 montre un système intégré de production d'électricité
pour un bâtiment photovoltaïque solaire.
Le système intégré de production d'énergie solaire photovoltaïque est devenu le principal mode de production d'énergie photovoltaïque en raison de sa faible occupation des sols, de sa construction rapide, de son faible investissement et de son
fort soutien politique. En raison de l'entrée directe d'énergie dans le réseau électrique, la configuration de la batterie peut être évitée et le processus de stockage et de libération de la batterie peut être économisé, de sorte que l'énergie produite
par l'utilisation de l'énergie solaire est plus suffisante et la perte d'énergie est moindre, de sorte que le coût du système est contrôlé.
2 Estimation de la charge électrique
Les charges électriques des cimenteries comprennent généralement les systèmes d'éclairage, de climatisation, de ventilation, d'équipement de production, d'ascenseur et de prise. L'éclairage des dortoirs et des cantines ordinaires n'a pas besoin
d'électricité de jour. Pendant la journée, la charge électrique de l'usine de ciment est principalement la charge électrique à l'exception de la cantine et du dortoir, qui est d'environ 32 000 kVA.
2.1 estimation de la surface du toit
Les bâtiments sélectionnés dans le cadre de ce projet sont les divisions a et B de la ligne de production de ciment. La zone a est la salle à manger, le dortoir et le bâtiment administratif de bureau dans la zone avant de l'usine, avec une superficie
totale de 36 242 m2. La zone B est le toit de 8 entrepôts dans la zone de l'usine, y compris le silo de matières premières, le silo de clinker et le silo de ciment, et le toit de 4 ateliers dans le triage de pré - homogénéisation du calcaire, le triage
de mélange et le triage de pré - homogénéisation du charbon. Le toit est en forme de cercle ou d'arc, avec une superficie d'expansion d'environ 156 512 m2. On estime que le toit peut être équipé de panneaux solaires d'une superficie d'environ 70 000
m2. Les panneaux solaires sont installés parallèlement au toit et, selon les dimensions de l'usine, ils sont situés à un angle de 18° par rapport au plan horizontal pour une utilisation efficace de l'énergie solaire.
2.2 estimation de la puissance de sortie du système
À l'heure actuelle, la production d'énergie des panneaux solaires dans les grands projets est de 120 ~ 140 W / m2. Compte tenu de l'efficacité de l'onduleur et d'autres facteurs, l'efficacité globale est d'environ 90%. La puissance réelle du système
de production d'énergie solaire photovoltaïque de l'usine est de 8 190 kW, en prenant comme exemple la capacité de production d'énergie des panneaux solaires de 130 W / m2.
3 Système de production d'énergie photovoltaïque sur le toit
À l'heure actuelle, les cellules solaires courantes sur le marché sont essentiellement divisées en deux types: les cellules solaires à film mince non silicium et les cellules solaires à silicium cristallin (silicium monocristallin et polycristallin).
En raison de sa maturité technique, les modules en silicium cristallin sont plus couramment utilisés dans divers projets exécutés. Parmi eux, la batterie monocristalline au silicium a une grande efficacité de conversion, une technologie mature, une grande
fiabilité et une longue durée de vie. Dans les cas d'application d'ingénierie domestique, les composants de cellules solaires doivent être de haute qualité pour la conversion photoélectrique. Par conséquent, il est recommandé d'utiliser des composants
en silicium monocristallin dans le cadre de ce projet, les modules de batterie étant fixés sur le toit pour former un réseau photovoltaïque, puis reliés en série au système de distribution.
4 Analyse des avantages
Avantages économiques. L'investissement ponctuel de l'usine de ciment est d'environ 70 millions de RMB pour la construction d'un système de production d'énergie solaire photovoltaïque, converti en RMB 8,55 / W, et la durée de vie totale du système
est estimée à 25 ans. Selon l'analyse des ressources en rayonnement solaire et d'autres facteurs dans la zone de la centrale, le temps d'utilisation moyen du projet sur 25 ans est de 1 002 H et la production annuelle moyenne d'électricité est de 8 522
000 kWh. Selon la dernière facture d'électricité industrielle de l'usine est de 0808 3 yuan / kWh, de sorte que l'entreprise peut économiser 6888 millions de yuan par an. La période de retour sur investissement est d'environ 11 ans, à condition que
les indicateurs répondent aux exigences.
Avantages sociaux. Après l'achèvement du projet de production d'énergie solaire photovoltaïque, l'alimentation électrique à proximité a permis d'éviter la perte d'énergie des lignes de transmission à longue distance et d'économiser les coûts de
transmission. L'installation d'un système photovoltaïque solaire sur le toit de l'usine peut efficacement protéger le toit de l'usine et réduire la température intérieure. En tant que nouvelle source d'énergie renouvelable verte, le projet peut réduire
les émissions de divers polluants atmosphériques chaque année après son achèvement. Parmi eux, les émissions de carbone ont diminué d'environ 4 938,04 T, les émissions de NOx d'environ 73,45 T, les émissions de SO2 d'environ 178,65 T et les émissions
de poussières d'environ 1 623,02 T. En même temps, il peut économiser 2 120,09 t de charbon standard.
5 Conclusions
Cet article propose d'installer des panneaux solaires photovoltaïques sur le toit de la cimenterie et d'établir un système solaire photovoltaïque pour réduire la charge d'alimentation. Il s'agit d'une tentative utile de mise en valeur et d'utilisation
des ressources solaires et joue un rôle positif dans la réduction de la pollution de l'environnement et la réduction des émissions de gaz à effet de serre, comme le dioxyde de carbone. Du point de vue technique, la technologie du système de production
d'énergie solaire photovoltaïque est de plus en plus mature et a obtenu un grand succès. Il présente les caractéristiques d'un investissement ponctuel élevé, d'une longue durée de vie du système de production d'énergie et d'un faible coût d'exploitation
et d'entretien. Il s'agit d'une excellente solution pour la construction d'une cimenterie verte innovante, propre et intelligente.
D'un point de vue politique, conformément aux exigences du « quatorzième plan quinquennal », au cours de la période couverte par le « quatorzième plan quinquennal », la Chine lancera un certain nombre de nouveaux projets de construction de l'industrie
de l'énergie, y compris une série de projets de construction d'eau, d'énergie éolienne, d'énergie nucléaire et de réseau électrique. Le système de production d'énergie solaire photovoltaïque de la cimenterie suit l'orientation de la politique et permet
de nouvelles industries. D'un point de vue économique, en particulier l'expérience européenne, nous dit qu'à l'avenir, les droits d'émission de carbone seront in évitablement échangés sur le marché, et il est très probable qu'ils seront guidés par des
politiques visant à promouvoir efficacement la gestion des émissions de carbone et à réaliser avec succès la planification des économies d'énergie et de la réduction des émissions sur la base du principe du « contrôle total des émissions, répartition
flexible».
）
阳能光伏发电系统的工作原理和分类
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