浅谈分布式光伏系统在工业制造场景中的能源优化解决方案

摘要：面对能源短缺和环保压力，工业制造业急需优化能源利用。分布式光伏系统凭借清洁高效特性，成为理想的能源解决方案。本研究针对工业制造场景，构建了基于光伏系统的能源优化模型，并进行了实地应用分析。实验显示，引入分布式光伏系统后，工厂总能耗显著降低，同时保持生产能力与工艺，碳排放量明显减少，实现了绿色制造的目标。此外，分布式光伏系统在节能减排、降低电力成本等方面表现出的积极效应，更进一步确认了其在工业制造领域的广泛应用价值。此项研究不仅向我们展示了分布式光伏系统在工业制造中的能源优化应用，也为我国在工业生产领域推广清洁能源提供了具体的技术路线和实践方案。
关键词：分布式光伏系统；能源优化；工业制造；节能减排；清洁能源
0引言
在21世纪的今天，能源问题和环保压力已成为全球工业制造业面临的两大挑战。工业制造业的能源消耗占全球总能耗近五分之三，同时也是碳排放的主要来源。为应对能源短缺和环保的双重威胁，实现可持续工业制造已成为全球共同关注的焦点。分布式光伏系统作为一种新型的清洁能源技术，以其高效、环保和易于分布式部署的优点，受到了广泛的关注，为实现可持续工业制造提供了重要途径。特别是在工业制造业中，分布式光伏系统的引入，不仅有助于降低能源消耗和碳排放，同时也有望将工业生产的方式和模式带向更为可持续和环保的方向，实现真正意义上的“绿色制造”。对于工业制造业来说，一方面要满足大规模、持续的生产需求，另一方面也要关注能源消耗和环保问题，因此，如何有效采用和利用分布式光伏系统，进行能源优化，便成为了一个待解答的问题。本文针对这一问题进行研究，于工业制造场景构建光系统能源优化模型，运用实地数据，在理论与实践之间获得平衡，并以此提供一种可能的解决之道。
1能源问题与工业制造的实际需求
1.1当今能源短缺与环保压力的分析
近年来，全球范围内的能源短缺问题日益严重。化石燃料作为主要能源，其储量有限，且许多国家的资源消耗速度远超其补给速度。这种供需失衡导致了能源价格不断攀升，进一步加剧了生产和生活成本。化石能源的开采和使用还带来了环境污染问题，包括二氧化碳等温室气体排放，引发全球气候变化、空气污染和生态环境破坏。
工业制造业作为能源消耗的大户，对能源问题的敏感性尤为突出。制造业的发展对国家经济起着重要支撑作用，但其高能耗、高排放的特性也对环境保护构成巨大挑战。传统的能源供给方式依赖电网，电力传输过程中存在着较高的能量损耗，进一步加剧了能源的供需矛盾，电力的生产主要依赖煤炭燃烧，这无疑加剧了环境污染和碳排放的问题。为了应对日益严峻的能源和环境问题，尤其在工业制造领域，迫切需要高效且可持续的能源利用方式。采用清洁能源已成为全球共识。光伏系统因其能够直接将太阳能转化为电能，具有清洁、高效、可再生的特点，成为解决能源短缺与环保压力的重要途径。通过在制造业中应用分布式光伏系统，不仅能够缓解能源供给的紧张局面，大幅减少碳排放和其他污染物排放，推动环保目标的实现。
当前的环境背景下，光伏系统的应用不仅具备技术可行性和经济性，还能够协调工业制造业的可持续发展与生态环境保护之间的矛盾，为未来实现“绿色制造”提供了可行的路径和保障。
1.2工业制造能源消耗的特点与问题
作为高能耗产业，工业制造在能源消耗方面展现出特殊的特点与紧迫的问题。工业制造的能源需求量庞大，往往占据总能源消费的很大比例，特别是在冶金、化工、机械制造等行业。这些行业不仅需要持续稳定的电力供应，还需要应对高温、高压等特殊工况，导致能源利用效率低下。能源利用过程中产生的大量废热如果没有有效回收和利用，不仅浪费了宝贵的能源资源，还进一步加剧了环境污染问题。许多工厂的设备老化、工艺落后，以及管理手段不够科学，导致能源使用效率进一步降低。能源的高成本和低效率也直接影响到生产成本和产品的市场竞争力。再者，传统电力系统面临的电网压力增大、运行成本高昂、能源来源不稳定等问题，也在一定程度上限制了工业制造的正常运作。高峰用电时期，电力供应紧张，还有可能导致停工停产，给企业带来经济损失。
这种能源利用方式不仅无法满足当前的制造需求，更严重制约了企业的可持续发展，迫切需要寻找高效、绿色的能源替代方案。分布式光伏系统以其清洁、高效且分布灵活的优势，为工业制造提供了一种可行的解决路径，其在削减能耗、降本增效方面的应用前景广阔。
1.3工业制造对高效绿色能源的迫切需求
工业制造过程中，高效绿色能源的应用至关重要。传统能源的高污染、高排放已给环保带来巨大压力，而绿色能源能有效减少污染物排放[3]。同时，工业制造能耗巨大，高效能源的使用能显著降低能耗，提高能源利用率，减少成本。面对能源价格波动和供应不稳定，分布式光伏系统等绿色能源方案提供了稳定、可持续的能源供给，确保生产过程中的能源可靠性。
2分布式光伏系统及其优势
2.1分布式光伏系统的基本构成与工作原理
分布式光伏系统由光伏组件、逆变器、配电系统、储能装置和监控系统构成。光伏组件，以硅基材料如单晶硅、多晶硅为主，通过光电效应将太阳能转化为直流电，是系统的核心。逆变器则将直流电转换为工业制造所需的交流电，其效率和稳定性对系统运行至关重要。此外，为确保电力连续稳定，系统配备储能装置，如锂电池系统，能在阳光不足时提供电力支持。
配电系统负责将光伏系统产生的电力分配到各个用电设备，并与电网进行交互。通过智能配电系统，光伏电力可优先供给厂内设备，实现自给自足，余电可反馈到电网。
监控系统是分布式光伏系统的“大脑”，通过实时监控光伏组件的工作状态、电量生成和消耗情况，可以优化能源管理，提高系统效率。先进的监控系统还能预警组件故障，并提供维护指导，从而保证系统的长期稳定运行。
光伏系统工作原理基于光电效应，当太阳光照射在光伏组件上，光子被组件内的半导体材料吸收，从而激发电子产生电流。逆变器将该电流转换为交流电，通过配电系统供电或储存，助力工业生产过程中的节能与减排目标。
2.2分布式光伏系统相较于传统电力系统的优势
分布式光伏系统以太阳能为主要能源，相较于传统电力系统，其优势显著。首先，在环保方面，该系统无需排放任何污染物，能够显著降低二氧化碳及其他有害气体的排放，完美契合工业制造领域对绿色能源的需求。其次，其自我供电的特性意味着在本地发电并供应本地使用，从而降低了对外电力供应的依赖，确保了能源的安全性和稳定性。分布式光伏系统采用模块化设计，易于扩展和维护，可以根据实际需求和能源使用情况灵活调整发电规模，相较于传统电力的固定线路和集中发电模式，更为灵活和高效。此外，分布式光伏系统能显著降低工厂的电力成本，这一优势得到了广泛认同和采用。从长远来看，尽管初期投资相对较高，但光伏系统的运行和维护成本较低，且太阳能作为免费能源，在长期使用中能实现显著的经济效益。更重要的是，分布式光伏系统的引入使工业制造企业能部分或全部实现能源自给自足，减少对电网的依赖和负荷，从而减轻电力系统的压力，提升整体电网的运行效率和可靠性。通过推广使用分布式光伏系统，我们能够有效推动工业制造生态的可持续发展，实现能源利用的高效和合理。
2.3分布式光伏系统在工业制造中的应用前景
分布式光伏系统在工业制造中的应用前景十分广阔。由于该系统能够充分利用工厂厂房屋顶、停车场等闲置空间，具有高度灵活性和可扩展性[5]。通过将光伏发电与电网电力相结合，不仅可以缓解电力供应紧张的问题，还能降低工厂对外部电力的依赖，提升能源安全性。在能源成本方面，分布式光伏系统的长期运营成本相对较低，有助于减少工厂的电费支出。此外，光伏系统发出的电力清洁无污染，能够显著降低工厂的碳足迹，实现可持续生产。特别是在环保政策日益严格的背景下，分布式光伏系统的应用有助于工厂满足环境法规要求，提升企业形象和市场竞争力，推动工业制造向绿色、低碳的方向发展。
3安科瑞Acrel-2000MG微电网能量管理系统
3.1概述
Acrel-2000MG储能能量管理系统是安科瑞专门针对工商业储能电站研制的本地化能量管理系统，可实现了储能电站的数据采集、数据处理、数据存储、数据查询与分析、可视化监控、报警管理、统计报表、策略管理、历史曲线等功能。其中策略管理，支持多种控制策略选择，包含计划曲线、削峰填谷、需量控制、防逆流等。该系统不仅可以实现下级各储能单元的统一监控和管理，还可以实现与上级调度系统和云平台的数据通讯与交互，既能接受上级调度指令，又可以满足远程监控与运维，确保储能系统安全、稳定、可靠、经济运行。
3.2应用场景
适用于工商业储能电站、新能源配储电站。
3.3系统结构

3.4系统功能
（1）实时监管
对微电网的运行进行实时监管，包含市电、光伏、风电、储能、充电桩及用电负荷，同时也包括收益数据、天气状况、节能减排等信息。 （2）智能监控
对系统环境、光伏组件、光伏逆变器、风电控制逆变一体机、储能电池、储能变流器、用电设备等进行实时监测，掌握微电网系统的运行状况。 （3）功率预测
对分布式发电系统进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。 （4）电能质量
实现整个微电网系统范围内的电能质量和电能可靠性状况进行持续性的监测。如电压谐波、电压闪变、电压不平衡等稳态数据和电压暂升/暂降、电压中断暂态数据进行监测分析及录波展示，并对电压、电流瞬变进行监测。 （5）可视化运行
实现微电网无人值守，实现数字化、智能化、便捷化管理;对重要负荷与设备进行不间断监控。 （6）优化控制
通过分析历史用电数据、天气条件对负荷进行功率预测，并结合分布式电源出力与储能状态，实现经济优化调度，以降低尖峰或者高峰时刻的用电量，降低企业综合用电成本。 （7）收益分析
用户可以查看光伏、储能、充电桩三部分的每天电量和收益数据，同时可以切换年报查看每个月的电量和收益。 （8）能源分析
通过分析光伏、风电、储能设备的发电效率、转化效率，用于评估设备性能与状态。 （9）策略配置
微电网配置主要对微电网系统组成、基础参数、运行策略及统计值进行设置。其中策略包含计划曲线、削峰填谷、需量控制、新能源消纳、逆功率控制等。 4硬件及其配套产品 5结束语
本次研究发现，分布式光伏系统在工业制造中展现出显著的优势。作为一种清洁高效的能源，它不仅有效减少了能源消耗和碳排放，促进了工业制造的“绿色化”，而且提高了生产效率并降低了电力成本。然而，全面应用分布式光伏系统仍面临技术、经济和管理方面的挑战，需要进一步的研究和探索。因此，未来的研究应继续致力于寻找克服这些挑战的有效方案，进一步推动工业生产领域的清洁能源转型。总体而言，本研究为工业制造领域提供了具有实践指导意义的清洁能源技术路径，为保护环境、节约能源开辟了新的道路，并为相关领域的后续研究提供了理论基础和参考方向。
【参考文献】
【1】郭俊志.探析新能源分布式光伏发展优化举措[J].数字化用户,2020(04).
【2】曹金京.面向新能源消纳的分布式光伏储能系统优化配置[J].自动化应用,2021(04).
【3】程泽.分布式光伏系统在工业制造场景中的能源优化应用研究
【4】安科瑞高校综合能效解决方案2022.5版.
【5】安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.