常 佳

〔中國石化燃料油銷售有限公司 北京 100029〕

伴隨著水上運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展，水上加油站數(shù)量也不斷增加。從重慶到上海瀏河口兩千余公里的長江干線水域，平均每四、五公里就有一家水上加油站，而有些城市港口，水上加油站密度每公里達(dá)六家之多。水上加油站快速發(fā)展的同時，節(jié)能環(huán)保形勢異常嚴(yán)峻。

由于水上加油站的加油躉船遠(yuǎn)離岸邊,不適宜接岸電，因此大部分水上加油站采用柴油發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)。單純使用柴油發(fā)電機(jī)主要存在的問題是柴油發(fā)電機(jī)當(dāng)有船舶需要加油時才啟動，加油作業(yè)結(jié)束立刻停止發(fā)電，因而水上加油站日常工作及人員生活負(fù)載供電則需依靠蓄電池組供電。這樣蓄電池組充放電次數(shù)頻繁，過充過放比較嚴(yán)重，導(dǎo)致蓄電池組壽命很短，需要經(jīng)常更換蓄電池組，增加了運(yùn)營成本，而且加油站日常用電和生活用電無法得到保障，影響員工的工作效率和生活質(zhì)量。

1 水上加油站用電能耗分析

以某水上加油站為例。該水上加油站現(xiàn)有2臺柴油發(fā)電機(jī)機(jī)組:16kW柴油發(fā)電機(jī)主要負(fù)責(zé)船上生活、照明、消防、抽水、充電等小功率用電設(shè)備;60kW柴油發(fā)電機(jī)主要用于船上2臺3kW的大流量加油機(jī)為船舶提供加油服務(wù)使用。

由于加油機(jī)電壓、電流、功率很大,從加油躉船的使用面積大小考慮，所以本次舉例說明的新能源利用項目只針對生活用電，即60kW柴油發(fā)電機(jī)及其所帶用電負(fù)載不在新能源利用研究范圍之內(nèi)。

筆者對某躉船上的生活用電設(shè)備日耗電量進(jìn)行了具體統(tǒng)計，結(jié)果見表1。

表1 生活設(shè)備日耗電量表

基于以上考慮,新能源供電系統(tǒng)應(yīng)該具有下列技術(shù)指標(biāo):

(1)每日提供電量不得低于58kWh；

(2)因為最大工作電流出現(xiàn)在兩臺壁掛式空調(diào)同時開啟時,為13.6A ，所以考慮滿足用電需求，留有一定余量，峰值工作電流應(yīng)不低于20 A。

2 水上加油站可使用的新能源探討

根據(jù)水上加油站的特點(diǎn)，踐行綠色發(fā)展理念，可利用的新能源有太陽能、風(fēng)能、水能等，以保證水上加油站用電需求。

2.1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

2.1.1 光伏發(fā)電原理

光伏效應(yīng)是光生伏特效應(yīng)的簡稱，指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。它首先是由光能量轉(zhuǎn)化為電能量的過程；其次是形成電壓的過程。有了電壓，如果兩者之間連通，就會形成電流的回路。

光伏發(fā)電就是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽能電池。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽能電池組件，再配合功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電系統(tǒng)裝置。

2.1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)原理

光伏發(fā)電系統(tǒng)是不需要通過過熱過程直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電系統(tǒng)。主要由光伏方陣、蓄電池組、蓄電池控制器、逆變器等設(shè)備組成。光伏方陣(PV Array)又稱光伏陣列，是由若干個光伏組件或光伏板按一定方式組裝在一起，并且具有固定的支撐結(jié)構(gòu)而構(gòu)成的直流發(fā)電單元；蓄電池組是貯存太陽電池方陣受光照時發(fā)出的電能并可隨時向負(fù)載供電。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)所使用的電池主要是以硅為基底；蓄電池控制器是為了控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，是能自動防止蓄電池組過充過放電的設(shè)備。逆變器分為離網(wǎng)逆變器和并網(wǎng)逆變器，將發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換成交流電。

光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)、光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。目前水上加油站只適用于離網(wǎng)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)。其中，根據(jù)用電負(fù)載的特點(diǎn)，獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)還可以分為直流系統(tǒng)、交流系統(tǒng)和交直流混合系統(tǒng)等。

2.1.3 太陽電池組件

太陽電池組件最基礎(chǔ)的部分是太陽電池。太陽電池從電池結(jié)構(gòu)角度分為:晶體硅太陽電池和薄膜太陽電池。目前，晶體硅太陽電池組件市場占有率最高，約占光伏組件總市場的70%～80%。晶體硅太陽電池與薄膜電池區(qū)別見表2。

表2 晶體硅太陽電池與薄膜電池對比

2.2 風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)

高品質(zhì)、高可靠性的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在我國已逐漸形成生產(chǎn)規(guī)模，已應(yīng)用在風(fēng)光互補(bǔ)路燈、別墅、游艇供電系統(tǒng)等項目上。另外，產(chǎn)品已批量出口歐洲、日本等發(fā)達(dá)國家。

2.2.1 風(fēng)力機(jī)組的選擇及布置

2.2.2 控制部分

采用集中管理控制系統(tǒng)，由于應(yīng)用于躉船，其面積有限，為了方便使用，同時需要占地面積最小。采用PK屏集成所用設(shè)備，包含風(fēng)能控制管理模塊、柴油機(jī)充電管理模塊，集中管理控制模塊，逆變器，配電單元等。中石化江陰躉船NO.6和NO.7船只使用風(fēng)柴互補(bǔ)供電系統(tǒng)方案，該系統(tǒng)目前運(yùn)行良好，成功解決躉船生活、信息負(fù)載的用電問題。

2.3 風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)

2.3.1 風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)原理

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽能光伏電池組、智能控制器、蓄電池、直流負(fù)載等部分組成。該系統(tǒng)是集風(fēng)能、太陽能及蓄電池等多種能源發(fā)電技術(shù)及系統(tǒng)智能控制技術(shù)為一體的復(fù)合可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，見圖1。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)原理圖

光伏發(fā)電部分利用太陽能電池板的光伏效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能，然后對蓄電池充電，對負(fù)載進(jìn)行供電。智能控制器部分根據(jù)風(fēng)力大小、日照強(qiáng)度和負(fù)載的變化，把電能直接送往直流或交流負(fù)載的同時，把多余的電能送往蓄電池組存儲。當(dāng)發(fā)電量不能滿足負(fù)載需求時，控制器把蓄電池儲存的電能送往負(fù)載，保證整個系統(tǒng)工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性。蓄電池部分由多塊蓄電池組成，在系統(tǒng)中同時起到能量調(diào)節(jié)和平衡負(fù)載兩大作用。它將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來，以備供電不足時使用。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)力和太陽輻射變化情況，分為 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單獨(dú)向負(fù)載供電、光伏發(fā)電系統(tǒng)單獨(dú)向負(fù)載供電、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和光伏發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合向負(fù)載供電三種運(yùn)行模式。

在“量”增長的前提之下，實現(xiàn)武夷山民族地區(qū)城鎮(zhèn)化“質(zhì)”的優(yōu)化是第二步。城市在發(fā)展的過程中，難免會出現(xiàn)各種各樣的問題，比如說城市功能結(jié)構(gòu)不合理、城市的現(xiàn)代哈程度不高。武夷山民族地區(qū)在發(fā)展過程中，處理好城市出現(xiàn)的各種問題至關(guān)重要。我們知道，城鎮(zhèn)化發(fā)展中，鄉(xiāng)村人口會大量涌入城市，城市會不可避免的出現(xiàn)住房緊張、水污染和大氣污染等各種污染。武夷山民族地區(qū)城鎮(zhèn)化一定要注意“質(zhì)”的優(yōu)化，“質(zhì)”的優(yōu)化是武夷山民族地區(qū)需要考慮的問題。

2.3.2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電比單獨(dú)風(fēng)力發(fā)電或光伏發(fā)電有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)利用風(fēng)能、太陽能的互補(bǔ)性，可以獲得比較穩(wěn)定的輸出，系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性和可靠性;

(2)在保證同樣供電的情況下，可大大減少儲能蓄電池的容量;

(3)通過合理地設(shè)計與匹配，由風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)供電，可獲得較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2.4 水力發(fā)電系統(tǒng)

2.4.1 浮管式水力發(fā)電機(jī)原理

根據(jù)水上加油站周邊水域環(huán)境，水力發(fā)電系統(tǒng)主要考慮浮管式水力發(fā)電機(jī)。浮管式水力發(fā)電機(jī)中的管狀收水器接收大面積平流水，其動能、壓能、位能使進(jìn)入的水流逐漸增壓提速，形成具有一定勢能的流水沖擊水輪機(jī)。錐形尾水管使流經(jīng)工作段的水流迅速擴(kuò)散，前后段形成較大壓差，進(jìn)一步大幅度提高工作段的流速，使水輪機(jī)獲得較大的總機(jī)械能，從而帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。浮管式水力發(fā)電機(jī)實現(xiàn)了利用江河、洋流、潮汐等自然流水動力進(jìn)行發(fā)電。

2.4.2 浮管式水力發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

(1)浮管式水力發(fā)電機(jī)在水流速0.5m/s即可啟動發(fā)電;流速≥1m/s時，發(fā)電效果良好;流速在2m/s時，性價比最佳。而其他平流水發(fā)電裝置，流速基本需要在2m/s以上才可能正常發(fā)電。

(2)提速裝置使浮管式水力發(fā)電機(jī)獲得了動能、壓能、位能所形成的有一定勢能的總機(jī)械能，浮管式水力發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率得到巨大提升。

(3)浮管式水力發(fā)電機(jī)設(shè)計科學(xué)。浮管管狀提速裝置將水輪發(fā)電機(jī)安裝支撐和基本懸浮等功能融為一體，使整機(jī)實現(xiàn)協(xié)調(diào)、高效、緊湊、經(jīng)濟(jì)的綜合功能結(jié)構(gòu)。

3 節(jié)能方式組合方案選擇

新能源互補(bǔ)供電系統(tǒng)的方案選擇主要考慮四季日照時間、光照強(qiáng)度、風(fēng)力強(qiáng)度等自然條件?；谝陨献匀毁Y源條件,可使用一種或多種新能源供電系統(tǒng)與柴油發(fā)電機(jī)互補(bǔ)發(fā)電為水上加油站提供日常用電。

3.1 光柴互補(bǔ)供電系統(tǒng)

光柴互補(bǔ)供電系統(tǒng)工作模式：蓄電池組擁有2路充電電源, 分別為太陽能電池板和16kW柴油發(fā)電機(jī)。天氣晴朗,陽光充足時,太陽能電池板給蓄電池充電, 當(dāng)蓄電池組充滿電時,“電池組管理系統(tǒng)”發(fā)出“過充保護(hù)信號”,繼電器1斷開,太陽能電池板停止對蓄電池組充電,蓄電池組電量經(jīng)過一定消耗后,繼電器1吸合,太陽能電池板對蓄電池充電。當(dāng)光照條件較差,太陽能電池板所提供電量不足以滿足船上用電負(fù)載時,蓄電池電量低于某一閾值時,“電池組管理系統(tǒng)”發(fā)出“柴油機(jī)啟動提示信號”,16kW柴油發(fā)電機(jī)適時啟動對蓄電池組充電,蓄電池組高于某一閾值后,關(guān)斷16 kW柴油發(fā)電機(jī)。當(dāng)新能源部分設(shè)備故障,導(dǎo)致無法使用太陽能對船上負(fù)載供電時,“電池組管理系統(tǒng)”發(fā)出“故障信號”和“柴油機(jī)啟動提示信號”,繼電器2斷開,16kW柴油發(fā)電機(jī)啟動,給船上用電負(fù)載提供電量(見圖2)。

圖2 光柴互補(bǔ)供電系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

3.2 風(fēng)柴互補(bǔ)供電系統(tǒng)

風(fēng)柴互補(bǔ)供電系統(tǒng)功能架構(gòu)見圖3。

圖3 風(fēng)柴互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)框圖

工作方式按照水上加油站用電特點(diǎn)，配置2套逆變器，1套工作和日常生活負(fù)載專用，1套日常生活負(fù)載專用。工作負(fù)載保障24小時工作，同時多余電量處保障24小時日常生活負(fù)載用外，其余供照明使用。

3.3 風(fēng)光柴互補(bǔ)供電系統(tǒng)

采用太陽能作為新能源復(fù)合供電系統(tǒng)的主要發(fā)電能源，風(fēng)能作為輔助發(fā)電能源，則所需主要設(shè)備包括: 太陽能光伏電池板、太陽能控制器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、風(fēng)能控制器、蓄電池及蓄電池組管理系統(tǒng)、逆變器等。新能源復(fù)合供電系統(tǒng)架構(gòu)見圖4。

圖4 新能源復(fù)合供電系統(tǒng)架構(gòu)

當(dāng)風(fēng)光互補(bǔ)供電及蓄電池電量不夠時，系統(tǒng)可自動切換到用柴油發(fā)電機(jī)為水上加油站供電; 當(dāng)風(fēng)光互補(bǔ)供電恢復(fù)，蓄電池電量達(dá)到一定水平，系統(tǒng)自動切換到風(fēng)光互補(bǔ)供電。

4 新能源互補(bǔ)節(jié)能供電系統(tǒng)優(yōu)勢分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

按照一年替代柴油發(fā)電機(jī)工作時間為200d計算：50kW 發(fā)電機(jī)按平均90%負(fù)荷工作，耗油量10L/h；平均每天工作18h；則節(jié)約燃油10×18×200=18 000L，按時價7.3元/L，18 000×7.3=13.14萬元，即一年則可節(jié)約13.14萬元。

4.2 環(huán)境效益

利用風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)既可有效減少空氣顆粒物、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、二氧化氮有害氣體的排放，又能減少污油水的泄漏對環(huán)境水域的污染；與柴油發(fā)電機(jī)組相比較，風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)運(yùn)行時無噪音影響、不需要輪機(jī)人員值守，給工作人員能提供良好的工作、生活環(huán)境。

4.3 社會效益

(1)響應(yīng)國家政策要求；

(2)符合社會發(fā)展需要；

(3)培養(yǎng)員工和社會大眾節(jié)能意識。

5 未來水上加油站新能源節(jié)能發(fā)展的思考

5.1 目前各新能源節(jié)能供電系統(tǒng)的不足之處

(1)受蓄電池容量的影響，存儲額定的電能需要大量的蓄電池組，占用空間大，維護(hù)保養(yǎng)不便。

(2)由于船舶配電系統(tǒng)為交流三相四線絕緣制，蓄電池組蓄電為直流電，需要通過逆變器變換，造成系統(tǒng)電力損耗嚴(yán)重。

(3)受船舶甲板空間的影響，風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝距離過近，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，形成渦流以及船體不平衡等原因造成四臺風(fēng)機(jī)葉輪不能同時正常轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)不能輸出額定功率。

(4)風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的運(yùn)行受天氣因素的影響較大，無風(fēng)、陰天不能持續(xù)的有效的使用。

5.2 下一步節(jié)能設(shè)計思路

為了滿足水上加油站工作、生活用電需要，并且達(dá)到節(jié)約能源消耗，減少污染排放，節(jié)省建設(shè)和維護(hù)成本需求，結(jié)合風(fēng)力條件、太陽輻射、水利條件，確保所在區(qū)域外部環(huán)境條件能滿足正常發(fā)電需求，根據(jù)各水上加油站的實際情況，因地制宜，采取一種或多種新能源供電系統(tǒng)與柴油發(fā)電機(jī)互補(bǔ)形式為水上加油站供電。