王建林

（四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610017）

1 引言

目前經(jīng)濟社會的發(fā)展對能源的需求提出越來越高的要求，大力發(fā)展新能源成為當(dāng)前面臨的迫切需求。尤其是國家“30·60”碳達峰、碳中和目標(biāo)的提出，以及相對應(yīng)的方案、意見的出臺，明確指出要加快構(gòu)建清潔低碳安全高效能源體系，促進可再生能源的利用[1]。太陽能具有清潔、安全、高效、可持續(xù)等顯著特點，廣泛使用太陽能能夠降低碳排放，實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。

碼頭裝卸設(shè)備較多，用電負(fù)荷較大，屬于高能耗工程，本文利用倉庫屋面設(shè)置太陽能光板陣列進行發(fā)電，為碼頭提供電能，既充分利用了倉庫閑置屋面資源，提高了可再生資源的利用率，又避免了傳統(tǒng)電能長距離傳輸模式下高損耗的缺點，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和生態(tài)效益的有效統(tǒng)一。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理

光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光照能使半導(dǎo)體材料的不同部分之間產(chǎn)生電位差的原理，將太陽輻射直接轉(zhuǎn)換成電能，可以直接供給負(fù)載，亦可以并入電網(wǎng)或者通過蓄電池儲能。

2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由發(fā)電單元、控制單元以及用戶單元三部分組成。

（1）發(fā)電單元。發(fā)電單元的功能為光照條件滿足“光生伏特效應(yīng)”要求下，該元器件兩端產(chǎn)生電動勢，將光能轉(zhuǎn)換成電能，是能量轉(zhuǎn)換的器件。通常用于光電能源轉(zhuǎn)換的最基本單元是太陽能電池板，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，則需要將這些基本單元進行組合，進行串、并聯(lián)和封裝，甚至需要進一步的組合，以達到幾百、幾千瓦甚至更大功率。發(fā)電單元是整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心，是將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿闹饕考?/p>

（2）控制單元?？刂茊卧饕蓞R流箱、充放電控制器、逆變器等設(shè)備組成。其中，匯流箱的作用是將多路太陽能電池陣列產(chǎn)生的電流進行匯集，減少后端連接線纜的數(shù)量及故障檢修時能有效控制停電范圍；充放電控制器是自動防止蓄電池過充、放電以及防止蓄電池向發(fā)電單元的反向放電，進而對蓄電池進行保護，延長蓄電池的使用壽命；由于太陽能電池陣列產(chǎn)生的電能為直流，然而現(xiàn)階段常用的為交流設(shè)備，因此需要逆變器把直流電轉(zhuǎn)換為交流電，再通過與控制器的協(xié)調(diào)合作，將產(chǎn)生的電能輸送至負(fù)載。控制單元在整個光伏發(fā)電系統(tǒng)中起到樞紐的作用，是必不可少的部件。

（3）用戶單元。用戶單元主要為電網(wǎng)、用電設(shè)備或電能存儲裝置，是整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的終端。其中，電能存儲裝置主要為蓄電池，其主要作用為存儲光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的多余電能，并在光照不足或是負(fù)載需求比太陽能電池陣列產(chǎn)生的電量大時，隨時向負(fù)載供電。

2.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行方式

根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)向用戶端供電方式不同，可以將光伏系統(tǒng)的運行方式統(tǒng)分為離網(wǎng)型和并網(wǎng)型。

離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)功率小、安裝靈活，其不與公共電網(wǎng)相互連接，供應(yīng)負(fù)載的電力全部來源于光伏系統(tǒng)。該類電網(wǎng)系統(tǒng)主要運用公共電網(wǎng)覆蓋不到的偏遠(yuǎn)山區(qū)、鄉(xiāng)村等地。

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)用于有電網(wǎng)的地區(qū)，將太陽能陣列產(chǎn)生的直流電由逆變器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)50 赫茲交流電后并入電網(wǎng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)又分為集中式和分布式兩種，集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)用于沒有本地用電負(fù)荷，系統(tǒng)產(chǎn)生的電能全部送往電網(wǎng)；分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)為自發(fā)自用，在用戶現(xiàn)場或靠近用電現(xiàn)場配置較小的光伏發(fā)電系統(tǒng)，電網(wǎng)不對其進行監(jiān)測和控制，但會限制其并網(wǎng)，不允許有逆流現(xiàn)象，防止對電網(wǎng)的沖擊及電能質(zhì)量的下降。

3 工程實例

3.1 工程背景

工程碼頭屬于庫區(qū)碼頭，遠(yuǎn)離居民區(qū)，外接電源距離較遠(yuǎn)，用電設(shè)備總的用電功率為318kW，根據(jù)碼頭總平面布置倉庫屋頂面積15000 m2。供電方案擬采用并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，外部電源作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的備用。

3.2 設(shè)備與安裝的選擇

3.2.1 光伏電池

本碼頭擬選用技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣、市場占有份額最多的P 型晶體硅的300Wp PERC 晶體硅光伏板。其中參數(shù)見表1。

表1 300Wp PERC 晶體硅光伏板參數(shù)

3.2.2 逆變器的選擇

本碼頭4 座倉庫，擬選用防護等級高、輸出電壓范圍寬、能夠直接接入本地單相或者三相電網(wǎng)、功率為100kW 的組串式逆變器，其技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 100kW 組串式逆變器參數(shù)

所選逆變器具有自動調(diào)節(jié)功能，為保障并網(wǎng)電網(wǎng)的運行安全，要求逆變器低電壓穿越時必須達到零電壓穿越，而且具備長期過載能力要求不低于110%。

3.2.3 光伏陣列設(shè)備

本碼頭為4 座倉庫，每個倉庫屋頂面積3750 m2，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，為了充分利用太陽光照，互不遮擋，屋頂光伏板安裝時應(yīng)保持與水平向夾角為16°，光伏陣列之間的距離為1.33m，每個倉庫可安裝330 片，共計安裝1320 片光伏組件。光伏板在倉庫屋頂安裝的效果圖，見圖1。

圖1 光伏板在倉庫屋頂安裝效果圖

光伏陣列的組串計算依據(jù)電池組件在串聯(lián)過后，最佳工作電壓（Up）和開路電壓（Uoc）均應(yīng)處于逆變器的電壓范圍之內(nèi)。再根據(jù)：Up應(yīng)該大于逆變器的輸入電壓的最小值，可以得到光伏板串聯(lián)數(shù)量的最小值；Uoc應(yīng)該小于逆變器的輸入電壓的最大值，可以得到光伏板串聯(lián)數(shù)量的最大值。

本碼頭選擇的是300Wp 的PERC 晶體硅光伏板，再由表1 和表2 中的設(shè)備相關(guān)參數(shù)，可以由下列公式進行計算得到光伏陣列的組串?dāng)?shù)量。

串聯(lián)數(shù)的最小值：

串聯(lián)數(shù)的最大值：

光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏電池陣列發(fā)出的電能總功率不能超過所選逆變器的功率，而本工程所選的逆變器功率為100kW，由此計算可得光伏板并聯(lián)的數(shù)量不大于5。再由串聯(lián)光伏板功率的的限制，計算的一個串聯(lián)組的光伏板數(shù)量不大于22，則串聯(lián)組的工作電壓為，在所選逆變器的電壓范圍之內(nèi)，滿足所選逆變器的要求。

根據(jù)以上所選光伏組件、件雜倉庫屋面布局以及逆變器的特性，將22 個PERC 晶體硅光伏板串接成一條支線，每3 條支線通過匯流箱形成一個組合，再每5 個匯流箱形成一個整體，這樣形成的整體包含330 個光伏板，容量為99kW，滿足所選逆變器的功率限制要求，最后將這個整體接入到1 臺100kW 的組串式逆變器。

本碼頭共4 座件雜倉庫，其中，每座件雜倉庫屋面安裝1320 塊太陽能光伏組件，則4 座倉庫屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)總裝機容量為396kW。根據(jù)上述相關(guān)計算可知，為滿足碼頭用電負(fù)荷需求，需要配置4 臺100kW 的逆變器才能滿足要求。輸出到交流母線上，供給負(fù)荷、儲能原件或者通過逆變器直接輸出到電網(wǎng)。圖2 為光伏陣列排布圖。

圖2 光伏陣列排布圖

3.3 并網(wǎng)

3.3.1 并網(wǎng)

本工程采用分布式并網(wǎng)的運行方式，即光伏發(fā)電系統(tǒng)中的各種設(shè)備組成的綠色發(fā)電網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的50 赫茲交流電后接入公共電網(wǎng)。兩個相互配合，從而實現(xiàn)400kW 的并網(wǎng)發(fā)電，保障本工程用電設(shè)備的負(fù)荷需求。

3.3.2 部分電氣設(shè)備的選擇

（1）匯流箱的選擇。本工程擬選用標(biāo)準(zhǔn)4 口匯流箱，即三進一出組串式匯流箱，它能夠減少與逆變器連接線路的后端的動力電纜，加強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時也能提高電能質(zhì)量，方便維護。

（2）蓄電池的選擇。本工程選擇較為常用的鋰離子蓄電池，它是近年來發(fā)展最快的一種電池技術(shù)，綠色環(huán)保不含鉛、汞、鎘等有害物質(zhì)，在同等容量的蓄電池中具有高能量密度、輕量化和長壽命等特點。

3.4 效益分析

3.4.1 經(jīng)濟效益

本工程4 座倉庫屋頂面積15000m2，安裝的光伏發(fā)電系統(tǒng)總裝機容量為396kW，工程所在地為四川攀枝花金沙江側(cè)，每年日照峰值平均時間約為6.5h/d。

通過以下公式可計算本工程光伏系統(tǒng)的發(fā)電量：

上式中，Q 為光伏系統(tǒng)年發(fā)電量，W 為光伏系統(tǒng)裝機容量，T 為年太陽光照峰值小時數(shù)，為光伏發(fā)電系統(tǒng)總效率，由此可計算得出首年發(fā)電量：

根據(jù)目前已建光伏發(fā)電系統(tǒng)工程的使用效果，統(tǒng)計的相關(guān)數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)10 年內(nèi)的發(fā)電量利用率約可達90%，30 年內(nèi)的發(fā)電量利用率可達80%?？芍竟こ?0 年的平均年發(fā)電量約為67.65 萬kWh。經(jīng)查詢得知攀枝花商業(yè)用電單價約為0.6 元/kWh，則每年可節(jié)約電費大約為40.59 萬元。

3.4.2 環(huán)境效益

光伏發(fā)電系統(tǒng)從建成至拆除回收的整個運行期內(nèi)是免維護或者少維護的，期間均不會產(chǎn)生任何廢氣、廢水、廢渣等廢棄物，能實現(xiàn)真正意義上的“零排放”。經(jīng)測算，在考慮后期回收的基礎(chǔ)上，光伏發(fā)電系統(tǒng)的二氧化碳排放量為33～50g/kWh，而燃煤發(fā)電的二氧化碳排放量為1072.4g/kWh。由此可見，利用太陽能的光伏發(fā)電系統(tǒng)在減少二氧化碳排放方面具有絕對優(yōu)勢。二氧化碳排放量約減少691.65t，能有效改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

4 結(jié)束語

綜上所述，光伏發(fā)電系統(tǒng)既可以在經(jīng)濟上減少碼頭工程的運營成本，又可以減少碼頭工程的二氧化碳排放量，能有效改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，是現(xiàn)階段碼頭工程節(jié)能減排的有效手段，具有可持續(xù)性、環(huán)境優(yōu)化的優(yōu)勢。