港口利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電的應(yīng)用研究

張若夢(mèng)+院張華

摘 要：本文主要論述了太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的特性，光伏組件布置方案，光伏發(fā)電的應(yīng)用范圍、利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電在港口的應(yīng)用前景，港口實(shí)施節(jié)能減排效果和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：港口 屋頂 太陽(yáng)能 光伏發(fā)電 技術(shù)應(yīng)用

太陽(yáng)能是一種清潔可再生能源，發(fā)展光伏發(fā)電在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，它不產(chǎn)生廢氣、水、固體廢棄物等方面的污染物和噪聲污染，起到了節(jié)能減排的良好環(huán)境效應(yīng)。

我國(guó)沿海港口處于太陽(yáng)能資源較豐富地帶，絕大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在4，000Wh/m2·d以上，全年太陽(yáng)輻射總量達(dá)1349.44kWh/m2，日照充足，非常適合建設(shè)光伏發(fā)電項(xiàng)目。利用港口現(xiàn)有大型倉(cāng)庫(kù)屋頂實(shí)施光伏發(fā)電，將是建設(shè)低碳港口、實(shí)施節(jié)能減排的重要措施之一。

1.太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理與系統(tǒng)應(yīng)用

1.1太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的特性

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏組件、控制/逆變器、交直流配電系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等幾部分組成，該系統(tǒng)主要由電子元器件構(gòu)成，因此太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)發(fā)電具有如下特點(diǎn)。

（1）整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機(jī)械部件，也沒(méi)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件，運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有噪聲。

（2）沒(méi)有燃燒過(guò)程，發(fā)電過(guò)程不需要任何燃料。

（3）發(fā)電過(guò)程沒(méi)有廢氣污染，也沒(méi)有廢水排放，整個(gè)發(fā)電過(guò)程零排放。

（4）設(shè)備安裝和維護(hù)都十分簡(jiǎn)便，維修保養(yǎng)簡(jiǎn)單，維護(hù)費(fèi)用極低，性能可靠穩(wěn)定，使用壽命很長(zhǎng)，作為關(guān)鍵部件的光伏組件使用壽命可以達(dá)到25年以上。

（5）環(huán)境條件適應(yīng)性比較強(qiáng)，可以在不同環(huán)境下正常穩(wěn)定工作。

（6）能夠在長(zhǎng)期無(wú)人值守的條件下正常穩(wěn)定工作。

（7）根據(jù)需要很容易進(jìn)行容量擴(kuò)展，擴(kuò)大發(fā)電規(guī)模。

（8）光伏發(fā)電功率的變化規(guī)律與人們正常生產(chǎn)生活規(guī)律相一致，可有效緩解企業(yè)用電緊張的情況，調(diào)節(jié)錯(cuò)峰用電，保障企業(yè)的安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

1.2太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用

太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)可以用于任何需要電源的場(chǎng)合，上至航天器，下至家用電器，大到兆瓦級(jí)電站，小到玩具，只要是有陽(yáng)光的地方，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)就可以工作并提供電能。由于太陽(yáng)能資源分布十分廣泛，因此太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)從能量供應(yīng)的角度講具有獨(dú)立性。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用十分廣泛。目前，其應(yīng)用范圍主要集中在如下幾個(gè)方面：

（1）當(dāng)沒(méi)有電網(wǎng)或者擴(kuò)充電網(wǎng)費(fèi)用太高時(shí)，為無(wú)電場(chǎng)合提供電源應(yīng)用領(lǐng)域主要是太空領(lǐng)域的衛(wèi)星、航天器等，邊遠(yuǎn)地區(qū)的通信系統(tǒng)，無(wú)電缺電地區(qū)的戶用供電如光伏水泵等，以及太陽(yáng)能光伏日用電子產(chǎn)品，例如各類太陽(yáng)能充電器、太陽(yáng)能航標(biāo)燈、太陽(yáng)能路燈和太陽(yáng)能庭院燈等。

（2）大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)不需要儲(chǔ)能裝置，大大減少初期系統(tǒng)投資成本以及維護(hù)成本。隨著太陽(yáng)能光伏技術(shù)的不斷發(fā)展，以及相關(guān)光伏器件價(jià)格的不斷下降，太陽(yáng)能光伏發(fā)電已經(jīng)可以由目前的小規(guī)模利用發(fā)展成為較大規(guī)模的系統(tǒng)發(fā)電應(yīng)用，為未來(lái)的能源開(kāi)發(fā)提供了一條全新的思路。

2.太陽(yáng)能發(fā)電光伏組件布置及安裝方式

2.1光伏陣列的布置

由于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的一些獨(dú)有特性，對(duì)于這類和建筑相結(jié)合的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，尤其是對(duì)光伏組件陣列安裝的場(chǎng)地具有一些特定的要求。光伏組件陣列的安裝地點(diǎn)必須有足夠的太陽(yáng)輻射，最好是沒(méi)有陰影遮擋，以保證光伏電站的最大發(fā)電效能。

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)只需考慮全年總發(fā)電量最大。所以，一般確定原則是光伏方陣各排、列的布置間距.光伏方陣的布置需遵循下列原則：

（1）固定式布置的光伏方陣，光伏組件安裝方位角宜采用正南方向。

（2）光伏方陣各排、列的布置間距應(yīng)保證全年9：00點(diǎn)～15：00點(diǎn)（當(dāng)?shù)卣嫣?yáng)時(shí)）時(shí)段內(nèi)前、后、左、右互不遮擋。

（3）光伏方陣內(nèi)光伏組件串的最低點(diǎn)距地面的距離宜不低于0.3m，并應(yīng)考慮當(dāng)?shù)氐淖畲蠓e雪深度；

（4）光伏方陣宜采用單元模塊化的布置方式。

2.2項(xiàng)目系統(tǒng)總配置

以港區(qū)屋頂擬安裝光伏組件屋頂面積共計(jì)約2萬(wàn)m計(jì)算，根據(jù)本項(xiàng)目太陽(yáng)能資源的特點(diǎn)、場(chǎng)址的地形地貌特征等因素綜合分析結(jié)果，并按照屋頂有效面積、變壓器容量，排除陰影遮擋等不適合安裝區(qū)域后，初步規(guī)劃本項(xiàng)目共敷設(shè)7612塊峰值功率為255Wp的多晶硅光伏組件，裝機(jī)容量為1941kWp。

2.3屋頂荷載承重分析

據(jù)計(jì)算分析，光伏系統(tǒng)荷載=光伏組件每平方荷載+支架系統(tǒng)每平方荷載=0.72kN/m2。

通常建筑物屋頂面承重設(shè)計(jì)荷載為：混凝土屋面通常為不小于2kN/m2，彩鋼板屋面荷載恒載0.3kN/m2，活載0.65kN/m2。因此屋面承重荷載一般情況下均可以滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝要求。

2.4光伏組件系統(tǒng)安裝方式

本項(xiàng)目中光伏組件將采用固定傾角、負(fù)重的的方式安裝于混凝土屋頂上面。安裝示意圖如圖2所示。

彩鋼板屋頂多用卡扣、暗扣、鎖邊等非穿透方式安裝，特殊情況下可采用穿透性安裝。一般安裝步驟為：

（1）將鋼板夾的正面和背面卡在彩鋼板上，并使用螺釘固定。

（2）使用T型螺釘穿過(guò)橫梁，并將橫梁固定在鋼板夾上，調(diào)整位置后用螺帽擰緊。

（3）將光伏組件按照?qǐng)D紙指示放置于橫梁上。光伏組件放置完畢后，使用單雙側(cè)壓塊固定。單雙側(cè)壓塊固定方式：將T型螺釘滑入橫梁，使用單、雙側(cè)壓塊貼緊光伏組件，并用螺釘固定緊。endprint

（4）重復(fù)1-3步驟，直至安裝完畢為止。

3.電網(wǎng)接入及對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)要求

3.1電網(wǎng)接入

對(duì)于大型建筑的BAPV系統(tǒng)建設(shè)，需要考慮到該建筑的現(xiàn)有電力設(shè)施以及電力負(fù)載的實(shí)際情況，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電的電力分配與負(fù)載的實(shí)際工作情況相匹配，即光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能優(yōu)先滿足廠區(qū)各建筑的電力負(fù)載需求，針對(duì)安裝光伏組件陣列的各個(gè)建筑內(nèi)電力負(fù)載工作的實(shí)際情況，盡量使得光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電曲線和負(fù)載的需求曲線相一致，最大限度的提高光伏電能的利用效能。

由于屋面數(shù)量較多而且分散，加上每個(gè)屋面裝機(jī)容量較小，可以采用就近接入廠區(qū)的0.4kV低壓配電柜側(cè)。0.4kV 低壓并網(wǎng)的形式，在每個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)設(shè)置低壓光伏發(fā)電總計(jì)量柜，其內(nèi)配備符合相關(guān)等級(jí)的交流三相電度表，可以精確的計(jì)量光伏并網(wǎng)單元輸出的光伏電能。在廠區(qū)10kV總進(jìn)線端高壓計(jì)量點(diǎn)，計(jì)量電表改造為雙向電表，計(jì)量光伏系統(tǒng)流出廠區(qū)的電量，正向流入計(jì)量廠區(qū)使用市電的電量，反向流出計(jì)量光伏系統(tǒng)向市電輸出的電量，向市電輸出的電量以脫硫煤的價(jià)格同供電局結(jié)算。

3.2電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)要求

3.2.1電能質(zhì)量

（1）諧波。逆變器在將直流電能經(jīng)逆變轉(zhuǎn)換為交流電能的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生諧波。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)所接入公共連接點(diǎn)的諧波電壓限制和諧波電流允許值應(yīng)滿足GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》的要求。

（2）電壓偏差。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)所接入后，所接入公共連接點(diǎn)的電壓偏差應(yīng)滿足GB/T 12325-2008《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》的規(guī)定。即10kV及以下三相電壓的允許偏差為額定電壓的±7%。

（3）電壓波動(dòng)和閃變。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)所接入后，所接入公共連接點(diǎn)的電壓波動(dòng)和閃變的限值應(yīng)滿足GB/T 12326-2008《電能質(zhì)量 電壓波動(dòng)和閃變》的要求。

（4）電壓不平衡度。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)所接入后，所接入公共連接點(diǎn)的電壓不平衡度應(yīng)滿足GB/T 15543-2008《電能質(zhì)量 三相電壓不平衡》的要求。

（5）直流分量。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)向公共連接點(diǎn)注入的直流分量不應(yīng)超過(guò)其交流額定值的0.5%。

3.2.2頻率

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)頻率在49.5Hz～50.2Hz范圍之內(nèi)時(shí)，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)能正常運(yùn)行。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)頻率在47.5 Hz～49.5Hz范圍之內(nèi)時(shí)，頻率每次低于49.5Hz，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)能至少運(yùn)行10min。

3.2.3功率因數(shù)

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)功率因數(shù)應(yīng)在0.95（超前）～0.95（滯后）范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

4.屋頂光伏發(fā)電效益及及低碳減排效果

4.1項(xiàng)目光伏發(fā)電量計(jì)算

以港區(qū)可利用屋頂面積2萬(wàn)平米為例計(jì)算，本項(xiàng)目初步規(guī)劃共敷設(shè)7612塊峰值功率為255Wp的多晶硅光伏組件，裝機(jī)容量為1.94MWp。結(jié)合系統(tǒng)總效率78%及太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出每月的發(fā)電量和年發(fā)電量，即：月發(fā)電量=系統(tǒng)安裝容量×月峰值日照小時(shí)數(shù)×系統(tǒng)總效率；預(yù)計(jì)第一年發(fā)電量為204萬(wàn)kWh。

假設(shè)本項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)期為25年，運(yùn)營(yíng)期內(nèi)光伏組件的功率呈線性衰減，平均每年衰減0.8%，25年總共衰減了20%，并假設(shè)逆變器的轉(zhuǎn)換效率沒(méi)有發(fā)生衰減，即光伏系統(tǒng)總效率的衰減速率與光伏組件衰減速率完全一致。預(yù)測(cè)本項(xiàng)目25年累計(jì)發(fā)電量4646萬(wàn)kWh，平均每年發(fā)電量為186萬(wàn) kWh。

4.2項(xiàng)目投資估算

本并網(wǎng)光伏系統(tǒng)中所使用的主要電力和電氣設(shè)備包括：光伏組件、并網(wǎng)光伏逆變器、交直流開(kāi)關(guān)柜設(shè)施等，主要使用的材料有交直流電力電纜、電纜橋架等。

本項(xiàng)目擬安裝容量為1.94MWp，光伏發(fā)電系統(tǒng)的單位建設(shè)成本在8.6元/Wp左右，項(xiàng)目靜態(tài)總投資估算為1668萬(wàn)元。

4.3項(xiàng)目效益分析及低碳減排效果

本項(xiàng)目采用清潔的可再生的太陽(yáng)能作為能源，運(yùn)行期無(wú)任何污染物產(chǎn)生。目前港區(qū)使用10kV商業(yè)用電，電度電價(jià)0.9128元/度。本項(xiàng)目平均每年發(fā)電量為186萬(wàn)kWh，光伏所發(fā)電量90%自發(fā)自用，電費(fèi)按企業(yè)用電電價(jià)9折計(jì)算，平均每年可節(jié)約15.2萬(wàn)元。

同時(shí)，光伏電量不計(jì)入經(jīng)貿(mào)委的能耗統(tǒng)計(jì)，相當(dāng)于每年節(jié)電186萬(wàn)度。與燃煤電廠相比，按替代標(biāo)準(zhǔn)煤耗330g/kWh計(jì)算，每年可節(jié)省標(biāo)煤消耗約614.2噸，相應(yīng)減少CO2排放量1596.5噸、SO2排放量17.2噸、氮氧化物排放量4.3噸，煙塵排放量0.9噸。

5.結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能是一種清潔可再生能源，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，不產(chǎn)生廢氣、水、固體廢棄物等方面的污染物和噪聲污染，是大自然賜給人類綠色低碳環(huán)保能源。利用港口現(xiàn)有大型倉(cāng)庫(kù)屋頂閑置資源實(shí)施光伏發(fā)電，將是建設(shè)低碳港口、實(shí)施節(jié)能減排的重要途徑。endprint