舢舨洲燈塔綜合能源改造工程簡(jiǎn)析

高明超 毛建峰

摘 要：本課題旨在介紹通過對(duì)江中小島上的舢舨洲燈塔能源設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，解決燈塔燈器、霧號(hào)等設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)用電和生活必需電器的用電問題，為塔值守人員改善工作生活環(huán)境，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：燈塔 綜合能源 改造

1.工程背景

舢舨洲燈塔建于伶仃洋北端的舢板洲上，位于虎門水道與蕉門水道出海處之間，廣州港主航道在燈塔東側(cè)，是船舶進(jìn)出廣州港的重要導(dǎo)航標(biāo)志，而且是廣州航標(biāo)處轄區(qū)內(nèi)唯一一座有人值守的燈塔。由于舢板洲這座百年燈塔修建于江中沙洲之上，市電接入困難，目前燈塔燈器運(yùn)行和值守人員生活均靠太陽(yáng)能供電系統(tǒng)完成，陰雨天由柴油發(fā)電機(jī)為蓄電池補(bǔ)充電能。由于正在使用的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)容量有限，只能滿足燈塔燈器設(shè)備和霧號(hào)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，其他生活用電均無法滿足。

2.島上能源現(xiàn)狀、改造要求及技術(shù)難點(diǎn)

2.1島上能源現(xiàn)狀

（1）島上設(shè)備主要是通信系統(tǒng)，供電采用低壓直流；

（2）島上生活用電僅有照明，采用低壓直流；

（3）島上現(xiàn)有光伏發(fā)電系統(tǒng)，極板布置在燈塔配房樓頂，且樓頂光伏資源已經(jīng)用完；

（4）島上有柴油機(jī)發(fā)電，保障通信供電。

2.2改造要求

在不影響原工作設(shè)備供電系統(tǒng)的情況下，擴(kuò)容生活供電，結(jié)合實(shí)際負(fù)載、光照等資源情況，設(shè)計(jì)綜合生活供電系統(tǒng)。要求改造后燈器、霧號(hào)供電系統(tǒng)和生活用電系統(tǒng)完全獨(dú)立，既要滿足電視、冰箱、空調(diào)、風(fēng)扇等生活必需電器的用電負(fù)荷，又能在特殊情況下下為燈塔設(shè)施供電。

2.3技術(shù)難點(diǎn)

（1）島上面積狹小，光伏資源有限，供電系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)受限。

（2）小容量供電系統(tǒng)帶復(fù)雜用電設(shè)備，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。前期在現(xiàn)有的供電系統(tǒng)添加過逆變器帶冰箱負(fù)載，但由于電壓輸出不穩(wěn)定，冰箱多次損壞。

（3）光伏資源發(fā)電不均勻，影響供電系統(tǒng)的可靠性。

3.改造方案及設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

工程技術(shù)人員經(jīng)過多次上島考察，獲得了島上光伏資源分布情況。結(jié)合生活改善用電需求，提出了采用光儲(chǔ)柴微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的綜合能源改造方案。方案見圖1。

考慮到小容量供電系統(tǒng)如果單獨(dú)設(shè)計(jì)，不把用電負(fù)載加入到設(shè)計(jì)中，解決不了系統(tǒng)可靠性問題。通過負(fù)載設(shè)計(jì)和負(fù)載運(yùn)行管理，可以保障供電系統(tǒng)正常運(yùn)行，再通過光儲(chǔ)柴綜合能源設(shè)計(jì)，可以解決光伏資源不均勻的問題，提高供電系統(tǒng)的可靠性。具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)如下：

3.1系統(tǒng)負(fù)荷需求設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)為220V/50HZ光儲(chǔ)柴發(fā)電系統(tǒng)，主要用電負(fù)荷有：電視、冰箱、空調(diào)、照明、風(fēng)扇。其中：

（1）電視、照明、風(fēng)扇等電器：總功率500W。

（2）冰箱：考慮節(jié)能和啟動(dòng)平穩(wěn)性要求，推薦選變頻冰箱（以海爾冰箱 BCD-325WDGB為例，325升容量，日耗電0.65KWH）。壓縮機(jī)功率500W。

（3）空調(diào)：考慮節(jié)能和啟動(dòng)平穩(wěn)性要求，推薦選變頻空調(diào)（以格力空調(diào)U雅-II變頻空調(diào)為例，制冷功率160-1160W，制熱功率180-1520W）。峰值功率1520W。

（4）電飯煲：以5升電飯煲為目標(biāo)，功率1100W。（參照格力大松CYF-5001S電飯煲，最大功率1100 W，無級(jí)調(diào)節(jié)功率。每日三餐煮飯，每餐1小時(shí)，平均功率600W，日耗電 3 h* 600w =1.8 KWH）。

3.2儲(chǔ)能電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)負(fù)載情況和光伏資源情況，進(jìn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

空調(diào)按照600W平均功率計(jì)算，日耗電量0.6 * 24 = 14.4 KWH

冰箱按照日耗電量1KWH

其它電器 0.5 *4 = 2KWH（不連續(xù)使用，按照每天使用4小時(shí)計(jì)算）

電飯煲日耗電 3 h * 600w = 1.8 KWH

日總耗電量 14.4 + 1 + 4 + 1.8= 19.3 KWH

按預(yù)留1天左右電量，且放電深度小于50%設(shè)計(jì)，選擇電池儲(chǔ)能容量為76.8KWH

電池型號(hào)選擇：12V - 200AH 深度循環(huán)鉛酸電池

電池系統(tǒng)電壓：192V

電池總?cè)萘浚?00AH * 192V=76.8KWH（12V - 200AH 鉛酸電池共32只）

電池總量：32節(jié)

3.3光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮資源限制，最大只有21快極板的鋪設(shè)場(chǎng)地。光伏極板選擇新型高效率多單晶硅極板。規(guī)格參數(shù)為：

尺寸992mm * 1660mm （1.6平方米），功率285瓦

總極板數(shù)：21塊

總功率：21 * 285 = 5.985KW

廣東地區(qū)日平均光照發(fā)電時(shí)間：3.5小時(shí)

平均日發(fā)電量：3.5 * 5.985 = 20.947KWH

3.4功率變換器設(shè)計(jì)

負(fù)載峰值功率：500 + 500 + 1520 + 1100= 3620W

供電容量裕量系數(shù)：2

變頻器功率選擇：1臺(tái)8KW變頻器

4.系統(tǒng)特點(diǎn)及運(yùn)行情況

（1）該光儲(chǔ)柴微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)選用8KW微網(wǎng)逆變器，在白天光照良好的時(shí)候，是直接使用光伏能源為負(fù)荷供電，此時(shí)最經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，晚上則基本靠電池供電。其特點(diǎn)如下：

①儲(chǔ)能系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行，由能量管理系統(tǒng)調(diào)度儲(chǔ)能系統(tǒng)完成充放電等工作。

②儲(chǔ)能系統(tǒng)具備完善的通訊、監(jiān)測(cè)、管理、控制、預(yù)警和保護(hù)功能，長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)安全運(yùn)行，可通過上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，具備豐富的數(shù)據(jù)分析功能。

③電池管理采用先進(jìn)的BMS管理，可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率和電量準(zhǔn)確測(cè)量，對(duì)電池監(jiān)控保護(hù)。

④系統(tǒng)可以與柴油機(jī)發(fā)電聯(lián)合采取智能供電。光照長(zhǎng)時(shí)間不足時(shí)，由電池補(bǔ)充電能給負(fù)載， 當(dāng)電池將耗盡時(shí)，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)頻率為0.2秒1次急促的鳴叫報(bào)警，提醒工作人員系統(tǒng)電池將耗盡，在無工作人員應(yīng)答的情況下則自動(dòng)啟動(dòng)柴油機(jī)發(fā)電，以提供照明、電池充電等。

（2）系統(tǒng)運(yùn)行情況。

該系統(tǒng)于2017年10月開始改造，2018年1月順利完成。綜合能源供電系統(tǒng)運(yùn)行半年以來工作數(shù)據(jù)正常，發(fā)電、電池管理、負(fù)載等運(yùn)行良好。

①光伏發(fā)電，在2 01 8 .1——2018.3陰雨季節(jié)期間發(fā)電良好，保障了冰箱、電視、照明燈用電設(shè)備的運(yùn)行。在夏季氣溫上升后，空調(diào)運(yùn)行正常。表明光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足要求。

②電池系統(tǒng)運(yùn)行。在陰雨天氣，保障了冰箱、電視、照明燈用電設(shè)備的供電穩(wěn)定，驗(yàn)證了電池系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)的合理性。

③電池管理系統(tǒng)運(yùn)行。電池系統(tǒng)沒有出現(xiàn)過充、過放、過載、過壓、欠壓等故障報(bào)警記錄。驗(yàn)證了系統(tǒng)能量管理功能的有效性，以及系統(tǒng)保護(hù)功能設(shè)置的有效性。

④空調(diào)和冰箱等電機(jī)負(fù)載運(yùn)行正常。驗(yàn)證了綜合能源改造項(xiàng)目的負(fù)載設(shè)計(jì)合理性和可靠性。

⑤驗(yàn)證了光儲(chǔ)柴綜合能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性。特別是驗(yàn)證了在供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，引入負(fù)載設(shè)計(jì)和管理理念的良好效果。

5.總結(jié)

交通運(yùn)輸部南海航海保障中心廣州航標(biāo)處技術(shù)人員對(duì)舢舨洲燈塔進(jìn)行的綜合能源改造工程，解決了偏遠(yuǎn)海島單位在沒有市電的情況下燈塔設(shè)備和生活用電的問題。本項(xiàng)目結(jié)合燈塔設(shè)備和值守人員實(shí)際生活所需電器負(fù)載設(shè)計(jì)，并結(jié)合實(shí)際光照資源情況調(diào)查，設(shè)計(jì)了光儲(chǔ)柴微網(wǎng)供電方案。系統(tǒng)正常運(yùn)行效果驗(yàn)證了方案的可行性。該光儲(chǔ)柴微網(wǎng)供電系統(tǒng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性良好，在我國(guó)沿海孤島燈塔的能源改造上具有推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]張義文編.航標(biāo)配布與管理.

[2]王英志編.航標(biāo)設(shè)備.

[3]王英志編.國(guó)際航標(biāo)協(xié)會(huì)助航指南.