海島居民供電問題及解決應用

葉明

(瑞安市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 溫州 325200)

十九大報告指出，農(nóng)業(yè)農(nóng)村農(nóng)民問題是關(guān)系國計民生的根本性問題，必須始終把解決好“三農(nóng)”問題作為全黨工作的重中之重。海島基礎(chǔ)設(shè)施差，海島居民無法正常用電，長期依靠柴油發(fā)電機等供應電能，存在供電穩(wěn)定性不足、自動化水平低等問題，嚴重影響海島居民的生活質(zhì)量，制約了海島經(jīng)濟社會發(fā)展。為實現(xiàn)海島經(jīng)濟發(fā)展，農(nóng)民減支增收，進一步提升自動化水平，改善人居環(huán)境，首先要解決好供電問題。依托海島豐富的太陽能資源，建設(shè)海島光伏儲能系統(tǒng)，一方面改善人居環(huán)境解決民生問題，另一方面吸引游客觀光，帶動農(nóng)村消費和產(chǎn)業(yè)興旺，從而實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興。

1 海島供電現(xiàn)狀與推廣應用光伏儲能系統(tǒng)的意義

1.1 海島供電現(xiàn)狀

據(jù)2017年海島統(tǒng)計調(diào)查公報統(tǒng)計，截至2017年底我國共有海島11 000余個，其中有居民海島452個，大多數(shù)沿海島嶼基礎(chǔ)設(shè)施差，島上居民勉強維持用水用電。其供電主要有2種模式，一種是聯(lián)網(wǎng)，一種是離網(wǎng)。對于中大型群島而言，由于對電力需求總量和可靠性均有較高要求，因此，往往通過海纜與大陸聯(lián)網(wǎng)；而對于其他偏遠小島，由于最大負荷有限、輸送距離較遠、島嶼面積小，鋪設(shè)海纜在技術(shù)和經(jīng)濟方面需要付出巨大代價。因此，更需要圍繞可再生能源為核心，開發(fā)清潔可靠的海島電網(wǎng)。

1.2 推廣應用海島光伏儲能系統(tǒng)的意義

海島太陽能資源豐富，開發(fā)海島光伏儲能系統(tǒng)，一方面可有效緩解海島等電力短缺地區(qū)的需求矛盾，解決海島地區(qū)的生活及通訊等民生問題；另一方面可為農(nóng)民減支增收，帶來可觀的經(jīng)濟收益，電力穩(wěn)定供應，既留住了海島居民，又能夠帶動其它產(chǎn)業(yè)發(fā)展，能有效促進海島經(jīng)濟社會發(fā)展。

2 海島光伏儲能系統(tǒng)的原理及特點

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)原理

離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為直流光伏發(fā)電系統(tǒng)和交流光伏發(fā)電系統(tǒng)以及交直流混合光伏發(fā)電系統(tǒng)。與直流光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，交流光伏發(fā)電系統(tǒng)多了一個交流逆變器，可以把直流電轉(zhuǎn)換成交流電，為交流負載提供電能。如圖1所示，由光伏組件發(fā)電，經(jīng)控制器對蓄電池進行充放電管理，并給直流負載提供電能，或通過逆變器給交流負載提供電能[1]。

圖1 獨立光伏的發(fā)電系統(tǒng)

2.2 太陽能電池板選型及安裝傾角

目前占主流的太陽能電池有多晶硅、單晶硅和非晶硅等硅太陽能電池。國內(nèi)幾家大型太陽能電池商業(yè)化生產(chǎn)的光伏組件主要以多晶硅或單晶硅電池為主，其中多晶硅電池效率在17%左右，單晶硅電池效率在18%左右。由于國內(nèi)市場上光伏電池需求量較大，特別是單晶硅電池由于原材料供應緊張，電池轉(zhuǎn)換效率高，使得單晶硅的價格高于多晶硅。目前根據(jù)國內(nèi)光伏電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，多以310 W單晶硅光伏組件為主。

當光伏組件水平地面安裝方位角為0°(正南方向)時，根據(jù)海島的實際、地理位置及光照情況,光伏組件設(shè)計安裝傾角為25°左右,但考慮當?shù)嘏_風較多，角度應該適當調(diào)整，通過降低電池板角度以平衡抗風強度[2]。安裝的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 水平地面組件的安裝

2.3 逆變器選型

逆變器是光伏電站的核心設(shè)備之一，其基本功能是將光伏電池組件輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電。

根據(jù)當?shù)氐挠秒婋妷哼x擇合適的逆變器，考慮到用戶負載中有感性負載，在啟動過程時有較大的沖擊電流，同時考慮系統(tǒng)有臨時增加負載的情況，所以逆變器功率應相對選擇較大的。

2.4 控制器選型

光伏控制器主要是對太陽能電池組件發(fā)出的直流電能進行調(diào)節(jié)和控制，并具有對蓄電池進行充電、放電智能管理功能，在選型方面，可根據(jù)系統(tǒng)的直流電壓等級和太陽能電池組件的功率配置合適的光伏控制器。

2.5 蓄電池選型

儲能是獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，儲能系統(tǒng)的設(shè)計是否合理直接影響到光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體性能。目前我國用于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池除少量用于高寒戶外系統(tǒng)采用鎳氫蓄電池外，絕大多數(shù)采用鉛酸蓄電池[3]。

3 光伏儲能系統(tǒng)在海島建設(shè)的可行性

我國海島分布不均，呈現(xiàn)南方多、北方少的特點。溫州市沿海區(qū)域島嶼眾多，該地區(qū)的年日照時數(shù)為1 310 h左右，平均年太陽輻射量為5 400 MJ·m-2，即1 136 kWh·m-2。

根據(jù)《太陽能資源評估方法》(QX/T 89—2008)，該地區(qū)位于較豐富帶Ⅱ級地區(qū)(5 040～6 300 MJ/m2)，屬于日照很豐富帶(表1)。

表1 太陽能資源豐富程度等級

溫州市沿海區(qū)域太陽能資源以春季和夏季較好、冬季最差為主要特征。其中，7月份太陽輻射最強，可達到565 MJ·m-2左右，1月份輻射最弱，為280 MJ·m-2左右。春、夏、秋、冬四季輻射量分別約占年總輻射量的27.5%、32.5%、22.3%和18%左右。綜上所述，海島太陽能資源豐富，日照時間長，年內(nèi)變化穩(wěn)定，最佳利用時間集中，適合建設(shè)光伏電站，具有較好的經(jīng)濟性[4]。

4 光伏儲能系統(tǒng)的優(yōu)勢

太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源，具有充分的清潔性、絕對的安全性、確實的長壽命和免維護性、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟性[5]。本文以溫州瑞安市銅盤村長大島光伏儲能系統(tǒng)為例，分析光伏儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。該項目裝機容量為34.72 kW，年產(chǎn)電量約44 544 kWh，總投資約 50萬元。

4.1 理論年發(fā)電量

該項目裝有1 672 mm×991 mm太陽能電池板112塊，計面積185.6 m2。

年總太陽能輻射量為5 400 MJ·m-2，換算成太陽能輻射功率為1 500 kWh·m-2。

按公式Q1=η×S×P(式中：η為電池組件光電轉(zhuǎn)換效率，η=16%；S為電池組件總面積，S=185.6 m2；P為太陽能輻射功率，P=1 500 kW·h·m-2)，計算得Q1=44 544 kWh。

4.2 實際年發(fā)電量

太陽電池板輸出的直流功率是太陽電池板的標稱功率。在現(xiàn)場運行的太陽電池板往往達不到標準測試條件，輸出的允許偏差是5%。因此，在分析太陽電池板輸出功率時要考慮到0.95 的影響系數(shù)。

隨著光伏組件溫度的升高，組件兩端輸出的功率就會下降。對于晶體硅組件，當光伏組件內(nèi)部的溫度達到50～75 ℃時，輸出功率降為額定時的97%，在分析太陽電池板輸出功率時要考慮到0.97的影響系數(shù)。

光伏組件表面灰塵的累積，會影響輻射到電池板表面的太陽輻射強度，同樣會影響太陽電池板的輸出功率。根據(jù)當?shù)胤e灰情況，此因素會對光伏組件的輸出產(chǎn)生4%的影響。因此，在分析太陽電池板輸出功率時要考慮到0.96的影響系數(shù)。

由于太陽輻射的不均勻性，光伏組件的輸出幾乎不可能同時達到最大功率輸出。光伏陣列的輸出功率要低于各個組件的標稱功率之和。此外，還有光伏組件的不匹配性和板間連線損失等。這些因素影響太陽電池板輸出功率的系數(shù)按0.95 計算[6]。

現(xiàn)場考慮安裝角度因素折算后的效率為0.95，所以實際η=79.8%，實際Q=35 546 kWh。

4.3 效益

該項目所在地海島無國家電網(wǎng)建設(shè)，依靠小型柴油發(fā)電機階段性發(fā)電以解決漁民日常照明用電。

一般情況下柴油發(fā)電機組發(fā)電的轉(zhuǎn)化效率約為31%，1 L柴油約能發(fā)電3.065 kWh。浙江省柴油價格5.14元·L-1。該項目裝機容量為34.72 kW，總投資約50萬元，實際年發(fā)電量為35 546 kW·h，如用柴油發(fā)電需用柴油11 597.4 L，柴油成本59 610.6元。該項目投資僅能維持柴油發(fā)電約8年。由于計算實際發(fā)電效率按最低效率計算，因此，實際時間略低于計算值。

光伏發(fā)電系統(tǒng)使用壽命按25 年計算，則柴油發(fā)電成本149萬元，而該項目總投資約50萬元，相較盈利為99萬元。這個結(jié)果充分體現(xiàn)了光伏發(fā)電系統(tǒng)周期長、收益穩(wěn)定的優(yōu)勢。

5 小結(jié)

海島太陽能光伏發(fā)電離網(wǎng)供電系統(tǒng)，不但解決了海島居民民生問題，避免了海島投資建設(shè)國家電網(wǎng)投入大、難度大的現(xiàn)實，還帶來了生態(tài)效益和經(jīng)濟效益。進一步有留住海島人口，推動游客觀光，帶動農(nóng)村消費和產(chǎn)業(yè)興旺，從而實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興。隨著國家深入開發(fā)海島經(jīng)濟政策的不斷推動，海島太陽能光伏發(fā)電離網(wǎng)供電系統(tǒng)推廣應用前景更為廣闊，將為促進開發(fā)海島經(jīng)濟起到積極的作用。