光伏发电技术在海岛供电中的应用再探讨

2014-08-07郑永高葛福余

智能建筑电气技术 2014年5期

郑永高 / 葛福余

(1.海军后勤部军港管理局，北京100841； 2.海军工程设计研究局，北京 100070)

1 引言

笔者曾在2011年就光伏发电技术在海岛供电中的应用写过一篇小文[1]。可再生能源中的太阳能，因其清洁环保、永不衰竭的特点被誉为“黄金电”。在海岛可利用的可再生能源中，太阳能应是首选。风能利用受海岛空间场地、气象条件限制，存在投资成本高、经济性差、抗台风困难等诸多问题。而海岛周围波浪能、海流能虽十分丰富，但因其利用技术尚不够成熟，投资效益比差等因素，目前没有具体工程应用报道。

太阳能利用，即光伏发电已在海岛供电中有了实际运用，取得了一些运行经验，解决了若干技术难题。同时我们也深深感到：光伏发电应用到海岛，尤其是应用于小型岛礁的供电却非易事，还有许多技术难题有待解决，本文试就这些问题作进一步探讨。

2 光伏发电设施要适应海岛的特殊环境

海岛，尤其是我国西沙、南沙群岛的岛礁，自然环境特别严酷：高温、高湿、高盐雾，金属设施在“天然腐蚀箱”环境中受腐蚀严重[2]，即使是不锈钢316L器件也不能幸免。海岛光伏发电建设，设施设备防腐是首先必须解决的问题。在实际工程中，笔者曾采用将光伏组件框架整体深度氧化加工工艺，以解决边框截断处防腐能力薄弱的问题。此外，采取的措施还包括：做好组件边框和支架间的原电池防腐蚀隔离；电子电力线路板和裸露接头处涂敷823防腐漆；配电装置防护等级选用IP65以上。

在我国南海，台风频繁，风力超强。2013年11月10日，笔者亲历了“海燕”台风的威力，台风直接掀翻、摧毁了码头配电箱，场景惊心动魄。光伏组件安装在屋顶上，设计人员必须对光伏发电设施的防护予以足够重视。施工阶段，要注意将光伏组件框架和屋顶结构紧密联接固定，不能简单支撑固定在屋顶上，框架和屋顶之间不能留有空隙。光伏组件框架用材要有足够厚度和强度。根据实践经验，框架板厚不宜小于2.5mm，户外配电箱箱体宜为3mm厚的不锈钢并加防腐漆涂敷。

3 储能是光伏发电系统在海岛供电中的瓶颈

太阳能是间隙性、波动性能源，夜间海岛用电负荷主要是空调、制冷、照明、通讯，而此时光伏发电系统已停止发电运行。因此，储能环节是海岛光伏发电系统建设必需的环节，其主要有两个作用：一是储存电能，在需要用电时对外放电；二是稳定电压，把“品质”较差的电能变为电压稳定的电能供给用电器使用。

关于储能，有蓄电池储能、超导储能、飞轮储能、超级电容储能等多种方式。然而真正适合海岛光伏发电储能的方式还是蓄电池储能。根据已有工程实践，目前常用的铅酸蓄电池，循环次数大约700次，寿命也就2～3年。据初步估算：用电功率180kW，需配蓄电池325t。如此大量的蓄电池，搬运上海岛就非常困难，2～3年报废后回收处理又是一大难题。因此另辟蹊径，找到能量密度高、体积小、重量轻、寿命长的新型蓄电池就成了突破这一瓶颈的关键所在。

3.1 全钒液流电池

钒电池是一种基于金属钒元素的氧化还原电池储能系统。钒电池电能以化学能的方式存储在不同价态钒离子的硫酸电解液中，通过外接泵把电解液压入电池堆体内，在机械动力作用下，使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动，采用离子膜作为电池组的隔膜，电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，通过双电极板收集和传导电流，从而使得储存在溶液中的化学能转换成电能。这个可逆的反应过程使钒电池顺利完成充电、放电和再充电。

图1 钒电池的工作原理图

钒电池具有能量转换效率高、响应速度快、电池容量大、运行寿命长等特点，是目前国际上发展势头强劲的优秀绿色环保高效蓄能技术，广泛应用于电力、交通、通讯、军事等行业和领域。钒电池应用于海岛光伏发电系统，尚需体液罐小型化，以便于运输和安装；同时输液泵的可靠性和智能化控制都有待完善。

3.2 镍氢动力电容电池

镍氢动力电容电池是介于超级电容和化学电池之间的储能器件。以氢氧化镍为正极材料，用高能储氢合金为负极材料，由于蓄电池负极采用了高性能储氢合金材料，故该蓄电池具有更大的能量。既有电容器可以快速充电放电的优点，又有电化学电池储能高的特点，而且该蓄电池不含汞、铅等有害物质，非常有利于环境保护。其主要技术特点：

(1)工作电压：由活性物质及电解液体系决定，工作电压1.2V。

(2)额定容量：圆柱型(3Ah～20Ah)；方型(20Ah～10 000Ah)。

(3)具备功率特性，内阻不大于5mΩ，大电流放电能力强，可满足5倍率电流连续放电；0.5倍率放电容量大于标称值的100%，1倍率放电容量大于标称值的90%。

(4)高温性能：55℃下测试，放电容量不低于标称值的90%。

(5)低温性能：-40℃下测试，容量不低于标称值的60%，在低温下效果明显好于铅酸电池的放电深度、放电时间，彻底解决铅酸电池在低于-15℃环境中放电时间大幅度减少，甚至不能放电的尴尬局面。

(6)安全性、耐振动性：按标准试验后壳体无变形，内阻无突变。

(7)穿刺试验和加热试验：按标准试验后产品不爆炸、不起火。

具体应用时，应根据储能方案、储能容量、输入输出需要将单体电池进行串联和并联组配。

表1 镍氢动力电容电池产品主要规格

表2 镍氢动力电容电池最大充电电流和放电电流

3.3 锂离子动力电池

锂离子动力电池因其能量与功率之比高，寿命长，可快充，自放电小，环境友好，是海岛光伏发电系统储能的理想选择。根据其正负极材料不同可分为LT、LC和MT三大系列。LT系列产品输出电压3.2V，循环寿命6 000次以上，能量密度达到130Wh/kg以上，10min内能充满80%电量，实现了高安全，长寿命，可快充，在极端条件(火烧、水浸)下不会燃烧爆炸。LC系列产品输出电压4.6V，循环寿命1 000次以上，能量密度达到250Wh/kg以上。MT系列产品输出电压2.2V～2.4V，循环寿命10 000次以上，能量密度可达80Wh/kg以上。

必须说明，上述三类蓄电池在其他领域已有成功的应用实例，但用于光伏发电系统储能还少见成功范例，故本文只是提出探讨性意见，尚需通过工程实例验证。

表3 各类蓄电池比较表

4 光伏发电系统的结构设计

光伏发电系统结构设计应尽可能降低运输、施工、安装难度。运上海岛的所有系统设备、器材须由大船运至海岛附近，在海上倒驳至小船转运，风大浪高条件下两条船均处于漂浮状态，不仅组织实施难度较大，而且危险系数较高；此外，海岛施工机具条件有限，施工、安装困难重重。因此，海岛光伏发电系统建设方案要综合考虑运输、安装、工艺所需配套的设施设备，装置应尽可能实现小型化、组装化，单体设备最大重量不宜超过1t，确保既能满足设计需要，又便于施工、安装。

系统设计要实现“傻瓜”化、模块化。上岛开发人员，往往专业技术力量有限，只能从事日常简单操作，对设备的检修维护较为困难。系统设计要尽量提高灵活性、可靠性和维修互换性。建议故障后直接更换模块维持运行，减少使用维护技术复杂、难度大的设备，优先选用可靠性高、维护简单的设备。