港口利用太阳能光伏发电的应用研究

张若梦+院张华

摘 要：本文主要论述了太阳能光伏发电系统的特性，光伏组件布置方案，光伏发电的应用范围、利用太阳能光伏发电在港口的应用前景，港口实施节能减排效果和社会效益。

关键词：港口 屋顶 太阳能 光伏发电 技术应用

太阳能是一种清洁可再生能源，发展光伏发电在系统运行过程中，它不产生废气、水、固体废弃物等方面的污染物和噪声污染，起到了节能减排的良好环境效应。

我国沿海港口处于太阳能资源较丰富地带，绝大多数地区年平均日辐射量在4，000Wh/m2·d以上，全年太阳辐射总量达1349.44kWh/m2，日照充足，非常适合建设光伏发电项目。利用港口现有大型仓库屋顶实施光伏发电，将是建设低碳港口、实施节能减排的重要措施之一。

1.太阳能光伏发电原理与系统应用

1.1太阳能光伏发电系统的特性

太阳能光伏发电系统主要由光伏组件、控制/逆变器、交直流配电系统、监控系统等几部分组成，该系统主要由电子元器件构成，因此太阳能光伏系统发电具有如下特点。

（1）整个光伏发电系统主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，也没有回转运动部件，运行过程中没有噪声。

（2）没有燃烧过程，发电过程不需要任何燃料。

（3）发电过程没有废气污染，也没有废水排放，整个发电过程零排放。

（4）设备安装和维护都十分简便，维修保养简单，维护费用极低，性能可靠稳定，使用寿命很长，作为关键部件的光伏组件使用寿命可以达到25年以上。

（5）环境条件适应性比较强，可以在不同环境下正常稳定工作。

（6）能够在长期无人值守的条件下正常稳定工作。

（7）根据需要很容易进行容量扩展，扩大发电规模。

（8）光伏发电功率的变化规律与人们正常生产生活规律相一致，可有效缓解企业用电紧张的情况，调节错峰用电，保障企业的安全稳定生产。

1.2太阳能光伏发电系统的应用

太阳能光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电器，大到兆瓦级电站，小到玩具，只要是有阳光的地方，太阳能光伏系统就可以工作并提供电能。由于太阳能资源分布十分广泛，因此太阳能光伏系统从能量供应的角度讲具有独立性。

太阳能光伏发电系统的应用十分广泛。目前，其应用范围主要集中在如下几个方面：

（1）当没有电网或者扩充电网费用太高时，为无电场合提供电源应用领域主要是太空领域的卫星、航天器等，边远地区的通信系统，无电缺电地区的户用供电如光伏水泵等，以及太阳能光伏日用电子产品，例如各类太阳能充电器、太阳能航标灯、太阳能路灯和太阳能庭院灯等。

（2）大规模光伏发电系统。并网光伏发电系统不需要储能装置，大大减少初期系统投资成本以及维护成本。随着太阳能光伏技术的不断发展，以及相关光伏器件价格的不断下降，太阳能光伏发电已经可以由目前的小规模利用发展成为较大规模的系统发电应用，为未来的能源开发提供了一条全新的思路。

2.太阳能发电光伏组件布置及安装方式

2.1光伏阵列的布置

由于太阳能发电系统的一些独有特性，对于这类和建筑相结合的太阳能光伏发电系统，尤其是对光伏组件阵列安装的场地具有一些特定的要求。光伏组件阵列的安装地点必须有足够的太阳辐射，最好是没有阴影遮挡，以保证光伏电站的最大发电效能。

并网光伏发电系统只需考虑全年总发电量最大。所以，一般确定原则是光伏方阵各排、列的布置间距.光伏方阵的布置需遵循下列原则：

（1）固定式布置的光伏方阵，光伏组件安装方位角宜采用正南方向。

（2）光伏方阵各排、列的布置间距应保证全年9：00点～15：00点（当地真太阳时）时段内前、后、左、右互不遮挡。

（3）光伏方阵内光伏组件串的最低点距地面的距离宜不低于0.3m，并应考虑当地的最大积雪深度；

（4）光伏方阵宜采用单元模块化的布置方式。

2.2项目系统总配置

以港区屋顶拟安装光伏组件屋顶面积共计约2万m计算，根据本项目太阳能资源的特点、场址的地形地貌特征等因素综合分析结果，并按照屋顶有效面积、变压器容量，排除阴影遮挡等不适合安装区域后，初步规划本项目共敷设7612块峰值功率为255Wp的多晶硅光伏组件，装机容量为1941kWp。

2.3屋顶荷载承重分析

据计算分析，光伏系统荷载=光伏组件每平方荷载+支架系统每平方荷载=0.72kN/m2。

通常建筑物屋顶面承重设计荷载为：混凝土屋面通常为不小于2kN/m2，彩钢板屋面荷载恒载0.3kN/m2，活载0.65kN/m2。因此屋面承重荷载一般情况下均可以满足光伏发电系统的安装要求。

2.4光伏组件系统安装方式

本项目中光伏组件将采用固定倾角、负重的的方式安装于混凝土屋顶上面。安装示意图如图2所示。

彩钢板屋顶多用卡扣、暗扣、锁边等非穿透方式安装，特殊情况下可采用穿透性安装。一般安装步骤为：

（1）将钢板夹的正面和背面卡在彩钢板上，并使用螺钉固定。

（2）使用T型螺钉穿过横梁，并将横梁固定在钢板夹上，调整位置后用螺帽拧紧。

（3）将光伏组件按照图纸指示放置于横梁上。光伏组件放置完毕后，使用单双侧压块固定。单双侧压块固定方式：将T型螺钉滑入横梁，使用单、双侧压块贴紧光伏组件，并用螺钉固定紧。endprint

（4）重复1-3步骤，直至安装完毕为止。

3.电网接入及对光伏发电系统的技术要求

3.1电网接入

对于大型建筑的BAPV系统建设，需要考虑到该建筑的现有电力设施以及电力负载的实际情况，保证光伏发电系统发电的电力分配与负载的实际工作情况相匹配，即光伏发电系统发出的电能优先满足厂区各建筑的电力负载需求，针对安装光伏组件阵列的各个建筑内电力负载工作的实际情况，尽量使得光伏发电系统的发电曲线和负载的需求曲线相一致，最大限度的提高光伏电能的利用效能。

由于屋面数量较多而且分散，加上每个屋面装机容量较小，可以采用就近接入厂区的0.4kV低压配电柜侧。0.4kV 低压并网的形式，在每个并网点设置低压光伏发电总计量柜，其内配备符合相关等级的交流三相电度表，可以精确的计量光伏并网单元输出的光伏电能。在厂区10kV总进线端高压计量点，计量电表改造为双向电表，计量光伏系统流出厂区的电量，正向流入计量厂区使用市电的电量，反向流出计量光伏系统向市电输出的电量，向市电输出的电量以脱硫煤的价格同供电局结算。

3.2电网系统对光伏发电系统的技术要求

3.2.1电能质量

（1）谐波。逆变器在将直流电能经逆变转换为交流电能的过程中，会产生谐波。分布式光伏发电系统所接入公共连接点的谐波电压限制和谐波电流允许值应满足GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》的要求。

（2）电压偏差。分布式光伏发电系统所接入后，所接入公共连接点的电压偏差应满足GB/T 12325-2008《电能质量 供电电压偏差》的规定。即10kV及以下三相电压的允许偏差为额定电压的±7%。

（3）电压波动和闪变。分布式光伏发电系统所接入后，所接入公共连接点的电压波动和闪变的限值应满足GB/T 12326-2008《电能质量 电压波动和闪变》的要求。

（4）电压不平衡度。分布式光伏发电系统所接入后，所接入公共连接点的电压不平衡度应满足GB/T 15543-2008《电能质量 三相电压不平衡》的要求。

（5）直流分量。分布式光伏发电系统向公共连接点注入的直流分量不应超过其交流额定值的0.5%。

3.2.2频率

分布式光伏发电系统并网点频率在49.5Hz～50.2Hz范围之内时，分布式光伏发电系统应能正常运行。分布式光伏发电系统并网点频率在47.5 Hz～49.5Hz范围之内时，频率每次低于49.5Hz，分布式光伏发电系统应能至少运行10min。

3.2.3功率因数

分布式光伏发电系统功率因数应在0.95（超前）～0.95（滞后）范围内连续可调。

4.屋顶光伏发电效益及及低碳减排效果

4.1项目光伏发电量计算

以港区可利用屋顶面积2万平米为例计算，本项目初步规划共敷设7612块峰值功率为255Wp的多晶硅光伏组件，装机容量为1.94MWp。结合系统总效率78%及太阳辐射数据，可以计算出每月的发电量和年发电量，即：月发电量=系统安装容量×月峰值日照小时数×系统总效率；预计第一年发电量为204万kWh。

假设本项目运营期为25年，运营期内光伏组件的功率呈线性衰减，平均每年衰减0.8%，25年总共衰减了20%，并假设逆变器的转换效率没有发生衰减，即光伏系统总效率的衰减速率与光伏组件衰减速率完全一致。预测本项目25年累计发电量4646万kWh，平均每年发电量为186万 kWh。

4.2项目投资估算

本并网光伏系统中所使用的主要电力和电气设备包括：光伏组件、并网光伏逆变器、交直流开关柜设施等，主要使用的材料有交直流电力电缆、电缆桥架等。

本项目拟安装容量为1.94MWp，光伏发电系统的单位建设成本在8.6元/Wp左右，项目静态总投资估算为1668万元。

4.3项目效益分析及低碳减排效果

本项目采用清洁的可再生的太阳能作为能源，运行期无任何污染物产生。目前港区使用10kV商业用电，电度电价0.9128元/度。本项目平均每年发电量为186万kWh，光伏所发电量90%自发自用，电费按企业用电电价9折计算，平均每年可节约15.2万元。

同时，光伏电量不计入经贸委的能耗统计，相当于每年节电186万度。与燃煤电厂相比，按替代标准煤耗330g/kWh计算，每年可节省标煤消耗约614.2吨，相应减少CO2排放量1596.5吨、SO2排放量17.2吨、氮氧化物排放量4.3吨，烟尘排放量0.9吨。

5.结语

太阳能是一种清洁可再生能源，并网光伏发电系统在运行过程中，不产生废气、水、固体废弃物等方面的污染物和噪声污染，是大自然赐给人类绿色低碳环保能源。利用港口现有大型仓库屋顶闲置资源实施光伏发电，将是建设低碳港口、实施节能减排的重要途径。endprint