探析海岛环境下光伏发电的高效利用

毛龙波，王维俊，张国平，米红菊，毛家蕙

(1.中国人民解放军后勤工程学院，重庆 401131；2.中国人民解放军91800部队,海南 三亚 572099)

探析海岛环境下光伏发电的高效利用

毛龙波1，王维俊1，张国平1，米红菊1，毛家蕙2

(1.中国人民解放军后勤工程学院，重庆 401131；2.中国人民解放军91800部队,海南 三亚 572099)

针对海岛显著的“高温、高湿、高盐雾”气候和独特的地理位置，以光伏发电在海岛屿的高效利用为研究对象，分析了海岛环境下影响光伏发电系统性能和使用寿命的因素，并从系统设计、抗PID衰减、防腐蚀和管理维护四方面提出了相应的措施。

光伏发电；海岛环境；PID效应；防腐；高效利用

我国海岸线漫长，拥有偏远海岛数量超过6 900个，有人居住的海岛433个[1]，这些海岛远离大陆，交通运输非常困难。在供电方面，这些海岛主要采用柴油供电的方式，存在燃油补给困难、费用昂贵等问题，却往往拥有极其丰富的太阳能资源，具备光伏发电的有利条件。海岛“高温、高湿、高盐雾”的特殊环境，对光伏发电系统的转换效率、使用寿命和保养维护产生了严重影响，导致海岛光伏发电成本高，成为光伏发电在海岛推广应用的阻碍。因此，实现光伏组件的高效利用对促进光伏发电在海岛的应用，解决海岛的供电难题具有重要的意义。

目前，国内针对海岛光伏发电的研究主要集中在含有光伏发电的电网运行原理、系统结构、优化配置和控制策略等方面。文献[2]为了实速分布式光伏发电模块的快速组网和安全运行，提出了一种工程实用的微电网结构，并通过在某海岛应用进行了验证；文献[3]探讨了光伏技术在海岛应用过程中存在的问题，问题涉及到了光伏组件腐蚀和占地等，并提出了一种新型的光伏容量配置优化设计方法；文献[4]在文献[2]的基础上重点对海岛光伏设备的环境适应性及储能问题进行了分析。

本文重点针对海岛光伏发电工程实践中存在的具体问题，紧紧围绕如何提高光伏发电在海岛应用效率展开，分别从系统设计、组件防护及使用维护等细节方面提出了相应的措施。

1 光伏发电的原理、结构和分类

1.1 光伏发电的原理

光伏发电是一种通过太阳能电池直接将太阳辐射能转换成直流电的发电方式。太阳能电池是利用在晶体硅中掺入某些元素，如磷、硼等，使材料内部分子电荷处于永久不平衡状态，形成具有光—电转换特性的半导体器件而制成。在太阳照射下，具有光—电转换特性的半导体内就会产生自由电荷，这些电荷定向移动并积累，从而在导体两端形成电动势，当导体两端闭合时便会产生电流，这就是太阳能电池发电的原理，也称为“光生伏打效应”[5]。

1.2 光伏组件的结构

目前应用最广的光伏电池为晶体硅电池，包括单晶硅和多晶硅，其中单晶硅逐渐成为主流产品。单晶硅光伏组件由两层半导体材料组成，其厚度大约0.25 mm，形成两个区域：一个正电荷区和一个负电荷区。负电荷区位于电池的上层，在这一层强迫渗透磷、硼等元素并与硅粘在一起；正电荷区位于下面，正负界面区域称为p-n结。制造电池时p-n结被赋予了恒定的物理特性，当阳光投射到太阳能电池内保持松散状态的电子时，这些靠近p-n结的电子将朝向电池的表层流动，用金属导线将太阳电池的正负极与负载相连时，在外电池路形成电流。每个太阳能电池基本单元p-n结处电动势大约为0.5 V，此电压值大小与电池片的尺寸无关，在实际应用中通过对电池片的串并联以获得满足应用的电压和电流的大小。

普通的光伏组件由上表面到背面依次为玻璃、EVA(上层)、电池片、EVA(下层)、TPT背板和铝合金边框等组成，如图1所示[6]。

图1 光伏电池组件的结构

1.3 光伏组件的分类

光伏电池的根据材料、结构、用途和工作方式的不同，可以分成以下几类：

(1)根据光伏电池使用的基体材料可以分为：晶体硅光伏电池(单晶硅和多晶硅)、非晶体硅光伏电池、化合物光伏电池(砷化镓、碲化镉和铜铟镓镉等)和有机半导体光伏电池等。

(2)根据光伏电池的结构可以分为：同质结光伏电池、异质结光伏电池、肖特基结光伏电池、复合结光伏电池、液结光伏电池等。

(3)根据光伏电池的用途可以分为：空间光伏电池、地面光伏电池和光伏传感器等。

(4)根据光伏电池的工作方式可以分为：平板光伏电池、聚光光伏电池和分光光伏电池等。

2 海岛环境对光伏发电系统的影响

2.1 光伏组件的衰减(PID效应)问题

随着光伏发电的迅速发展和普及，光伏组件的PID效应严重影响组件转换效率和使用寿命的问题频繁出现，尤其是在海岛环境下，PID效应更为明显，使海岛环境下光伏发电效率降低和使用寿命缩短。

PID现象表现为在高温高湿环境下，高电压流经太阳能电池单元便会导致其输出下降的现象，实质上是玻璃、封装材料之间存在漏电流，大量的电荷聚集在电池片表面，使得电池板表面的钝化效果恶化，导致光伏组件的FF、Isc,Voc等参数值降低，使组件性能低于设计标准，PID效应可能是组件严重退化的主要原因。虽然从外观上看不出任何与PID效应相关的问题，但是由此而引起的组件功率衰减却不容忽视，最大时超过50%。

到目前为止，引发光伏组件PID效应的原因仍然不是十分明确，根据实验和实践分析推测，与PID效应相关的因素包括有：与潮湿程度、温度高低相关；与组件表面被导电性、酸性、碱性以及带有离子的物体的附着程度相关。另外，在实际的应用中，晶体硅光伏组件的PID现象已经被观察到，基于电池结构和其他构成组件的材料及设计型式的不同，PID现象可能是在其电路与金属接地边框成正向电压偏置的条件下发生，也可能是成反向偏置的条件下发生。但是能确定的是：与通常的情况比较，海岛“高温、高湿、高盐”气候条件肯定会使光伏组件PID衰减速度加快[7]。因此，在海岛环境下，使用的光伏组件必须经过专门的处理或者选择特殊类型的组件。

2.2 光伏支架及配件的腐蚀问题

光伏支架采用金属材料，本身就存在腐蚀作用，而在海岛环境使用的光伏支架长期暴露在“三高”环境中，从而使光伏支架腐蚀呈现出速度快、程度重的特点。在海岛环境环下，光伏组件支架的腐蚀主要发生在支架主材、主材与连接件和连接件之间，表现为支架表面的锈、浮锈、氧化皮和螺丝螺母的锈蚀等，按照其形成机理主要可以分为两类[8]：

(1)电化学腐蚀

在海岛环境下，空气中含有高浓度盐雾和水分，为光伏组件的电化学腐蚀提供了条件，电化学腐蚀一般发生在两种不同金属之间，主包括以下3种：1)两种不同成分的金属接触时，电势较低的金属成为阳极发生腐蚀，例如连接件与支架之间、焊缝处容易锈蚀就是这个原因；2)由于支架表面腐蚀产生的氧化皮的电极电位比主材钢铁要高，成为阴极，主材本身成为阳极而发生腐蚀；3)由于支架表面涂层会有微孔存在，空气中的盐雾和水可以穿过涂层产生电化学腐蚀，产生氧化铁系列产物和氢气，从而使涂层鼓起脱落。

(2)化学腐蚀

在海岛环境中，光伏支架的化学腐蚀是指其与接触到的物质直接发生氧化还原而被耗损的过程，属于纯化学反应。光伏支架的化学腐蚀主要是由支架使用的金属材料与空气中的氧化、水直接接解所引起的，如在光伏支架表面形成腐蚀物(如氧化皮)，过程无电流产生。

海岛环境下，空气中高浓度的盐度和水份为金属材料腐蚀提供了充足的条件，另外由于海岛平均气温高使金属离子运行速度加快等因素，进一步加剧了在海岛使用光伏支架的腐蚀问题。

2.3 光伏组件的遮挡问题

光伏组件在使用过程中如果受光面被局部遮挡，被遮挡的光伏电池部分因光生电流减少而相当于反向二极管，成为同一串列中其它未被遮挡光伏电池的负载，并被施以了较高的反向偏置电压，并以热能的形式消耗掉部分功率，形成所谓的“热斑效应”，这种效应不但使光伏组件的性能和输出功率受到严重影响，还会将导致光伏电池本身受损，缩短组件使用寿命。在海岛环境下，众多因素会造成光伏组件的局部遮档，如鸟粪、盐雾的结晶、树叶、灰尘、建筑物和其它污渍等，从而使海岛光伏组件发电系统效应造成严重影响。

与大陆相比，以下3种类型的遮挡成为影响海岛光伏发电系统效率的重要原因：

(1)鸟类的粪便

海洋上鸟类种类繁多、数量庞大，而栖息地却很少，海岛成为了海洋鸟类主要的栖息地，由此而产生的大量海鸟粪便成为了光伏组件的遮挡物。

(2)盐雾的结晶

由于海水的运动形成了大范围盐雾，导致海岛空气中含盐浓度比大陆和海边高得多，这不仅对光伏发电系统中的含有金属材料的设备具有腐蚀作用，还会伴随着温度和空气中水份蒸发的变化在光伏组件的表面(包括上表面和下表面)析出大量的晶体盐，严重影响到了光伏组件的受光强度和发电效率。

(3)建筑物的遮挡

海岛陆地资源稀缺，各种类型的设施设备繁多，可为光伏发电利用的陆地资源更是有限，光伏组件周围很有可能存在较高的建筑物和设施设备，如楼房、信号发送和接收塔、各种类型的天线、风力发电机组等，一旦设计规划不合理就有可能会造成光伏组件的遮挡，从而影响到光伏发电系统的效率。

2.4 光伏系统的浪费问题

目前，在海岛的光伏发电系统设计时，较多地存在设计容量不合理的情况，为了实现系统的独立供电，忽略了后备电源柴油发电机的作用，在设计和投入时用很大代价来应对系统可能出现的极端情况，而在实际应用中这些极端情况却是很少发生，甚至在光伏系统使用寿命内都从未出现过，只是在历史数据中提到过，从而造成了很大浪费。

另外，在海岛光伏发电系统中还可能由以下两方面原因导致系统的浪费：

(1)数据缺乏及失真

海岛远离大陆，多数地方气象资料缺失不全、甚至没有，系统设计时采用数据均来自于互联网或者以周围靠近的区域作为参考，具有一定的误差。据目前投入使用的光伏系统来看，互联网的数据与实际数据存在一定差距，实际太阳能资源数普遍要好于互联网提供的数据，如果按照实际情况则可能节省大量的投入。

(2)负荷分析

海岛光伏系统设计时，负荷情况往往由使用人员提出，为了确保自身的供电可靠性，使用人员提供数据具有一定的夸大性，使用系数过高，导致设计人员掌握的负荷情况失真，而在使用过程中出现弃光的现象，从而造成浪费。

3 海岛环境下光伏组件高效利用措施

3.1 光伏系统的设计

为了确保海岛光伏发电系统作用得到充分发挥，必须从光伏发电系统的始端开始牢牢把握住设计环节，注意以下几个方面的问题：

(1)统筹考虑海岛供电装备和负荷情况，从最佳投入/产出比出发，抓住主要矛盾，在条件允许的情况下考虑以光伏发电和其它供电设备互补的发电形式，以及采用分级供电的方式优先保证重要负荷的用电，避免一味的通过增大光伏组件安装容量来提高供电量和可靠性，使系统性价比下降，甚至造成浪费。

(2)掌握真实的一手数据资料，结合实际情况分析负荷使用时间和频率，合理选择负荷相关的系数，对实现场太阳资源要进行真实评估，并根据实际对光伏发电系统中的电能变换及控制单元进行合理的设计和调整，使光伏发电系统做到安全可靠、物尽其用。

(3)根据光伏组件周围建筑物、设施和海岛的规划布局情况，结合季节变化引起的太阳光与光伏组件间的入射角变化，确保光伏组件做到无遮挡。

3.2 光伏组件的抗PID衰减

根据对PID效应形成原因的分析，可以针对性地采取一些措施抑制PID效应的发生或减缓其发生的速度，目前主要有两种方式：

(1)从组件的选择入手

从目前来看，光伏组件的表面玻璃、EVA和背板为PID效应提供重要了物质基础，这可以通过采用石英玻璃替换普通玻璃、严格控制EVA质量或替换EVA、选择双面玻璃形式取代背板等方式抑制PID效应。另一方面，由于湿度是PID现象产生的因素之一，使组件的封装成为常关键一环，这可以通过选择生产工艺控制严格、质量过硬的产品进行控制。

(2)从系统设计入手

在系统设计时，可以采用串联光伏组件的负极接地，避免PID效应的发生。另外，在允许的条件下，在夜间强制给组件加入正偏置的电压，使PID效应可逆进行，对光伏组件进行修复。

综合比较，从光伏电池本身入手从源头预防PID衰减的发生，具有更为可靠无需增加额外的装置和设计，更适合在海岛环境采用。

3.3 光伏组件的防腐

根据光伏组件腐蚀发生的机理，采取防腐的方法主要有阴极保护法、防腐涂层法以及两者的复合防腐方法[9，10]。

(1)阴极保护法

阴极保护原理就是人为的在被腐蚀(被保护)金属结构表面施加一个外电流(或高电位)，使被保护结构物成为阴极，从而使金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，从而起到防腐的作用。按照其原理和实施的方法主要包括：1)牺牲阳极保护法：将光伏组件支架与更活泼的金属材料连接，使光伏支架成为阴极，从而减缓腐蚀的发生；2)外加电流阴极保护法：利用电化学腐蚀的原理，由外部直流电源直接向光伏支架材料施加电流，使支架电子在金属表面集聚，使光伏支架阴极化，从而抑制光伏支架的腐蚀。

(2)防腐涂层法

在海岛环境下，防腐涂层法是光伏支架防腐采用的最主要、最普遍的方法，其关键在于找到光伏支架表面有效保护层，作用主要有：1)阻止腐蚀介质和金属表面之间的直接接触； 2)改变金属表面的电位性能使其电极电位往正的方向移动；3)保护金属表面不被腐蚀 ；4)防腐涂层的电极电位比被其保护的金属低作为阳极而逐渐被腐蚀，同时保护了作为阴极的光伏支架中钢结构材料。

(3)复合防腐方法

复合防腐法就是根据阴极保护与防护腐涂层的各自特点，在不同的位置和情况下采用不同的方法，发挥各自的优势对光伏支架进行保护。

此外，在光伏支架选择时可以选择不锈钢材质的支架，如选择采用316、316L材质的不锈钢支架，但是成本会很高，如果采用碳钢加涂防腐层的方式，则一定要保证材料质量和工艺精细，否则会对支架的防腐性能造成很大影响。

3.4 光伏组件的维护

由于海岛环境的特殊性，光伏发电系统的维护除了做到陆上光伏发电系统维护采取的措施外，还应注意以下几个问题：

(1)定期清洁光伏组件的表面的盐雾结晶颗粒，尤其是要注意光伏组件下表面盐雾结晶颗粒的清扫，采用双玻组件时下表面的结晶会严重影响光伏组件的发电效率。

(2)定期检查光伏组件及支架连接件、紧固件如无松动、锈蚀损坏，发现后应立即处理。

(3)检查连接线缆、电缆接头、接插件、密封条是否出现老化、开裂、进水等现象，一经发现应及时处理。

4 结语

光伏发电是解决边远海岛供电难题的有效措施，提高光伏发电系统效率和性价比是光伏发电在海岛推广应用的必然要求，只有做到科学布局、合理设计、有效防腐、定期维护，才能充分发挥出光伏发电在海岛应用的优势。

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(本文编辑：严 加)

电力简讯

《产业技术创新能力发展规划(2016-2020年)》正式发布

《产业技术创新能力发展规划(2016-2020年)》的发布旨在突破重点领域共性关键技术，加速科技成果转化为现实生产力，提高关键环节和重点领域的创新能力，推进两化深度融合，激发“大众创业、万众创新”新动能，促进我国由制造大国向制造强国、网络强国转变。

《规划》提出6大重点任务，包括完善产业创新体系、强化企业技术创新主体地位、加大共性关键技术开发力度、提升企业知识产权运用能力、完善综合标准化体系等、培育区域创新能力等。

《规划》还提出了“十三五”期间工业和信息化领域部分行业发展的重点方向，引导企业加强技术创新。重点方向包括发展高效、绿色的原材料工业，加强资源节约和环境保护；发展高端装备制造业，提升基础配套能力；发展高附加值的消费品工业，推动消费品向价值链高端攀升；发展新一代信息技术产业，抢占科技创新制高点等。

在新材料方面，《规划》提出，加快基础材料升级换代，做好战略前沿材料提前布局和研制，关注颠覆性新材料对传统材料的影响，以特种金属功能材料、高性能结构材料、功能性高分子材料、先进无机非金属材料和先进复合材料为发展重点，加快研发新材料制备关键技术和装备。重点发展轴承、齿轮、弹簧及工模具用钢，挤压、铸造铝型材，基础树脂，工业陶瓷等先进基础材料。加快高温合金、船舶及海洋工程用钢、轨道交通用钢，高强汽车薄板，高强高导铜合金、铜铝复合材料、核电材料、交通运输和航空用轻合金材料、大规格镁合金及钛合金材料，特种橡胶、工程塑料及膜材料，高端稀有稀土功能材料及电子化学品，精细陶瓷及其粉体和前驱体、人工晶体等关键战略材料的研发。开发智能材料、超导材料、纳米材料、石墨烯、超材料、生物基材料、3D打印材料、极端环境用材料等前沿新材料。突破先进熔炼、凝固成型、气相沉积、等静压、高效合成、结构设计等核心工艺。

(本刊讯)

Efficient Use of Photovoltaic Power on Island

MAO Long-bo1, WANG Wei-jun1, ZHANG Guo-ping1, MI Hong-ju1, MAO Jia-hui2

(1. Logistics Engineering University of PLA, Chongqing 401131, China; 2. Troop 918000 of PLA, Sanya 572099, China)

Considering the island climate characteristics of "high temperature, high humidity, high salt level" as well as the special geography, this paper focuses on the efficient use of photovoltaic power on island. It analyzes the influencing factors of the photovoltaic power system performance and its life cycle, and proposes the corresponding improvement suggestions from the aspects of system design, anti -potential induced degradation (PID) effect, corrosion prevention and maintenance and management.

photovoltaic power; island environment; PID effect; corrosion prevention; efficient use

10.11973/dlyny201606015

国家科技支撑计划课题资助(2014BAC01B05)

毛龙波(1984)，男，博士，主要从事移动电源与多能源发电技术研究。

TM615

B

2095-1256(2016)06-0735-05

2016-09-25

发电技术