水上加油站生活用电新能源应用的探讨

2020-03-12常佳

石油库与加油站 2020年6期

常佳

〔中国石化燃料油销售有限公司北京 100029〕

伴随着水上运输业的不断发展，水上加油站数量也不断增加。从重庆到上海浏河口两千余公里的长江干线水域，平均每四、五公里就有一家水上加油站，而有些城市港口，水上加油站密度每公里达六家之多。水上加油站快速发展的同时，节能环保形势异常严峻。

由于水上加油站的加油趸船远离岸边,不适宜接岸电，因此大部分水上加油站采用柴油发电机供电系统。单纯使用柴油发电机主要存在的问题是柴油发电机当有船舶需要加油时才启动，加油作业结束立刻停止发电，因而水上加油站日常工作及人员生活负载供电则需依靠蓄电池组供电。这样蓄电池组充放电次数频繁，过充过放比较严重，导致蓄电池组寿命很短，需要经常更换蓄电池组，增加了运营成本，而且加油站日常用电和生活用电无法得到保障，影响员工的工作效率和生活质量。

1 水上加油站用电能耗分析

以某水上加油站为例。该水上加油站现有2台柴油发电机机组:16kW柴油发电机主要负责船上生活、照明、消防、抽水、充电等小功率用电设备;60kW柴油发电机主要用于船上2台3kW的大流量加油机为船舶提供加油服务使用。

由于加油机电压、电流、功率很大,从加油趸船的使用面积大小考虑，所以本次举例说明的新能源利用项目只针对生活用电，即60kW柴油发电机及其所带用电负载不在新能源利用研究范围之内。

笔者对某趸船上的生活用电设备日耗电量进行了具体统计，结果见表1。

表1 生活设备日耗电量表

基于以上考虑,新能源供电系统应该具有下列技术指标:

(1)每日提供电量不得低于58kWh；

(2)因为最大工作电流出现在两台壁挂式空调同时开启时,为13.6A ，所以考虑满足用电需求，留有一定余量，峰值工作电流应不低于20 A。

2 水上加油站可使用的新能源探讨

根据水上加油站的特点，践行绿色发展理念，可利用的新能源有太阳能、风能、水能等，以保证水上加油站用电需求。

2.1 太阳能光伏发电系统

2.1.1 光伏发电原理

光伏效应是光生伏特效应的简称，指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光能量转化为电能量的过程；其次是形成电压的过程。有了电压，如果两者之间连通，就会形成电流的回路。

光伏发电就是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳能电池组件，再配合功率控制器等部件就形成了光伏发电系统装置。

2.1.2 光伏发电系统原理

光伏发电系统是不需要通过过热过程直接将光能转换为电能的发电系统。主要由光伏方阵、蓄电池组、蓄电池控制器、逆变器等设备组成。光伏方阵(PV Array)又称光伏阵列，是由若干个光伏组件或光伏板按一定方式组装在一起，并且具有固定的支撑结构而构成的直流发电单元；蓄电池组是贮存太阳电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。目前光伏发电系统所使用的电池主要是以硅为基底；蓄电池控制器是为了控制整个系统的工作状态，是能自动防止蓄电池组过充过放电的设备。逆变器分为离网逆变器和并网逆变器，将发电系统发出的直流电转换成交流电。

光伏发电系统分为独立光伏发电系统、光伏并网发电系统和分布式光伏发电系统。目前水上加油站只适用于离网独立光伏发电系统。其中，根据用电负载的特点，独立光伏发电系统还可以分为直流系统、交流系统和交直流混合系统等。

2.1.3 太阳电池组件

太阳电池组件最基础的部分是太阳电池。太阳电池从电池结构角度分为:晶体硅太阳电池和薄膜太阳电池。目前，晶体硅太阳电池组件市场占有率最高，约占光伏组件总市场的70%～80%。晶体硅太阳电池与薄膜电池区别见表2。

表2 晶体硅太阳电池与薄膜电池对比

2.2 风能发电系统

高品质、高可靠性的小型风力发电机在我国已逐渐形成生产规模，已应用在风光互补路灯、别墅、游艇供电系统等项目上。另外，产品已批量出口欧洲、日本等发达国家。

2.2.1 风力机组的选择及布置

2.2.2 控制部分

采用集中管理控制系统，由于应用于趸船，其面积有限，为了方便使用，同时需要占地面积最小。采用PK屏集成所用设备，包含风能控制管理模块、柴油机充电管理模块，集中管理控制模块，逆变器，配电单元等。中石化江阴趸船NO.6和NO.7船只使用风柴互补供电系统方案，该系统目前运行良好，成功解决趸船生活、信息负载的用电问题。

2.3 风光互补供电系统

2.3.1 风光互补供电系统原理

风光互补发电系统主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、智能控制器、蓄电池、直流负载等部分组成。该系统是集风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统，见图1。

图1 风光互补发电系统原理图

光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，对负载进行供电。智能控制器部分根据风力大小、日照强度和负载的变化，把电能直接送往直流或交流负载的同时，把多余的电能送往蓄电池组存储。当发电量不能满足负载需求时，控制器把蓄电池储存的电能送往负载，保证整个系统工作的连续性和稳定性。蓄电池部分由多块蓄电池组成，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。

风光互补发电系统根据风力和太阳辐射变化情况，分为风力发电机组单独向负载供电、光伏发电系统单独向负载供电、风力发电机组和光伏发电系统联合向负载供电三种运行模式。

在“量”增长的前提之下，实现武夷山民族地区城镇化“质”的优化是第二步。城市在发展的过程中，难免会出现各种各样的问题，比如说城市功能结构不合理、城市的现代哈程度不高。武夷山民族地区在发展过程中，处理好城市出现的各种问题至关重要。我们知道，城镇化发展中，乡村人口会大量涌入城市，城市会不可避免的出现住房紧张、水污染和大气污染等各种污染。武夷山民族地区城镇化一定要注意“质”的优化，“质”的优化是武夷山民族地区需要考虑的问题。

2.3.2 风光互补发电的优点

风光互补发电比单独风力发电或光伏发电有以下优点:

(1)利用风能、太阳能的互补性，可以获得比较稳定的输出，系统有较高的稳定性和可靠性;

(2)在保证同样供电的情况下，可大大减少储能蓄电池的容量;

(3)通过合理地设计与匹配，由风光互补发电系统供电，可获得较好的社会效益和经济效益。

2.4 水力发电系统

2.4.1 浮管式水力发电机原理

根据水上加油站周边水域环境，水力发电系统主要考虑浮管式水力发电机。浮管式水力发电机中的管状收水器接收大面积平流水，其动能、压能、位能使进入的水流逐渐增压提速，形成具有一定势能的流水冲击水轮机。锥形尾水管使流经工作段的水流迅速扩散，前后段形成较大压差，进一步大幅度提高工作段的流速，使水轮机获得较大的总机械能，从而带动发电机发电。浮管式水力发电机实现了利用江河、洋流、潮汐等自然流水动力进行发电。

2.4.2 浮管式水力发电机的优点

(1)浮管式水力发电机在水流速0.5m/s即可启动发电;流速≥1m/s时，发电效果良好;流速在2m/s时，性价比最佳。而其他平流水发电装置，流速基本需要在2m/s以上才可能正常发电。

(2)提速装置使浮管式水力发电机获得了动能、压能、位能所形成的有一定势能的总机械能，浮管式水力发电机的发电效率得到巨大提升。

(3)浮管式水力发电机设计科学。浮管管状提速装置将水轮发电机安装支撑和基本悬浮等功能融为一体，使整机实现协调、高效、紧凑、经济的综合功能结构。

3 节能方式组合方案选择

新能源互补供电系统的方案选择主要考虑四季日照时间、光照强度、风力强度等自然条件。基于以上自然资源条件,可使用一种或多种新能源供电系统与柴油发电机互补发电为水上加油站提供日常用电。

3.1 光柴互补供电系统

光柴互补供电系统工作模式：蓄电池组拥有2路充电电源, 分别为太阳能电池板和16kW柴油发电机。天气晴朗,阳光充足时,太阳能电池板给蓄电池充电, 当蓄电池组充满电时,“电池组管理系统”发出“过充保护信号”,继电器1断开,太阳能电池板停止对蓄电池组充电,蓄电池组电量经过一定消耗后,继电器1吸合,太阳能电池板对蓄电池充电。当光照条件较差,太阳能电池板所提供电量不足以满足船上用电负载时,蓄电池电量低于某一阈值时,“电池组管理系统”发出“柴油机启动提示信号”,16kW柴油发电机适时启动对蓄电池组充电,蓄电池组高于某一阈值后,关断16 kW柴油发电机。当新能源部分设备故障,导致无法使用太阳能对船上负载供电时,“电池组管理系统”发出“故障信号”和“柴油机启动提示信号”,继电器2断开,16kW柴油发电机启动,给船上用电负载提供电量(见图2)。