光伏发电在件杂货码头的应用

2023-10-13王建林

中国水运 2023年9期

王建林

（四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川成都 610017）

1 引言

目前经济社会的发展对能源的需求提出越来越高的要求，大力发展新能源成为当前面临的迫切需求。尤其是国家“30·60”碳达峰、碳中和目标的提出，以及相对应的方案、意见的出台，明确指出要加快构建清洁低碳安全高效能源体系，促进可再生能源的利用[1]。太阳能具有清洁、安全、高效、可持续等显著特点，广泛使用太阳能能够降低碳排放，实现节能减排目标。

码头装卸设备较多，用电负荷较大，属于高能耗工程，本文利用仓库屋面设置太阳能光板阵列进行发电，为码头提供电能，既充分利用了仓库闲置屋面资源，提高了可再生资源的利用率，又避免了传统电能长距离传输模式下高损耗的缺点，实现经济效益和生态效益的有效统一。

2 光伏发电系统

2.1 光伏发电系统的工作原理

光伏发电系统是利用光照能使半导体材料的不同部分之间产生电位差的原理，将太阳辐射直接转换成电能，可以直接供给负载，亦可以并入电网或者通过蓄电池储能。

2.2 光伏发电系统的结构

光伏发电系统主要由发电单元、控制单元以及用户单元三部分组成。

（1）发电单元。发电单元的功能为光照条件满足“光生伏特效应”要求下，该元器件两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。通常用于光电能源转换的最基本单元是太阳能电池板，在光伏发电系统中，则需要将这些基本单元进行组合，进行串、并联和封装，甚至需要进一步的组合，以达到几百、几千瓦甚至更大功率。发电单元是整个光伏发电系统的核心，是将光能转变为电能的主要部件。

（2）控制单元。控制单元主要由汇流箱、充放电控制器、逆变器等设备组成。其中，汇流箱的作用是将多路太阳能电池阵列产生的电流进行汇集，减少后端连接线缆的数量及故障检修时能有效控制停电范围；充放电控制器是自动防止蓄电池过充、放电以及防止蓄电池向发电单元的反向放电，进而对蓄电池进行保护，延长蓄电池的使用寿命；由于太阳能电池阵列产生的电能为直流，然而现阶段常用的为交流设备，因此需要逆变器把直流电转换为交流电，再通过与控制器的协调合作，将产生的电能输送至负载。控制单元在整个光伏发电系统中起到枢纽的作用，是必不可少的部件。

（3）用户单元。用户单元主要为电网、用电设备或电能存储装置，是整个光伏发电系统的终端。其中，电能存储装置主要为蓄电池，其主要作用为存储光伏发电系统产生的多余电能，并在光照不足或是负载需求比太阳能电池阵列产生的电量大时，随时向负载供电。

2.3 光伏发电系统的运行方式

根据光伏发电系统向用户端供电方式不同，可以将光伏系统的运行方式统分为离网型和并网型。

离网型光伏发电系统结构简单、系统功率小、安装灵活，其不与公共电网相互连接，供应负载的电力全部来源于光伏系统。该类电网系统主要运用公共电网覆盖不到的偏远山区、乡村等地。

并网光伏发电系统用于有电网的地区，将太阳能阵列产生的直流电由逆变器转换成标准50 赫兹交流电后并入电网。并网光伏发电系统又分为集中式和分布式两种，集中式光伏发电系统用于没有本地用电负荷，系统产生的电能全部送往电网；分布式光伏发电系统为自发自用，在用户现场或靠近用电现场配置较小的光伏发电系统，电网不对其进行监测和控制，但会限制其并网，不允许有逆流现象，防止对电网的冲击及电能质量的下降。

3 工程实例

3.1 工程背景

工程码头属于库区码头，远离居民区，外接电源距离较远，用电设备总的用电功率为318kW，根据码头总平面布置仓库屋顶面积15000 m2。供电方案拟采用并网光伏发电系统，外部电源作为光伏发电系统的备用。

3.2 设备与安装的选择

3.2.1 光伏电池

本码头拟选用技术最成熟、应用最广、市场占有份额最多的P 型晶体硅的300Wp PERC 晶体硅光伏板。其中参数见表1。

表1 300Wp PERC 晶体硅光伏板参数

3.2.2 逆变器的选择

本码头4 座仓库，拟选用防护等级高、输出电压范围宽、能够直接接入本地单相或者三相电网、功率为100kW 的组串式逆变器，其技术参数见表2。

表2 100kW 组串式逆变器参数

所选逆变器具有自动调节功能，为保障并网电网的运行安全，要求逆变器低电压穿越时必须达到零电压穿越，而且具备长期过载能力要求不低于110%。

3.2.3 光伏阵列设备

本码头为4 座仓库，每个仓库屋顶面积3750 m2，根据现场实际情况，为了充分利用太阳光照，互不遮挡，屋顶光伏板安装时应保持与水平向夹角为16°，光伏阵列之间的距离为1.33m，每个仓库可安装330 片，共计安装1320 片光伏组件。光伏板在仓库屋顶安装的效果图，见图1。

图1 光伏板在仓库屋顶安装效果图

光伏阵列的组串计算依据电池组件在串联过后，最佳工作电压（Up）和开路电压（Uoc）均应处于逆变器的电压范围之内。再根据：Up应该大于逆变器的输入电压的最小值，可以得到光伏板串联数量的最小值；Uoc应该小于逆变器的输入电压的最大值，可以得到光伏板串联数量的最大值。

本码头选择的是300Wp 的PERC 晶体硅光伏板，再由表1 和表2 中的设备相关参数，可以由下列公式进行计算得到光伏阵列的组串数量。

串联数的最小值：

串联数的最大值：

光伏发电系统的光伏电池阵列发出的电能总功率不能超过所选逆变器的功率，而本工程所选的逆变器功率为100kW，由此计算可得光伏板并联的数量不大于5。再由串联光伏板功率的的限制，计算的一个串联组的光伏板数量不大于22，则串联组的工作电压为，在所选逆变器的电压范围之内，满足所选逆变器的要求。

根据以上所选光伏组件、件杂仓库屋面布局以及逆变器的特性，将22 个PERC 晶体硅光伏板串接成一条支线，每3 条支线通过汇流箱形成一个组合，再每5 个汇流箱形成一个整体，这样形成的整体包含330 个光伏板，容量为99kW，满足所选逆变器的功率限制要求，最后将这个整体接入到1 台100kW 的组串式逆变器。

本码头共4 座件杂仓库，其中，每座件杂仓库屋面安装1320 块太阳能光伏组件，则4 座仓库屋顶光伏发电系统总装机容量为396kW。根据上述相关计算可知，为满足码头用电负荷需求，需要配置4 台100kW 的逆变器才能满足要求。输出到交流母线上，供给负荷、储能原件或者通过逆变器直接输出到电网。图2 为光伏阵列排布图。

图2 光伏阵列排布图

3.3 并网

3.3.1 并网

本工程采用分布式并网的运行方式，即光伏发电系统中的各种设备组成的绿色发电网络，经过逆变器转换成标准的50 赫兹交流电后接入公共电网。两个相互配合，从而实现400kW 的并网发电，保障本工程用电设备的负荷需求。

3.3.2 部分电气设备的选择

（1）汇流箱的选择。本工程拟选用标准4 口汇流箱，即三进一出组串式汇流箱，它能够减少与逆变器连接线路的后端的动力电缆，加强系统的稳定性，同时也能提高电能质量，方便维护。

（2）蓄电池的选择。本工程选择较为常用的锂离子蓄电池，它是近年来发展最快的一种电池技术，绿色环保不含铅、汞、镉等有害物质，在同等容量的蓄电池中具有高能量密度、轻量化和长寿命等特点。

3.4 效益分析

3.4.1 经济效益

本工程4 座仓库屋顶面积15000m2，安装的光伏发电系统总装机容量为396kW，工程所在地为四川攀枝花金沙江侧，每年日照峰值平均时间约为6.5h/d。

通过以下公式可计算本工程光伏系统的发电量：

上式中，Q 为光伏系统年发电量，W 为光伏系统装机容量，T 为年太阳光照峰值小时数，为光伏发电系统总效率，由此可计算得出首年发电量：

根据目前已建光伏发电系统工程的使用效果，统计的相关数据表明，系统10 年内的发电量利用率约可达90%，30 年内的发电量利用率可达80%。可知本工程30 年的平均年发电量约为67.65 万kWh。经查询得知攀枝花商业用电单价约为0.6 元/kWh，则每年可节约电费大约为40.59 万元。

3.4.2 环境效益

光伏发电系统从建成至拆除回收的整个运行期内是免维护或者少维护的，期间均不会产生任何废气、废水、废渣等废弃物，能实现真正意义上的“零排放”。经测算，在考虑后期回收的基础上，光伏发电系统的二氧化碳排放量为33～50g/kWh，而燃煤发电的二氧化碳排放量为1072.4g/kWh。由此可见，利用太阳能的光伏发电系统在减少二氧化碳排放方面具有绝对优势。二氧化碳排放量约减少691.65t，能有效改善生态环境质量。