港口利用太陽能光伏發電的應用研究

張若夢+院張華

摘 要：本文主要論述了太陽能光伏發電系統的特性，光伏組件布置方案，光伏發電的應用范圍、利用太陽能光伏發電在港口的應用前景，港口實施節能減排效果和社會效益。

關鍵詞：港口 屋頂 太陽能 光伏發電 技術應用

太陽能是一種清潔可再生能源，發展光伏發電在系統運行過程中，它不產生廢氣、水、固體廢棄物等方面的污染物和噪聲污染，起到了節能減排的良好環境效應。

我國沿海港口處于太陽能資源較豐富地帶，絕大多數地區年平均日輻射量在4，000Wh/m2·d以上，全年太陽輻射總量達1349.44kWh/m2，日照充足，非常適合建設光伏發電項目。利用港口現有大型倉庫屋頂實施光伏發電，將是建設低碳港口、實施節能減排的重要措施之一。

1.太陽能光伏發電原理與系統應用

1.1太陽能光伏發電系統的特性

太陽能光伏發電系統主要由光伏組件、控制/逆變器、交直流配電系統、監控系統等幾部分組成，該系統主要由電子元器件構成，因此太陽能光伏系統發電具有如下特點。

（1）整個光伏發電系統主要由電子元器件構成，不涉及機械部件，也沒有回轉運動部件，運行過程中沒有噪聲。

（2）沒有燃燒過程，發電過程不需要任何燃料。

（3）發電過程沒有廢氣污染，也沒有廢水排放，整個發電過程零排放。

（4）設備安裝和維護都十分簡便，維修保養簡單，維護費用極低，性能可靠穩定，使用壽命很長，作為關鍵部件的光伏組件使用壽命可以達到25年以上。

（5）環境條件適應性比較強，可以在不同環境下正常穩定工作。

（6）能夠在長期無人值守的條件下正常穩定工作。

（7）根據需要很容易進行容量擴展，擴大發電規模。

（8）光伏發電功率的變化規律與人們正常生產生活規律相一致，可有效緩解企業用電緊張的情況，調節錯峰用電，保障企業的安全穩定生產。

1.2太陽能光伏發電系統的應用

太陽能光伏發電技術可以用于任何需要電源的場合，上至航天器，下至家用電器，大到兆瓦級電站，小到玩具，只要是有陽光的地方，太陽能光伏系統就可以工作并提供電能。由于太陽能資源分布十分廣泛，因此太陽能光伏系統從能量供應的角度講具有獨立性。

太陽能光伏發電系統的應用十分廣泛。目前，其應用范圍主要集中在如下幾個方面：

（1）當沒有電網或者擴充電網費用太高時，為無電場合提供電源應用領域主要是太空領域的衛星、航天器等，邊遠地區的通信系統，無電缺電地區的戶用供電如光伏水泵等，以及太陽能光伏日用電子產品，例如各類太陽能充電器、太陽能航標燈、太陽能路燈和太陽能庭院燈等。

（2）大規模光伏發電系統。并網光伏發電系統不需要儲能裝置，大大減少初期系統投資成本以及維護成本。隨著太陽能光伏技術的不斷發展，以及相關光伏器件價格的不斷下降，太陽能光伏發電已經可以由目前的小規模利用發展成為較大規模的系統發電應用，為未來的能源開發提供了一條全新的思路。

2.太陽能發電光伏組件布置及安裝方式

2.1光伏陣列的布置

由于太陽能發電系統的一些獨有特性，對于這類和建筑相結合的太陽能光伏發電系統，尤其是對光伏組件陣列安裝的場地具有一些特定的要求。光伏組件陣列的安裝地點必須有足夠的太陽輻射，最好是沒有陰影遮擋，以保證光伏電站的最大發電效能。

并網光伏發電系統只需考慮全年總發電量最大。所以，一般確定原則是光伏方陣各排、列的布置間距.光伏方陣的布置需遵循下列原則：

（1）固定式布置的光伏方陣，光伏組件安裝方位角宜采用正南方向。

（2）光伏方陣各排、列的布置間距應保證全年9：00點～15：00點（當地真太陽時）時段內前、后、左、右互不遮擋。

（3）光伏方陣內光伏組件串的最低點距地面的距離宜不低于0.3m，并應考慮當地的最大積雪深度；

（4）光伏方陣宜采用單元模塊化的布置方式。

2.2項目系統總配置

以港區屋頂擬安裝光伏組件屋頂面積共計約2萬m計算，根據本項目太陽能資源的特點、場址的地形地貌特征等因素綜合分析結果，并按照屋頂有效面積、變壓器容量，排除陰影遮擋等不適合安裝區域后，初步規劃本項目共敷設7612塊峰值功率為255Wp的多晶硅光伏組件，裝機容量為1941kWp。

2.3屋頂荷載承重分析

據計算分析，光伏系統荷載=光伏組件每平方荷載+支架系統每平方荷載=0.72kN/m2。

通常建筑物屋頂面承重設計荷載為：混凝土屋面通常為不小于2kN/m2，彩鋼板屋面荷載恒載0.3kN/m2，活載0.65kN/m2。因此屋面承重荷載一般情況下均可以滿足光伏發電系統的安裝要求。

2.4光伏組件系統安裝方式

本項目中光伏組件將采用固定傾角、負重的的方式安裝于混凝土屋頂上面。安裝示意圖如圖2所示。

彩鋼板屋頂多用卡扣、暗扣、鎖邊等非穿透方式安裝，特殊情況下可采用穿透性安裝。一般安裝步驟為：

（1）將鋼板夾的正面和背面卡在彩鋼板上，并使用螺釘固定。

（2）使用T型螺釘穿過橫梁，并將橫梁固定在鋼板夾上，調整位置后用螺帽擰緊。

（3）將光伏組件按照圖紙指示放置于橫梁上。光伏組件放置完畢后，使用單雙側壓塊固定。單雙側壓塊固定方式：將T型螺釘滑入橫梁，使用單、雙側壓塊貼緊光伏組件，并用螺釘固定緊。endprint

（4）重復1-3步驟，直至安裝完畢為止。

3.電網接入及對光伏發電系統的技術要求

3.1電網接入

對于大型建筑的BAPV系統建設，需要考慮到該建筑的現有電力設施以及電力負載的實際情況，保證光伏發電系統發電的電力分配與負載的實際工作情況相匹配，即光伏發電系統發出的電能優先滿足廠區各建筑的電力負載需求，針對安裝光伏組件陣列的各個建筑內電力負載工作的實際情況，盡量使得光伏發電系統的發電曲線和負載的需求曲線相一致，最大限度的提高光伏電能的利用效能。

由于屋面數量較多而且分散，加上每個屋面裝機容量較小，可以采用就近接入廠區的0.4kV低壓配電柜側。0.4kV 低壓并網的形式，在每個并網點設置低壓光伏發電總計量柜，其內配備符合相關等級的交流三相電度表，可以精確的計量光伏并網單元輸出的光伏電能。在廠區10kV總進線端高壓計量點，計量電表改造為雙向電表，計量光伏系統流出廠區的電量，正向流入計量廠區使用市電的電量，反向流出計量光伏系統向市電輸出的電量，向市電輸出的電量以脫硫煤的價格同供電局結算。

3.2電網系統對光伏發電系統的技術要求

3.2.1電能質量

（1）諧波。逆變器在將直流電能經逆變轉換為交流電能的過程中，會產生諧波。分布式光伏發電系統所接入公共連接點的諧波電壓限制和諧波電流允許值應滿足GB/T 14549-1993《電能質量 公用電網諧波》的要求。

（2）電壓偏差。分布式光伏發電系統所接入后，所接入公共連接點的電壓偏差應滿足GB/T 12325-2008《電能質量 供電電壓偏差》的規定。即10kV及以下三相電壓的允許偏差為額定電壓的±7%。

（3）電壓波動和閃變。分布式光伏發電系統所接入后，所接入公共連接點的電壓波動和閃變的限值應滿足GB/T 12326-2008《電能質量 電壓波動和閃變》的要求。

（4）電壓不平衡度。分布式光伏發電系統所接入后，所接入公共連接點的電壓不平衡度應滿足GB/T 15543-2008《電能質量 三相電壓不平衡》的要求。

（5）直流分量。分布式光伏發電系統向公共連接點注入的直流分量不應超過其交流額定值的0.5%。

3.2.2頻率

分布式光伏發電系統并網點頻率在49.5Hz～50.2Hz范圍之內時，分布式光伏發電系統應能正常運行。分布式光伏發電系統并網點頻率在47.5 Hz～49.5Hz范圍之內時，頻率每次低于49.5Hz，分布式光伏發電系統應能至少運行10min。

3.2.3功率因數

分布式光伏發電系統功率因數應在0.95（超前）～0.95（滯后）范圍內連續可調。

4.屋頂光伏發電效益及及低碳減排效果

4.1項目光伏發電量計算

以港區可利用屋頂面積2萬平米為例計算，本項目初步規劃共敷設7612塊峰值功率為255Wp的多晶硅光伏組件，裝機容量為1.94MWp。結合系統總效率78%及太陽輻射數據，可以計算出每月的發電量和年發電量，即：月發電量=系統安裝容量×月峰值日照小時數×系統總效率；預計第一年發電量為204萬kWh。

假設本項目運營期為25年，運營期內光伏組件的功率呈線性衰減，平均每年衰減0.8%，25年總共衰減了20%，并假設逆變器的轉換效率沒有發生衰減，即光伏系統總效率的衰減速率與光伏組件衰減速率完全一致。預測本項目25年累計發電量4646萬kWh，平均每年發電量為186萬 kWh。

4.2項目投資估算

本并網光伏系統中所使用的主要電力和電氣設備包括：光伏組件、并網光伏逆變器、交直流開關柜設施等，主要使用的材料有交直流電力電纜、電纜橋架等。

本項目擬安裝容量為1.94MWp，光伏發電系統的單位建設成本在8.6元/Wp左右，項目靜態總投資估算為1668萬元。

4.3項目效益分析及低碳減排效果

本項目采用清潔的可再生的太陽能作為能源，運行期無任何污染物產生。目前港區使用10kV商業用電，電度電價0.9128元/度。本項目平均每年發電量為186萬kWh，光伏所發電量90%自發自用，電費按企業用電電價9折計算，平均每年可節約15.2萬元。

同時，光伏電量不計入經貿委的能耗統計，相當于每年節電186萬度。與燃煤電廠相比，按替代標準煤耗330g/kWh計算，每年可節省標煤消耗約614.2噸，相應減少CO2排放量1596.5噸、SO2排放量17.2噸、氮氧化物排放量4.3噸，煙塵排放量0.9噸。

5.結語

太陽能是一種清潔可再生能源，并網光伏發電系統在運行過程中，不產生廢氣、水、固體廢棄物等方面的污染物和噪聲污染，是大自然賜給人類綠色低碳環保能源。利用港口現有大型倉庫屋頂閑置資源實施光伏發電，將是建設低碳港口、實施節能減排的重要途徑。endprint