探析海島環境下光伏發電的高效利用

毛龍波，王維俊，張國平，米紅菊，毛家蕙

(1.中國人民解放軍后勤工程學院，重慶 401131；2.中國人民解放軍91800部隊,海南 三亞 572099)

探析海島環境下光伏發電的高效利用

毛龍波1，王維俊1，張國平1，米紅菊1，毛家蕙2

(1.中國人民解放軍后勤工程學院，重慶 401131；2.中國人民解放軍91800部隊,海南 三亞 572099)

針對海島顯著的“高溫、高濕、高鹽霧”氣候和獨特的地理位置，以光伏發電在海島嶼的高效利用為研究對象，分析了海島環境下影響光伏發電系統性能和使用壽命的因素，并從系統設計、抗PID衰減、防腐蝕和管理維護四方面提出了相應的措施。

光伏發電；海島環境；PID效應；防腐；高效利用

我國海岸線漫長，擁有偏遠海島數量超過6 900個，有人居住的海島433個[1]，這些海島遠離大陸，交通運輸非常困難。在供電方面，這些海島主要采用柴油供電的方式，存在燃油補給困難、費用昂貴等問題，卻往往擁有極其豐富的太陽能資源，具備光伏發電的有利條件。海島“高溫、高濕、高鹽霧”的特殊環境，對光伏發電系統的轉換效率、使用壽命和保養維護產生了嚴重影響，導致海島光伏發電成本高，成為光伏發電在海島推廣應用的阻礙。因此，實現光伏組件的高效利用對促進光伏發電在海島的應用，解決海島的供電難題具有重要的意義。

目前，國內針對海島光伏發電的研究主要集中在含有光伏發電的電網運行原理、系統結構、優化配置和控制策略等方面。文獻[2]為了實速分布式光伏發電模塊的快速組網和安全運行，提出了一種工程實用的微電網結構，并通過在某海島應用進行了驗證；文獻[3]探討了光伏技術在海島應用過程中存在的問題，問題涉及到了光伏組件腐蝕和占地等，并提出了一種新型的光伏容量配置優化設計方法；文獻[4]在文獻[2]的基礎上重點對海島光伏設備的環境適應性及儲能問題進行了分析。

本文重點針對海島光伏發電工程實踐中存在的具體問題，緊緊圍繞如何提高光伏發電在海島應用效率展開，分別從系統設計、組件防護及使用維護等細節方面提出了相應的措施。

1 光伏發電的原理、結構和分類

1.1 光伏發電的原理

光伏發電是一種通過太陽能電池直接將太陽輻射能轉換成直流電的發電方式。太陽能電池是利用在晶體硅中摻入某些元素，如磷、硼等，使材料內部分子電荷處于永久不平衡狀態，形成具有光—電轉換特性的半導體器件而制成。在太陽照射下，具有光—電轉換特性的半導體內就會產生自由電荷，這些電荷定向移動并積累，從而在導體兩端形成電動勢，當導體兩端閉合時便會產生電流，這就是太陽能電池發電的原理，也稱為“光生伏打效應”[5]。

1.2 光伏組件的結構

目前應用最廣的光伏電池為晶體硅電池，包括單晶硅和多晶硅，其中單晶硅逐漸成為主流產品。單晶硅光伏組件由兩層半導體材料組成，其厚度大約0.25 mm，形成兩個區域：一個正電荷區和一個負電荷區。負電荷區位于電池的上層，在這一層強迫滲透磷、硼等元素并與硅粘在一起；正電荷區位于下面，正負界面區域稱為p-n結。制造電池時p-n結被賦予了恒定的物理特性，當陽光投射到太陽能電池內保持松散狀態的電子時，這些靠近p-n結的電子將朝向電池的表層流動，用金屬導線將太陽電池的正負極與負載相連時，在外電池路形成電流。每個太陽能電池基本單元p-n結處電動勢大約為0.5 V，此電壓值大小與電池片的尺寸無關，在實際應用中通過對電池片的串并聯以獲得滿足應用的電壓和電流的大小。

普通的光伏組件由上表面到背面依次為玻璃、EVA(上層)、電池片、EVA(下層)、TPT背板和鋁合金邊框等組成，如圖1所示[6]。

圖1 光伏電池組件的結構

1.3 光伏組件的分類

光伏電池的根據材料、結構、用途和工作方式的不同，可以分成以下幾類：

(1)根據光伏電池使用的基體材料可以分為：晶體硅光伏電池(單晶硅和多晶硅)、非晶體硅光伏電池、化合物光伏電池(砷化鎵、碲化鎘和銅銦鎵鎘等)和有機半導體光伏電池等。

(2)根據光伏電池的結構可以分為：同質結光伏電池、異質結光伏電池、肖特基結光伏電池、復合結光伏電池、液結光伏電池等。

(3)根據光伏電池的用途可以分為：空間光伏電池、地面光伏電池和光伏傳感器等。

(4)根據光伏電池的工作方式可以分為：平板光伏電池、聚光光伏電池和分光光伏電池等。

2 海島環境對光伏發電系統的影響

2.1 光伏組件的衰減(PID效應)問題

隨著光伏發電的迅速發展和普及，光伏組件的PID效應嚴重影響組件轉換效率和使用壽命的問題頻繁出現，尤其是在海島環境下，PID效應更為明顯，使海島環境下光伏發電效率降低和使用壽命縮短。

PID現象表現為在高溫高濕環境下，高電壓流經太陽能電池單元便會導致其輸出下降的現象，實質上是玻璃、封裝材料之間存在漏電流，大量的電荷聚集在電池片表面，使得電池板表面的鈍化效果惡化，導致光伏組件的FF、Isc,Voc等參數值降低，使組件性能低于設計標準，PID效應可能是組件嚴重退化的主要原因。雖然從外觀上看不出任何與PID效應相關的問題，但是由此而引起的組件功率衰減卻不容忽視，最大時超過50%。

到目前為止，引發光伏組件PID效應的原因仍然不是十分明確，根據實驗和實踐分析推測，與PID效應相關的因素包括有：與潮濕程度、溫度高低相關；與組件表面被導電性、酸性、堿性以及帶有離子的物體的附著程度相關。另外，在實際的應用中，晶體硅光伏組件的PID現象已經被觀察到，基于電池結構和其他構成組件的材料及設計型式的不同，PID現象可能是在其電路與金屬接地邊框成正向電壓偏置的條件下發生，也可能是成反向偏置的條件下發生。但是能確定的是：與通常的情況比較，海島“高溫、高濕、高鹽”氣候條件肯定會使光伏組件PID衰減速度加快[7]。因此，在海島環境下，使用的光伏組件必須經過專門的處理或者選擇特殊類型的組件。

2.2 光伏支架及配件的腐蝕問題

光伏支架采用金屬材料，本身就存在腐蝕作用，而在海島環境使用的光伏支架長期暴露在“三高”環境中，從而使光伏支架腐蝕呈現出速度快、程度重的特點。在海島環境環下，光伏組件支架的腐蝕主要發生在支架主材、主材與連接件和連接件之間，表現為支架表面的銹、浮銹、氧化皮和螺絲螺母的銹蝕等，按照其形成機理主要可以分為兩類[8]：

(1)電化學腐蝕

在海島環境下，空氣中含有高濃度鹽霧和水分，為光伏組件的電化學腐蝕提供了條件，電化學腐蝕一般發生在兩種不同金屬之間，主包括以下3種：1)兩種不同成分的金屬接觸時，電勢較低的金屬成為陽極發生腐蝕，例如連接件與支架之間、焊縫處容易銹蝕就是這個原因；2)由于支架表面腐蝕產生的氧化皮的電極電位比主材鋼鐵要高，成為陰極，主材本身成為陽極而發生腐蝕；3)由于支架表面涂層會有微孔存在，空氣中的鹽霧和水可以穿過涂層產生電化學腐蝕，產生氧化鐵系列產物和氫氣，從而使涂層鼓起脫落。

(2)化學腐蝕

在海島環境中，光伏支架的化學腐蝕是指其與接觸到的物質直接發生氧化還原而被耗損的過程，屬于純化學反應。光伏支架的化學腐蝕主要是由支架使用的金屬材料與空氣中的氧化、水直接接解所引起的，如在光伏支架表面形成腐蝕物(如氧化皮)，過程無電流產生。

海島環境下，空氣中高濃度的鹽度和水份為金屬材料腐蝕提供了充足的條件，另外由于海島平均氣溫高使金屬離子運行速度加快等因素，進一步加劇了在海島使用光伏支架的腐蝕問題。

2.3 光伏組件的遮擋問題

光伏組件在使用過程中如果受光面被局部遮擋，被遮擋的光伏電池部分因光生電流減少而相當于反向二極管，成為同一串列中其它未被遮擋光伏電池的負載，并被施以了較高的反向偏置電壓，并以熱能的形式消耗掉部分功率，形成所謂的“熱斑效應”，這種效應不但使光伏組件的性能和輸出功率受到嚴重影響，還會將導致光伏電池本身受損，縮短組件使用壽命。在海島環境下，眾多因素會造成光伏組件的局部遮檔，如鳥糞、鹽霧的結晶、樹葉、灰塵、建筑物和其它污漬等，從而使海島光伏組件發電系統效應造成嚴重影響。

與大陸相比，以下3種類型的遮擋成為影響海島光伏發電系統效率的重要原因：

(1)鳥類的糞便

海洋上鳥類種類繁多、數量龐大，而棲息地卻很少，海島成為了海洋鳥類主要的棲息地，由此而產生的大量海鳥糞便成為了光伏組件的遮擋物。

(2)鹽霧的結晶

由于海水的運動形成了大范圍鹽霧，導致海島空氣中含鹽濃度比大陸和海邊高得多，這不僅對光伏發電系統中的含有金屬材料的設備具有腐蝕作用，還會伴隨著溫度和空氣中水份蒸發的變化在光伏組件的表面(包括上表面和下表面)析出大量的晶體鹽，嚴重影響到了光伏組件的受光強度和發電效率。

(3)建筑物的遮擋

海島陸地資源稀缺，各種類型的設施設備繁多，可為光伏發電利用的陸地資源更是有限，光伏組件周圍很有可能存在較高的建筑物和設施設備，如樓房、信號發送和接收塔、各種類型的天線、風力發電機組等，一旦設計規劃不合理就有可能會造成光伏組件的遮擋，從而影響到光伏發電系統的效率。

2.4 光伏系統的浪費問題

目前，在海島的光伏發電系統設計時，較多地存在設計容量不合理的情況，為了實現系統的獨立供電，忽略了后備電源柴油發電機的作用，在設計和投入時用很大代價來應對系統可能出現的極端情況，而在實際應用中這些極端情況卻是很少發生，甚至在光伏系統使用壽命內都從未出現過，只是在歷史數據中提到過，從而造成了很大浪費。

另外，在海島光伏發電系統中還可能由以下兩方面原因導致系統的浪費：

(1)數據缺乏及失真

海島遠離大陸，多數地方氣象資料缺失不全、甚至沒有，系統設計時采用數據均來自于互聯網或者以周圍靠近的區域作為參考，具有一定的誤差。據目前投入使用的光伏系統來看，互聯網的數據與實際數據存在一定差距，實際太陽能資源數普遍要好于互聯網提供的數據，如果按照實際情況則可能節省大量的投入。

(2)負荷分析

海島光伏系統設計時，負荷情況往往由使用人員提出，為了確保自身的供電可靠性，使用人員提供數據具有一定的夸大性，使用系數過高，導致設計人員掌握的負荷情況失真，而在使用過程中出現棄光的現象，從而造成浪費。

3 海島環境下光伏組件高效利用措施

3.1 光伏系統的設計

為了確保海島光伏發電系統作用得到充分發揮，必須從光伏發電系統的始端開始牢牢把握住設計環節，注意以下幾個方面的問題：

(1)統籌考慮海島供電裝備和負荷情況，從最佳投入/產出比出發，抓住主要矛盾，在條件允許的情況下考慮以光伏發電和其它供電設備互補的發電形式，以及采用分級供電的方式優先保證重要負荷的用電，避免一味的通過增大光伏組件安裝容量來提高供電量和可靠性，使系統性價比下降，甚至造成浪費。

(2)掌握真實的一手數據資料，結合實際情況分析負荷使用時間和頻率，合理選擇負荷相關的系數，對實現場太陽資源要進行真實評估，并根據實際對光伏發電系統中的電能變換及控制單元進行合理的設計和調整，使光伏發電系統做到安全可靠、物盡其用。

(3)根據光伏組件周圍建筑物、設施和海島的規劃布局情況，結合季節變化引起的太陽光與光伏組件間的入射角變化，確保光伏組件做到無遮擋。

3.2 光伏組件的抗PID衰減

根據對PID效應形成原因的分析，可以針對性地采取一些措施抑制PID效應的發生或減緩其發生的速度，目前主要有兩種方式：

(1)從組件的選擇入手

從目前來看，光伏組件的表面玻璃、EVA和背板為PID效應提供重要了物質基礎，這可以通過采用石英玻璃替換普通玻璃、嚴格控制EVA質量或替換EVA、選擇雙面玻璃形式取代背板等方式抑制PID效應。另一方面，由于濕度是PID現象產生的因素之一，使組件的封裝成為常關鍵一環，這可以通過選擇生產工藝控制嚴格、質量過硬的產品進行控制。

(2)從系統設計入手

在系統設計時，可以采用串聯光伏組件的負極接地，避免PID效應的發生。另外，在允許的條件下，在夜間強制給組件加入正偏置的電壓，使PID效應可逆進行，對光伏組件進行修復。

綜合比較，從光伏電池本身入手從源頭預防PID衰減的發生，具有更為可靠無需增加額外的裝置和設計，更適合在海島環境采用。

3.3 光伏組件的防腐

根據光伏組件腐蝕發生的機理，采取防腐的方法主要有陰極保護法、防腐涂層法以及兩者的復合防腐方法[9，10]。

(1)陰極保護法

陰極保護原理就是人為的在被腐蝕(被保護)金屬結構表面施加一個外電流(或高電位)，使被保護結構物成為陰極，從而使金屬腐蝕發生的電子遷移得到抑制，從而起到防腐的作用。按照其原理和實施的方法主要包括：1)犧牲陽極保護法：將光伏組件支架與更活潑的金屬材料連接，使光伏支架成為陰極，從而減緩腐蝕的發生；2)外加電流陰極保護法：利用電化學腐蝕的原理，由外部直流電源直接向光伏支架材料施加電流，使支架電子在金屬表面集聚，使光伏支架陰極化，從而抑制光伏支架的腐蝕。

(2)防腐涂層法

在海島環境下，防腐涂層法是光伏支架防腐采用的最主要、最普遍的方法，其關鍵在于找到光伏支架表面有效保護層，作用主要有：1)阻止腐蝕介質和金屬表面之間的直接接觸； 2)改變金屬表面的電位性能使其電極電位往正的方向移動；3)保護金屬表面不被腐蝕 ；4)防腐涂層的電極電位比被其保護的金屬低作為陽極而逐漸被腐蝕，同時保護了作為陰極的光伏支架中鋼結構材料。

(3)復合防腐方法

復合防腐法就是根據陰極保護與防護腐涂層的各自特點，在不同的位置和情況下采用不同的方法，發揮各自的優勢對光伏支架進行保護。

此外，在光伏支架選擇時可以選擇不銹鋼材質的支架，如選擇采用316、316L材質的不銹鋼支架，但是成本會很高，如果采用碳鋼加涂防腐層的方式，則一定要保證材料質量和工藝精細，否則會對支架的防腐性能造成很大影響。

3.4 光伏組件的維護

由于海島環境的特殊性，光伏發電系統的維護除了做到陸上光伏發電系統維護采取的措施外，還應注意以下幾個問題：

(1)定期清潔光伏組件的表面的鹽霧結晶顆粒，尤其是要注意光伏組件下表面鹽霧結晶顆粒的清掃，采用雙玻組件時下表面的結晶會嚴重影響光伏組件的發電效率。

(2)定期檢查光伏組件及支架連接件、緊固件如無松動、銹蝕損壞，發現后應立即處理。

(3)檢查連接線纜、電纜接頭、接插件、密封條是否出現老化、開裂、進水等現象，一經發現應及時處理。

4 結語

光伏發電是解決邊遠海島供電難題的有效措施，提高光伏發電系統效率和性價比是光伏發電在海島推廣應用的必然要求，只有做到科學布局、合理設計、有效防腐、定期維護，才能充分發揮出光伏發電在海島應用的優勢。

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(本文編輯：嚴 加)

電力簡訊

《產業技術創新能力發展規劃(2016-2020年)》正式發布

《產業技術創新能力發展規劃(2016-2020年)》的發布旨在突破重點領域共性關鍵技術，加速科技成果轉化為現實生產力，提高關鍵環節和重點領域的創新能力，推進兩化深度融合，激發“大眾創業、萬眾創新”新動能，促進我國由制造大國向制造強國、網絡強國轉變。

《規劃》提出6大重點任務，包括完善產業創新體系、強化企業技術創新主體地位、加大共性關鍵技術開發力度、提升企業知識產權運用能力、完善綜合標準化體系等、培育區域創新能力等。

《規劃》還提出了“十三五”期間工業和信息化領域部分行業發展的重點方向，引導企業加強技術創新。重點方向包括發展高效、綠色的原材料工業，加強資源節約和環境保護；發展高端裝備制造業，提升基礎配套能力；發展高附加值的消費品工業，推動消費品向價值鏈高端攀升；發展新一代信息技術產業，搶占科技創新制高點等。

在新材料方面，《規劃》提出，加快基礎材料升級換代，做好戰略前沿材料提前布局和研制，關注顛覆性新材料對傳統材料的影響，以特種金屬功能材料、高性能結構材料、功能性高分子材料、先進無機非金屬材料和先進復合材料為發展重點，加快研發新材料制備關鍵技術和裝備。重點發展軸承、齒輪、彈簧及工模具用鋼，擠壓、鑄造鋁型材，基礎樹脂，工業陶瓷等先進基礎材料。加快高溫合金、船舶及海洋工程用鋼、軌道交通用鋼，高強汽車薄板，高強高導銅合金、銅鋁復合材料、核電材料、交通運輸和航空用輕合金材料、大規格鎂合金及鈦合金材料，特種橡膠、工程塑料及膜材料，高端稀有稀土功能材料及電子化學品，精細陶瓷及其粉體和前驅體、人工晶體等關鍵戰略材料的研發。開發智能材料、超導材料、納米材料、石墨烯、超材料、生物基材料、3D打印材料、極端環境用材料等前沿新材料。突破先進熔煉、凝固成型、氣相沉積、等靜壓、高效合成、結構設計等核心工藝。

(本刊訊)

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

國家科技支撐計劃課題資助(2014BAC01B05)

毛龍波(1984)，男，博士，主要從事移動電源與多能源發電技術研究。

TM615

B

2095-1256(2016)06-0735-05

2016-09-25

發電技術