一種可伸縮移動箱式光伏電站應(yīng)用研究

唐輝，生綠偉

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

習(xí)慣了都市生活的人們，已經(jīng)離不開電力消費(fèi)，也很難想象斷電狀況下的艱苦生活。如今在世界上的很多地區(qū)，如遠(yuǎn)離大陸的海島，偏遠(yuǎn)的農(nóng)牧區(qū)、野營場地，荒漠高原的工作區(qū)，地質(zhì)勘探、野外施工區(qū)等，都嚴(yán)重缺電，生活極其不便。目前，市場上主要移動光伏發(fā)電站是在集裝箱或集卡車頂面和側(cè)面安裝少數(shù)太陽能光伏板，發(fā)電量少，不能滿足現(xiàn)場工地的需求，從而使工期延誤，市場效益低。

1 系統(tǒng)機(jī)械組成部分

本項(xiàng)目為解決傳統(tǒng)移動光伏電站存在各方面的缺陷，利用高科技含量的太陽能監(jiān)控系統(tǒng)，研發(fā)一種全新可伸縮的移動箱式光伏電站。本發(fā)明的整體框架圖如圖1 所示。

整個移動光伏電站由太陽能電池板、40 英尺集裝箱、電池板伸縮機(jī)構(gòu)、可升降的支撐機(jī)構(gòu)、蓄電池、數(shù)據(jù)采集器、工業(yè)微處理器、逆變器、匯流箱以及配電箱等組成。把光伏移動光伏電站運(yùn)輸?shù)焦さ噩F(xiàn)場，再加固底部，接著打開集裝箱長度方向的兩側(cè)門，一鍵全自動展開光伏電池板的組件，從而實(shí)現(xiàn)光伏電站的發(fā)電儲能功能。

1.1 電池板伸縮機(jī)構(gòu)

整個電站的最主要核心機(jī)構(gòu)就是整個系統(tǒng)的所有電池板伸縮機(jī)構(gòu)，主要由電池板框架模塊、交流電機(jī)、減速器、鉸鏈、導(dǎo)軌和撐桿等組成。其工作流程主要是首先人工搭建撐桿和支撐導(dǎo)軌，以及撐桿的地釘固定，一鍵啟動展開機(jī)構(gòu)，電池板框架模塊雙向?qū)ΨQ方向從集裝箱兩側(cè)在電機(jī)和鉸鏈的作用下，緩慢平穩(wěn)展開，鋪平后終點(diǎn)插銷固定；等需要移動或者惡劣環(huán)境時，需要回縮時，同樣原理，松開端點(diǎn)固定插銷，啟動電機(jī)，電池板框架模塊在電機(jī)牽引下，緩慢收縮回集裝箱，最后拆卸導(dǎo)軌和支架。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

電池板展開機(jī)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時主要考慮兩點(diǎn)，一是電池板的模塊化固定，減小鉸鏈直接連接電池板鋁合金時，對電池板邊框強(qiáng)度的要求，二是電池板展開和收縮時都要確保有電機(jī)和手動應(yīng)急手柄兩種操作。展開流程圖如圖2 所示。

1.2 蓄電池滑槽機(jī)構(gòu)

整個系統(tǒng)的儲能蓄電池，由于全部集成在集裝箱展開機(jī)構(gòu)下方，同時為了維護(hù)方便，蓄電池需要加裝一個滑槽式抽屜式機(jī)構(gòu)，采用單節(jié)滑槽，雙向收縮的方式，可以節(jié)約材料和節(jié)省空間。同時由于蓄電池不能室外露天，需要密封，但是又要考慮其工作環(huán)境的影響，所以需要給蓄電池密封室加裝風(fēng)機(jī)和空調(diào)。

圖2 伸展機(jī)構(gòu)展開流程

2 電氣設(shè)備

2.1 電氣設(shè)備選型

因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是離網(wǎng)式儲能電站，所以電氣設(shè)備選型，主要需要考慮設(shè)備的高效、體積小巧、重量輕等幾個特點(diǎn)。具體設(shè)計(jì)選型介紹如下：

（1）光伏組件選擇高效單晶硅光伏組件，首先電池板組件的串并的數(shù)量是由控制器的輸入電壓電流和其他發(fā)電效率綜合考慮的，本系統(tǒng)初步核算集裝箱內(nèi)部發(fā)電56kW左右，所以控制器選用兩個額定輸出348V 75A的控制器，基本可以滿足系統(tǒng)需求；此類型控制器的輸入電壓最大可達(dá)850V，最大輸入電流可達(dá)60A；同時72 片電池板組件每片額定功率為360W，額定電壓基本是39V，電流是9A 左右；60 片電池板組件每片額定功率為305W，額定電壓基本是32V，電流是9A 左右，因此可以算出兩種電池板的串聯(lián)數(shù)量為：選用60 片的組件，可以15 ～20 片串聯(lián)；如選用72 片的組件，可以12 ～15 片串聯(lián)，而且是必須保證在這個范圍內(nèi)，否則影響發(fā)電效率。

（2）電池組件串并后需要接入?yún)R流箱，市場上一般標(biāo)準(zhǔn)的匯流箱是8 輸入1 輸出，較大的也有16 路輸入的；每個匯流箱輸入端所接電池組件基本上要求是所用型號規(guī)格是一致的，以及每路所串的電池組件數(shù)量上要保持一致，同時和控制器連接也是一個匯流箱接一個控制器，當(dāng)然這個控制器是組串的。本系統(tǒng)采用兩種類型電池板的組串方式：72 片的14 串6 并共84 塊組件，60 片的17 串5 并組合。

（3）目前初步選的離網(wǎng)逆變器型號是FR-UK3350-SPO-A，60KVA 容量，380V 三相交流電輸出，輸入電壓范圍304 ～417V，基本是電池的工作電壓范圍，負(fù)載在70%～80%容量即是40 ～50kW 以內(nèi)最佳工作負(fù)載。

（4）電池初步篩選用2V 800Ah 的鉛碳電池，因?yàn)槊刻彀? 小時有效的光照，每天最大可以發(fā)電200 度電，加上鉛碳電池充放電深度不能太大，影響電池壽命，所以初步設(shè)計(jì)174 塊電池串聯(lián)，滿電壓在348V，基本上和逆變器的輸入電壓以及控制器輸出電壓匹配。

（5）監(jiān)控系統(tǒng)主要是首先用數(shù)據(jù)采集器利用485 通訊協(xié)議采集逆變器、電池、控制器等各種信息，可以加裝4G 模塊，傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上，在云服務(wù)器上讀取數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程分析。

（6）如果加裝風(fēng)機(jī)發(fā)電接口，需要再加裝風(fēng)能控制器，整流成直流，然后再直流母線上預(yù)留接口。柴油發(fā)電機(jī)接口在逆變器那里有旁路開關(guān)，柴發(fā)時直接交流供電。

2.2 電氣設(shè)備接線圖（圖3）

圖3 系統(tǒng)電氣接線圖

3 光伏電站管理系統(tǒng)

光伏電站管理系統(tǒng)包括監(jiān)控功能和大數(shù)據(jù)分析功能兩部分，監(jiān)控功能是集成逆變器、控制器、匯流箱等數(shù)據(jù)，然后單個蓄電池使用傳感器傳輸電池電壓、電流、內(nèi)阻、溫度等數(shù)據(jù)，一起處理后部署在Web 服務(wù)器上，可以本地監(jiān)控，也可以本地遠(yuǎn)程中控室監(jiān)控；如果需要遠(yuǎn)程監(jiān)控，本地需要連接wifi 或者4G 網(wǎng)絡(luò)，可以通過云服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)控。監(jiān)控界面如圖4、圖5 所示。

通過監(jiān)控功能將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，利用這些大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)性能分析、故障診斷等功能，降低光伏電站的運(yùn)維成本，增強(qiáng)光伏電站的運(yùn)維能力，縮短分析軟件的大數(shù)據(jù)處理時間，提升整個電站的發(fā)電效率，加強(qiáng)監(jiān)測與診斷電站的光伏設(shè)備，保證光伏電的發(fā)電能力，減少電站的電能損耗，盡可能地增加企業(yè)電能收益。基于大數(shù)據(jù)處理的監(jiān)控平臺主要有三大功能：

圖4 系統(tǒng)電池組監(jiān)控界面圖

圖5 系統(tǒng)整體監(jiān)控界面圖

（1）數(shù)據(jù)挖掘。光伏設(shè)備性能監(jiān)督：對電站設(shè)備的關(guān)鍵性能進(jìn)行實(shí)時監(jiān)督，包括效率分析、損失分析等全自動分析，然后展示這些性能參數(shù)；效率分析包括：有效快速分析逆變器轉(zhuǎn)換效率、系統(tǒng)效率、發(fā)電日效率和發(fā)電月效率；故障診斷與處理：實(shí)時監(jiān)督光伏電站問題設(shè)備，精準(zhǔn)定位故障組件、故障逆變器等，掌握設(shè)備的各種運(yùn)行狀態(tài)；故障診斷包括：設(shè)備產(chǎn)生的通訊故障、逆變器產(chǎn)生的故障、組串電流電壓不正常、效率低下、溫濕度傳感器故障等；負(fù)荷預(yù)測：準(zhǔn)確預(yù)測未來一天或一段時間的光伏發(fā)電量；陣列的清洗監(jiān)督：根據(jù)光伏電站系統(tǒng)發(fā)電效率的變化曲線、智能分析光伏組件最佳的清洗節(jié)點(diǎn)，有效地監(jiān)督清洗光伏組件的工作情況。

（2）數(shù)據(jù)存儲。超長數(shù)據(jù)保存時間，隨時調(diào)取，隨時查看。用戶的數(shù)據(jù)可以自主選擇數(shù)據(jù)存儲時間，中國移動物聯(lián)網(wǎng)云平臺數(shù)據(jù)存儲，安全穩(wěn)定。

（3）精準(zhǔn)數(shù)據(jù)強(qiáng)化算法，精準(zhǔn)無延遲地解析數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

經(jīng)初步估算，本項(xiàng)目實(shí)施后，降低非電網(wǎng)用電的成本（以柴油機(jī)發(fā)電為例），由于只要有太陽的地方就能發(fā)電，同時配備了最大容量的儲能蓄電池，可以更好地滿足離網(wǎng)現(xiàn)場的長期用電需求，和傳統(tǒng)的大功率柴油發(fā)電機(jī)相比，以太陽能電池板10 ～20 年的壽命周期核算，發(fā)電、維護(hù)等成本都有所降低（以40 尺移動電站，10 年平均發(fā)電成本和柴油機(jī)發(fā)電成本相比較，相同用電負(fù)載的前提下，可每度電成本可以節(jié)約4 ～5 成）。所以在針對一些特殊適用場合，本移動光伏電站在經(jīng)濟(jì)性上和傳統(tǒng)柴發(fā)有著很大的優(yōu)勢，在便捷性上和傳統(tǒng)的分布式光伏電站也有著很大的優(yōu)勢。