海島居民供電問(wèn)題及解決應(yīng)用

葉明

(瑞安市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 溫州 325200)

十九大報(bào)告指出，農(nóng)業(yè)農(nóng)村農(nóng)民問(wèn)題是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的根本性問(wèn)題，必須始終把解決好“三農(nóng)”問(wèn)題作為全黨工作的重中之重。海島基礎(chǔ)設(shè)施差，海島居民無(wú)法正常用電，長(zhǎng)期依靠柴油發(fā)電機(jī)等供應(yīng)電能，存在供電穩(wěn)定性不足、自動(dòng)化水平低等問(wèn)題，嚴(yán)重影響海島居民的生活質(zhì)量，制約了海島經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。為實(shí)現(xiàn)海島經(jīng)濟(jì)發(fā)展，農(nóng)民減支增收，進(jìn)一步提升自動(dòng)化水平，改善人居環(huán)境，首先要解決好供電問(wèn)題。依托海島豐富的太陽(yáng)能資源，建設(shè)海島光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)，一方面改善人居環(huán)境解決民生問(wèn)題，另一方面吸引游客觀光，帶動(dòng)農(nóng)村消費(fèi)和產(chǎn)業(yè)興旺，從而實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興。

1 海島供電現(xiàn)狀與推廣應(yīng)用光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的意義

1.1 海島供電現(xiàn)狀

據(jù)2017年海島統(tǒng)計(jì)調(diào)查公報(bào)統(tǒng)計(jì)，截至2017年底我國(guó)共有海島11 000余個(gè)，其中有居民海島452個(gè)，大多數(shù)沿海島嶼基礎(chǔ)設(shè)施差，島上居民勉強(qiáng)維持用水用電。其供電主要有2種模式，一種是聯(lián)網(wǎng)，一種是離網(wǎng)。對(duì)于中大型群島而言，由于對(duì)電力需求總量和可靠性均有較高要求，因此，往往通過(guò)海纜與大陸聯(lián)網(wǎng)；而對(duì)于其他偏遠(yuǎn)小島，由于最大負(fù)荷有限、輸送距離較遠(yuǎn)、島嶼面積小，鋪設(shè)海纜在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面需要付出巨大代價(jià)。因此，更需要圍繞可再生能源為核心，開(kāi)發(fā)清潔可靠的海島電網(wǎng)。

1.2 推廣應(yīng)用海島光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的意義

海島太陽(yáng)能資源豐富，開(kāi)發(fā)海島光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)，一方面可有效緩解海島等電力短缺地區(qū)的需求矛盾，解決海島地區(qū)的生活及通訊等民生問(wèn)題；另一方面可為農(nóng)民減支增收，帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)收益，電力穩(wěn)定供應(yīng)，既留住了海島居民，又能夠帶動(dòng)其它產(chǎn)業(yè)發(fā)展，能有效促進(jìn)海島經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

2 海島光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的原理及特點(diǎn)

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)原理

離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為直流光伏發(fā)電系統(tǒng)和交流光伏發(fā)電系統(tǒng)以及交直流混合光伏發(fā)電系統(tǒng)。與直流光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，交流光伏發(fā)電系統(tǒng)多了一個(gè)交流逆變器，可以把直流電轉(zhuǎn)換成交流電，為交流負(fù)載提供電能。如圖1所示，由光伏組件發(fā)電，經(jīng)控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電管理，并給直流負(fù)載提供電能，或通過(guò)逆變器給交流負(fù)載提供電能[1]。

圖1 獨(dú)立光伏的發(fā)電系統(tǒng)

2.2 太陽(yáng)能電池板選型及安裝傾角

目前占主流的太陽(yáng)能電池有多晶硅、單晶硅和非晶硅等硅太陽(yáng)能電池。國(guó)內(nèi)幾家大型太陽(yáng)能電池商業(yè)化生產(chǎn)的光伏組件主要以多晶硅或單晶硅電池為主，其中多晶硅電池效率在17%左右，單晶硅電池效率在18%左右。由于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上光伏電池需求量較大，特別是單晶硅電池由于原材料供應(yīng)緊張，電池轉(zhuǎn)換效率高，使得單晶硅的價(jià)格高于多晶硅。目前根據(jù)國(guó)內(nèi)光伏電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，多以310 W單晶硅光伏組件為主。

當(dāng)光伏組件水平地面安裝方位角為0°(正南方向)時(shí)，根據(jù)海島的實(shí)際、地理位置及光照情況,光伏組件設(shè)計(jì)安裝傾角為25°左右,但考慮當(dāng)?shù)嘏_(tái)風(fēng)較多，角度應(yīng)該適當(dāng)調(diào)整，通過(guò)降低電池板角度以平衡抗風(fēng)強(qiáng)度[2]。安裝的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 水平地面組件的安裝

2.3 逆變器選型

逆變器是光伏電站的核心設(shè)備之一，其基本功能是將光伏電池組件輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電。

根據(jù)當(dāng)?shù)氐挠秒婋妷哼x擇合適的逆變器，考慮到用戶負(fù)載中有感性負(fù)載，在啟動(dòng)過(guò)程時(shí)有較大的沖擊電流，同時(shí)考慮系統(tǒng)有臨時(shí)增加負(fù)載的情況，所以逆變器功率應(yīng)相對(duì)選擇較大的。

2.4 控制器選型

光伏控制器主要是對(duì)太陽(yáng)能電池組件發(fā)出的直流電能進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，并具有對(duì)蓄電池進(jìn)行充電、放電智能管理功能，在選型方面，可根據(jù)系統(tǒng)的直流電壓等級(jí)和太陽(yáng)能電池組件的功率配置合適的光伏控制器。

2.5 蓄電池選型

儲(chǔ)能是獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否合理直接影響到光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體性能。目前我國(guó)用于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池除少量用于高寒戶外系統(tǒng)采用鎳氫蓄電池外，絕大多數(shù)采用鉛酸蓄電池[3]。

3 光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)在海島建設(shè)的可行性

我國(guó)海島分布不均，呈現(xiàn)南方多、北方少的特點(diǎn)。溫州市沿海區(qū)域島嶼眾多，該地區(qū)的年日照時(shí)數(shù)為1 310 h左右，平均年太陽(yáng)輻射量為5 400 MJ·m-2，即1 136 kWh·m-2。

根據(jù)《太陽(yáng)能資源評(píng)估方法》(QX/T 89—2008)，該地區(qū)位于較豐富帶Ⅱ級(jí)地區(qū)(5 040～6 300 MJ/m2)，屬于日照很豐富帶(表1)。

表1 太陽(yáng)能資源豐富程度等級(jí)

溫州市沿海區(qū)域太陽(yáng)能資源以春季和夏季較好、冬季最差為主要特征。其中，7月份太陽(yáng)輻射最強(qiáng)，可達(dá)到565 MJ·m-2左右，1月份輻射最弱，為280 MJ·m-2左右。春、夏、秋、冬四季輻射量分別約占年總輻射量的27.5%、32.5%、22.3%和18%左右。綜上所述，海島太陽(yáng)能資源豐富，日照時(shí)間長(zhǎng)，年內(nèi)變化穩(wěn)定，最佳利用時(shí)間集中，適合建設(shè)光伏電站，具有較好的經(jīng)濟(jì)性[4]。

4 光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

太陽(yáng)能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源，具有充分的清潔性、絕對(duì)的安全性、確實(shí)的長(zhǎng)壽命和免維護(hù)性、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟(jì)性[5]。本文以溫州瑞安市銅盤村長(zhǎng)大島光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)為例，分析光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。該項(xiàng)目裝機(jī)容量為34.72 kW，年產(chǎn)電量約44 544 kWh，總投資約 50萬(wàn)元。

4.1 理論年發(fā)電量

該項(xiàng)目裝有1 672 mm×991 mm太陽(yáng)能電池板112塊，計(jì)面積185.6 m2。

年總太陽(yáng)能輻射量為5 400 MJ·m-2，換算成太陽(yáng)能輻射功率為1 500 kWh·m-2。

按公式Q1=η×S×P(式中：η為電池組件光電轉(zhuǎn)換效率，η=16%；S為電池組件總面積，S=185.6 m2；P為太陽(yáng)能輻射功率，P=1 500 kW·h·m-2)，計(jì)算得Q1=44 544 kWh。

4.2 實(shí)際年發(fā)電量

太陽(yáng)電池板輸出的直流功率是太陽(yáng)電池板的標(biāo)稱功率。在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的太陽(yáng)電池板往往達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件，輸出的允許偏差是5%。因此，在分析太陽(yáng)電池板輸出功率時(shí)要考慮到0.95 的影響系數(shù)。

隨著光伏組件溫度的升高，組件兩端輸出的功率就會(huì)下降。對(duì)于晶體硅組件，當(dāng)光伏組件內(nèi)部的溫度達(dá)到50～75 ℃時(shí)，輸出功率降為額定時(shí)的97%，在分析太陽(yáng)電池板輸出功率時(shí)要考慮到0.97的影響系數(shù)。

光伏組件表面灰塵的累積，會(huì)影響輻射到電池板表面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，同樣會(huì)影響太陽(yáng)電池板的輸出功率。根據(jù)當(dāng)?shù)胤e灰情況，此因素會(huì)對(duì)光伏組件的輸出產(chǎn)生4%的影響。因此，在分析太陽(yáng)電池板輸出功率時(shí)要考慮到0.96的影響系數(shù)。

由于太陽(yáng)輻射的不均勻性，光伏組件的輸出幾乎不可能同時(shí)達(dá)到最大功率輸出。光伏陣列的輸出功率要低于各個(gè)組件的標(biāo)稱功率之和。此外，還有光伏組件的不匹配性和板間連線損失等。這些因素影響太陽(yáng)電池板輸出功率的系數(shù)按0.95 計(jì)算[6]。

現(xiàn)場(chǎng)考慮安裝角度因素折算后的效率為0.95，所以實(shí)際η=79.8%，實(shí)際Q=35 546 kWh。

4.3 效益

該項(xiàng)目所在地海島無(wú)國(guó)家電網(wǎng)建設(shè)，依靠小型柴油發(fā)電機(jī)階段性發(fā)電以解決漁民日常照明用電。

一般情況下柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電的轉(zhuǎn)化效率約為31%，1 L柴油約能發(fā)電3.065 kWh。浙江省柴油價(jià)格5.14元·L-1。該項(xiàng)目裝機(jī)容量為34.72 kW，總投資約50萬(wàn)元，實(shí)際年發(fā)電量為35 546 kW·h，如用柴油發(fā)電需用柴油11 597.4 L，柴油成本59 610.6元。該項(xiàng)目投資僅能維持柴油發(fā)電約8年。由于計(jì)算實(shí)際發(fā)電效率按最低效率計(jì)算，因此，實(shí)際時(shí)間略低于計(jì)算值。

光伏發(fā)電系統(tǒng)使用壽命按25 年計(jì)算，則柴油發(fā)電成本149萬(wàn)元，而該項(xiàng)目總投資約50萬(wàn)元，相較盈利為99萬(wàn)元。這個(gè)結(jié)果充分體現(xiàn)了光伏發(fā)電系統(tǒng)周期長(zhǎng)、收益穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)。

5 小結(jié)

海島太陽(yáng)能光伏發(fā)電離網(wǎng)供電系統(tǒng)，不但解決了海島居民民生問(wèn)題，避免了海島投資建設(shè)國(guó)家電網(wǎng)投入大、難度大的現(xiàn)實(shí)，還帶來(lái)了生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。進(jìn)一步有留住海島人口，推動(dòng)游客觀光，帶動(dòng)農(nóng)村消費(fèi)和產(chǎn)業(yè)興旺，從而實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興。隨著國(guó)家深入開(kāi)發(fā)海島經(jīng)濟(jì)政策的不斷推動(dòng)，海島太陽(yáng)能光伏發(fā)電離網(wǎng)供電系統(tǒng)推廣應(yīng)用前景更為廣闊，將為促進(jìn)開(kāi)發(fā)海島經(jīng)濟(jì)起到積極的作用。