海島居民供電問題及解決應用

葉明

(瑞安市農業農村局，浙江 溫州 325200)

十九大報告指出，農業農村農民問題是關系國計民生的根本性問題，必須始終把解決好“三農”問題作為全黨工作的重中之重。海島基礎設施差，海島居民無法正常用電，長期依靠柴油發電機等供應電能，存在供電穩定性不足、自動化水平低等問題，嚴重影響海島居民的生活質量，制約了海島經濟社會發展。為實現海島經濟發展，農民減支增收，進一步提升自動化水平，改善人居環境，首先要解決好供電問題。依托海島豐富的太陽能資源，建設海島光伏儲能系統，一方面改善人居環境解決民生問題，另一方面吸引游客觀光，帶動農村消費和產業興旺，從而實現鄉村振興。

1 海島供電現狀與推廣應用光伏儲能系統的意義

1.1 海島供電現狀

據2017年海島統計調查公報統計，截至2017年底我國共有海島11 000余個，其中有居民海島452個，大多數沿海島嶼基礎設施差，島上居民勉強維持用水用電。其供電主要有2種模式，一種是聯網，一種是離網。對于中大型群島而言，由于對電力需求總量和可靠性均有較高要求，因此，往往通過海纜與大陸聯網；而對于其他偏遠小島，由于最大負荷有限、輸送距離較遠、島嶼面積小，鋪設海纜在技術和經濟方面需要付出巨大代價。因此，更需要圍繞可再生能源為核心，開發清潔可靠的海島電網。

1.2 推廣應用海島光伏儲能系統的意義

海島太陽能資源豐富，開發海島光伏儲能系統，一方面可有效緩解海島等電力短缺地區的需求矛盾，解決海島地區的生活及通訊等民生問題；另一方面可為農民減支增收，帶來可觀的經濟收益，電力穩定供應，既留住了海島居民，又能夠帶動其它產業發展，能有效促進海島經濟社會發展。

2 海島光伏儲能系統的原理及特點

2.1 光伏發電系統原理

離網光伏發電系統可分為直流光伏發電系統和交流光伏發電系統以及交直流混合光伏發電系統。與直流光伏發電系統相比，交流光伏發電系統多了一個交流逆變器，可以把直流電轉換成交流電，為交流負載提供電能。如圖1所示，由光伏組件發電，經控制器對蓄電池進行充放電管理，并給直流負載提供電能，或通過逆變器給交流負載提供電能[1]。

圖1 獨立光伏的發電系統

2.2 太陽能電池板選型及安裝傾角

目前占主流的太陽能電池有多晶硅、單晶硅和非晶硅等硅太陽能電池。國內幾家大型太陽能電池商業化生產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。由于國內市場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緊張，電池轉換效率高，使得單晶硅的價格高于多晶硅。目前根據國內光伏電池產業發展現狀，多以310 W單晶硅光伏組件為主。

當光伏組件水平地面安裝方位角為0°(正南方向)時，根據海島的實際、地理位置及光照情況,光伏組件設計安裝傾角為25°左右,但考慮當地臺風較多，角度應該適當調整，通過降低電池板角度以平衡抗風強度[2]。安裝的結構示意圖如圖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備之一，其基本功能是將光伏電池組件輸出的直流電轉換為交流電。

根據當地的用電電壓選擇合適的逆變器，考慮到用戶負載中有感性負載，在啟動過程時有較大的沖擊電流，同時考慮系統有臨時增加負載的情況，所以逆變器功率應相對選擇較大的。

2.4 控制器選型

光伏控制器主要是對太陽能電池組件發出的直流電能進行調節和控制，并具有對蓄電池進行充電、放電智能管理功能，在選型方面，可根據系統的直流電壓等級和太陽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

儲能是獨立光伏發電系統的重要組成部分，儲能系統的設計是否合理直接影響到光伏發電系統的整體性能。目前我國用于太陽能光伏發電系統的蓄電池除少量用于高寒戶外系統采用鎳氫蓄電池外，絕大多數采用鉛酸蓄電池[3]。

3 光伏儲能系統在海島建設的可行性

我國海島分布不均，呈現南方多、北方少的特點。溫州市沿海區域島嶼眾多，該地區的年日照時數為1 310 h左右，平均年太陽輻射量為5 400 MJ·m-2，即1 136 kWh·m-2。

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

表1 太陽能資源豐富程度等級

溫州市沿海區域太陽能資源以春季和夏季較好、冬季最差為主要特征。其中，7月份太陽輻射最強，可達到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，海島太陽能資源豐富，日照時間長，年內變化穩定，最佳利用時間集中，適合建設光伏電站，具有較好的經濟性[4]。

4 光伏儲能系統的優勢

太陽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、絕對的安全性、確實的長壽命和免維護性、資源的充足性及潛在的經濟性[5]。本文以溫州瑞安市銅盤村長大島光伏儲能系統為例，分析光伏儲能系統的經濟效益。該項目裝機容量為34.72 kW，年產電量約44 544 kWh，總投資約 50萬元。

4.1 理論年發電量

該項目裝有1 672 mm×991 mm太陽能電池板112塊，計面積185.6 m2。

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

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

4.2 實際年發電量

太陽電池板輸出的直流功率是太陽電池板的標稱功率。在現場運行的太陽電池板往往達不到標準測試條件，輸出的允許偏差是5%。因此，在分析太陽電池板輸出功率時要考慮到0.95 的影響系數。

隨著光伏組件溫度的升高，組件兩端輸出的功率就會下降。對于晶體硅組件，當光伏組件內部的溫度達到50～75 ℃時，輸出功率降為額定時的97%，在分析太陽電池板輸出功率時要考慮到0.97的影響系數。

光伏組件表面灰塵的累積，會影響輻射到電池板表面的太陽輻射強度，同樣會影響太陽電池板的輸出功率。根據當地積灰情況，此因素會對光伏組件的輸出產生4%的影響。因此，在分析太陽電池板輸出功率時要考慮到0.96的影響系數。

由于太陽輻射的不均勻性，光伏組件的輸出幾乎不可能同時達到最大功率輸出。光伏陣列的輸出功率要低于各個組件的標稱功率之和。此外，還有光伏組件的不匹配性和板間連線損失等。這些因素影響太陽電池板輸出功率的系數按0.95 計算[6]。

現場考慮安裝角度因素折算后的效率為0.95，所以實際η=79.8%，實際Q=35 546 kWh。

4.3 效益

該項目所在地海島無國家電網建設，依靠小型柴油發電機階段性發電以解決漁民日常照明用電。

一般情況下柴油發電機組發電的轉化效率約為31%，1 L柴油約能發電3.065 kWh。浙江省柴油價格5.14元·L-1。該項目裝機容量為34.72 kW，總投資約50萬元，實際年發電量為35 546 kW·h，如用柴油發電需用柴油11 597.4 L，柴油成本59 610.6元。該項目投資僅能維持柴油發電約8年。由于計算實際發電效率按最低效率計算，因此，實際時間略低于計算值。

光伏發電系統使用壽命按25 年計算，則柴油發電成本149萬元，而該項目總投資約50萬元，相較盈利為99萬元。這個結果充分體現了光伏發電系統周期長、收益穩定的優勢。

5 小結

海島太陽能光伏發電離網供電系統，不但解決了海島居民民生問題，避免了海島投資建設國家電網投入大、難度大的現實，還帶來了生態效益和經濟效益。進一步有留住海島人口，推動游客觀光，帶動農村消費和產業興旺，從而實現鄉村振興。隨著國家深入開發海島經濟政策的不斷推動，海島太陽能光伏發電離網供電系統推廣應用前景更為廣闊，將為促進開發海島經濟起到積極的作用。