光伏發電在件雜貨碼頭的應用

王建林

（四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610017）

1 引言

目前經濟社會的發展對能源的需求提出越來越高的要求，大力發展新能源成為當前面臨的迫切需求。尤其是國家“30·60”碳達峰、碳中和目標的提出，以及相對應的方案、意見的出臺，明確指出要加快構建清潔低碳安全高效能源體系，促進可再生能源的利用[1]。太陽能具有清潔、安全、高效、可持續等顯著特點，廣泛使用太陽能能夠降低碳排放，實現節能減排目標。

碼頭裝卸設備較多，用電負荷較大，屬于高能耗工程，本文利用倉庫屋面設置太陽能光板陣列進行發電，為碼頭提供電能，既充分利用了倉庫閑置屋面資源，提高了可再生資源的利用率，又避免了傳統電能長距離傳輸模式下高損耗的缺點，實現經濟效益和生態效益的有效統一。

2 光伏發電系統

2.1 光伏發電系統的工作原理

光伏發電系統是利用光照能使半導體材料的不同部分之間產生電位差的原理，將太陽輻射直接轉換成電能，可以直接供給負載，亦可以并入電網或者通過蓄電池儲能。

2.2 光伏發電系統的結構

光伏發電系統主要由發電單元、控制單元以及用戶單元三部分組成。

（1）發電單元。發電單元的功能為光照條件滿足“光生伏特效應”要求下，該元器件兩端產生電動勢，將光能轉換成電能，是能量轉換的器件。通常用于光電能源轉換的最基本單元是太陽能電池板，在光伏發電系統中，則需要將這些基本單元進行組合，進行串、并聯和封裝，甚至需要進一步的組合，以達到幾百、幾千瓦甚至更大功率。發電單元是整個光伏發電系統的核心，是將光能轉變為電能的主要部件。

（2）控制單元。控制單元主要由匯流箱、充放電控制器、逆變器等設備組成。其中，匯流箱的作用是將多路太陽能電池陣列產生的電流進行匯集，減少后端連接線纜的數量及故障檢修時能有效控制停電范圍；充放電控制器是自動防止蓄電池過充、放電以及防止蓄電池向發電單元的反向放電，進而對蓄電池進行保護，延長蓄電池的使用壽命；由于太陽能電池陣列產生的電能為直流，然而現階段常用的為交流設備，因此需要逆變器把直流電轉換為交流電，再通過與控制器的協調合作，將產生的電能輸送至負載。控制單元在整個光伏發電系統中起到樞紐的作用，是必不可少的部件。

（3）用戶單元。用戶單元主要為電網、用電設備或電能存儲裝置，是整個光伏發電系統的終端。其中，電能存儲裝置主要為蓄電池，其主要作用為存儲光伏發電系統產生的多余電能，并在光照不足或是負載需求比太陽能電池陣列產生的電量大時，隨時向負載供電。

2.3 光伏發電系統的運行方式

根據光伏發電系統向用戶端供電方式不同，可以將光伏系統的運行方式統分為離網型和并網型。

離網型光伏發電系統結構簡單、系統功率小、安裝靈活，其不與公共電網相互連接，供應負載的電力全部來源于光伏系統。該類電網系統主要運用公共電網覆蓋不到的偏遠山區、鄉村等地。

并網光伏發電系統用于有電網的地區，將太陽能陣列產生的直流電由逆變器轉換成標準50 赫茲交流電后并入電網。并網光伏發電系統又分為集中式和分布式兩種，集中式光伏發電系統用于沒有本地用電負荷，系統產生的電能全部送往電網；分布式光伏發電系統為自發自用，在用戶現場或靠近用電現場配置較小的光伏發電系統，電網不對其進行監測和控制，但會限制其并網，不允許有逆流現象，防止對電網的沖擊及電能質量的下降。

3 工程實例

3.1 工程背景

工程碼頭屬于庫區碼頭，遠離居民區，外接電源距離較遠，用電設備總的用電功率為318kW，根據碼頭總平面布置倉庫屋頂面積15000 m2。供電方案擬采用并網光伏發電系統，外部電源作為光伏發電系統的備用。

3.2 設備與安裝的選擇

3.2.1 光伏電池

本碼頭擬選用技術最成熟、應用最廣、市場占有份額最多的P 型晶體硅的300Wp PERC 晶體硅光伏板。其中參數見表1。

表1 300Wp PERC 晶體硅光伏板參數

3.2.2 逆變器的選擇

本碼頭4 座倉庫，擬選用防護等級高、輸出電壓范圍寬、能夠直接接入本地單相或者三相電網、功率為100kW 的組串式逆變器，其技術參數見表2。

表2 100kW 組串式逆變器參數

所選逆變器具有自動調節功能，為保障并網電網的運行安全，要求逆變器低電壓穿越時必須達到零電壓穿越，而且具備長期過載能力要求不低于110%。

3.2.3 光伏陣列設備

本碼頭為4 座倉庫，每個倉庫屋頂面積3750 m2，根據現場實際情況，為了充分利用太陽光照，互不遮擋，屋頂光伏板安裝時應保持與水平向夾角為16°，光伏陣列之間的距離為1.33m，每個倉庫可安裝330 片，共計安裝1320 片光伏組件。光伏板在倉庫屋頂安裝的效果圖，見圖1。

圖1 光伏板在倉庫屋頂安裝效果圖

光伏陣列的組串計算依據電池組件在串聯過后，最佳工作電壓（Up）和開路電壓（Uoc）均應處于逆變器的電壓范圍之內。再根據：Up應該大于逆變器的輸入電壓的最小值，可以得到光伏板串聯數量的最小值；Uoc應該小于逆變器的輸入電壓的最大值，可以得到光伏板串聯數量的最大值。

本碼頭選擇的是300Wp 的PERC 晶體硅光伏板，再由表1 和表2 中的設備相關參數，可以由下列公式進行計算得到光伏陣列的組串數量。

串聯數的最小值：

串聯數的最大值：

光伏發電系統的光伏電池陣列發出的電能總功率不能超過所選逆變器的功率，而本工程所選的逆變器功率為100kW，由此計算可得光伏板并聯的數量不大于5。再由串聯光伏板功率的的限制，計算的一個串聯組的光伏板數量不大于22，則串聯組的工作電壓為，在所選逆變器的電壓范圍之內，滿足所選逆變器的要求。

根據以上所選光伏組件、件雜倉庫屋面布局以及逆變器的特性，將22 個PERC 晶體硅光伏板串接成一條支線，每3 條支線通過匯流箱形成一個組合，再每5 個匯流箱形成一個整體，這樣形成的整體包含330 個光伏板，容量為99kW，滿足所選逆變器的功率限制要求，最后將這個整體接入到1 臺100kW 的組串式逆變器。

本碼頭共4 座件雜倉庫，其中，每座件雜倉庫屋面安裝1320 塊太陽能光伏組件，則4 座倉庫屋頂光伏發電系統總裝機容量為396kW。根據上述相關計算可知，為滿足碼頭用電負荷需求，需要配置4 臺100kW 的逆變器才能滿足要求。輸出到交流母線上，供給負荷、儲能原件或者通過逆變器直接輸出到電網。圖2 為光伏陣列排布圖。

圖2 光伏陣列排布圖

3.3 并網

3.3.1 并網

本工程采用分布式并網的運行方式，即光伏發電系統中的各種設備組成的綠色發電網絡，經過逆變器轉換成標準的50 赫茲交流電后接入公共電網。兩個相互配合，從而實現400kW 的并網發電，保障本工程用電設備的負荷需求。

3.3.2 部分電氣設備的選擇

（1）匯流箱的選擇。本工程擬選用標準4 口匯流箱，即三進一出組串式匯流箱，它能夠減少與逆變器連接線路的后端的動力電纜，加強系統的穩定性，同時也能提高電能質量，方便維護。

（2）蓄電池的選擇。本工程選擇較為常用的鋰離子蓄電池，它是近年來發展最快的一種電池技術，綠色環保不含鉛、汞、鎘等有害物質，在同等容量的蓄電池中具有高能量密度、輕量化和長壽命等特點。

3.4 效益分析

3.4.1 經濟效益

本工程4 座倉庫屋頂面積15000m2，安裝的光伏發電系統總裝機容量為396kW，工程所在地為四川攀枝花金沙江側，每年日照峰值平均時間約為6.5h/d。

通過以下公式可計算本工程光伏系統的發電量：

上式中，Q 為光伏系統年發電量，W 為光伏系統裝機容量，T 為年太陽光照峰值小時數，為光伏發電系統總效率，由此可計算得出首年發電量：

根據目前已建光伏發電系統工程的使用效果，統計的相關數據表明，系統10 年內的發電量利用率約可達90%，30 年內的發電量利用率可達80%。可知本工程30 年的平均年發電量約為67.65 萬kWh。經查詢得知攀枝花商業用電單價約為0.6 元/kWh，則每年可節約電費大約為40.59 萬元。

3.4.2 環境效益

光伏發電系統從建成至拆除回收的整個運行期內是免維護或者少維護的，期間均不會產生任何廢氣、廢水、廢渣等廢棄物，能實現真正意義上的“零排放”。經測算，在考慮后期回收的基礎上，光伏發電系統的二氧化碳排放量為33～50g/kWh，而燃煤發電的二氧化碳排放量為1072.4g/kWh。由此可見，利用太陽能的光伏發電系統在減少二氧化碳排放方面具有絕對優勢。二氧化碳排放量約減少691.65t，能有效改善生態環境質量。

4 結束語

綜上所述，光伏發電系統既可以在經濟上減少碼頭工程的運營成本，又可以減少碼頭工程的二氧化碳排放量，能有效改善生態環境質量，是現階段碼頭工程節能減排的有效手段，具有可持續性、環境優化的優勢。