光伏發電技術在海島供電中的應用再探討

鄭永高 / 葛福余

(1.海軍后勤部軍港管理局，北京100841； 2.海軍工程設計研究局，北京 100070)

1 引言

筆者曾在2011年就光伏發電技術在海島供電中的應用寫過一篇小文[1]。可再生能源中的太陽能，因其清潔環保、永不衰竭的特點被譽為“黃金電”。在海島可利用的可再生能源中，太陽能應是首選。風能利用受海島空間場地、氣象條件限制，存在投資成本高、經濟性差、抗臺風困難等諸多問題。而海島周圍波浪能、海流能雖十分豐富，但因其利用技術尚不夠成熟，投資效益比差等因素，目前沒有具體工程應用報道。

太陽能利用，即光伏發電已在海島供電中有了實際運用，取得了一些運行經驗，解決了若干技術難題。同時我們也深深感到：光伏發電應用到海島，尤其是應用于小型島礁的供電卻非易事，還有許多技術難題有待解決，本文試就這些問題作進一步探討。

2 光伏發電設施要適應海島的特殊環境

海島，尤其是我國西沙、南沙群島的島礁，自然環境特別嚴酷：高溫、高濕、高鹽霧，金屬設施在“天然腐蝕箱”環境中受腐蝕嚴重[2]，即使是不銹鋼316L器件也不能幸免。海島光伏發電建設，設施設備防腐是首先必須解決的問題。在實際工程中，筆者曾采用將光伏組件框架整體深度氧化加工工藝，以解決邊框截斷處防腐能力薄弱的問題。此外，采取的措施還包括：做好組件邊框和支架間的原電池防腐蝕隔離；電子電力線路板和裸露接頭處涂敷823防腐漆；配電裝置防護等級選用IP65以上。

在我國南海，臺風頻繁，風力超強。2013年11月10日，筆者親歷了“海燕”臺風的威力，臺風直接掀翻、摧毀了碼頭配電箱，場景驚心動魄。光伏組件安裝在屋頂上，設計人員必須對光伏發電設施的防護予以足夠重視。施工階段，要注意將光伏組件框架和屋頂結構緊密聯接固定，不能簡單支撐固定在屋頂上，框架和屋頂之間不能留有空隙。光伏組件框架用材要有足夠厚度和強度。根據實踐經驗，框架板厚不宜小于2.5mm，戶外配電箱箱體宜為3mm厚的不銹鋼并加防腐漆涂敷。

3 儲能是光伏發電系統在海島供電中的瓶頸

太陽能是間隙性、波動性能源，夜間海島用電負荷主要是空調、制冷、照明、通訊，而此時光伏發電系統已停止發電運行。因此，儲能環節是海島光伏發電系統建設必需的環節，其主要有兩個作用：一是儲存電能，在需要用電時對外放電；二是穩定電壓，把“品質”較差的電能變為電壓穩定的電能供給用電器使用。

關于儲能，有蓄電池儲能、超導儲能、飛輪儲能、超級電容儲能等多種方式。然而真正適合海島光伏發電儲能的方式還是蓄電池儲能。根據已有工程實踐，目前常用的鉛酸蓄電池，循環次數大約700次，壽命也就2～3年。據初步估算：用電功率180kW，需配蓄電池325t。如此大量的蓄電池，搬運上海島就非常困難，2～3年報廢后回收處理又是一大難題。因此另辟蹊徑，找到能量密度高、體積小、重量輕、壽命長的新型蓄電池就成了突破這一瓶頸的關鍵所在。

3.1 全釩液流電池

釩電池是一種基于金屬釩元素的氧化還原電池儲能系統。釩電池電能以化學能的方式存儲在不同價態釩離子的硫酸電解液中，通過外接泵把電解液壓入電池堆體內，在機械動力作用下，使其在不同的儲液罐和半電池的閉合回路中循環流動，采用離子膜作為電池組的隔膜，電解質溶液平行流過電極表面并發生電化學反應，通過雙電極板收集和傳導電流，從而使得儲存在溶液中的化學能轉換成電能。這個可逆的反應過程使釩電池順利完成充電、放電和再充電。

圖1 釩電池的工作原理圖

釩電池具有能量轉換效率高、響應速度快、電池容量大、運行壽命長等特點，是目前國際上發展勢頭強勁的優秀綠色環保高效蓄能技術，廣泛應用于電力、交通、通訊、軍事等行業和領域。釩電池應用于海島光伏發電系統，尚需體液罐小型化，以便于運輸和安裝；同時輸液泵的可靠性和智能化控制都有待完善。

3.2 鎳氫動力電容電池

鎳氫動力電容電池是介于超級電容和化學電池之間的儲能器件。以氫氧化鎳為正極材料，用高能儲氫合金為負極材料，由于蓄電池負極采用了高性能儲氫合金材料，故該蓄電池具有更大的能量。既有電容器可以快速充電放電的優點，又有電化學電池儲能高的特點，而且該蓄電池不含汞、鉛等有害物質，非常有利于環境保護。其主要技術特點：

(1)工作電壓：由活性物質及電解液體系決定，工作電壓1.2V。

(2)額定容量：圓柱型(3Ah～20Ah)；方型(20Ah～10 000Ah)。

(3)具備功率特性，內阻不大于5mΩ，大電流放電能力強，可滿足5倍率電流連續放電；0.5倍率放電容量大于標稱值的100%，1倍率放電容量大于標稱值的90%。

(4)高溫性能：55℃下測試，放電容量不低于標稱值的90%。

(5)低溫性能：-40℃下測試，容量不低于標稱值的60%，在低溫下效果明顯好于鉛酸電池的放電深度、放電時間，徹底解決鉛酸電池在低于-15℃環境中放電時間大幅度減少，甚至不能放電的尷尬局面。

(6)安全性、耐振動性：按標準試驗后殼體無變形，內阻無突變。

(7)穿刺試驗和加熱試驗：按標準試驗后產品不爆炸、不起火。

具體應用時，應根據儲能方案、儲能容量、輸入輸出需要將單體電池進行串聯和并聯組配。

表1 鎳氫動力電容電池產品主要規格

表2 鎳氫動力電容電池最大充電電流和放電電流

3.3 鋰離子動力電池

鋰離子動力電池因其能量與功率之比高，壽命長，可快充，自放電小，環境友好，是海島光伏發電系統儲能的理想選擇。根據其正負極材料不同可分為LT、LC和MT三大系列。LT系列產品輸出電壓3.2V，循環壽命6 000次以上，能量密度達到130Wh/kg以上，10min內能充滿80%電量，實現了高安全，長壽命，可快充，在極端條件(火燒、水浸)下不會燃燒爆炸。LC系列產品輸出電壓4.6V，循環壽命1 000次以上，能量密度達到250Wh/kg以上。MT系列產品輸出電壓2.2V～2.4V，循環壽命10 000次以上，能量密度可達80Wh/kg以上。

必須說明，上述三類蓄電池在其他領域已有成功的應用實例，但用于光伏發電系統儲能還少見成功范例，故本文只是提出探討性意見，尚需通過工程實例驗證。

表3 各類蓄電池比較表

4 光伏發電系統的結構設計

光伏發電系統結構設計應盡可能降低運輸、施工、安裝難度。運上海島的所有系統設備、器材須由大船運至海島附近，在海上倒駁至小船轉運，風大浪高條件下兩條船均處于漂浮狀態，不僅組織實施難度較大，而且危險系數較高；此外，海島施工機具條件有限，施工、安裝困難重重。因此，海島光伏發電系統建設方案要綜合考慮運輸、安裝、工藝所需配套的設施設備，裝置應盡可能實現小型化、組裝化，單體設備最大重量不宜超過1t，確保既能滿足設計需要，又便于施工、安裝。

系統設計要實現“傻瓜”化、模塊化。上島開發人員，往往專業技術力量有限，只能從事日常簡單操作，對設備的檢修維護較為困難。系統設計要盡量提高靈活性、可靠性和維修互換性。建議故障后直接更換模塊維持運行，減少使用維護技術復雜、難度大的設備，優先選用可靠性高、維護簡單的設備。

5 結束語

本文僅是一些探討性觀點，尚需不斷總結工程實踐經驗，對各類儲能器件進行比選，選擇出適合在海島上應用的設備設施。

[1] 葛福余.光伏發電技術在海島供電中的應用探討[J].智能建筑電氣技術，2011，5(2)：11-13.

[2] 鄭永高.海島風光互補發電系統設計體會.建筑電氣[J].2012,31(2):45-49.

[3] 卓放,劉寶泉,朱一昕. 儲能技術在微型電網的應用展望[J].電能質量,2012，11.