移動式光伏電源技術(shù)研究與應(yīng)用

摘要：太陽能光伏發(fā)電設(shè)備以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，適合用在一些特殊地區(qū)，如偏遠(yuǎn)山區(qū)、牧區(qū)、沙漠地區(qū)、島嶼以及野外作業(yè)場合，但現(xiàn)有的光伏發(fā)電設(shè)備不便于移動和轉(zhuǎn)場使用，不能很好地滿足上述場合的使用需求。針對上述問題，文章進(jìn)行了移動光伏發(fā)電技術(shù)研究和相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)，闡述了在這一領(lǐng)域的最新研究成果與相關(guān)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：移動式；光伏電源；無電區(qū)；光伏扶貧；太陽能；光伏發(fā)電設(shè)備 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TN314 文章編號：1009-2374（2016）26-0039-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.26.019

1 概述

隨著社會發(fā)展，人們的生活和工作越來越離不開電能。在一些地區(qū)如偏遠(yuǎn)山區(qū)、牧區(qū)、沙漠地區(qū)以及野外作業(yè)場合，電網(wǎng)覆蓋不到，用電成了大問題，人們在這些場所通常采用燃油發(fā)電機(jī)等小型發(fā)電設(shè)備來發(fā)電，這種發(fā)電設(shè)備會消耗汽柴油等化石能源，使用成本高、污染大。相反，利用太陽能這種清潔、普遍的可再生能源進(jìn)行發(fā)電的光伏發(fā)電設(shè)備具有顯著優(yōu)點(diǎn)：不消耗化石能源，無噪聲和排放污染，運(yùn)行維護(hù)成本低，使用壽命長。但現(xiàn)有的光伏發(fā)電設(shè)備往往需要就地施工，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于移動和轉(zhuǎn)場使用，不能很好地滿足上述場合的使用需求。為此作者進(jìn)行了移動光伏電源技術(shù)研究，并開發(fā)出了綠色環(huán)保、使用便利的移動式光伏電源產(chǎn)品。

2 光伏發(fā)電概述

太陽能是一種清潔、安全的可再生能源，光伏發(fā)電是利用光生伏特效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。將太陽能電池組件與逆變、配電等設(shè)備配合就構(gòu)成了光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏產(chǎn)業(yè)是全球能源科技的重要方向，也是我國初具國際競爭力的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。雖然現(xiàn)階段光伏發(fā)電初期投入比較高，但與常規(guī)能源發(fā)電相比，有其突出的優(yōu)勢，環(huán)保效益是一個(gè)方面，在其生命周期內(nèi)，光伏發(fā)電較低的運(yùn)維成本使其綜合效益穩(wěn)定可觀。隨著光伏發(fā)電的成本逐漸降低以及傳統(tǒng)發(fā)電成本的上漲，光伏發(fā)電的優(yōu)勢將會越來越明顯。從產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展來看，光伏應(yīng)用的發(fā)展可以分為以下三個(gè)階段：

地面光伏電站階段：目前我國光伏產(chǎn)業(yè)主要還處在這個(gè)階段。地面光伏電站需要專門的土地，適宜建設(shè)在太陽能資源豐富且土地資源充足地區(qū)，如荒地、灘涂、鹽堿地等工農(nóng)業(yè)利用價(jià)值低的土地，所發(fā)電能通過并網(wǎng)升壓輸送到遠(yuǎn)方負(fù)荷中心。但由于土地資源的限制和電網(wǎng)傳輸成本的增加，地面光伏電站的裝機(jī)增速正在逐年下降。

分布式光伏發(fā)電階段：是一種建設(shè)在用戶場所或附近，以10kV及以下電壓等級接入電網(wǎng)，所發(fā)電能以自發(fā)自用為主，多余電量由配電網(wǎng)進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)，且單個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)（380V）總裝機(jī)容量不超過6MW，220V用戶側(cè)單個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)總裝機(jī)容量不超過8kW的光伏發(fā)電設(shè)施。通常城鎮(zhèn)用戶可利用閑置屋頂或附屬空間安裝光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，這種方式已在歐美國家廣泛應(yīng)用。另外，配置蓄電池或與用電設(shè)備直接匹配的離網(wǎng)型分布式光伏發(fā)電產(chǎn)品因其特有的適應(yīng)性和靈活性，也具有廣闊的應(yīng)用空間。從2012年開始，國家相關(guān)部門開始大力推進(jìn)分布式光伏發(fā)電的發(fā)展，未來5～10年，分布式光伏裝機(jī)將成為光伏裝機(jī)容量的主要組成部分。

高效、智能的光伏儲能一體化階段：未來隨著微電網(wǎng)和智能電網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步以及需求側(cè)市場的放開，針對終端需求的光伏儲能解決方案越來越重要，一方面通過技術(shù)升級實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)效率提升；另一方面通過智能硬件和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)實(shí)現(xiàn)智慧管控，實(shí)現(xiàn)發(fā)電和儲能的商業(yè)模式創(chuàng)新。

3 移動式光伏電源技術(shù)研究

從目前的發(fā)展趨勢來看，移動式光伏電源產(chǎn)品具有地面電站和分布式光伏所不具有的獨(dú)特優(yōu)勢，是光伏應(yīng)用的重要形式。目前市場上已出現(xiàn)多種可移動的光伏電源應(yīng)用技術(shù)，如ZL201310433397.9專利公開了一種一體式光伏電源，直接在太陽能電池組件背面安裝接線盒和移動電源模塊，體積小、重量輕、便于攜帶，但只能輸出直流電。ZL201320221353.5專利公開了一種可折疊模塊化的光伏電源，包括用于安裝控制模塊的移動式支撐箱體、可折疊光伏支架以及安裝在可折疊光伏支架上的光伏電池板，該技術(shù)具有體積小、模塊化等優(yōu)點(diǎn)，但折疊式結(jié)構(gòu)往往存在可靠性低、使用壽命短的問題。上述各種光伏電源存在諸如容量小、輸出模式單一、移動不便等問題，不能有效滿足無電缺電地區(qū)及市電應(yīng)用不便場合的用電需求。

筆者提出的產(chǎn)品原理如圖1所示，主要由光伏組件、光伏控制器、逆變器、蓄電池、移動電源車組成，采用模塊化結(jié)構(gòu)，各個(gè)部件安裝在戶外專用拖車上，整機(jī)外觀如圖2所示，在動力裝備牽引下，整個(gè)電源系統(tǒng)可靈活移動。

主要技術(shù)參數(shù)如下：（1）光伏系統(tǒng)容量：1～5kW（樣機(jī)配置為2kW）；（2）額定輸出電壓：AC220V（單相）/AC380V（三相）；DC12～48V；（3）輸出正弦波畸變率：<5%；（4）交流輸出頻率：50±0.5Hz；（5）蓄電池儲能：4.8～19.2kWh；（6）系統(tǒng)平均效率：>0.8；（7）系統(tǒng)保護(hù)功能：過充電、過放電、過負(fù)荷、短路、反接、過壓、漏電保護(hù)；（8）拖車：四輪拖車/兩輪拖車，配有支撐腿。

主要功能特點(diǎn)如下：（1）能同時(shí)提供直流電源和交流電源，滿足多種負(fù)荷需求；（2）模塊化配置，使用和維護(hù)成本低、壽命長；（3）精巧的電動傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，0°～40°大范圍調(diào)節(jié)，適合各種光照條件；（4）可靠的伸縮機(jī)構(gòu)和專用拖車，操作方便，便于移動，適合各種場合；（5）可配置市電充電功能，關(guān)鍵時(shí)刻可實(shí)現(xiàn)市電應(yīng)急充電；（6）提供通訊接口，可接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理。

綜上，該移動式光伏電源技術(shù)參數(shù)可靈活配置，可為各種直流、交流負(fù)載提供電力，同時(shí)模塊化的結(jié)構(gòu)便于維護(hù)保養(yǎng)，在機(jī)動車等外力牽引下，可靈活移動和轉(zhuǎn)場作業(yè)。傳統(tǒng)離網(wǎng)光伏產(chǎn)品結(jié)構(gòu)松散、可靠性差、容量偏小，僅能滿足照明等基本需求，使用維護(hù)不便；而小型分布式并網(wǎng)產(chǎn)品需要固定的安裝場合，占用空間，施工不便，維護(hù)成本高，且需要與市電并網(wǎng)，不能離網(wǎng)運(yùn)行，只能作為補(bǔ)充能源。與其相比，移動式光伏電源具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

4 移動式光伏電源應(yīng)用

基于本技術(shù)開發(fā)的光伏電源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了不依賴電網(wǎng)的電力供應(yīng)，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控還可實(shí)現(xiàn)無電地區(qū)用電解決方案和遠(yuǎn)程服務(wù)，解決偏遠(yuǎn)地區(qū)運(yùn)維難題。具體應(yīng)用領(lǐng)域主要包括以下六個(gè)方面：（1）軍隊(duì)、野外作業(yè)：部隊(duì)拉練、演習(xí)，考古探險(xiǎn)，戶外勘察等；（2）農(nóng)業(yè)：灌溉、大棚供電、滅蟲等；（3）兵團(tuán)、牧區(qū)：灌溉、生活用電、電圍欄等；（4）抗震救災(zāi)：應(yīng)急供電，就地發(fā)電；（5）島嶼：無電島嶼供電、漁村生活用電、漁船應(yīng)急電源（固定式方案）；（6）服務(wù)區(qū)、車站、停車場、學(xué)校：應(yīng)急備用電源、電動車充電電源。

以無電區(qū)為例，自2000年以來，國家已通過各種方式解決了607萬戶、2414萬無電人口用電問題，但剩下的無電地區(qū)大都是最難啃的“硬骨頭”，面臨電力工程建設(shè)造價(jià)高、投資資金缺口大等問題，工程推進(jìn)困難。這些無電區(qū)多為“老、少、邊、窮”地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對滯后，距離現(xiàn)有電網(wǎng)較遠(yuǎn)，交通不便，施工條件差。由于自然環(huán)境惡劣，無電地區(qū)的工程造價(jià)普遍偏高，其輸變電線路、電源工程建設(shè)造價(jià)比常規(guī)工程高2～3倍。而且無電地區(qū)負(fù)荷分散，電網(wǎng)建成后還將面臨電網(wǎng)利用率低、維護(hù)成本高等問題。近兩年來，國家通過大電網(wǎng)延伸和因地制宜發(fā)展小微水電、風(fēng)光互補(bǔ)等方式解決無電地區(qū)人口用電問題，取得了很大進(jìn)展。然而由于地域遼闊、居住分散、自然條件差、經(jīng)濟(jì)狀況差、工程投資大、施工難度大等原因，四川、青海、甘肅、西藏等部分偏遠(yuǎn)地區(qū)，還有一部分尚未徹底解決供電問題。2014年，國家能源局、國務(wù)院扶貧開發(fā)領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于實(shí)施光伏扶貧工程工作方案》，決定利用6年時(shí)間組織實(shí)施光伏扶貧工程。無電地區(qū)多數(shù)也是貧困區(qū)，光伏扶貧開拓了扶貧工作的新途徑，也擴(kuò)大光伏市場的新領(lǐng)域，移動式光伏電源產(chǎn)品為光伏扶貧提供了新的產(chǎn)品選擇，也是解決最后這些無電區(qū)用電難題的理想方式。

再以國防應(yīng)用為例，我國國境線長、接壤國家多，眾多邊防哨所地處偏僻的山區(qū)、分散的海島或遼闊的草原，補(bǔ)給不便，生活及通信用電是個(gè)大問題。同時(shí)軍隊(duì)在野外拉練、演習(xí)或作戰(zhàn)時(shí)，發(fā)電設(shè)備是重要保障，移動式光伏電源可以作為應(yīng)急備用電源，一定程度上有助于降低對后勤補(bǔ)給的依賴。

針對快速增長的野外作業(yè)等電源需求，無論是地質(zhì)勘探、考古發(fā)掘，還是基建施工、抗震救災(zāi)，移動式光伏電源能很好地解決對電網(wǎng)和化石燃料的依賴，只要有陽光，就能產(chǎn)生電能，滿足作業(yè)需求。鑒于我國是農(nóng)牧業(yè)大國，用電不便是農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)普遍面臨的問題。采用移動式光伏電源可為灌溉設(shè)備、黑光燈滅蟲、電圍欄等農(nóng)牧業(yè)設(shè)備提供電源，使用便利。

隨著人們生活水平的提高，高品質(zhì)的戶外旅游得到發(fā)展，房車自駕游、野外露營也將成為重要的旅游品類，該產(chǎn)品可以很好地發(fā)揮其移動靈活的優(yōu)勢，成為必備的旅行裝備。景區(qū)建設(shè)也將對電源覆蓋以及可靠性提出更高的要求，該產(chǎn)品不依賴電網(wǎng)、可持續(xù)供電的特征使其在該領(lǐng)域有一定優(yōu)勢，能夠在旅游業(yè)大發(fā)展階段獲得一定市場。

5 結(jié)語

綜上所述，移動式光伏電源技術(shù)是解決無電區(qū)及特殊用電需求的理想方式，但后續(xù)還需要不斷優(yōu)化，以適應(yīng)市場和產(chǎn)業(yè)的多種需要，下一步重點(diǎn)研究內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)小型化技術(shù)、特殊環(huán)境可靠性技術(shù)，以提高發(fā)電效率為目的的自動調(diào)節(jié)跟蹤技術(shù)以及Plug and play自適應(yīng)并離網(wǎng)技術(shù)等。

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作者簡介：韓學(xué)志（1980-），男，河南許昌人，大盛微電科技股份有限公司工程師，碩士，研究方向：新能源技術(shù)。

（責(zé)任編輯：蔣建華）