水上加油站生活用電新能源應用的探討

常 佳

〔中國石化燃料油銷售有限公司 北京 100029〕

伴隨著水上運輸業的不斷發展，水上加油站數量也不斷增加。從重慶到上海瀏河口兩千余公里的長江干線水域，平均每四、五公里就有一家水上加油站，而有些城市港口，水上加油站密度每公里達六家之多。水上加油站快速發展的同時，節能環保形勢異常嚴峻。

由于水上加油站的加油躉船遠離岸邊,不適宜接岸電，因此大部分水上加油站采用柴油發電機供電系統。單純使用柴油發電機主要存在的問題是柴油發電機當有船舶需要加油時才啟動，加油作業結束立刻停止發電，因而水上加油站日常工作及人員生活負載供電則需依靠蓄電池組供電。這樣蓄電池組充放電次數頻繁，過充過放比較嚴重，導致蓄電池組壽命很短，需要經常更換蓄電池組，增加了運營成本，而且加油站日常用電和生活用電無法得到保障，影響員工的工作效率和生活質量。

1 水上加油站用電能耗分析

以某水上加油站為例。該水上加油站現有2臺柴油發電機機組:16kW柴油發電機主要負責船上生活、照明、消防、抽水、充電等小功率用電設備;60kW柴油發電機主要用于船上2臺3kW的大流量加油機為船舶提供加油服務使用。

由于加油機電壓、電流、功率很大,從加油躉船的使用面積大小考慮，所以本次舉例說明的新能源利用項目只針對生活用電，即60kW柴油發電機及其所帶用電負載不在新能源利用研究范圍之內。

筆者對某躉船上的生活用電設備日耗電量進行了具體統計，結果見表1。

表1 生活設備日耗電量表

基于以上考慮,新能源供電系統應該具有下列技術指標:

(1)每日提供電量不得低于58kWh；

(2)因為最大工作電流出現在兩臺壁掛式空調同時開啟時,為13.6A ，所以考慮滿足用電需求，留有一定余量，峰值工作電流應不低于20 A。

2 水上加油站可使用的新能源探討

根據水上加油站的特點，踐行綠色發展理念，可利用的新能源有太陽能、風能、水能等，以保證水上加油站用電需求。

2.1 太陽能光伏發電系統

2.1.1 光伏發電原理

光伏效應是光生伏特效應的簡稱，指光照使不均勻半導體或半導體與金屬結合的不同部位之間產生電位差的現象。它首先是由光能量轉化為電能量的過程；其次是形成電壓的過程。有了電壓，如果兩者之間連通，就會形成電流的回路。

光伏發電就是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變為電能的一種技術。這種技術的關鍵元件是太陽能電池。太陽能電池經過串聯后進行封裝保護可形成大面積的太陽能電池組件，再配合功率控制器等部件就形成了光伏發電系統裝置。

2.1.2 光伏發電系統原理

光伏發電系統是不需要通過過熱過程直接將光能轉換為電能的發電系統。主要由光伏方陣、蓄電池組、蓄電池控制器、逆變器等設備組成。光伏方陣(PV Array)又稱光伏陣列，是由若干個光伏組件或光伏板按一定方式組裝在一起，并且具有固定的支撐結構而構成的直流發電單元；蓄電池組是貯存太陽電池方陣受光照時發出的電能并可隨時向負載供電。目前光伏發電系統所使用的電池主要是以硅為基底；蓄電池控制器是為了控制整個系統的工作狀態，是能自動防止蓄電池組過充過放電的設備。逆變器分為離網逆變器和并網逆變器，將發電系統發出的直流電轉換成交流電。

光伏發電系統分為獨立光伏發電系統、光伏并網發電系統和分布式光伏發電系統。目前水上加油站只適用于離網獨立光伏發電系統。其中，根據用電負載的特點，獨立光伏發電系統還可以分為直流系統、交流系統和交直流混合系統等。

2.1.3 太陽電池組件

太陽電池組件最基礎的部分是太陽電池。太陽電池從電池結構角度分為:晶體硅太陽電池和薄膜太陽電池。目前，晶體硅太陽電池組件市場占有率最高，約占光伏組件總市場的70%～80%。晶體硅太陽電池與薄膜電池區別見表2。

表2 晶體硅太陽電池與薄膜電池對比

2.2 風能發電系統

高品質、高可靠性的小型風力發電機在我國已逐漸形成生產規模，已應用在風光互補路燈、別墅、游艇供電系統等項目上。另外，產品已批量出口歐洲、日本等發達國家。

2.2.1 風力機組的選擇及布置

2.2.2 控制部分

采用集中管理控制系統，由于應用于躉船，其面積有限，為了方便使用，同時需要占地面積最小。采用PK屏集成所用設備，包含風能控制管理模塊、柴油機充電管理模塊，集中管理控制模塊，逆變器，配電單元等。中石化江陰躉船NO.6和NO.7船只使用風柴互補供電系統方案，該系統目前運行良好，成功解決躉船生活、信息負載的用電問題。

2.3 風光互補供電系統

2.3.1 風光互補供電系統原理

風光互補發電系統主要由風力發電機組、太陽能光伏電池組、智能控制器、蓄電池、直流負載等部分組成。該系統是集風能、太陽能及蓄電池等多種能源發電技術及系統智能控制技術為一體的復合可再生能源發電系統，見圖1。

圖1 風光互補發電系統原理圖

光伏發電部分利用太陽能電池板的光伏效應將光能轉換為電能，然后對蓄電池充電，對負載進行供電。智能控制器部分根據風力大小、日照強度和負載的變化，把電能直接送往直流或交流負載的同時，把多余的電能送往蓄電池組存儲。當發電量不能滿足負載需求時，控制器把蓄電池儲存的電能送往負載，保證整個系統工作的連續性和穩定性。蓄電池部分由多塊蓄電池組成，在系統中同時起到能量調節和平衡負載兩大作用。它將風力發電系統和光伏發電系統輸出的電能轉化為化學能儲存起來，以備供電不足時使用。

風光互補發電系統根據風力和太陽輻射變化情況，分為 風力發電機組單獨向負載供電、光伏發電系統單獨向負載供電、風力發電機組和光伏發電系統聯合向負載供電三種運行模式。

在“量”增長的前提之下，實現武夷山民族地區城鎮化“質”的優化是第二步。城市在發展的過程中，難免會出現各種各樣的問題，比如說城市功能結構不合理、城市的現代哈程度不高。武夷山民族地區在發展過程中，處理好城市出現的各種問題至關重要。我們知道，城鎮化發展中，鄉村人口會大量涌入城市，城市會不可避免的出現住房緊張、水污染和大氣污染等各種污染。武夷山民族地區城鎮化一定要注意“質”的優化，“質”的優化是武夷山民族地區需要考慮的問題。

2.3.2 風光互補發電的優點

風光互補發電比單獨風力發電或光伏發電有以下優點:

(1)利用風能、太陽能的互補性，可以獲得比較穩定的輸出，系統有較高的穩定性和可靠性;

(2)在保證同樣供電的情況下，可大大減少儲能蓄電池的容量;

(3)通過合理地設計與匹配，由風光互補發電系統供電，可獲得較好的社會效益和經濟效益。

2.4 水力發電系統

2.4.1 浮管式水力發電機原理

根據水上加油站周邊水域環境，水力發電系統主要考慮浮管式水力發電機。浮管式水力發電機中的管狀收水器接收大面積平流水，其動能、壓能、位能使進入的水流逐漸增壓提速，形成具有一定勢能的流水沖擊水輪機。錐形尾水管使流經工作段的水流迅速擴散，前后段形成較大壓差，進一步大幅度提高工作段的流速，使水輪機獲得較大的總機械能，從而帶動發電機發電。浮管式水力發電機實現了利用江河、洋流、潮汐等自然流水動力進行發電。

2.4.2 浮管式水力發電機的優點

(1)浮管式水力發電機在水流速0.5m/s即可啟動發電;流速≥1m/s時，發電效果良好;流速在2m/s時，性價比最佳。而其他平流水發電裝置，流速基本需要在2m/s以上才可能正常發電。

(2)提速裝置使浮管式水力發電機獲得了動能、壓能、位能所形成的有一定勢能的總機械能，浮管式水力發電機的發電效率得到巨大提升。

(3)浮管式水力發電機設計科學。浮管管狀提速裝置將水輪發電機安裝支撐和基本懸浮等功能融為一體，使整機實現協調、高效、緊湊、經濟的綜合功能結構。

3 節能方式組合方案選擇

新能源互補供電系統的方案選擇主要考慮四季日照時間、光照強度、風力強度等自然條件。基于以上自然資源條件,可使用一種或多種新能源供電系統與柴油發電機互補發電為水上加油站提供日常用電。

3.1 光柴互補供電系統

光柴互補供電系統工作模式：蓄電池組擁有2路充電電源, 分別為太陽能電池板和16kW柴油發電機。天氣晴朗,陽光充足時,太陽能電池板給蓄電池充電, 當蓄電池組充滿電時,“電池組管理系統”發出“過充保護信號”,繼電器1斷開,太陽能電池板停止對蓄電池組充電,蓄電池組電量經過一定消耗后,繼電器1吸合,太陽能電池板對蓄電池充電。當光照條件較差,太陽能電池板所提供電量不足以滿足船上用電負載時,蓄電池電量低于某一閾值時,“電池組管理系統”發出“柴油機啟動提示信號”,16kW柴油發電機適時啟動對蓄電池組充電,蓄電池組高于某一閾值后,關斷16 kW柴油發電機。當新能源部分設備故障,導致無法使用太陽能對船上負載供電時,“電池組管理系統”發出“故障信號”和“柴油機啟動提示信號”,繼電器2斷開,16kW柴油發電機啟動,給船上用電負載提供電量(見圖2)。

圖2 光柴互補供電系統功能架構圖

3.2 風柴互補供電系統

風柴互補供電系統功能架構見圖3。

圖3 風柴互補發電系統框圖

工作方式按照水上加油站用電特點，配置2套逆變器，1套工作和日常生活負載專用，1套日常生活負載專用。工作負載保障24小時工作，同時多余電量處保障24小時日常生活負載用外，其余供照明使用。

3.3 風光柴互補供電系統

采用太陽能作為新能源復合供電系統的主要發電能源，風能作為輔助發電能源，則所需主要設備包括: 太陽能光伏電池板、太陽能控制器、風力發電機、風能控制器、蓄電池及蓄電池組管理系統、逆變器等。新能源復合供電系統架構見圖4。

圖4 新能源復合供電系統架構

當風光互補供電及蓄電池電量不夠時，系統可自動切換到用柴油發電機為水上加油站供電; 當風光互補供電恢復，蓄電池電量達到一定水平，系統自動切換到風光互補供電。

4 新能源互補節能供電系統優勢分析

4.1 經濟效益

按照一年替代柴油發電機工作時間為200d計算：50kW 發電機按平均90%負荷工作，耗油量10L/h；平均每天工作18h；則節約燃油10×18×200=18 000L，按時價7.3元/L，18 000×7.3=13.14萬元，即一年則可節約13.14萬元。

4.2 環境效益

利用風光互補供電系統既可有效減少空氣顆粒物、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、二氧化氮有害氣體的排放，又能減少污油水的泄漏對環境水域的污染；與柴油發電機組相比較，風光互補供電系統運行時無噪音影響、不需要輪機人員值守，給工作人員能提供良好的工作、生活環境。

4.3 社會效益

(1)響應國家政策要求；

(2)符合社會發展需要；

(3)培養員工和社會大眾節能意識。

5 未來水上加油站新能源節能發展的思考

5.1 目前各新能源節能供電系統的不足之處

(1)受蓄電池容量的影響，存儲額定的電能需要大量的蓄電池組，占用空間大，維護保養不便。

(2)由于船舶配電系統為交流三相四線絕緣制，蓄電池組蓄電為直流電，需要通過逆變器變換，造成系統電力損耗嚴重。

(3)受船舶甲板空間的影響，風力發電機安裝距離過近，在運轉過程中，形成渦流以及船體不平衡等原因造成四臺風機葉輪不能同時正常轉動，導致風力發電機不能輸出額定功率。

(4)風光互補供電系統的運行受天氣因素的影響較大，無風、陰天不能持續的有效的使用。

5.2 下一步節能設計思路

為了滿足水上加油站工作、生活用電需要，并且達到節約能源消耗，減少污染排放，節省建設和維護成本需求，結合風力條件、太陽輻射、水利條件，確保所在區域外部環境條件能滿足正常發電需求，根據各水上加油站的實際情況，因地制宜，采取一種或多種新能源供電系統與柴油發電機互補形式為水上加油站供電。