張鋒鋒 張明海 富茂華上海振華重工（集團）股份有限公司 上海 200125
摘 要：依託岸邊貨櫃起重機項目，從太陽能電站設計依據、系統原理、布置與安裝、後拉杆遮陰分析、關鍵部件選型、發電量計算及對環境貢獻等幾方面進行分析。經研究，每臺岸邊貨櫃起重機每年發電量約4.7 萬kW·h，可削減約48 t 二氧化碳排放，換算成森林面積為9.2 萬m2，換算成煤炭能源為19 t，換算成石油能源為1.2萬L。
關鍵詞：岸邊貨櫃起重機；太陽能光伏電站；光伏併網逆變器；發電量
中圖分類號: U653.921 文獻標識碼:A 文章編號:1001-0785(2018)07-0094-04
0 引言利用豐富、清潔的太陽能資源代替傳統能源，是當今世界促進經濟可持續發展的趨勢。有作者對公路上的監控攝像機利用太陽能供電進行了研究；有作者研究田間信息採集系統的太陽能供電，促進智能農業的發展；也有作者對通信基站利用太陽能供電進行了探索。本文依託中東某港口岸邊貨櫃起重機( 以下簡稱岸橋) 項目，結合環保、節能的原則，研究在岸橋機房屋頂布置太陽能供電系統的可行性。
本文主要研究岸橋機房屋頂設計和安裝太陽能光伏發電系統。整個系統由發電部分、能量轉換部分、通訊設備等組成，發電部分為光伏組件，通過逆變器進行能量轉換，系統為併網系統，輸出交流電源，供電給岸橋上的空調、照明燈具等輔助設備用電。無需額外加裝蓄電池，整個發電過程綠色、環保。
1 供電系統設計依據某港5 月至10 月為該港口的夏季，天氣炎熱, 太陽光照豐富，氣溫高達40℃以上。冬季為11 月至下一年的4 月，氣溫也將達到20℃以上。通過NASA 網站查詢當地水平面上各月太陽光平均輻射量，如表1 所示為該港口的相關環境參數。
該地區年平均日輻射量5.67 kW·h/m2/ 日，該港口不僅具有豐富的太陽光資源，而且太陽輻射量也相當穩定，在該碼頭的岸橋上設計和安裝光伏電站，具有環保和經濟價值。
2 供電系統設計1）光伏發電系統原理岸橋太陽能電站主要由光伏組件、逆變器、通訊線路等組成，如圖1 所示。光伏組件將太陽能轉化成電能，輸出直流電，由逆變器將它轉成交流電，再經過交流分配單元進入岸橋電網。經過岸橋電網，供電給空調、照明燈具等低壓用電設備，岸橋電網可以對富餘的或不足的電力進行調節。本發電系統配備了MPPT（MaximumPower Point Tracking），也將其稱為最大功率點跟蹤控制器，對發電電壓進行實時偵測，並追蹤最高電壓值，使系統達到最高的效率，而不會因為某單元中的光伏組件受到陰影的影響而降低整體的發電效率，從而可以保證整個系統的高效率。
由於岸橋機房屋頂四邊圍有1.1 m 的欄杆，左側電氣房頂上設有空調外機，機房正上方有2 根直徑800mm 的後拉杆，屋頂面有很多遮陰點，其中後拉杆的遮陰將導致系統發電損失。因此，適合選用智能光伏組件。每片智能光伏組件擁有獨立的最大效率跟蹤點，能避免屋頂朝向、部分遮陰和單個組件模塊故障等對系統整體運行的影響，可有效提升系統發電量5% 以上。根據機房頂面積，本項目可鋪設108 塊280 Wp 的智能太陽能光伏組件，裝機容量30.24 kWp，每18 塊組成一個組串，共6 個組串，其中每3 組串接入逆變器的一個MPPT 進線接口進行逆變，逆變器把直流電轉化為交流電，輸出到交流電源分配單元並接入機房配電櫃實現併網。逆變器與機房通訊系統連結，可檢測發電量及電流、電壓、功率等參數。
2) 光伏組件排布與安裝岸橋機房是波紋板屋面，屋面傾角約5°，太陽能光伏組件安裝在波紋板屋面上，屋面離地70 多米。為了降低風載荷對光伏組件及屋面帶來的影響，光伏組件採用平鋪式安裝，如圖2 所示。同時，考慮光伏組件及屋頂設備的後期維修，將光伏組件分成4 個區域，每個區域之間留有維修通道，便於後期系統維護。
圖1 岸橋太陽能電站原理圖
圖2 太陽能光伏組件屋面布置圖
由於岸橋工作於海邊，環境氣候條件差，對防腐蝕和鹽霧要求高，所有連接支架均採取熱鍍鋅抗腐蝕處理另外，設計和施工過程中需考慮風壓、風力變化係數、陣風係數等，連接支架的強度要進行抗風載荷校核。以本項目為例，在機房屋頂工字梁上預焊連接支架，將導軌用螺栓安裝在連接支架上，光伏組件通過帶有減振橡膠條的壓塊及螺栓固定在導軌上，結構簡單可靠, 施工方便。
3) 後拉杆遮陰分析在機房正上方有2 根直徑800 mm 的後拉杆穿過，在太陽光直射下會對房頂鋪設的光伏組件造成陰影，如選用普通光伏組件，當一塊組件被後拉杆遮住陽光，會影響整個組串，整體輸出功率降低。通過SKETCHUP軟體從上午9 點到下午3 點時間段內後拉杆對光伏組件進行遮陰模擬，得到圖3 所示的後拉杆遮陰模擬示意圖。通過上述遮陰模擬圖可以看出，從上午10 點到下午3 點，後拉杆都在遮擋光伏組件，從而導致系統發電量損失，根據上述遮陰情況，對普通光伏組件與智能光伏組件的發電損失做比較，如表2 所示。
圖3 後拉杆遮陰模擬圖
工作電壓和電流、效率、輸出功率公差等。結合目前電池板市場的狀況，本項目選用280Wp 的智能光伏組件，轉換效率可達17.12% 及以上，智能組件具有以下特性：①追蹤算法採用組件特有的參數以及高級的分析方法，綜合最大功率追蹤，阻抗匹配，組件與系統的歷史數據統計與分析技術實現最終的優化功能；②預測電流與電壓技術保障了組件始終處於最優工作狀態，從而獲得最大的發電量；③組件允許陰影與不同的方位角放置；④最大化利用屋頂空間。
逆變器選用與岸橋主電控同品牌的ABB 光伏併網逆變器，其功率一般在20 ～ 30 kW，適合用於光伏組件容易被陰影遮擋的場合。併網逆變器具有以下主要優點：對發電量提升約2%；不需要直流匯流箱和防雷配電櫃；成套設備，現場安裝方便；不需要風扇冷卻，維護工作量 ；如果發生故障，能快速更換新設備；兼容性強，支持組件混用。
如選用普通光伏組件，在一個組串中如有一塊光伏組件遮陰導致整個組串的輸出功率降低，損失係數很大。選用智能光伏組件，光伏組件的遮陰不會影響組串的輸出功率，損失係數較小。每片智能光伏組件擁有獨立的最大效率跟蹤點，後拉杆對某塊或某幾塊智能組件遮陰，僅會影響到這塊智能組件，不會影響到組串中的其他組件效力，避免了後拉杆遮陰對系統整體運行的影響，可有效提升系統發電效率17.9%，提高投資收益。
4) 關鍵部件選型系統的核心部件是光伏組件，其各項參數為：工作電壓和電流、效率、輸出功率公差等。結合目前電池板市場的狀況，本項目選用280Wp 的智能光伏組件，轉換效率可達17.12% 及以上，智能組件具有以下特性：①追蹤算法採用組件特有的參數以及高級的分析方法，綜合最大功率追蹤，阻抗匹配，組件與系統的歷史數據統計與分析技術實現最終的優化功能；②預測電流與最大的發電量；③組件允許陰影與不同的方位角放置；
④最大化利用屋頂空間。逆變器選用與岸橋主電控同品牌的ABB 光伏併網逆變器，其功率一般在20 ～ 30 kW，適合用於光伏組件容易被陰影遮擋的場合。併網逆變器具有以下主要優點：對發電量提升約2%；不需要直流匯流箱和防雷配電櫃；成套設備，現場安裝方便；不需要風扇冷卻，維護工作量 ；如果發生故障，能快速更換新設備；兼容性強，支持組件混用。
3 發電量計算及對環境的貢獻3.1 系統效率及發電量計算1) 光伏陣列效率 能量轉換過程損失包括： ①組件匹配損失約3%； ②最大功率點跟蹤（MPPT）精度取3%； ③ 組件表面塵埃遮擋損失取5%；④ 太陽光輻射損失取3%； ⑤ 溫度過高導致輸出功率下降5%。綜合以上各項因數， 其效率為η 1=97%×97%×95%×97%×96%=82.4%。
2) 直流輸電效率 直流系統損失包括直流網絡損失和逆變器損失，直流輸電效率取η 2=97％。
3) 交流併網效率 電能傳輸效率，包括升壓、變壓和線路損耗，取η 3=98%。
4) 沙塵暴天氣的影響 用MEteonorm 7.0 軟體對太陽能進行模擬時，一定程度上也考慮到霧霾天氣對晴空指數的影響，其損失η 4 取 97%。系統總效率η =η 1×η 2×η 3×η 4=82.4%×97%×98%97%=76%，在此效率下進行發電量計算，結果見表3。
3.2 光伏發電對環境的貢獻本項目太陽能裝機容量30.24 kWp，對保護環境具有一定的貢獻。每年發電約47 591 kW·h, 可削減二氧化碳排放量47 972 kg, 換算成森林面積為92 327 m2, 換算成煤炭能源為19 t, 換算成石油能源為11 576 L。
4 結論1) 在太陽光輻射量充足、穩定的碼頭，可建設岸橋機房屋頂光伏發電站，為岸橋上的一部分低壓設備供電，實現社會、環境和經濟效益。
2) 岸橋機房屋頂有後拉杆遮陰，選用具有最大效率跟蹤的智能光伏組件能有效提升系統發電效率17.9%，可提高投資收益。
3）280 Wp 高效智能光伏組件轉化率達17.12%，與普通光伏組件相比，可減少6 塊光伏組件，節省的佔地面積可以當作維護區。
4）該岸橋太陽能供電系統裝機容量30.24 kWp，對保護環境具有一定的貢獻。
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