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【论文】光伏发电系统在岸桥上的应用

岸桥 小编 357次浏览 0个评论 扫描二维码

光伏发电系统在岸桥上的应用

吴天林

(中交第二公路工程局有限公司, 陕西 西安 710065)

摘要

为降低岸边集装箱起重机的电能消耗,研究、设计适用于岸桥的光伏发电系统。该系统采用智能光伏组件,提高发电的效率;采用热浸锌钢材作为光伏组件的支架,以防被雨水和盐雾腐蚀。为提高抗风性能,支架被焊接在机房结构上,光伏组件平铺在支架上方,并用专门的夹具固定。该系统预计每年可以发电36 000 kW·h。

关键词

港口;光伏发电;岸边集装箱起重机

 

0 引 言

环境保护已日益成为社会的热点,随着公众环保意识的逐渐增强,人们越来越倾向于使用清洁能源,其中光伏发电具有较高的认可度。

本文研究将光伏发电技术应用于岸边集装箱起重机(以下简称“岸桥”),设计适用于岸桥的光伏发电系统。

1 光伏发电相关理论

1.1 光伏发电原理

光伏发电是一种利用太阳能电池板的光伏效应,将太阳光辐射能转换为电能的新型发电系统,主要由太阳能电池板(光伏组件)、控制器和逆变器等3大部分组成,具有投资成本低、建设周期短、不受资源分布限制等优势,是近年来发展较快、经济潜力较大的新能源开发领域。

1.2 光伏发电分类

从运营模式看,光伏发电分为地面发电和分布式发电等2类。

地面发电:一般是大型的电站,与公共电网相连,共同承担供电任务。其对土地资源、光照资源和电网设施等要求较高,前期的资本投入较大,大多建设在地广人稀的地方。目前,我国新疆、甘肃等西部地区均建设有此类电站。

分布式发电:一般是由企业或个人发起的、独自建立的小型电站,首先满足自身需求,多余的电能再销售给电网,大多是利用现有建筑物,将成套的发电设备安置在屋顶上面,直接将太阳能转化为市电。分布式发电的好处是既能降低发电的碳排放量,又能通过售电获取利润。

此次岸桥上的光伏发电系统属于分布式发电。

2 光伏发电在岸桥上的应用

2.1 岸桥上安装光伏发电系统的可行性

大多数岸桥位于海边或河边,岸桥机房一般距离地面50 m或以上,机房屋顶上方没有任何遮挡,光照条件好,而且屋面平整,面积达到200 m2。因此,在岸桥上安装光伏发电系统是可行的,其发出的电能可直接供岸桥自身的辅助电气设备使用。

但是,在设计过程中需要考虑以下几个影响因素:光伏发电系统会受雨水和盐雾等的腐蚀影响;光伏组件的安装位置处于高空,受风力载荷的作用大;受太阳光照射角度的影响,岸桥拉杆在机房屋顶上形成影子,对光伏组件产生遮光效应。

2.2 光伏发电系统设计思路

首先,把光伏组件安装在岸桥机房顶上,将光能转化为电能(此时得到的是直流电),然后经过DC/AC的逆变器将直流电转化为交流电,再经过交流配电箱将相位整合,最后并入岸桥电网。岸桥光伏发电系统的逻辑示意图见图1。

【论文】光伏发电系统在岸桥上的应用

2.3 光伏发电系统在岸桥上的应用实例

在近期制造的阿联酋迪拜项目中,率先将光伏发电系统应用在岸桥上,并且试验取得成功。

2.3.1 光伏组件的排布设计

为减少光伏组件及其安装支架的重量,降低其对机房屋顶的承重影响,光伏组件在屋顶上采用平铺的方式。同时,为便于检修,在横向和纵向2个方向上,各留出600 mm宽的通道。光伏组件的安装效果见图2。

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2.3.2 光伏组件的选择

机房顶上有2根直径近800 mm的岸桥拉杆,从上午9∶00到下午15∶00,会随着太阳光照射的角度不同,在屋顶上形成影子,对光伏组件进行遮阴,影响发电效率,降低输出功率。岸桥拉杆对光伏组件的遮阴模拟见图3。

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根据上述的遮阴模拟图,将常规光伏组件和智能光伏组件放在一起进行比较,可以发现智能光伏组件的能耗平均损失系数是5.8%,常规光伏组件的能耗平均损失系数是23.70%。与常规组件相比,智能光伏组件的发电效率大幅提升。发电损失对照见表1。

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通过比较,本项目选用智能光伏组件,降低遮阴或单个组件故障对发电系统运行的影响。经计算,该项目的岸桥机房屋顶上可以铺设108块峰值功率为0.28 kW的智能光伏组件,总功率峰值可达到30.24 kW。

2.3.3 光伏组件和逆变器的匹配

为把光伏组件发出的直流电转变为交流电,需要配备逆变器。秉着高效经济的原则,此次108块智能光伏组件被等分成3个单位,分别接入逆变器的1个MPPT进线口。每个单位再被等分成6个组串,每个组串含有6块光伏组件。通过这种连接方法,逆变器把直流电逆变成380 V的交流电,输出至交流配电箱,经配电箱内的相位整合和空气开关,接入岸桥电网,从而实现与岸桥内部电网的并网。

2.3.4 光伏发电系统的监控

由于逆变器本身自带的通信端口是RS485类型的串口,而岸桥上的监控模块采用的是Profinet协议的总线,不能直接通信,因此增加1个通信协议转换装置,把RS485转换为Profinet,实现对光伏发电系统的监控。监控内容包括实时的电流、电压、功率等参数以及历史的故障信息、发电数据等。光伏发电系统的原理见图4。

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2.3.5 光伏组件支架的设计

由于安装在机房屋顶的光伏组件距离地面有50多米的高度,必须考虑风力的载荷作用,以保证光伏组件不会被风吹起或被刮走。因此,光伏组件的支架底脚被焊接在机房屋顶结构上,与其连成一体。这样做的好处在于风力的载荷不会传递至屋顶的波纹板,而是传导至机房结构,抗风能力得到进一步增强。此外,支架采用热浸锌材质的钢材制作,并且涂刷防护油漆,使其具备抵抗海边盐雾和雨水等腐蚀的能力。在支架的拼装工艺方面,采用螺栓连接,避免电焊对油漆造成破坏。

拼装步骤:先将支架底脚焊接在机房屋顶的钢梁上,接着用螺栓把支架和支架底脚连接起来。相邻的2个支架之间安装檩条,采用铆钉与波纹板连接,支架和檩条上架设支撑光伏组件的框架,采用螺栓连接。考虑到机房的振动比较大,在檩条与波纹板的波峰空隙处安装减振橡胶条,减少振动对光伏组件的影响。光伏组件平铺在框架上,使用专门的夹具进行固定。支架和光伏组件的安装示意图见图5。

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2.3.6 蓄电池的选型

光伏发电系统发出的电能如果没有用完,可以存储在蓄电池内,供夜间或者雨天使用。蓄电池的容量计算公式为

蓄电池容量=安全系数×负载日平均耗电量×

最大连续阴雨天数×低温修正系数/

蓄电池最大放电深度系数

安全系数取1.1~1.4。低温修正系数:0 ℃以上时取1.0;-10 ℃以上取1.1;-20 ℃以上取1.2。蓄电池最大放电深度系数:浅循环取0.5;深度循环取0.75;碱性镍镉蓄电池取0.85。

已知该项目的所在地属于热带沙漠性气候,全年降水稀少,年平均降水量不到100 mm,最大连续阴雨天数不足1 d。电池采用浅循环类型。此外,辅助电气设备的日平均耗电量大约为10 kAh。蓄电池容量=1.4×10 kAh×1×1/0.5=28 kAh。因此,本项目岸桥选用30 kAh的蓄电池组,就能满足使用要求。

2.3.7 效益分析

本项目单台岸桥的光伏发电系统的总功率峰值为30.24 kW,预计建成后首年发电量可达36 000 kW·h,相当于每年节约标准煤11 t,同时可减少多种大气污染物的排放。

3 结 语

本文结合光伏发电原理和岸桥特点,研究、设计适合用于岸桥的光伏发电系统,并且成功应用在实际的港口岸桥项目上,为进一步研究光伏发电在岸桥上的应用提供有益的参考。


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