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）
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
