岸边集装箱起重机太阳能供电系统的研究与应用

张锋锋 张明海 富茂华
上海振华重工（集团）股份有限公司 上海 200125

摘 要：依托岸边集装箱起重机项目，从太阳能电站设计依据、系统原理、布置与安装、后拉杆遮阴分析、关键部件选型、发电量计算及对环境贡献等几方面进行分析。经研究，每台岸边集装箱起重机每年发电量约4.7 万kW·h，可削减约48 t 二氧化碳排放，换算成森林面积为9.2 万m2，换算成煤炭能源为19 t，换算成石油能源为1.2万L。

关键词：岸边集装箱起重机；太阳能光伏电站；光伏并网逆变器；发电量

中图分类号: U653.921 文献标识码:A 文章编号:1001-0785(2018)07-0094-04

0 引言
利用丰富、清洁的太阳能资源代替传统能源，是当今世界促进经济可持续发展的趋势。有作者对公路上的监控摄像机利用太阳能供电进行了研究；有作者研究田间信息采集系统的太阳能供电，促进智能农业的发展；也有作者对通信基站利用太阳能供电进行了探索。本文依托中东某港口岸边集装箱起重机( 以下简称岸桥) 项目，结合环保、节能的原则，研究在岸桥机房屋顶布置太阳能供电系统的可行性。

本文主要研究岸桥机房屋顶设计和安装太阳能光伏发电系统。整个系统由发电部分、能量转换部分、通讯设备等组成，发电部分为光伏组件，通过逆变器进行能量转换，系统为并网系统，输出交流电源，供电给岸桥上的空调、照明灯具等辅助设备用电。无需额外加装蓄电池，整个发电过程绿色、环保。

1 供电系统设计依据
某港5 月至10 月为该港口的夏季，天气炎热, 太阳光照丰富，气温高达40℃以上。冬季为11 月至下一年的4 月，气温也将达到20℃以上。通过NASA 网站查询当地水平面上各月太阳光平均辐射量，如表1 所示为该港口的相关环境参数。

该地区年平均日辐射量5.67 kW·h/m2/ 日，该港口不仅具有丰富的太阳光资源，而且太阳辐射量也相当稳定，在该码头的岸桥上设计和安装光伏电站，具有环保和经济价值。

2 供电系统设计
1）光伏发电系统原理
岸桥太阳能电站主要由光伏组件、逆变器、通讯线路等组成，如图1 所示。光伏组件将太阳能转化成电能，输出直流电，由逆变器将它转成交流电，再经过交流分配单元进入岸桥电网。经过岸桥电网，供电给空调、照明灯具等低压用电设备，岸桥电网可以对富余的或不足的电力进行调节。本发电系统配备了MPPT（MaximumPower Point Tracking），也将其称为最大功率点跟踪控制器，对发电电压进行实时侦测，并追踪最高电压值，使系统达到最高的效率，而不会因为某单元中的光伏组件受到阴影的影响而降低整体的发电效率，从而可以保证整个系统的高效率。

由于岸桥机房屋顶四边围有1.1 m 的栏杆，左侧电气房顶上设有空调外机，机房正上方有2 根直径800mm 的后拉杆，屋顶面有很多遮阴点，其中后拉杆的遮阴将导致系统发电损失。因此，适合选用智能光伏组件。每片智能光伏组件拥有独立的最大效率跟踪点，能避免屋顶朝向、部分遮阴和单个组件模块故障等对系统整体运行的影响，可有效提升系统发电量5% 以上。根据机房顶面积，本项目可铺设108 块280 Wp 的智能太阳能光伏组件，装机容量30.24 kWp，每18 块组成一个组串，共6 个组串，其中每3 组串接入逆变器的一个MPPT 进线接口进行逆变，逆变器把直流电转化为交流电，输出到交流电源分配单元并接入机房配电柜实现并网。逆变器与机房通讯系统链接，可检测发电量及电流、电压、功率等参数。

2) 光伏组件排布与安装
岸桥机房是波纹板屋面，屋面倾角约5°，太阳能光伏组件安装在波纹板屋面上，屋面离地70 多米。为了降低风载荷对光伏组件及屋面带来的影响，光伏组件采用平铺式安装，如图2 所示。同时，考虑光伏组件及屋顶设备的后期维修，将光伏组件分成4 个区域，每个区
域之间留有维修通道，便于后期系统维护。

图1 岸桥太阳能电站原理图

图2 太阳能光伏组件屋面布置图

由于岸桥工作于海边，环境气候条件差，对防腐蚀和盐雾要求高，所有连接支架均采取热镀锌抗腐蚀处理另外，设计和施工过程中需考虑风压、风力变化系数、阵风系数等，连接支架的强度要进行抗风载荷校核。以本项目为例，在机房屋顶工字梁上预焊连接支架，将导轨用螺栓安装在连接支架上，光伏组件通过带有减振橡胶条的压块及螺栓固定在导轨上，结构简单可靠, 施工方便。

3) 后拉杆遮阴分析
在机房正上方有2 根直径800 mm 的后拉杆穿过，在太阳光直射下会对房顶铺设的光伏组件造成阴影，如选用普通光伏组件，当一块组件被后拉杆遮住阳光，会影响整个组串，整体输出功率降低。通过SKETCHUP软件从上午9 点到下午3 点时间段内后拉杆对光伏组件进行遮阴模拟，得到图3 所示的后拉杆遮阴模拟示意图。通过上述遮阴模拟图可以看出，从上午10 点到下午3 点，后拉杆都在遮挡光伏组件，从而导致系统发电量损失，根据上述遮阴情况，对普通光伏组件与智能光伏组件的发电损失做比较，如表2 所示。

图3 后拉杆遮阴模拟图

工作电压和电流、效率、输出功率公差等。结合目前电池板市场的状况，本项目选用280Wp 的智能光伏组件，转换效率可达17.12% 及以上，智能组件具有以下特性：
①追踪算法采用组件特有的参数以及高级的分析方法，综合最大功率追踪，阻抗匹配，组件与系统的历史数据统计与分析技术实现最终的优化功能；②预测电流与电压技术保障了组件始终处于最优工作状态，从而获得最大的发电量；③组件允许阴影与不同的方位角放置；④最大化利用屋顶空间。

逆变器选用与岸桥主电控同品牌的ABB 光伏并网逆变器，其功率一般在20 ～ 30 kW，适合用于光伏组件容易被阴影遮挡的场合。并网逆变器具有以下主要优点：对发电量提升约2%；不需要直流汇流箱和防雷配电柜；成套设备，现场安装方便；不需要风扇冷却，维护工作量 ；如果发生故障，能快速更换新设备；兼容性强，支持组件混用。

如选用普通光伏组件，在一个组串中如有一块光伏组件遮阴导致整个组串的输出功率降低，损失系数很大。选用智能光伏组件，光伏组件的遮阴不会影响组串的输出功率，损失系数较小。每片智能光伏组件拥有独立的最大效率跟踪点，后拉杆对某块或某几块智能组件遮阴，仅会影响到这块智能组件，不会影响到组串中的其他组件效力，避免了后拉杆遮阴对系统整体运行的影响，可有效提升系统发电效率17.9%，提高投资收益。

4) 关键部件选型
系统的核心部件是光伏组件，其各项参数为：工作电压和电流、效率、输出功率公差等。结合目前电池板市场的状况，本项目选用280Wp 的智能光伏组件，转换效率可达17.12% 及以上，智能组件具有以下特性：
①追踪算法采用组件特有的参数以及高级的分析方法，综合最大功率追踪，阻抗匹配，组件与系统的历史数据统计与分析技术实现最终的优化功能；②预测电流与最大的发电量；③组件允许阴影与不同的方位角放置；

④最大化利用屋顶空间。逆变器选用与岸桥主电控同品牌的ABB 光伏并网逆变器，其功率一般在20 ～ 30 kW，适合用于光伏组件容易被阴影遮挡的场合。并网逆变器具有以下主要优点：对发电量提升约2%；不需要直流汇流箱和防雷配电柜；成套设备，现场安装方便；不需要风扇冷却，维护工作量 ；如果发生故障，能快速更换新设备；兼容性强，支持组件混用。

3 发电量计算及对环境的贡献
3.1 系统效率及发电量计算
1) 光伏阵列效率 能量转换过程损失包括： ①组件匹配损失约3%； ②最大功率点跟踪（MPPT）
精度取3%； ③ 组件表面尘埃遮挡损失取5%；④ 太阳光辐射损失取3%； ⑤ 温度过高导致输出
功率下降5%。综合以上各项因数， 其效率为η 1=97%×97%×95%×97%×96%=82.4%。

2) 直流输电效率 直流系统损失包括直流网络损失和逆变器损失，直流输电效率取η 2=97％。

3) 交流并网效率 电能传输效率，包括升压、变压和线路损耗，取η 3=98%。

4) 沙尘暴天气的影响 用MEteonorm 7.0 软件对太阳能进行模拟时，一定程度上也考虑到雾霾天气对晴空指数的影响，其损失η 4 取 97%。系统总效率η =η 1×η 2×η 3×η 4=82.4%×97%×98%97%=76%，在此效率下进行发电量计算，结果见表3。

3.2 光伏发电对环境的贡献
本项目太阳能装机容量30.24 kWp，对保护环境具有一定的贡献。每年发电约47 591 kW·h, 可削减二氧化碳排放量47 972 kg, 换算成森林面积为92 327 m2, 换算成煤炭能源为19 t, 换算成石油能源为11 576 L。

4 结论
1) 在太阳光辐射量充足、稳定的码头，可建设岸桥机房屋顶光伏发电站，为岸桥上的一部分低压设备供电，实现社会、环境和经济效益。

2) 岸桥机房屋顶有后拉杆遮阴，选用具有最大效率跟踪的智能光伏组件能有效提升系统发电效率17.9%，可提高投资收益。

3）280 Wp 高效智能光伏组件转化率达17.12%，与普通光伏组件相比，可减少6 块光伏组件，节省的占地面积可以当作维护区。

4）该岸桥太阳能供电系统装机容量30.24 kWp，对保护环境具有一定的贡献。

参考文献
[1] 陈秀红. 汽车空调的太阳能供电控制系统的研究与设计[D]. 上海：东华大学，2016(5).
[2] 田盟刚. 高速公路隧道太阳能供电系统设计与研究[D].西安：长安大学，2012(12).
[3] 郎琪. 移动通信基站太阳能供电系统的可行性研究[D].北京：北京邮电大学，2012(5).
[4] 赵璐莹, 任振辉, 王娟, 等. 基于太阳能供电的田间信息采集系统设计[J]. 中国农机化学报，2015,36(4):7.
[5] 严芳芳，张曙光，索雪松，等. 农业大棚太阳能供电数据采集系统设计[J]. 农机化研究，2013,5(5).
[6] 钟渝，刘名武、马永开. 草原无电户太阳能供电服务管理策略[J]. 预测，2011，30(6).
[7] 杨晓宇, 王运涛. 通信基站太阳能供电系统设计[J]. 电力系统通信，2007,28(176):6.
[8] 石志刚，朱建军. 高速公路监控摄像机太阳能供电方案设计研究[J]. 北方交通，2006（11）.