海岛居民供电问题及解决应用

叶明

(瑞安市农业农村局，浙江 温州 325200)

十九大报告指出，农业农村农民问题是关系国计民生的根本性问题，必须始终把解决好“三农”问题作为全党工作的重中之重。海岛基础设施差，海岛居民无法正常用电，长期依靠柴油发电机等供应电能，存在供电稳定性不足、自动化水平低等问题，严重影响海岛居民的生活质量，制约了海岛经济社会发展。为实现海岛经济发展，农民减支增收，进一步提升自动化水平，改善人居环境，首先要解决好供电问题。依托海岛丰富的太阳能资源，建设海岛光伏储能系统，一方面改善人居环境解决民生问题，另一方面吸引游客观光，带动农村消费和产业兴旺，从而实现乡村振兴。

1 海岛供电现状与推广应用光伏储能系统的意义

1.1 海岛供电现状

据2017年海岛统计调查公报统计，截至2017年底我国共有海岛11 000余个，其中有居民海岛452个，大多数沿海岛屿基础设施差，岛上居民勉强维持用水用电。其供电主要有2种模式，一种是联网，一种是离网。对于中大型群岛而言，由于对电力需求总量和可靠性均有较高要求，因此，往往通过海缆与大陆联网；而对于其他偏远小岛，由于最大负荷有限、输送距离较远、岛屿面积小，铺设海缆在技术和经济方面需要付出巨大代价。因此，更需要围绕可再生能源为核心，开发清洁可靠的海岛电网。

1.2 推广应用海岛光伏储能系统的意义

海岛太阳能资源丰富，开发海岛光伏储能系统，一方面可有效缓解海岛等电力短缺地区的需求矛盾，解决海岛地区的生活及通讯等民生问题；另一方面可为农民减支增收，带来可观的经济收益，电力稳定供应，既留住了海岛居民，又能够带动其它产业发展，能有效促进海岛经济社会发展。

2 海岛光伏储能系统的原理及特点

2.1 光伏发电系统原理

离网光伏发电系统可分为直流光伏发电系统和交流光伏发电系统以及交直流混合光伏发电系统。与直流光伏发电系统相比，交流光伏发电系统多了一个交流逆变器，可以把直流电转换成交流电，为交流负载提供电能。如图1所示，由光伏组件发电，经控制器对蓄电池进行充放电管理，并给直流负载提供电能，或通过逆变器给交流负载提供电能[1]。

图1 独立光伏的发电系统

2.2 太阳能电池板选型及安装倾角

目前占主流的太阳能电池有多晶硅、单晶硅和非晶硅等硅太阳能电池。国内几家大型太阳能电池商业化生产的光伏组件主要以多晶硅或单晶硅电池为主，其中多晶硅电池效率在17%左右，单晶硅电池效率在18%左右。由于国内市场上光伏电池需求量较大，特别是单晶硅电池由于原材料供应紧张，电池转换效率高，使得单晶硅的价格高于多晶硅。目前根据国内光伏电池产业发展现状，多以310 W单晶硅光伏组件为主。

当光伏组件水平地面安装方位角为0°(正南方向)时，根据海岛的实际、地理位置及光照情况,光伏组件设计安装倾角为25°左右,但考虑当地台风较多，角度应该适当调整，通过降低电池板角度以平衡抗风强度[2]。安装的结构示意图如图2。

图2 水平地面组件的安装

2.3 逆变器选型

逆变器是光伏电站的核心设备之一，其基本功能是将光伏电池组件输出的直流电转换为交流电。

根据当地的用电电压选择合适的逆变器，考虑到用户负载中有感性负载，在启动过程时有较大的冲击电流，同时考虑系统有临时增加负载的情况，所以逆变器功率应相对选择较大的。

2.4 控制器选型

光伏控制器主要是对太阳能电池组件发出的直流电能进行调节和控制，并具有对蓄电池进行充电、放电智能管理功能，在选型方面，可根据系统的直流电压等级和太阳能电池组件的功率配置合适的光伏控制器。

2.5 蓄电池选型

储能是独立光伏发电系统的重要组成部分，储能系统的设计是否合理直接影响到光伏发电系统的整体性能。目前我国用于太阳能光伏发电系统的蓄电池除少量用于高寒户外系统采用镍氢蓄电池外，绝大多数采用铅酸蓄电池[3]。

3 光伏储能系统在海岛建设的可行性

我国海岛分布不均，呈现南方多、北方少的特点。温州市沿海区域岛屿众多，该地区的年日照时数为1 310 h左右，平均年太阳辐射量为5 400 MJ·m-2，即1 136 kWh·m-2。

根据《太阳能资源评估方法》(QX/T 89—2008)，该地区位于较丰富带Ⅱ级地区(5 040～6 300 MJ/m2)，属于日照很丰富带(表1)。

表1 太阳能资源丰富程度等级

温州市沿海区域太阳能资源以春季和夏季较好、冬季最差为主要特征。其中，7月份太阳辐射最强，可达到565 MJ·m-2左右，1月份辐射最弱，为280 MJ·m-2左右。春、夏、秋、冬四季辐射量分别约占年总辐射量的27.5%、32.5%、22.3%和18%左右。综上所述，海岛太阳能资源丰富，日照时间长，年内变化稳定，最佳利用时间集中，适合建设光伏电站，具有较好的经济性[4]。

4 光伏储能系统的优势

太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性[5]。本文以温州瑞安市铜盘村长大岛光伏储能系统为例，分析光伏储能系统的经济效益。该项目装机容量为34.72 kW，年产电量约44 544 kWh，总投资约 50万元。

4.1 理论年发电量

该项目装有1 672 mm×991 mm太阳能电池板112块，计面积185.6 m2。

年总太阳能辐射量为5 400 MJ·m-2，换算成太阳能辐射功率为1 500 kWh·m-2。

按公式Q1=η×S×P(式中：η为电池组件光电转换效率，η=16%；S为电池组件总面积，S=185.6 m2；P为太阳能辐射功率，P=1 500 kW·h·m-2)，计算得Q1=44 544 kWh。

4.2 实际年发电量

太阳电池板输出的直流功率是太阳电池板的标称功率。在现场运行的太阳电池板往往达不到标准测试条件，输出的允许偏差是5%。因此，在分析太阳电池板输出功率时要考虑到0.95 的影响系数。

随着光伏组件温度的升高，组件两端输出的功率就会下降。对于晶体硅组件，当光伏组件内部的温度达到50～75 ℃时，输出功率降为额定时的97%，在分析太阳电池板输出功率时要考虑到0.97的影响系数。

光伏组件表面灰尘的累积，会影响辐射到电池板表面的太阳辐射强度，同样会影响太阳电池板的输出功率。根据当地积灰情况，此因素会对光伏组件的输出产生4%的影响。因此，在分析太阳电池板输出功率时要考虑到0.96的影响系数。

由于太阳辐射的不均匀性，光伏组件的输出几乎不可能同时达到最大功率输出。光伏阵列的输出功率要低于各个组件的标称功率之和。此外，还有光伏组件的不匹配性和板间连线损失等。这些因素影响太阳电池板输出功率的系数按0.95 计算[6]。

现场考虑安装角度因素折算后的效率为0.95，所以实际η=79.8%，实际Q=35 546 kWh。

4.3 效益

该项目所在地海岛无国家电网建设，依靠小型柴油发电机阶段性发电以解决渔民日常照明用电。

一般情况下柴油发电机组发电的转化效率约为31%，1 L柴油约能发电3.065 kWh。浙江省柴油价格5.14元·L-1。该项目装机容量为34.72 kW，总投资约50万元，实际年发电量为35 546 kW·h，如用柴油发电需用柴油11 597.4 L，柴油成本59 610.6元。该项目投资仅能维持柴油发电约8年。由于计算实际发电效率按最低效率计算，因此，实际时间略低于计算值。

光伏发电系统使用寿命按25 年计算，则柴油发电成本149万元，而该项目总投资约50万元，相较盈利为99万元。这个结果充分体现了光伏发电系统周期长、收益稳定的优势。

5 小结

海岛太阳能光伏发电离网供电系统，不但解决了海岛居民民生问题，避免了海岛投资建设国家电网投入大、难度大的现实，还带来了生态效益和经济效益。进一步有留住海岛人口，推动游客观光，带动农村消费和产业兴旺，从而实现乡村振兴。随着国家深入开发海岛经济政策的不断推动，海岛太阳能光伏发电离网供电系统推广应用前景更为广阔，将为促进开发海岛经济起到积极的作用。