移动式光伏电源技术研究与应用

　　摘要：太阳能光伏发电设备以其独特的优点，适合用在一些特殊地区，如偏远山区、牧区、沙漠地区、岛屿以及野外作业场合，但现有的光伏发电设备不便于移动和转场使用，不能很好地满足上述场合的使用需求。针对上述问题，文章进行了移动光伏发电技术研究和相关产品的开发，阐述了在这一领域的最新研究成果与相关应用。 　　关键词：移动式；光伏电源；无电区；光伏扶贫；太阳能；光伏发电设备 文献标识码：A 　　中图分类号：TN314 文章编号：1009-2374（2016）26-0039-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.26.019 　　1 概述 　　随着社会发展，人们的生活和工作越来越离不开电能。在一些地区如偏远山区、牧区、沙漠地区以及野外作业场合，电网覆盖不到，用电成了大问题，人们在这些场所通常采用燃油发电机等小型发电设备来发电，这种发电设备会消耗汽柴油等化石能源，使用成本高、污染大。相反，利用太阳能这种清洁、普遍的可再生能源进行发电的光伏发电设备具有显著优点：不消耗化石能源，无噪声和排放污染，运行维护成本低，使用寿命长。但现有的光伏发电设备往往需要就地施工，结构复杂，不便于移动和转场使用，不能很好地满足上述场合的使用需求。为此作者进行了移动光伏电源技术研究，并开发出了绿色环保、使用便利的移动式光伏电源产品。 　　2 光伏发电概述 　　太阳能是一种清洁、安全的可再生能源，光伏发电是利用光生伏特效应将光能直接转变为电能的一种技术。将太阳能电池组件与逆变、配电等设备配合就构成了光伏发电系统。光伏产业是全球能源科技的重要方向，也是我国初具国际竞争力的战略性新兴产业。虽然现阶段光伏发电初期投入比较高，但与常规能源发电相比，有其突出的优势，环保效益是一个方面，在其生命周期内，光伏发电较低的运维成本使其综合效益稳定可观。随着光伏发电的成本逐渐降低以及传统发电成本的上涨，光伏发电的优势将会越来越明显。从产品技术的发展来看，光伏应用的发展可以分为以下三个阶段： 　　地面光伏电站阶段：目前我国光伏产业主要还处在这个阶段。地面光伏电站需要专门的土地，适宜建设在太阳能资源丰富且土地资源充足地区，如荒地、滩涂、盐碱地等工农业利用价值低的土地，所发电能通过并网升压输送到远方负荷中心。但由于土地资源的限制和电网传输成本的增加，地面光伏电站的装机增速正在逐年下降。 　　分布式光伏发电阶段：是一种建设在用户场所或附近，以10kV及以下电压等级接入电网，所发电能以自发自用为主，多余电量由配电网进行平衡调节，且单个并网点（380V）总装机容量不超过6MW，220V用户侧单个并网点总装机容量不超过8kW的光伏发电设施。通常城镇用户可利用闲置屋顶或附属空间安装光伏并网系统，这种方式已在欧美国家广泛应用。另外，配置蓄电池或与用电设备直接匹配的离网型分布式光伏发电产品因其特有的适应性和灵活性，也具有广阔的应用空间。从2012年开始，国家相关部门开始大力推进分布式光伏发电的发展，未来5～10年，分布式光伏装机将成为光伏装机容量的主要组成部分。 　　高效、智能的光伏储能一体化阶段：未来随着微电网和智能电网技术的进步以及需求侧市场的放开，针对终端需求的光伏储能解决方案越来越重要，一方面通过技术升级实现光伏发电系统效率提升；另一方面通过智能硬件和网络服务实现智慧管控，实现发电和储能的商业模式创新。 　　3 移动式光伏电源技术研究 　　从目前的发展趋势来看，移动式光伏电源产品具有地面电站和分布式光伏所不具有的独特优势，是光伏应用的重要形式。目前市场上已出现多种可移动的光伏电源应用技术，如ZL[1**********]7.9专利公开了一种一体式光伏电源，直接在太阳能电池组件背面安装接线盒和移动电源模块，体积小、重量轻、便于携带，但只能输出直流电。ZL[1**********]3.5专利公开了一种可折叠模块化的光伏电源，包括用于安装控制模块的移动式支撑箱体、可折叠光伏支架以及安装在可折叠光伏支架上的光伏电池板，该技术具有体积小、模块化等优点，但折叠式结构往往存在可靠性低、使用寿命短的问题。上述各种光伏电源存在诸如容量小、输出模式单一、移动不便等问题，不能有效满足无电缺电地区及市电应用不便场合的用电需求。 　　笔者提出的产品原理如图1所示，主要由光伏组件、光伏控制器、逆变器、蓄电池、移动电源车组成，采用模块化结构，各个部件安装在户外专用拖车上，整机外观如图2所示，在动力装备牵引下，整个电源系统可灵活移动。 　　主要技术参数如下：（1）光伏系统容量：1～5kW（样机配置为2kW）；（2）额定输出电压：AC220V（单相）/AC380V（三相）；DC12～48V；（3）输出正弦波畸变率：0.8；（7）系统保护功能：过充电、过放电、过负荷、短路、反接、过压、漏电保护；（8）拖车：四轮拖车/两轮拖车，配有支撑腿。 　　主要功能特点如下：（1）能同时提供直流电源和交流电源，满足多种负荷需求；（2）模块化配置，使用和维护成本低、寿命长；（3）精巧的电动倾角调节机构，0°～40°大范围调节，适合各种光照条件；（4）可靠的伸缩机构和专用拖车，操作方便，便于移动，适合各种场合；（5）可配置市电充电功能，关键时刻可实现市电应急充电；（6）提供通讯接口，可接入互联网，实现远程管理。 　　综上，该移动式光伏电源技术参数可灵活配置，可为各种直流、交流负载提供电力，同时模块化的结构便于维护保养，在机动车等外力牵引下，可灵活移动和转场作业。传统离网光伏产品结构松散、可靠性差、容量偏小，仅能满足照明等基本需求，使用维护不便；而小型分布式并网产品需要固定的安装场合，占用空间，施工不便，维护成本高，且需要与市电并网，不能离网运行，只能作为补充能源。与其相比，移动式光伏电源具有独特的优势。 　　4 移动式光伏电源应用 　　基于本技术开发的光伏电源系统，实现了不依赖电网的电力供应，通过远程监控还可实现无电地区用电解决方案和远程服务，解决偏远地区运维难题。具体应用领域主要包括以下六个方面：（1）军队、野外作业：部队拉练、演习，考古探险，户外勘察等；（2）农业：灌溉、大棚供电、灭虫等；（3）兵团、牧区：灌溉、生活用电、电围栏等；（4）抗震救灾：应急供电，就地发电；（5）岛屿：无电岛屿供电、渔村生活用电、渔船应急电源（固定式方案）；（6）服务区、车站、停车场、学校：应急备用电源、电动车充电电源。 　　以无电区为例，自2000年以来，国家已通过各种方式解决了607万户、2414万无电人口用电问题，但剩下的无电地区大都是最难啃的“硬骨头”，面临电力工程建设造价高、投资资金缺口大等问题，工程推进困难。这些无电区多为“老、少、边、穷”地区，经济发展相对滞后，距离现有电网较远，交通不便，施工条件差。由于自然环境恶劣，无电地区的工程造价普遍偏高，其输变电线路、电源工程建设造价比常规工程高2～3倍。而且无电地区负荷分散，电网建成后还将面临电网利用率低、维护成本高等问题。近两年来，国家通过大电网延伸和因地制宜发展小微水电、风光互补等方式解决无电地区人口用电问题，取得了很大进展。然而由于地域辽阔、居住分散、自然条件差、经济状况差、工程投资大、施工难度大等原因，四川、青海、甘肃、西藏等部分偏远地区，还有一部分尚未彻底解决供电问题。2014年，国家能源局、国务院扶贫开发领导小组办公室联合印发了《关于实施光伏扶贫工程工作方案》，决定利用6年时间组织实施光伏扶贫工程。无电地区多数也是贫困区，光伏扶贫开拓了扶贫工作的新途径，也扩大光伏市场的新领域，移动式光伏电源产品为光伏扶贫提供了新的产品选择，也是解决最后这些无电区用电难题的理想方式。 　　再以国防应用为例，我国国境线长、接壤国家多，众多边防哨所地处偏僻的山区、分散的海岛或辽阔的草原，补给不便，生活及通信用电是个大问题。同时军队在野外拉练、演习或作战时，发电设备是重要保障，移动式光伏电源可以作为应急备用电源，一定程度上有助于降低对后勤补给的依赖。 　　针对快速增长的野外作业等电源需求，无论是地质勘探、考古发掘，还是基建施工、抗震救灾，移动式光伏电源能很好地解决对电网和化石燃料的依赖，只要有阳光，就能产生电能，满足作业需求。鉴于我国是农牧业大国，用电不便是农牧业生产普遍面临的问题。采用移动式光伏电源可为灌溉设备、黑光灯灭虫、电围栏等农牧业设备提供电源，使用便利。 　　随着人们生活水平的提高，高品质的户外旅游得到发展，房车自驾游、野外露营也将成为重要的旅游品类，该产品可以很好地发挥其移动灵活的优势，成为必备的旅行装备。景区建设也将对电源覆盖以及可靠性提出更高的要求，该产品不依赖电网、可持续供电的特征使其在该领域有一定优势，能够在旅游业大发展阶段获得一定市场。 　　5 结语 　　综上所述，移动式光伏电源技术是解决无电区及特殊用电需求的理想方式，但后续还需要不断优化，以适应市场和产业的多种需要，下一步重点研究内容包括结构小型化技术、特殊环境可靠性技术，以提高发电效率为目的的自动调节跟踪技术以及Plug and play自适应并离网技术等。 　　参考文献 　　[1] 王志新.移动光伏应急电源技术[J].高科技与产业化，2009，（6）. 　　[2] 梁高琪.无电区能源利用[J].China's Foreign Trade，2011，（12）. 　　[3] 廖东进，黄观吉.离网光伏发电系统优化设计探索 　　[J].科技创新与应用，2016，（2）. 　　作者简介：韩学志（1980-），男，河南许昌人，大盛微电科技股份有限公司工程师，硕士，研究方向：新能源技术。 　　（责任编辑：蒋建华）