光伏发电系统在虾塘红树林生态养殖牧场的应用

廖乃雄 杨磊 韦瑛

广西科学院应用物理研究所 广西南宁市 530003

摘要：随着我国经济的发展，传统的粗放型的养殖方法对环境污染严重、破环生态系统，已经不能适应现代绿色、生态、环保的要求，水产养殖业必须向高效环保生态的工业化新模式转变。太阳能发电作为一种清洁环保的可再生能应用于集红树林人工湿地、池塘养殖、污染减排的一体化的现代化生态养殖模式对节能减排、保护生态环境具有重大意义。本文结合实际应用工程对太阳能发电在虾塘红树林生态养殖牧场的应用设计进行分析。

Abstract: with the development of China's economy, the traditional extensive aquaculture methods have caused serious environmental pollution and damage to the ecological system, which can no longer meet the requirements of modern green, ecological and environmental protection. Therefore, the aquaculture industry must transform to a new mode of industrialization with high efficiency and environmental protection. Solar power generation, as a kind of clean and environmentally friendly renewable energy, is applied to the integrated modern ecological breeding mode integrating mangrove constructed wetlands, pond culture and pollution reduction, which is of great significance to energy conservation, emission reduction and ecological environment protection. This paper analyzes the application design of solar power in shrimp pond mangrove ecological farming pasture.

关键词：光伏发电 生态养殖牧场 系统设计

Keywords: photovoltaic power generation; ecological breeding pasture； system design

1 前言

随着我国经济的发展，人民生活不断提高，对海产品需求的增大促进了水产养殖业的发展。滨海地区的养殖面积在增加，但传统的粗放型的养殖方法对环境污染严重、破环生态系统，已经不能适应现代绿色、生态、环保的要求，水产养殖业必须向高效环保生态的工业化新模式转变。构建滨海地区虾塘红树林生态农场，集红树林人工湿地、池塘养殖、污染减排的一体化生态系统，是对传统养殖业提升的现代化生态养殖模式。太阳能是干净、清洁、储量极为丰富的可再生能源，对虾塘红树林生态农场提供能源，可实现创新、协调、绿色、环保的发展理念。本文主要对光发电技术在北海市银海区虾塘红树林生态养殖基地的应用进行分析。

2虾塘红树林生态养殖简介

虾塘红树林生态养殖是北海滨海生态保育与利用创新基地项目，在虾塘内将红树林恢复和传统养殖业升级、污染减排结合，引领红树林可持续利用和滨海湿地修复新模式。主要由集约化的养殖池塘、沉积物过滤池、人工红树林净化湿地、净水收集区等组成。所需动力有净水回流循环水泵、池塘增氧风机，以及基地内其它动力用电和生活用电。

3太阳能光伏发电系统的设计

3.1太阳能资源

项目地址为广西北海市，属亚热带海洋性季风气候，年平均气温22.9℃，年总辐射为5039MJ/m²，年平均日照时数2009小时，平均日峰值时数为3.83h。各月辐射量见表1。

表1　北海1～ 12 月太阳总辐射(MJ/m ²)

月份	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	年
月平均辐射量	272	229	293	387	553	522	572	527	509	475	376	323	5039
各月日平均值	8.77	7.90	9.45	12.9	18.84	17.77	18.45	17.00	16.97	15.32	12.53	10.42	13.81

3.2光伏发电组件的选择

目前光伏组件根据太阳能电池片的类型不同可分为晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物薄膜太阳能电池。非晶硅太阳能电池是由沉积在玻璃、不锈钢、塑料、陶瓷衬底的半导体构成，其制造成本低、生产能耗低[1]，但目前没有解决在产品寿命、衰减、稳定性等方面较差，效率低，只有晶体硅电池的一半左右的差问题，且产量少；化合物薄膜太阳能电池主要有硒铟铜（CIGS） 和碲化镉（CdTe）硫化镉、砷化镓、碲化镉等[1]。化合物薄膜电池成本较单晶硅电池低，透光性和弱光发电性能好，且其光电转换率高，不存在衰减问题，但硒、铟、碲等都是较稀有的金属，特别是铟，天然蕴藏量相当有限产量很小，而镉对环境有较强的污染，目前铜铟镓硒组件产量极小。晶硅太阳能电池效率高、技术成熟，应用最广泛的产品，在我国市场上属于主流光伏产品。本项目选用晶硅太阳能电池，选择的太阳能电池组件技术参数见表2。

表2 太阳能电池组件技术参数

电池片型号	单 晶	最佳工作电流	9.17A
最大输出功率功率	300W	开路电压	39.8V
组建规格尺寸	1650mm×992mm×35mm	短路电流	9.78A
电池片尺寸	156×156	连接片数	6*10
最佳工作电压	32.7V	组件效率	18.48%

3.3系统运行方式的确定

光伏发电系统一般分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统两大类, 独立光伏发电系统由光伏电池方阵、蓄电池、控制器和逆变器组成, 并网光伏发电系统由光伏电池方阵、逆变器、并网控制箱、电线电缆等组成，不经过蓄电池储能, 通过并网逆变器直接将电能输入公共电网[2]。

表3独立光伏发电系统和并网光伏发电系统比较

类型	独立光伏发电系统	并网光伏发电系统
运行原理及组成	太阳辐射能直接转换为电能，通过控制器对蓄电池充电用电时蓄电池的电通过逆变器你变后输出给负载	太阳辐射能直接转换为电能后通过逆变器直接逆变并入电力电网。
特点	需要蓄电池储能，造价高,存在二次污染	无需储电，即发即用，造价低，效率高，无二次污染。

独立光伏发电系统不需要市电，可免去接引电网电源的设备及线路费用。适合于难以取得电网电源、独立的小容量用电设备，且用电设备失去电源后，不会造成特大损失的场所。但是，如果负荷较大，独立光伏发电系统需要配置大量蓄电池及大面积机房，投资增加很大。且蓄电池寿命短，3 ~ 5 年就需要更换，对环境还会造成污染，维护工作量也大。由于基地内用电负荷较大，基本是水泵等感性负载类，采用独立运行系统不但投资过大，且基地内已安装有柴油发电机，市电不经常停电，采用独立光伏发电系统作为备用电源时，不但投资过大且当蓄电池充满电时太阳能组件发出的电不能充分利用造成弃电浪费。因此，独立运行系统不太合适本基地，应采用并网运行系统。并网光伏发电系统所发出的电能并入基地内380V电网，当太阳能发电不足时由市电补充。

3.4装机容量

根据《光伏发电站设计规范》（GB 50797-2012）光伏电站上网电量计算公式

H_A——水平面上太阳能总辐照量(kW•h/m²)；

E_P ——上网发电量（kW•h）；

E_S ———标准条件下的辐照度（常数，1kW/m²）；

P_AZ ———光伏系统的安装容量（kW_P）；

K———综合效率系数。包括太阳能电池长期运行性能衰减修正系数0.96、灰尘遮挡玻璃及温度升高造成组件功率下降修正系数0.92、线路耗损0.98、逆变器效率0.98、组件安装方位角、倾角修正系数0.92。

3.4.1上网发电量E_P

对于自发自用的光伏发电系统，由于不对外买电，太阳能发电系统所发电的被用户白天所用的负载消耗，因此，用户白天用电负荷作为计算光伏发电系统的安装容量的参考值。基地内白天运行的负载有3台0.75kW循环水泵用于净水回流到养殖塘、2台7.5kW罗茨鼓风机对养殖塘进行加氧、其它空调、苗圃抽水喷淋以及临时用电5kW，其总功率为22.25 kW•h，光伏发电系统有效太阳照射时间为8小时，每天白天耗电量178 kW•h。上网发电量

E_P等于白天用电量为178 kW•h。

3.4.2水平面上太阳能总辐照量H_A

每天水平面上太阳能总辐照量都不一样，对于自发自用的光伏并网发电系统主要对白天运行的负载供电，由于不对外电网供电，电站的发电功率尽可能不大于用电负荷，以免造成浪费，最佳的取值是取一年中太阳辐照度最强的月份日平均值，这样可减小一年中太阳辐照度强使输出功率超过用电功率的天数，同时兼顾其它太阳能辐照度较小的天。由表1得，水平面上太阳能总辐照量H_A=5.125 kW•h/m²。

3.4.3装机容量确定

根据式（1）计算得出光伏系统的安装容量P_A为44.5kW，取装机容量45 kW。

3.5逆变器选择

光伏发电并网逆变器有组串逆变器、多组串逆变器、集中逆变器和组件逆变器。

组串逆变器是逆变器具有多个MMPT，每个MMPT可输入若干组光伏组串，光伏组件最佳点与逆变器不匹配的情况，在交流端并联并网不受组串间模块差异和遮影的影响；集中逆变器是很多光伏组串并联接到同一台集中逆变器的直流输入端，虽然成本低，但受光伏组串的匹配和部分遮影的影响，整个光伏系统的效率和电产能低。多组串逆变器主要是采用了集中的逆变器和组串的逆变器的特点，用来给大型的光伏的发电站发电，避免了它的缺点。组件逆变器是将每个光伏组件和一个逆变器相连，使得组件与逆变器的配合更好，但这种连接方法成本高。本项目选择组串逆变器，同时考虑逆变器自身的性能特点：①性能参数；②达到的安全规范要求及保护措施；③防水等级④信息通讯及监控；⑤技术支持与服务，产品的质保期。

选则逆变器为型号为GW50-M：功率为50 kW，输出电压380V，频率50Hz，4路MPPT输入，每路可输入太阳能从电池板路数分别为3、3、2、2，MPPT工作电压为200至1000V。

3.6并网控制箱

光伏并网控制箱作为光伏电站的总输出，是连接光伏电站和电网的配电装置，其作用是作为光伏发电系统与电网的分界点，通过安装计量和漏电、防雷保护等功能器件满足光伏并网系统的技术要求，实现对光伏系统的保护、监控。由断路器、隔离开关、计量表计、浪涌保护器、柜体等部件组成。

3.7太阳能电池板安装

冬季时气温较低虾塘需要保温，每个虾塘需要用薄膜封闭保温使虾塘内维持在一定的温度，每个虾塘都焊有铁大棚，太阳能光伏组件安装在虾塘铁大棚顶上，不另外占用其他土地。

太阳能电池板支架热镀锌C型钢与虾塘棚架接触的位置为虾塘棚架的檀条DN40热镀锌水管。其连接方式若采用焊接连存在以下问题：①C型钢底部与热镀锌水管为平面与圆弧面接触，且在屋面上看不见，只能盲焊不好操作，焊左右两点牢固性差，抗台风不佳；②焊接方式破坏镀锌层，防腐性差，受海边高盐潮湿会加速腐蚀。因此采用螺丝连接，用激光切割钻孔预加工SUS304不锈钢片， 现场直接装配。

本工程安装容量为45kW，共150块300W太阳能电池板，分6串接进逆变器，每25块串结成1串，每2串接入1路逆变器的MPPT，共接入3路MPPT。输入工作电压为817.5V，开路电压为995V，不超过逆变器的最大输入电压1000V；输入电流为9.17A。

3.8接入电网

光伏组件发出的直流电通过并网逆变器输出380V50Hz交流电进入并网控制箱后并入内部380V50Hz电力电网，即发即用，所发电被基地内负载消耗。当光伏发电系统并入的电力电网失压（即市电停电）时必须在规定的时限内将该光伏系统与电网断开，并网控制箱安装有自动开关，市电停电时自动切断，来电时延时自动闭合，同时逆变器具有市电停电自动停止工作，停止输电作用。通信方式为GPSR，通过手机APP软件可查询系统发电状态。系统接线图见图1。

图1 光伏发电系统接线图

4系统试运行数据

系统从2019年10月30日中午开通GPRS监控系统，至2019年12月20日累计发电量7172.4kW•h。11月份最高的发电量为4日，发电量为184.2 kW•h，12月份最高的发电量为7日，发电量为162.5 kW•h。

表4 2019年10月30日至2019年12月20日发电量统计

日期		10月30日		10月31日		11月 1日		11月 2日		11月 3日		11月 4日		11月 5日		11月 6日		11月 7日		11月 8日		11月 9日		11月10日
日发 电量		105.2		79.9		117.2		143.6		174.2		184.2		171.7		152.7		174.5		181.8		182.6		179
日期		11月11日		11月12日		11月13日		11月14日		11月15日		11月16日		11月17日		11月18日		11月19日		11月20日		11月21日		11月22日
日发 电量		164.6		56.5		147.4		168.5		164.5		161.8		158.5		152.5		80.8		97.7		160.7		163
	日期		11月23日		11月24日		11月25日		11月26日		11月27日	11月28日	11月29日		11月30日		12月1日		12月2日		12月3日		12月4日		12月5日	12月6日
	日发 电量		163.6		113		158.9		103.5		125.4	146.9	140.1		116.5		121.8		152.3		157.7		160.1		139.7	159.8
	日期		12月7日		12月8日		12月9日		12月10日		12月11日	12月12日	12月13日		12月14日		12月15日		12月16日		12月17日		12月18日		12月19日	12月20日
	日发 电量		162.5		155.9		153.2		143.7		143.7	138.2	127.4		124.4		128.5		38.2		58.5		132.9		85.4	97.5

5 节能效益

根据2019年我国国家能源集团供电煤耗为304.8g/kW•h，该光伏发电系统于2019年10月30日投入运行，至2019年12月20日累计发电量7172.4kW•h，节约标准煤2.186吨，减少二氧化碳排放约1.745吨，减少二氧化硫排放约0.042吨。最高发电量为2019年11月4日，为184.2 kW•h。

6 结束语

随着滨海湿地保护，海产品养殖向生态环保方向发展，太阳能发电作为一种清洁环保的可再生能应用于滨海生态养殖从环境保护和能源战略上都具有重大意义。

参考文献：

[1]王长贵，王斯成. 太阳能光伏发电实用技术[M]. 北京:化学工业出版社,2009，P47，P74～79

[2]李钟实. 太阳能光伏发电系统设计施工与维护[M]. 北京人民邮电出版社2010，P6～11

[3] 黄汉云. 太阳能光伏发电应用原理[M]. 北京:化学工业出版社,2010

[4]李安定. 太阳能光伏发电系统工程[M]. 北京:北京工业大学出版社, 2001