移動式光伏設(shè)備典型結(jié)構(gòu)及概念設(shè)計

摘?要：在全球低碳經(jīng)濟(jì)與能源革命的大趨勢和國家“碳中和、碳達(dá)峰”的大目標(biāo)下，由于光伏資源稟賦優(yōu)異，光伏產(chǎn)業(yè)成本快速下降，光伏發(fā)電將從輔助能源成長為主力能源，給相關(guān)行業(yè)帶來廣闊增量空間。本文介紹國內(nèi)移動式光伏設(shè)備現(xiàn)狀并分析了原因，還介紹了國內(nèi)外移動式光伏設(shè)備的典型結(jié)構(gòu)，并分析不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣勢。根據(jù)分析結(jié)果提出了移動式光伏設(shè)備的一種概念設(shè)計。

關(guān)鍵詞：移動式；光伏；典型結(jié)構(gòu)；概念設(shè)計

光伏發(fā)電主要分為集中式和分布式兩種。常見的分布式光伏的光伏組件為固定安裝方式，而移動式光伏發(fā)電設(shè)備，能夠滿足野營場地、農(nóng)牧區(qū)、荒漠、高原、海島等多種遠(yuǎn)離電網(wǎng)地區(qū)及移動場景的發(fā)電需求，在分布式光伏市場的進(jìn)一步細(xì)分市場中具備較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1?移動式光伏設(shè)備國內(nèi)現(xiàn)狀及原因

1.1?移動式光伏設(shè)備國內(nèi)現(xiàn)狀

經(jīng)查閱相關(guān)公開信息，國內(nèi)關(guān)于移動式光伏設(shè)備主要有以下信息：

2011年2月24日，中國電力科學(xué)研究院成功研發(fā)了適用于牧民用電需要的移動式光伏電站。該移動式光伏電站采用模塊化的設(shè)計思路，由移動光伏組件、一體化控制箱體組成。該電站拆裝簡捷、運(yùn)輸方便，可滿足非專業(yè)人員和游牧民快速組合拆裝。

據(jù)2018年5月上海振華重工消息，振華重工成功研發(fā)移動箱式光伏電站。該電站采用了可移動的箱式形式，將太陽能光伏電池板、控制器、逆變器、蓄電池等所有設(shè)備全部集成在符合ISO標(biāo)準(zhǔn)的集裝箱內(nèi)，可隨時自由移動。該電站配備了電池板伸展機(jī)構(gòu)，電池板組件與集裝箱集成在一起，可進(jìn)行自動伸展、收縮。

據(jù)2021年1月媒體報道，上海化工區(qū)漕涇移動式光伏電站采用了桁架架構(gòu)與配重塊連接成網(wǎng)格狀陣列，最底下是一個基座，基座上安裝支架，支架上鋪設(shè)光伏板，這個基座便于拆卸，可以異地再次安裝；同時，用可拆卸連接的標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件，方便配重模塊和支架的安裝、拆卸及轉(zhuǎn)移，從而進(jìn)一步提高可移動性。

據(jù)2022年6月媒體報道，湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生研發(fā)的移動光伏電站，從底座、支架到光伏板可以任意組裝；設(shè)萬向輪，可根據(jù)需求調(diào)整電站位置，還增設(shè)了萬向角調(diào)整光伏板的方向。用卡扣連接底座支架，可便捷增減光伏板數(shù)量。

1.2?國內(nèi)現(xiàn)狀原因分析

從上述信息來看，可以推測出以下結(jié)論：

1.2.1?國內(nèi)移動式光伏設(shè)備起步早、應(yīng)用少

原因有：一是光伏發(fā)電在發(fā)電時間、發(fā)電強(qiáng)度等方面不穩(wěn)定，適應(yīng)性較差；二是早期的移動式光伏設(shè)備在移運(yùn)性等方面設(shè)計不完善，部署成本較高；三是產(chǎn)品使用和維護(hù)保養(yǎng)需要一定的專業(yè)知識，用戶存在學(xué)習(xí)成本、移動式的應(yīng)用環(huán)境導(dǎo)致的售后服務(wù)成本較高。

1.2.2?移動式光伏應(yīng)用技術(shù)門檻低，缺乏通用的、模塊化的、可大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品

移動式光伏設(shè)備屬于集成應(yīng)用產(chǎn)品，本身技術(shù)門檻較低，而且目前的解決方案還停留在簡單集成應(yīng)用階段，缺乏能夠打動客戶的產(chǎn)品。

1.2.3?移動式光伏設(shè)備需要精準(zhǔn)的細(xì)分市場定位和核心技術(shù)

移動式光伏設(shè)備需要進(jìn)一步研究移動式光伏的應(yīng)用場景，找準(zhǔn)細(xì)分市場，挖掘產(chǎn)品價值，研發(fā)核心技術(shù)，降低產(chǎn)品成本。

1.2.4?移動式光伏設(shè)備與儲能結(jié)合才能得到更廣泛的應(yīng)用

光伏發(fā)電在發(fā)電時間、發(fā)電強(qiáng)度等方面存在不穩(wěn)定性，如一天內(nèi)不同時間段太陽的照射強(qiáng)度、陰天和雨天的太陽照射強(qiáng)度、一年四季的太陽照射強(qiáng)度等因素都會影響供電的穩(wěn)定。而儲能系統(tǒng)可以通過充放電平衡光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性，然后穩(wěn)定地向電網(wǎng)供應(yīng)。因此，移動式光伏設(shè)備應(yīng)配套相應(yīng)的儲能系統(tǒng)。

2?國內(nèi)外移動式光伏設(shè)備典型結(jié)構(gòu)

下面優(yōu)選國內(nèi)外比較典型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1?比利時Jans?Creacar公司的光伏集裝箱

該產(chǎn)品的主要特征是：在運(yùn)輸狀態(tài)下，光伏組件通過翻轉(zhuǎn)、層疊方式收納于集裝箱內(nèi)；在工作狀態(tài)下，光伏組件展開為一個近似平面。由于工作狀態(tài)類似于雷達(dá)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)以下簡稱“雷達(dá)式”。

產(chǎn)品總重27噸；最大高度11.3米；操作直徑19.3米；配置104塊太陽能電池板，峰值功率37.44kW；電池功率范圍為72～120kWh。

該光伏到達(dá)現(xiàn)場時，無須外部電源或起重機(jī)，而是用內(nèi)置的液壓支撐將自身從集裝箱拖車中抬起。部署時，通過內(nèi)置伸縮柱將光伏板提升到集裝箱上方，層疊在左右兩側(cè)的光伏板依次展開，然后通過液壓缸將左右兩側(cè)向上翻轉(zhuǎn)，使其表面垂直于太陽。整個表面可以沿太陽方向繞伸縮柱旋轉(zhuǎn)，光照跟蹤系統(tǒng)確保光伏板始終以最佳方式朝向太陽。光伏板會自動平放，可以承受10級風(fēng)力。

雷達(dá)式的主要特點(diǎn)是：自動化程度高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。

2.2?法國Akuo公司的移動光伏集裝箱

該產(chǎn)品的主要特征是：光伏組件固定安裝于若干框架內(nèi)，框架彼此成對、首尾水平鉸接形成可展開可折疊的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可在預(yù)制的軌道上展開和收回。由于光伏組件展開后類似起伏的波浪，該結(jié)構(gòu)以下簡稱“波浪式”。

該移動光伏集裝箱可包含200個光伏模塊，最大額定功率為134kWp。半自動電力驅(qū)動裝置將移動光伏系統(tǒng)沿著約130米的軌道部署到工作位置。該光伏集裝箱既不需要電纜溝槽和重型起重設(shè)備，也不需要壓實(shí)的地面。

波浪式結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是：單個集裝箱可容納更多的光伏組件，占地面積大。

2.3?德國Faber?Infrastructure公司的光伏集裝箱

該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)也是折疊式，可容納64塊光伏組件，但是又與波浪式的折疊方式不同。該結(jié)構(gòu)有兩大主要特征：一是安裝光伏組件的若干框架之間的鉸接方式不同于波浪式的水平方向，而是豎直方向的。二是框架展開后光伏組件還可以繞框架旋轉(zhuǎn)以便調(diào)節(jié)安裝傾角。根據(jù)其展開方式，該結(jié)構(gòu)以下簡稱“豎直折疊式”。

2.4?振華重工集裝箱式移動光伏電站

該款產(chǎn)品最大特點(diǎn)是在40英尺的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)部集成光伏電池板、控制器、逆變器、蓄電池等所有設(shè)備。通過簡單的電動或手動操作，就可以展開光伏板進(jìn)行正常用電。其主要結(jié)構(gòu)與法國Akuo公司的類似。

3?移動式光伏設(shè)備典型結(jié)構(gòu)分析

3.1?雷達(dá)式、波浪式、豎直折疊式的優(yōu)缺點(diǎn)對比

3.2?分析指標(biāo)

移動式光伏設(shè)備首先應(yīng)具備良好的移運(yùn)性，因此分析指標(biāo)不比較外形尺寸和重量。

移動式光伏設(shè)備的分析指標(biāo)可以分為以下四類：第一類主要從成本考慮，包括設(shè)備采購成本和設(shè)備運(yùn)維成本。第二類主要從移運(yùn)性考慮，包括部署時間、部署所需機(jī)具和人員、部署自動化程度。第三類主要從設(shè)備功能考慮，包括光伏標(biāo)稱功率、安裝傾角調(diào)節(jié)功能、光照跟蹤功能。第四類主要考慮環(huán)境適應(yīng)性，包括抗風(fēng)能力、占地面積、光伏組件清潔和維護(hù)難度。

3.3?雷達(dá)式、波浪式、豎直折疊式的評分

對上文的分析指標(biāo)加上權(quán)重，每項指標(biāo)總分為10分，指標(biāo)對用戶越有利，則得分越高。評分如下：

3.4?結(jié)論

三種結(jié)構(gòu)整體評分都不高，說明指標(biāo)之間存在互斥關(guān)系。對于同一種結(jié)構(gòu)來說不能要求所有指標(biāo)都對用戶有利，在分析客戶需求時應(yīng)有針對性。

雷達(dá)式結(jié)構(gòu)和波浪式結(jié)構(gòu)權(quán)重評分更高，但優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)也很突出。雷達(dá)式結(jié)構(gòu)主打占地面積小、自動化程度高，適用于場地面積較小、對成本不敏感的用戶；波浪式則主打單個運(yùn)輸單元的光伏功率密度大，適用于場地面積大，對成本敏感的用戶；豎直折疊式結(jié)構(gòu)則介于兩者之間。

4?移動式光伏設(shè)備概念設(shè)計

下面介紹移動式光伏設(shè)備的一種概念設(shè)計。

4.1?需求假設(shè)

以油氣田開發(fā)行業(yè)為例，存在許多小規(guī)模野外施工工況，這些工況目前主要直接使用柴油或者柴油發(fā)電作為動力。柴油發(fā)電機(jī)組的缺點(diǎn)是噪聲大、能耗高、設(shè)備負(fù)荷低、修理和維護(hù)費(fèi)用高。在太陽能資源豐富的地區(qū)，考慮使用移動式光伏設(shè)備搭配柴油發(fā)電形成微電網(wǎng)，以減少柴油發(fā)電機(jī)的使用，逐步推進(jìn)油氣行業(yè)的清潔能源替代。

從上述需求來看，移動式光伏設(shè)備應(yīng)關(guān)注以下四點(diǎn)：一是設(shè)備的投資回報周期。投資回報周期要在該行業(yè)的合理范圍內(nèi)，設(shè)備的采購成本和運(yùn)維成本不能太高。二是設(shè)備針對野外環(huán)境的適應(yīng)性。由于油田環(huán)境差異較大，本文假設(shè)用戶場地面積較小，部署時間要求不高，部署時對機(jī)具和人員有一定限制。假設(shè)用戶場地位于西北地區(qū)，風(fēng)沙較大，對抗風(fēng)能力和光伏組件清潔和維護(hù)要求較高。三是設(shè)備的光伏標(biāo)稱功率選擇。由于場地限制，光伏標(biāo)稱功率不可能太大，可以考慮按照幾十個千瓦配置。四是需要配置儲能系統(tǒng)以平衡光伏發(fā)電不穩(wěn)定性，并減少柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行時間。

4.2?設(shè)計指標(biāo)

將上述需求對應(yīng)前文所述分析指標(biāo)后列表如下：

4.3?設(shè)計思路

從表3可知，最優(yōu)方案是在雷達(dá)式的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，簡化復(fù)雜的自動化結(jié)構(gòu)以降低成本，提高光伏組件清潔和維護(hù)的方便性，并盡可能地保留安裝傾角調(diào)節(jié)和光照跟蹤功能。

4.3.1?光伏組件

光伏組件可以選擇目前比較成熟的575W產(chǎn)品。根據(jù)設(shè)計要求光伏標(biāo)稱功率30～50kW，對應(yīng)的光伏組件數(shù)量為53～87塊。

4.3.2?結(jié)構(gòu)設(shè)計

在一個撬裝底座上設(shè)置四個立柱。在立柱上鉸接安裝四個光伏組件群，距離較近的兩個立柱上安裝的兩個光伏組件群位于內(nèi)側(cè)，距離較遠(yuǎn)的兩個立柱上安裝的兩個光伏組件群位于外側(cè)。撬座內(nèi)設(shè)置有四個電動缸，分別驅(qū)動四個光伏組件群繞立柱正反旋轉(zhuǎn)。相鄰兩個光伏組件群沿相反的方向旋轉(zhuǎn)。

部署時，先旋轉(zhuǎn)外側(cè)的光伏組件群，再旋轉(zhuǎn)內(nèi)側(cè)的光伏組件群。收回時則相反。每個光伏組件群包括1個安裝調(diào)節(jié)支架，安裝調(diào)節(jié)支架兩側(cè)各有一個光伏組件組。每個光伏組件組包括9塊光伏組件，整個設(shè)備一共包括72塊光伏組件。光伏組件通過電動絲桿螺旋結(jié)構(gòu)分別旋轉(zhuǎn)展開至所需安裝傾角以確保最高效的發(fā)電效率，還可增加光照跟蹤能力。

4.4?設(shè)計總結(jié)

設(shè)計方案具有以下特點(diǎn)：一是結(jié)構(gòu)比雷達(dá)式簡單，制造成本和維護(hù)成本相應(yīng)更低；二是可將設(shè)備置于其他野外營房上部，占地面積較??；三是電動化展開和收回，省時省力，但需外接儲能系統(tǒng)供電；四是可以將光伏組件放至水平位置或者直接收回以提高抗風(fēng)能力；五是光伏組件方便清洗和維護(hù)，夜晚或凌晨將光伏組件收回即可清洗和檢查；六是可以在0°～45°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)光伏組件的安裝傾角；七是可以實(shí)現(xiàn)光線追蹤功能。

綜上所述，本概念設(shè)計基本達(dá)到設(shè)計指標(biāo)要求。

結(jié)語

隨著工商業(yè)分布式光伏市場增量及市場滲透率不斷提升，隨著能源行業(yè)清潔替代進(jìn)程加快，移動式光伏設(shè)備也將迎來大規(guī)模發(fā)展的歷史性機(jī)遇。本文通過介紹國內(nèi)外移動式光伏設(shè)備的典型結(jié)構(gòu)，并提出一種概念設(shè)計方案，期望為國內(nèi)移動式光伏設(shè)備的快速發(fā)展起到拋磚引玉的作用。

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作者簡介：陳?。?974—?），男，漢族，重慶人，工程師，1995年畢業(yè)于石油大學(xué)（華東），現(xiàn)從事新能源裝備的研發(fā)工作。