我國(guó)海岸線漫長(zhǎng)，擁有偏遠(yuǎn)海島數(shù)量超 過6900個(gè)，有人居住的海島433個(gè)，這些海島遠(yuǎn)離大陸，交通運(yùn)輸非常困難。在供電方面，這些海島主要采用柴油供電的方式，存在燃油補(bǔ)給困難、費(fèi)用昂貴等問題，卻往往擁有極其豐富的太陽能資源，具備光伏發(fā)電的有利條件。海島“高溫、高 濕、高鹽霧”的特殊環(huán)境，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率、使用壽命和保養(yǎng)維護(hù)產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，導(dǎo)致海島光伏發(fā)電成本高，成為光伏發(fā)電在海島推廣應(yīng)用的阻礙。因此，實(shí)現(xiàn)光伏組件的高效利用對(duì)促進(jìn)光伏發(fā)電在海島的應(yīng)用，解決海島的供電難題具有重要的意義。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)海島光伏發(fā)電的研究主要集中在含有光伏發(fā)電的電網(wǎng)運(yùn)行原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化配置和控制策略等方面。包括為了實(shí)速分布式光伏發(fā)電模塊的快速組網(wǎng)和安全運(yùn)行，提出了一種工程實(shí)用的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并通過在某海島應(yīng)用進(jìn)行了驗(yàn)證；探討了光伏技術(shù)在海島應(yīng)用過程中存在的問題，問題涉及到了光伏組件腐蝕和占地等，并提出了一種新型的光伏容量配置優(yōu)化設(shè)計(jì)方法等。本文重點(diǎn)針對(duì)海島光伏發(fā)電工程實(shí)踐中存在的具體問題，緊緊圍繞如何提高光伏發(fā)電在海島應(yīng)用效率展開，分別從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、組件防護(hù)及使用維護(hù)等細(xì)節(jié)方面提出了相應(yīng)的措施。

一、光伏發(fā)電的原理、結(jié)構(gòu)和分類

1.1 光伏發(fā)電的原理

光伏發(fā)電是一種通過太陽能電池直接將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成直流電的發(fā)電方式。太陽能電池是利用在晶體硅中摻入某些元素，如磷、硼等，使材料內(nèi)部分子電荷處于永久不平衡狀態(tài)，形成具有光—電轉(zhuǎn)換特性的半導(dǎo)體器件而制成。在太陽照射下，具有光—電轉(zhuǎn)換特性的半導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生自由電荷，這些電荷定向移動(dòng)并積累，從而在導(dǎo)體兩端形成電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)導(dǎo)體兩端閉合時(shí)便會(huì)產(chǎn)生電流，這就是太陽能電池發(fā)電的原理，也稱為“光生伏打效應(yīng)”。

1.2 光伏組件的結(jié)構(gòu)

目前應(yīng)用最廣的光伏電池為晶體硅電池，包括單晶硅和多晶硅，其中單晶硅逐漸成為主流產(chǎn)品。單晶硅光伏組件由兩層半導(dǎo)體材料組成，其厚度大約0.25ｍｍ，形成兩 個(gè)區(qū)域：一個(gè)正電荷區(qū)和一個(gè)負(fù)電荷區(qū)。負(fù)電荷區(qū)位于電池的上層，在這一層強(qiáng)迫滲透磷、硼等元素并與硅粘在一起；正電荷區(qū)位于下面，正負(fù)界面區(qū)域稱為p-n結(jié)。制造電池時(shí)p-n結(jié)被賦予了恒定的物理特性，當(dāng)陽光投射到太陽能電池內(nèi)保持松散狀態(tài)的電子時(shí)，這些靠近p-n結(jié)的電子將朝向電池的表層流動(dòng)，用金屬導(dǎo)線將太陽電池的正負(fù)極與負(fù)載相連時(shí)，在外電池路形成電流。每個(gè)太陽能電池基本單元p-n結(jié)處電動(dòng) 勢(shì)大約為0.5Ｖ，此電壓值大小與電池片的尺寸無關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用中通過對(duì)電池片的串并聯(lián)以獲得滿足應(yīng)用的電壓和電流的大小。

普通的光伏組件由上表面到背面依次為玻璃、EVA（上層）、電池片、EVA（下層）、TPT背板和鋁合金邊框等組成，如圖１所示。

圖１ 光伏電池組件的結(jié)構(gòu)

1.3 光伏組件的分類

光伏電池的根據(jù)材料、結(jié)構(gòu)、用途和工作方式的不同，可以分成以下幾類：

（1）根據(jù)光伏電池使用的基體材料可以分為：晶體硅光伏電池（單晶硅和多晶硅）、非晶體硅光伏電池、化合物光伏電池（砷化鎵、碲化鎘和銅銦鎵鎘等）和有機(jī)半導(dǎo)體光伏電池等。

（2）根據(jù)光伏電池的結(jié)構(gòu)可以分為：同質(zhì)結(jié)光伏電池、異質(zhì)結(jié)光伏電池、肖特基結(jié)光伏電池、復(fù)合結(jié)光伏電池、液結(jié)光伏電池等。

（3）根據(jù)光伏電池的用途可以分為：空間光伏電池、地面光伏電池和光伏傳感器等。

（4）根據(jù)光伏電池的工作方式可以分為：平板光伏電池、聚光光伏電池和分光光伏電池等。

二、海島環(huán)境對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響

2.1 光伏組件的衰減（PID效應(yīng)）問題

隨著光伏發(fā)電的迅速發(fā)展和普及，光伏組件的PID效應(yīng)嚴(yán)重影響組件轉(zhuǎn)換效率和使用壽命的問題頻繁出現(xiàn)，尤其是在海島環(huán)境下，PID效應(yīng)更為明顯，使海島環(huán)境下光伏發(fā)電效率降低和使用壽命縮短。PID現(xiàn)象表現(xiàn)為在高溫高濕環(huán)境下，高電壓流經(jīng)太陽能電池單元便會(huì)導(dǎo)致其輸出下降 的現(xiàn)象，實(shí)質(zhì)上是玻璃、封裝材料之間存在漏電流，大量的電荷聚集在電池片表面，使得電池板表面的鈍化效果惡化，導(dǎo)致光伏組件的FF、Isc、Voc等參數(shù)值降低，使組件性能低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，PID效應(yīng)可能是組件嚴(yán)重退化的主要原因。雖然從外觀上看不出任何與PID效應(yīng)相關(guān)的問題，但是由此而引起的組件功率衰減卻不容忽視，最大 時(shí)超過50%。到目前為止，引發(fā)光伏組件PID效應(yīng)的原因仍然不是十分明確，根據(jù)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐分析推測(cè)，與PID效應(yīng)相關(guān)的因素包括有：與潮濕程度、溫度高低相關(guān)；與組件表面被導(dǎo)電性、酸性、堿性以及帶有離子的物體的附著程度相關(guān)。另外，在實(shí)際的應(yīng)用中，晶體硅光伏組件的PID現(xiàn)象已經(jīng)被觀察到，基于電池結(jié)構(gòu)和其他構(gòu)成組件的材料及設(shè)計(jì)型式的不同，PID現(xiàn)象可能是在其電路與金屬接地邊框成正向電壓偏置的條件下發(fā)生，也可能是成反向偏置的條件下發(fā)生。但是能確定的是：與通常的情況比較，海島“高溫、高濕、高鹽”氣候條件肯定會(huì)使光伏組件PID衰減速度加快。因此，在海島環(huán)境下，使用的光伏組件必須經(jīng)過專門的處理或者選擇特殊類型的組件。

2.2 光伏支架及配件的腐蝕問題

光伏支架采用金屬材料，本身就存在腐蝕作用，而在海島環(huán)境使用的光伏支架長(zhǎng)期暴露在“三高”環(huán)境中，從而使光伏支架腐蝕呈現(xiàn)出速度快、程度重的特點(diǎn)。在海島環(huán)境環(huán)下，光伏組件支架的腐蝕主要發(fā)生在支架主材、主材與連接件和連接件之間，表現(xiàn)為支架表面的銹、浮銹、氧化皮和螺絲螺母的銹蝕等，按照其形成機(jī)理主要可以分為兩類：

（1）電化學(xué)腐蝕

在海島環(huán)境下，空氣中含有高濃度鹽霧和水分，為光伏組件的電化學(xué)腐蝕提供了條件，電化學(xué)腐蝕一般發(fā)生在兩種不同金屬之間，主包括以下３種：１）兩種不同成分的金屬接觸時(shí)，電勢(shì)較低的金屬成為陽極發(fā)生腐蝕，例如連接件與支架之間、焊縫處容易銹蝕就是這個(gè)原因；２）由于支架表面腐蝕產(chǎn)生的氧化皮的電極電位比主材鋼鐵要高，成為陰極，主材本身成為陽極而發(fā)生腐蝕；３）由于支架表面涂層會(huì)有微孔存在，空氣中的鹽霧和水可以穿過涂層產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，產(chǎn)生氧化鐵系列產(chǎn)物和氫氣，從而使涂層鼓起脫落。

（2）化學(xué)腐蝕

在海島環(huán)境中，光伏支架的化學(xué)腐蝕 是 指 其與接觸到的物質(zhì)直接發(fā)生氧化還原而被耗損的過程，屬于純化學(xué)反應(yīng)。光伏支架的化學(xué)腐蝕主要是由支架使用的金屬材料與空氣中的氧化、水直接接解所引起的，如在光伏支架表面形成腐蝕物（如氧化皮），過程無電流產(chǎn)生。

海島環(huán)境下，空氣中高濃度的鹽度和水份為金屬材料腐蝕提供了充足的條件，另外由于海島平均氣溫高使金屬離子運(yùn)行速度加快等因素，進(jìn)一步加劇了在海島使用光伏支架的腐蝕問題。

2.3 光伏組件的遮擋問題

光伏組件在使用過程中如果受光面被局部遮擋，被遮擋的光伏電池部分因光生電流減少而相當(dāng)于反向二極管，成為同一串列中其它未被遮擋光伏電池的負(fù)載，并被施以了較高的反向偏置電壓，并以熱能的形式消耗掉部分功率，形成所謂的“熱斑效應(yīng)”，這種效應(yīng)不但使光伏組件的性能和輸出功率受到嚴(yán)重影響，還會(huì)將導(dǎo)致光伏電池本身受損，縮短組件使用壽命。在海島環(huán)境下，眾多因素會(huì)造成光伏組件的局部遮檔，如鳥糞、鹽霧的結(jié)晶、樹葉、灰塵、建筑物和其它污漬等，從而使海島光伏組件發(fā)電系統(tǒng)效應(yīng)造成嚴(yán)重影響。

與大陸相比，以下3種類型的遮擋成為影響海島光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的重要原因：

（1）鳥類的糞便

海洋上鳥類種類繁多、數(shù)量龐大，而棲息地卻很少，海島成為了海洋鳥類主要的棲息地，由此而產(chǎn)生的大量海鳥糞便成為了光伏組件的遮擋物。

（2）鹽霧的結(jié)晶

由于海水的運(yùn)動(dòng)形成了大范圍鹽霧，導(dǎo)致海島空氣中含鹽濃度比大陸和海邊高得多，這不僅對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)中的含有金屬材料的設(shè)備具有腐蝕作用，還會(huì)伴隨著溫度和空氣中水份蒸發(fā)的變化在光伏組件的表面（包括上表面和下表面）析出大量的晶體鹽，嚴(yán)重影響到了光伏組件的受光強(qiáng)度和發(fā)電效率。

（3）建筑物的遮擋

海島陸地資源稀缺，各種類型的設(shè)施設(shè)備繁多，可為光伏發(fā)電利用的陸地資源更是有限，光伏組件周圍很有可能存在較高的建筑物和設(shè)施設(shè)備，如樓房、信號(hào)發(fā)送和接收塔、各種類型的天線、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組等，一旦設(shè)計(jì)規(guī)劃不合理就有可能會(huì)造成光伏組件的遮擋，從而影響到光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率。

2.4 光伏系統(tǒng)的浪費(fèi)問題

目前，在海島的光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，較多地存在設(shè)計(jì)容量不合理的情況，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的獨(dú)立供電，忽略了后備電源柴油發(fā)電機(jī)的作用，在設(shè)計(jì)和投入時(shí)用很大代價(jià)來應(yīng)對(duì)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的極端情況，而在實(shí)際應(yīng)用中這些極端情況卻是很少發(fā)生，甚至在光伏系統(tǒng)使用壽命內(nèi)都從未出現(xiàn)過，只是在歷史數(shù)據(jù)中提到過，從而造成了很大浪費(fèi)。

另外，在海島光伏發(fā)電系統(tǒng)中還可能由以下兩方面原因?qū)е孪到y(tǒng)的浪費(fèi)：

（1）數(shù)據(jù)缺乏及失真

海島遠(yuǎn)離大陸，多數(shù)地方氣象資料缺失不全、甚至沒有，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用數(shù)據(jù)均來自于互聯(lián)網(wǎng)或者以周圍靠近的區(qū)域作為參考，具有一定的誤差。據(jù)目前投入使用的光伏系統(tǒng)來看，互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)存在一定差距，實(shí)際太陽能資源數(shù)普遍要好于互聯(lián)網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)，如果按照實(shí)際情況則可能節(jié)省大量的投入。

（2）負(fù)荷分析

海島光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，負(fù)荷情況往往由使用人員提出，為了確保自身的供電可靠性，使用人員提供數(shù)據(jù)具有一定的夸大性，使用系數(shù)過高，導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員掌握的負(fù)荷情況失真，而在使用過程中出現(xiàn)棄光的現(xiàn)象，從而造成浪費(fèi)。

三、海島環(huán)境下光伏組件高效利用措施

3.1 光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了確保海島光伏發(fā)電系統(tǒng)作用得到充分發(fā)揮，必須從光伏發(fā)電系統(tǒng)的始端開始牢牢把握住設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，注意以下幾個(gè)方面的問題：

（1）統(tǒng)籌考慮海島供電裝備和負(fù)荷情況，從最佳投入／產(chǎn)出比出發(fā)，抓住主要矛盾，在條件允許的情況下考慮以光伏發(fā)電和其它供電設(shè)備互補(bǔ)的發(fā)電形式，以及采用分級(jí)供電的方式優(yōu)先保證重要負(fù)荷的用電，避免一味的通過增大光伏組件安裝容量來提高供電量和可靠性，使系統(tǒng)性價(jià)比下降，甚至造成浪費(fèi)。

（2）掌握真實(shí)的一手?jǐn)?shù)據(jù)資料，結(jié)合實(shí)際情況分析負(fù)荷使用時(shí)間和頻率，合理選擇負(fù)荷相關(guān)的系數(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)太陽資源要進(jìn)行真實(shí)評(píng)估，并根據(jù)實(shí)際對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)中的電能變換及控制單元進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和調(diào)整，使光伏發(fā)電系統(tǒng)做到安全可靠、物盡其用。

（3）根據(jù)光伏組件周圍建筑物、設(shè)施和海島的規(guī)劃布局情況，結(jié)合季節(jié)變化引起的太陽光與光伏組件間的入射角變化，確保光伏組件做到無遮擋。

3.2 光伏組件的抗PID衰減

根據(jù)對(duì)PID效應(yīng)形成原因的分析，可以針對(duì)性地采取一些措施抑制PID效應(yīng)的發(fā)生或 減緩其發(fā)生的速度，目前主要有兩種方式：

（1）從組件的選擇入手

從目前來看，光伏組件的表面玻璃、EVA和背板為PID效應(yīng)提供重要了物質(zhì)基礎(chǔ)，這可以通過采用石英玻璃替換普通玻璃、嚴(yán)格控制EVA質(zhì)量或替換EVA、選擇雙面玻璃形式取代背板等方式抑制PID效應(yīng)。另一方面，由于濕度是PID現(xiàn)象產(chǎn)生的因素之一，使組件的封裝成為常關(guān)鍵一環(huán)，這可以通過選擇生產(chǎn)工藝控制嚴(yán)格、質(zhì)量過硬的產(chǎn)品進(jìn)行控制。

（2）從系統(tǒng)設(shè)計(jì)入手

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用串聯(lián)光伏組件的負(fù)極接地，避免PID效應(yīng)的發(fā)生。另外，在 允許的條件下，在夜間強(qiáng)制給組件加入正偏置的電壓，使PID效應(yīng)可逆進(jìn)行，對(duì)光伏組件進(jìn)行修復(fù)。綜合比較，從光伏電池本身入手從源頭預(yù)防PID衰減的發(fā)生，具有更為可靠無需增加額外的裝置和設(shè)計(jì)，更適合在海島環(huán)境采用。

3.3 光伏組件的防腐

根據(jù)光伏組件腐蝕發(fā)生的機(jī)理，采取防腐的方法主要有陰極保護(hù)法、防腐涂層法以及兩者的復(fù)合防腐方法。

（1）陰極保護(hù)法

陰極保護(hù)原理就是人為的在被腐蝕（被保護(hù)）金屬結(jié)構(gòu)表面施加一個(gè)外電流（或高電位），使被保護(hù)結(jié)構(gòu)物成為陰極，從而使金屬腐蝕發(fā)生的電子遷移得到抑制，從而起到防腐的作用。按照其原理和實(shí)施的方法主要包括：１）犧牲陽極保護(hù)法：將光伏組件支架與更活潑的金屬材料連接，使光伏支架成為陰極，從而減緩腐蝕的發(fā)生；２）外加電流陰極保護(hù)法：利用電化學(xué)腐蝕的原理，由外部直流電源直接向光伏支架材料施加電流，使支架電子在金屬表面集聚，使光伏支架陰極化，從而抑制光伏支架的腐蝕。

（2）防腐涂層法

在海島環(huán)境下，防腐涂層法是光伏支架防腐采用的最主要、最普遍的方法，其關(guān)鍵在于找到光伏支架表面有效保護(hù)層，作用主要有：１）阻止腐蝕介質(zhì)和金屬表面之間的直接接觸；２）改變金屬表面的電位性能使其電極電位往正的方向移動(dòng)；３）保護(hù)金屬表面不被腐蝕 ；４）防腐涂層的電極電位比被其保護(hù)的金屬低作為陽極而逐漸被腐蝕，同時(shí)保護(hù)了作為陰極的光伏支架中鋼結(jié)構(gòu)材料。

（3）復(fù)合防腐方法

復(fù)合防腐法就是根據(jù)陰極保護(hù)與防護(hù)腐涂層的各自特點(diǎn)，在不同的位置和情況下采用不同的方法，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)對(duì)光伏支架進(jìn)行保護(hù)。此外，在光伏支架選擇時(shí)可以選擇不銹鋼材質(zhì)的支架，如選擇采用361、361L材質(zhì)的不銹鋼支架，但是成本會(huì)很高，如果采用碳鋼加涂防腐層的方式，則一定要保證材料質(zhì)量和工藝精細(xì)，否則會(huì)對(duì)支架的防腐性能造成很大影響。

3.4 光伏組件的維護(hù)

由于海島環(huán)境的特殊性，光伏發(fā)電系統(tǒng)的維護(hù)除了做到陸上光伏發(fā)電系統(tǒng)維護(hù)采取的措施外，還應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：

（1）定期清潔光伏組件的表面的鹽霧結(jié)晶顆粒，尤其是要注意光伏組件下表面鹽霧結(jié)晶顆粒的清掃，采用雙玻組件時(shí)下表面的結(jié)晶會(huì)嚴(yán)重影響光伏組件的發(fā)電效率。

（2）定期檢查光伏組件及支架連接件、緊固件如無松動(dòng)、銹蝕損壞，發(fā)現(xiàn)后應(yīng)立即處理。

（3）檢查連接線纜、電纜接頭、接插件、密封條是否出現(xiàn)老化、開裂、進(jìn)水等現(xiàn)象，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)應(yīng)及時(shí)處理。

四、結(jié)語

光伏發(fā)電是解決邊遠(yuǎn)海島供電難題的有效措施，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)效率和性價(jià)比是光伏發(fā)電在海島推廣應(yīng)用的必然要求，只有做到科學(xué)布局、合理設(shè)計(jì)、有效防腐、定期維護(hù)，才能充分發(fā)揮出光伏發(fā)電在海島應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。

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