太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展

趙春江

研究員,上海電力學(xué)院太陽能研究所,上海200090

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展

趙春江

研究員,上海電力學(xué)院太陽能研究所,上海200090

并網(wǎng)型PV系統(tǒng) 微網(wǎng)系統(tǒng) 智能電網(wǎng)系統(tǒng)

太陽能PV系統(tǒng)從國防軍用到民用、從離網(wǎng)系統(tǒng)到并網(wǎng)系統(tǒng)已走過了半個(gè)多世紀(jì)的歷程,效率不斷提高,技術(shù)日益完善,發(fā)電成本逐年下降。隨著科技和時(shí)代的發(fā)展,大規(guī)模利用PV技術(shù)進(jìn)行太陽能發(fā)電已經(jīng)蓬勃興起,而大量分散型PV電源的入網(wǎng)又需要發(fā)展微網(wǎng)系統(tǒng)、智能電網(wǎng)系統(tǒng)和全球PV供電系統(tǒng)。

1 前 言

太陽能巨大,即使像上海這種太陽能資源不算豐富的地區(qū)(屬三類地區(qū)),太陽每年照射在水平面上的能量也有4600 MJ/m2左右,相當(dāng)于1280度電能。太陽能是一種聚變能,根據(jù)太陽的質(zhì)量和愛因斯坦的質(zhì)能轉(zhuǎn)換理論,太陽還可以“燃燒”800億年,相對(duì)于人類5000年歷史而言,這幾乎是一個(gè)天文數(shù)字的時(shí)間長度。太陽能清潔無污染,安全無毒害,是理想的可持續(xù)發(fā)展能源之一。向太陽索取電能是工業(yè)化發(fā)展到今天、大量化石能源被消耗且面臨枯竭的必然趨勢(shì)。太陽能光伏發(fā)電(以下把光伏發(fā)電簡稱為PV)技術(shù)是人類向太陽索取電能的重要途徑。

自1954年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生了第一塊p-n結(jié)晶體硅太陽電池,太陽能PV技術(shù)從國防軍用到民用已走過了半個(gè)多世紀(jì)的歷程,效率不斷提高,技術(shù)日益完善,成本逐年下降,新工藝和新品種層出不窮。晶體硅電池、非晶硅電池、化合物電池、染料敏化電池等紛紛登上PV舞臺(tái)亮相自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),這個(gè)舞臺(tái)就是太陽能PV系統(tǒng)。

2 太陽能PV系統(tǒng)

太陽能PV系統(tǒng)是一種利用光電轉(zhuǎn)換原理和相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換器材來發(fā)電的系統(tǒng),英文稱之為PhotoVoltaic Power Generating System,縮寫為 PV System。其規(guī)?？纱罂尚?維護(hù)簡單,使用方便。太陽能PV系統(tǒng)的應(yīng)用主要分為空間和地面兩大類,本文主要介紹地面應(yīng)用。該系統(tǒng)可分為PV離網(wǎng)系統(tǒng)(Off-Grid System或Stand-Alone System)和 PV并網(wǎng)系統(tǒng)(On-Grid System或Connected-Grid System),并且隨著科技和時(shí)代的發(fā)展又衍生出多種形式。

2.1 PV離網(wǎng)系統(tǒng)

PV離網(wǎng)系統(tǒng)與公共電網(wǎng)沒有直接的聯(lián)系,其規(guī)模小至幾百瓦的照明電源,大至上百千瓦的獨(dú)立光伏電站。它特別適用于島嶼、深山、荒漠、大草原等無電地區(qū),也適用于城市中鋪設(shè)線路困難且成本高的場(chǎng)所,如書報(bào)亭、崗?fù)?、高速公路指示燈和沿途休息?chǎng)所的用電等。零售的太陽能草坪燈、太陽能計(jì)算器中的電源也是該系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用。由于PV離網(wǎng)系統(tǒng)除了太陽能外無需外界能源支持,因此,它還可用作空間站電源。

PV離網(wǎng)系統(tǒng)主要由太陽電池陣列、蓄電池組、充放電控制器、逆變器四大件組成,如圖1所示。目前多數(shù)是把充放電控制器和逆變器做成一體的。

圖1 PV離網(wǎng)系統(tǒng)原理

對(duì)于PV離網(wǎng)系統(tǒng),往往需要根據(jù)用戶的要求,解決連續(xù)陰雨天的情況下不間斷供電的問題。因此,當(dāng)太陽電池功率規(guī)模確定后,蓄電池的配置容量往往成為設(shè)計(jì)人員的主要課題,設(shè)計(jì)過大則成本太高,設(shè)計(jì)過小則供電不足。一般情況下,蓄電池和充放電設(shè)備的配置費(fèi)要占整個(gè)工程費(fèi)用的25%左右。通常在設(shè)計(jì)中還要考慮盡量采用長壽命、無二次污染、可再生利用的蓄電池。蓄電池在充放電過程中還要消耗相當(dāng)一部分電能,包括其自放電的損耗,蓄電系統(tǒng)的總體效率一般為75%左右,導(dǎo)致PV離網(wǎng)系統(tǒng)總體效率下降到60%甚至更低,因此,在能采用輔助電源的情況下,一般應(yīng)避免采用由大量蓄電池支持的PV離網(wǎng)系統(tǒng),而是采用由輔助發(fā)電設(shè)備與適量蓄電池配合的PV離網(wǎng)系統(tǒng),如圖2所示。

圖2 帶輔助電源的PV離網(wǎng)系統(tǒng)

工程范例(圖3,見彩插一)：

工程名：西藏自治區(qū)定日縣扎果鄉(xiāng)30 kW獨(dú)立光伏電站供電方式：帶蓄電池PV離網(wǎng)系統(tǒng)交流220 V低壓供電系統(tǒng)主體設(shè)備：

太陽電池方陣126 W×16塊/串×15串=30240 W

蓄電池220 V×1000 Ah×3組

逆變器35 kW×2臺(tái)

充放電控制器33 kW×1臺(tái)

交直流配電柜35 kW×1臺(tái)

2.2 PV并網(wǎng)系統(tǒng)

太陽電池發(fā)的電是直流,通過控制逆變裝置變換成交流,經(jīng)過相位整合后同電網(wǎng)的交流電合起來使用。采用這種形態(tài)的PV系統(tǒng)就是PV并網(wǎng)系統(tǒng)。PV并網(wǎng)供電形式是PV系統(tǒng)技術(shù)的主流發(fā)展趨勢(shì)。系統(tǒng)技術(shù)日益完善,系統(tǒng)形式也越來越多樣化。目前有無蓄電池?zé)o逆流(即不向電網(wǎng)倒送電)系統(tǒng)、有蓄電池?zé)o逆流系統(tǒng)、有逆流系統(tǒng)(PV系統(tǒng)剩余電力向電網(wǎng)輸送,由電力部門回購),隨著技術(shù)進(jìn)步,今后將發(fā)展微網(wǎng)系統(tǒng)、智能電網(wǎng)系統(tǒng)和全球PV供電系統(tǒng)。

2.2.1 無蓄電池?zé)o逆流供電系統(tǒng)

無蓄電池?zé)o逆流供電系統(tǒng)主要由太陽電池方陣和并網(wǎng)逆變器組成。無逆流系統(tǒng)是指PV系統(tǒng)的功率始終小于或等于負(fù)載,不存在剩余電力,電力不夠時(shí)由電網(wǎng)提供,也即PV系統(tǒng)與電網(wǎng)形成并聯(lián)向負(fù)載供電。由于不會(huì)出現(xiàn)PV系統(tǒng)向電網(wǎng)輸電的現(xiàn)象,因此稱為無逆流。對(duì)于無蓄電池?zé)o逆流系統(tǒng),即使PV系統(tǒng)因某種原因(比如負(fù)載側(cè)某用電器停止用電等)產(chǎn)生剩余電力時(shí)也只能通過某種手段放棄,比如部分切斷或全部切斷太陽電池方陣的直流輸出。這種系統(tǒng)對(duì)充分利用PV設(shè)備不利,因此應(yīng)用較少。無蓄電池?zé)o逆流供電系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 無蓄電池?zé)o逆流供電系統(tǒng)原理圖

2.2.2 有蓄電池?zé)o逆流供電系統(tǒng)

有蓄電池?zé)o逆流供電系統(tǒng)主要由太陽電池陣列、蓄電池組和帶有充放電控制及電源自動(dòng)切換裝置的控制逆變器組成。有蓄電池?zé)o逆流供電系統(tǒng)原理如圖5所示。PV系統(tǒng)的發(fā)電量受氣象影響很大,且白晝發(fā)電,晚間不發(fā)電,用戶要獲得穩(wěn)定的電力供應(yīng)并在用電時(shí)間段方面不受限制,可以采用適量的蓄電池蓄電。對(duì)于無逆流供電系統(tǒng),在負(fù)載側(cè)負(fù)荷下降、PV側(cè)電力剩余的情況下,蓄電池可以貯存剩余的PV系統(tǒng)電能,在PV系統(tǒng)電力供應(yīng)不足時(shí)釋放,起到調(diào)衡系統(tǒng)供電的作用。另外,可通過控制系統(tǒng)限制電網(wǎng)向蓄電池充電。這種帶有蓄電池的無逆流供電系統(tǒng)仍然是PV系統(tǒng)與電網(wǎng)形成并聯(lián)向負(fù)載供電,并且設(shè)計(jì)上往往考慮太陽能發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)先供電,在蓄電池電壓下降到一定值時(shí)供電系統(tǒng)將自動(dòng)切換到商業(yè)電網(wǎng)。事實(shí)上,這種供電系統(tǒng)可以視作是在有電網(wǎng)地區(qū)對(duì)離網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化,本質(zhì)上仍然是給一個(gè)確定的負(fù)載供電,因此,在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí),從發(fā)電設(shè)備利用率和投資效率考慮,一般以當(dāng)天的發(fā)電量能被負(fù)載當(dāng)天完全消耗為宜,不需要把太陽電池容量和蓄電池容量設(shè)計(jì)過大,當(dāng)可安裝太陽電池陣列的空間足夠時(shí),以所需為準(zhǔn);不夠時(shí),以可安裝空間的大小為準(zhǔn)。這樣,PV系統(tǒng)利用率一般可達(dá)100%,投資效率高。

圖5 有蓄電池?zé)o逆流供電系統(tǒng)原理圖

工程范例(圖6,見彩插一)：

工程名：上海市盧灣區(qū)復(fù)興公園公廁PV供電系統(tǒng)

供電方式：有蓄電池?zé)o逆流PV系統(tǒng)與商業(yè)電網(wǎng)并聯(lián)供電

系統(tǒng)主體設(shè)備：太陽電池方陣170 W×6塊=1020 W

蓄電池200 Ah×12 V×4個(gè)

控制逆變器(含充放電控制)1臺(tái)

2.2.3 有逆流供電系統(tǒng)

PV系統(tǒng)剩余電力可以向電網(wǎng)倒送的系統(tǒng)稱為有逆流供電系統(tǒng),其基本原理如圖7所示。有逆流供電系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、并網(wǎng)逆變器組成,系統(tǒng)規(guī)模較大的情況下還要追加一些必要的配套設(shè)備,如直流控制裝置、交流控制裝置及升壓系統(tǒng)等。系統(tǒng)的用戶在電力使用上可通過電網(wǎng)來調(diào)節(jié),PV系統(tǒng)有剩余電力時(shí)向電網(wǎng)發(fā)送電力,電力不足時(shí)從電網(wǎng)輸入電力,因此大多數(shù)系統(tǒng)不配備蓄電池。有逆流供電系統(tǒng)小到kW級(jí)的家庭PV系統(tǒng),大到MW級(jí)、10 MW級(jí)乃至將來用于沙漠發(fā)電的GW級(jí)PV系統(tǒng),大小不一,靈活多變,但是系統(tǒng)的基本構(gòu)成相差不大。根據(jù)就近接入的電網(wǎng)電壓高低可以分為低壓并網(wǎng)系統(tǒng)和高壓并網(wǎng)系統(tǒng),前者的特點(diǎn)在于PV系統(tǒng)發(fā)的電直接被分配到住宅內(nèi)或區(qū)域內(nèi)的用電負(fù)載上,多余或不足的電力通過所連接的低壓電網(wǎng)來調(diào)節(jié),系統(tǒng)效率和電能使用效率較高;后者的特點(diǎn)在于PV系統(tǒng)發(fā)的電直接通過升壓系統(tǒng)被輸送到高壓電網(wǎng)上,由高壓電網(wǎng)把電力統(tǒng)一分配到各個(gè)用電單位,由于PV系統(tǒng)所發(fā)電力到達(dá)負(fù)載前要經(jīng)過升壓和降壓兩道口子,電能使用效率會(huì)下降一些。通常家庭PV系統(tǒng)和幾十千瓦級(jí)的辦公樓PV系統(tǒng)都采用低壓并網(wǎng)方式,以發(fā)揮小型PV系統(tǒng)就地發(fā)電就地使用的特點(diǎn)。對(duì)于百千瓦級(jí)以上的大系統(tǒng),通常多數(shù)采用高壓并網(wǎng)方式,由于要追加升壓裝置和完善接入系統(tǒng),工程設(shè)計(jì)會(huì)稍微復(fù)雜一些?？偟膩碚f,有逆流供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔,故障率低,維護(hù)簡單,系統(tǒng)效率高。

圖7 有逆流供電系統(tǒng)原理圖(低壓并網(wǎng)方式)

在政府扶持政策的刺激下,日本的家用PV系統(tǒng)幾乎都采用有逆流低壓并網(wǎng)方式,其模式如圖8所示。2009年11月日本政府出臺(tái)綠電回購政策后,家用PV系統(tǒng)在日本獲得了加速推廣。日本政府計(jì)劃以2005年全國裝機(jī)容量為基數(shù),在2030年以前再增加40倍裝機(jī)容量,將使家用PV系統(tǒng)達(dá)到1600萬套以上。

圖8 日本的家用PV并網(wǎng)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

事實(shí)上把PV技術(shù)推廣應(yīng)用到普通家庭,發(fā)揮家用PV系統(tǒng)不占地、就地發(fā)電就地使用、減少輸電損失、故障就地解決的優(yōu)點(diǎn),將更能體現(xiàn)PV技術(shù)的綜合經(jīng)濟(jì)效益。大城市的電網(wǎng)四通八達(dá),如能充分利用家用PV系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),大力推廣并網(wǎng)型家用PV系統(tǒng),則對(duì)建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)具有極大的價(jià)值和社會(huì)效益。相信只要中國也出臺(tái)綠電回購政策,有逆流PV系統(tǒng)將會(huì)得到大規(guī)模的發(fā)展。

工程范例(圖9,見彩插一)：

工程名：上海市閔行區(qū)3kW家用PV供電系統(tǒng)

供電方式：無蓄電池有逆流PV系統(tǒng)與商業(yè)電網(wǎng)低壓并網(wǎng)供電

系統(tǒng)主體設(shè)備：太陽電池方陣136 W×22塊=2992 W

并網(wǎng)逆變器2.5 kW×1臺(tái)

隨著太陽能發(fā)電市場(chǎng)的迅猛發(fā)展和城市化進(jìn)程的推進(jìn),太陽能發(fā)電與建筑的結(jié)合越來越受到人們的重視。事實(shí)上,在各國政府提出屋頂太陽能發(fā)電計(jì)劃的同時(shí),太陽能工程師們就開始考慮能使環(huán)境優(yōu)美、居住舒適的建筑一體化光伏(Building Integrated PhotoVoltaic—BIPV)技術(shù)了。

BIPV技術(shù)是大規(guī)模應(yīng)用太陽能的需要,也是人類就近利用太陽能這一最終唯一安全可靠能源的最好方式。把太陽能同生態(tài)結(jié)合起來、把幾千年來房屋只是人類居住、遮風(fēng)擋雨、避寒暑、娛樂的簡單建筑發(fā)展成獨(dú)立能源、自我循環(huán)式的新型建筑,這也是人類進(jìn)步和社會(huì)、科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然。上海電力學(xué)院南匯校區(qū)學(xué)生多功能生態(tài)活動(dòng)中心屋頂PV系統(tǒng)采用了該項(xiàng)技術(shù)。

工程范例(圖10,見彩插一)：

工程名：上海電力學(xué)院南匯校區(qū)學(xué)生多功能生態(tài)活動(dòng)中心PV供電系統(tǒng)

供電方式：無蓄電池有逆流PV系統(tǒng)與商業(yè)電網(wǎng)低壓并網(wǎng)供電

系統(tǒng)主體設(shè)備：

太陽電池方陣185 W×54塊=9.99 kW

并網(wǎng)逆變器2.8 kW×3臺(tái)

在大城市里推廣PV系統(tǒng)技術(shù),占用寶貴的綠化地和公園用地等顯然是不合理的。解決安裝場(chǎng)地的最好辦法就是除了利用住宅區(qū)建筑之外,還可以利用大量的辦公大樓安裝太陽電池。國家電網(wǎng)浙江省電力公司生產(chǎn)調(diào)度大樓太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)就是一個(gè)應(yīng)用典范。該系統(tǒng)由太陽電池方陣(總?cè)萘繛?44.11 kW)、直流匯流裝置、交直流控制裝置、并網(wǎng)逆變器、交流升壓裝置及輸電設(shè)備(電纜、橋架等)構(gòu)成,采用高壓并網(wǎng)方式,由交流升壓裝置把逆變器輸出的400 V三相交流電升壓至10 kV后再接入當(dāng)?shù)毓搽娋W(wǎng),由高壓電網(wǎng)把電力統(tǒng)一分配到各個(gè)用電單位。

工程范例(圖11,見彩插一)：

工程名：浙江省電力公司250 kW太陽能屋頂并網(wǎng)光伏電站示范工程

供電方式：無蓄電池有逆流PV系統(tǒng)與商業(yè)電網(wǎng)高壓(400 V→10 kV)并網(wǎng)供電

系統(tǒng)主體設(shè)備：太陽電池方陣

270 W×16塊/串×48串=207.36 kW 175 W×15塊/串×14串=36.75 kW

直流匯流箱8臺(tái)

交直流組合柜3臺(tái)

并網(wǎng)逆變器50 kW×1臺(tái)

100 kW×2臺(tái)

升壓變壓器400 kVA×1臺(tái)

隨著國家在新能源方面投資的擴(kuò)大,MW級(jí)和10MW級(jí)的光伏電站也已出現(xiàn)。

工程范例(圖12,見彩插二)：

工程名：鹽城阜寧3MW屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)

供電方式：無蓄電池有逆流PV系統(tǒng)與商業(yè)電網(wǎng)高壓(400 V→10 kV)并網(wǎng)供電

系統(tǒng)主體設(shè)備：太陽電池方陣 用12664塊多晶硅光伏組件組成6個(gè)子系統(tǒng)

總功率3 MW

并網(wǎng)逆變中壓變壓器500 kVA×6臺(tái)

工程范例(圖13,見彩插二)：

工程名：徐州協(xié)鑫20 MW光伏電站

供電方式：無蓄電池有逆流PV系統(tǒng)與商業(yè)電網(wǎng)高壓(400 V→10 kV→110 kV)并網(wǎng)供電

系統(tǒng)主體設(shè)備：太陽電池方陣用98684塊多晶硅光伏組件組成38個(gè)子系統(tǒng)

總功率20 MW

并網(wǎng)逆變中壓變壓器500 kVA×38臺(tái)

高壓變壓器20 MVA×1臺(tái)

2010世博會(huì)是展現(xiàn)各國傳統(tǒng)工藝技術(shù)和21世紀(jì)前沿科技產(chǎn)品的最佳舞臺(tái),當(dāng)然少不了太陽能PV系統(tǒng)這一重要角色。

工程范例(圖14,見封面)：

工程名：上海世博會(huì)3 MW屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)

供電方式：無蓄電池有逆流PV系統(tǒng)與商業(yè)電網(wǎng)高壓(400 V→10 kV)并網(wǎng)供電

系統(tǒng)主體設(shè)備：太陽電池方陣總功率3 MW

并網(wǎng)逆變器500 kW×1臺(tái)

250 kW×1臺(tái)

100 kW×18臺(tái)

50 kW×3臺(tái)

5 kW ×25臺(tái)

升壓變壓器1250 kVA×1臺(tái)1600 kVA×1臺(tái)

2.3 微網(wǎng)系統(tǒng)

太陽輻射到地面任一點(diǎn)的功率密度一年四季每時(shí)每刻都在變化,是一種不穩(wěn)定的供能源泉,也是太陽能光伏發(fā)電與核能發(fā)電或火力發(fā)電的不同之處。PV系統(tǒng)的輸出功率受氣候影響,輸出的電能時(shí)刻變化,與電網(wǎng)連接后會(huì)給電網(wǎng)帶來不穩(wěn)定。PV系統(tǒng)普及量不大時(shí)這種影響不明顯,當(dāng)大規(guī)模太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)輸電時(shí),供電波動(dòng)問題將凸顯出來,因此,必須開發(fā)把這種不穩(wěn)定影響限制在最小的控制技術(shù),如能徹底解決這一問題,則人類在電力使用方面可高枕無憂了。

微網(wǎng)系統(tǒng)(Micro-Grid)是一種獨(dú)立性很強(qiáng)的分散型電源網(wǎng)絡(luò),是解決上述問題的新一代電網(wǎng)技術(shù)。該系統(tǒng)是由太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、小水力發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電或柴油發(fā)電、燃料電池、蓄電池組等任意組合起來,再加入計(jì)量和控制裝置,自成系統(tǒng),獨(dú)立于大電網(wǎng)或間歇與大電網(wǎng)連接,不需要長距離輸電線(電纜)和架空鐵塔等大型設(shè)備,投資省,不需要大規(guī)模投資,也解決了遠(yuǎn)距離運(yùn)輸大型設(shè)備的成本,尤其可以解決大型發(fā)電設(shè)備運(yùn)往島嶼和山區(qū)的困難。由于其自我調(diào)衡,因此,能把可再生能源發(fā)電對(duì)大電網(wǎng)的擾動(dòng)減少到最低程度,還能改善家庭太陽能發(fā)電系統(tǒng)從發(fā)電、用電到蓄電的效率。它還是解決無法實(shí)施大型火力或核能發(fā)電的小國、島國、窮困地區(qū)日常用電的最佳方案。該技術(shù)目前尚處于研究和完善階段,但可以預(yù)期其進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用將為期不遠(yuǎn)。圖15是由PV系統(tǒng)、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)和蓄電池三個(gè)供電主體構(gòu)成的、與國家電網(wǎng)連接的住宅小區(qū)微網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

圖15 微網(wǎng)系統(tǒng)的典型構(gòu)成及原理

2.4 智能電網(wǎng)系統(tǒng)

智能電網(wǎng)(Smart-grid)的提出并非偶然,是有多種原因的,其中很重要的因素就是分散型的可再生能源(太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等)電力的大量應(yīng)用和上網(wǎng)造成電網(wǎng)管理日益復(fù)雜和困難,且勢(shì)頭已不可逆轉(zhuǎn),需要改革傳統(tǒng)的管理方式,運(yùn)用現(xiàn)代高科技來調(diào)控和管理。作為大規(guī)模接納可再生能源電力的電網(wǎng)技術(shù)必須做到對(duì)頻率和電壓波動(dòng)的抑制,同時(shí)維持和提高電力質(zhì)量,并提高電力的使用效率。其主要手段是在微網(wǎng)供配電技術(shù)基礎(chǔ)上借助通信網(wǎng)絡(luò)(移動(dòng)通信、無線通信等)來把握安裝有PV系統(tǒng)的家庭、辦公樓等用電戶與發(fā)電廠之間供需電情況,進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)和控制?？梢哉f,智能電網(wǎng)是利用微網(wǎng)技術(shù)和IT技術(shù)形成的新一代電網(wǎng)。據(jù)資料稱,日本搞智能電網(wǎng)技術(shù)研究的科技人員中有70%來自于IT行業(yè),這足以說明IT技術(shù)與智能電網(wǎng)技術(shù)的密切關(guān)系。發(fā)揮IT在快速準(zhǔn)確傳遞信息方面的技術(shù)特點(diǎn),在國家一級(jí)的廣大區(qū)域內(nèi)實(shí)時(shí)掌控電力使用狀況和發(fā)電狀況,進(jìn)行電力需求調(diào)整,包括對(duì)PV電力和風(fēng)電等不穩(wěn)定電力進(jìn)行調(diào)控。圖16表示智能電網(wǎng)的概念,表1列出了智能電網(wǎng)的基本構(gòu)成。

智能電網(wǎng)是一項(xiàng)跨行業(yè)綜合技術(shù),囊括了電力、通信、控制等技術(shù)領(lǐng)域。

在智能電網(wǎng)中,蓄電裝置仍然是不可或缺的重要支柱,整個(gè)蓄電系統(tǒng)將包括電動(dòng)車(EV)內(nèi)的蓄電池。電動(dòng)車的大規(guī)模應(yīng)用為蓄電提供了輔助容量,很可能將來電動(dòng)車會(huì)成為智能電網(wǎng)中蓄電系統(tǒng)的最有力的支持,成為能奔跑的蓄電庫和緊急救援用輔助電源。目前,能適應(yīng)快速充放電的高功率密度和高能量密度蓄電池仍然是一項(xiàng)瓶頸技術(shù)。根據(jù)日本野村證券金融經(jīng)濟(jì)研究所預(yù)測(cè),2010年至2030年,日美歐在智能電網(wǎng)上的投資將達(dá)12500億美元,其中蓄電系統(tǒng)投資占60%,足見蓄電系統(tǒng)在智能電網(wǎng)中的地位。

智能電表也是智能電網(wǎng)中的重要角色之一。智能電表具有雙向通信功能,可以設(shè)定一定的時(shí)間間隔記錄用戶的用電情況,并向用戶提出節(jié)能建議。智能電表能詳細(xì)掌握電力用戶的電力消費(fèi)和光伏系統(tǒng)擁有者的運(yùn)行信息(發(fā)電量、電壓、頻率、故障停機(jī)等等),根據(jù)光伏發(fā)電的波動(dòng)調(diào)整電廠的功率,維持電力品質(zhì),還可以通過電表直接控制用電戶的電力消費(fèi)。

圖16 智能電網(wǎng)概念圖

_____表1 智能電網(wǎng)的基本構(gòu)成

日美兩國正在日本沖繩和美國夏威夷進(jìn)行智能電網(wǎng)的實(shí)證試驗(yàn),并且將在日美兩國的智能電網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上制定國際標(biāo)準(zhǔn)。我國也將在2020年以前投資40000億元建設(shè)智能電網(wǎng)。

智能電網(wǎng)是發(fā)展太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等可再生能源電力的不可欠缺的技術(shù),但也是一項(xiàng)“奢侈”的供電技術(shù),需要電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施完善,與之配套的通信系統(tǒng)也要完善,因此,初期階段成本比較高,費(fèi)效比差。日本的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施堪稱一流,通信系統(tǒng)也是一流的,需要進(jìn)一步完善的地方已經(jīng)不多,即使如此,日本電力公司仍取謹(jǐn)慎姿態(tài),擔(dān)心成本會(huì)大幅上升。事實(shí)上,任何一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)在起步階段都是昂貴的,智能電網(wǎng)技術(shù)也不例外。展望將來,隨著技術(shù)的完善和成本下降,智能電網(wǎng)技術(shù)最終會(huì)以全新的姿態(tài)替代傳統(tǒng)的電網(wǎng)技術(shù)。

2.5 全球PV供電系統(tǒng)

全球PV供電系統(tǒng)是一種理想的光伏電力資源的共享網(wǎng)絡(luò),利用世界各地的沙漠和缺水的干旱地區(qū)進(jìn)行大規(guī)模太陽能發(fā)電,遠(yuǎn)距離輸電線路全部采用超導(dǎo)電纜,并把各國的國家電網(wǎng)連接起來,形成一個(gè)超級(jí)PV供配電系統(tǒng)。就全球而言,這個(gè)PV系統(tǒng)總在工作,美國白天PV系統(tǒng)的過剩電力可以送往正處于晚間的中國,反之亦然。

這里以東亞、中國和中亞地區(qū)為例(見圖17),東起日本途徑黃土高原、戈壁沙漠鋪設(shè)超導(dǎo)電纜,利用兩側(cè)的不毛地帶進(jìn)行大規(guī)模PV發(fā)電,由于太陽電池的遮陰,減少了土壤中水分的蒸發(fā),養(yǎng)護(hù)了土壤,又可使動(dòng)物有陰涼棲息處,動(dòng)植物自然循環(huán),久而久之,氣候和土地逐漸得到改良?？梢韵胂髱装倌旰?郁郁蔥蔥的黃河流域?qū)⒃佻F(xiàn)于人類,絲綢之路沿途將重現(xiàn)繁榮。超導(dǎo)電纜可以與高速公路并行鋪設(shè),沿途每隔一定距離設(shè)置一個(gè)電動(dòng)車充電站,提高電纜的利用效率,增加經(jīng)濟(jì)效益。

圖17 全球PV供電系統(tǒng)概念圖

當(dāng)不同標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)之間的電力調(diào)配、電費(fèi)結(jié)算等技術(shù)性問題和經(jīng)濟(jì)性問題得到妥善解決后,世界各國將能夠平等地獲得能源共享的權(quán)利,從而因能源問題發(fā)動(dòng)侵略戰(zhàn)爭的可能性大大減少。再者投鼠忌器,戰(zhàn)爭機(jī)器會(huì)把各國之間互相連接的大電網(wǎng)破壞得千瘡百孔,即使因其他原因發(fā)動(dòng)侵略戰(zhàn)爭,政治家們也不得不考慮電網(wǎng)遭受破壞后本國的間接經(jīng)濟(jì)損失。全球PV供電系統(tǒng)有可能使人類遠(yuǎn)離戰(zhàn)爭,在世界范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)永久和平。

3 結(jié)束語

從200年前的工業(yè)革命開始,人類在大規(guī)模開發(fā)利用礦物能源的過程中,既獲得了電動(dòng)機(jī)械、高速交通工具、成千上萬種家電和霓虹閃爍的夜生活帶來的享受,也飽受了煤炭石油造成的無情污染和氣候變化之苦,并且每時(shí)每刻都把自己置身于切爾諾貝利核電泄露事件那樣的威脅之下。到如今,連這種樂中帶苦的“享受”也難以為繼了,我們無法得知礦物能源枯竭的那一天何時(shí)到來,但是人類已經(jīng)感覺到這種威脅的日益逼近。隨著時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展,大規(guī)模利用PV技術(shù)進(jìn)行太陽能發(fā)電已經(jīng)蓬勃興起,也許清潔、無污染、永不枯竭的太陽能才能真正地讓人類從此走上一條可持續(xù)發(fā)展之路。

(2010年5月1日收到)

(責(zé)任編輯：沈美芳)

Development of Solar PV System Technology

ZHAO Chun-jiang
Professor,Institute of Solar Energy,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China

It has been over half century to apply solar PV system from military to civil,from off-grid to grid-connected.Its efficiency keeps increasing,technology improving,and cost cutting down.At present,there is a great tendency to put solar PV system into application.There are also great requirements for developing microgrid system,smart-grid system and global PV power supply system in order to integrate discrete PV power into the existing power grid.

grid-connected PV system,micro-grid system,smartgrid system

10.3969/j.issn 0253-9608.2010.03.004