光伏發(fā)電及其并網(wǎng)的研究

張西子

（華北電力大學(xué) 中國(guó) 北京 102206）

0 引言

如今，世界能源形式緊迫，是世界10大焦點(diǎn)問(wèn)題（能源、水、食物、環(huán)境、貧窮、恐怖主義和戰(zhàn)爭(zhēng)、疾病、教育、民主和人口）之首。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球人口2006年是65億，能源需求折合成裝機(jī)是14.5TW，每日能耗220106BOE；到2050年全世界人口大概要達(dá)到100億，按照每人每年GDP增長(zhǎng)1.6%,GDP單位能耗按照每年減少1%，則能源需求裝機(jī)將是大約30-60TW，屆時(shí)主要要靠可再生能源來(lái)解決。

然而，世界上潛在水能資源4.6TW，經(jīng)濟(jì)可開(kāi)采資源只有0.9TW；風(fēng)能實(shí)際可開(kāi)發(fā)資源2-4TW；生物質(zhì)能3TW（加起來(lái)總共8TW）。只有太陽(yáng)能是唯一能夠保證人類未來(lái)需求的能量來(lái)源，其潛在資源120000TW，實(shí)際可開(kāi)采資源高達(dá)600TW。因此，太陽(yáng)能必將成為人類最好的替代能源，太陽(yáng)能光伏電站前景廣闊。

1 光伏發(fā)電簡(jiǎn)介

光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立光伏系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。

1.1 獨(dú)立光伏發(fā)電也叫離網(wǎng)光伏發(fā)電。主要由太陽(yáng)能電池組件、控制器、蓄電池組成，若要為交流負(fù)載供電，還需要配置交流逆變器。獨(dú)立光伏電站包括邊遠(yuǎn)地區(qū)的村莊供電系統(tǒng)，太陽(yáng)能戶用電源系統(tǒng)，通信信號(hào)電源、陰極保護(hù)、太陽(yáng)能路燈等各種帶有蓄電池的可以獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)。

1.2 并網(wǎng)光伏發(fā)電就是太陽(yáng)能組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過(guò)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電電網(wǎng)要求的交流電這后直接接入公共電網(wǎng)。

2 光伏并網(wǎng)

隨著光伏發(fā)電技術(shù)迅速發(fā)展，光伏電池效率逐漸提高，光伏電站的建設(shè)規(guī)模也越來(lái)越大。大規(guī)模的光伏并網(wǎng)電站常常通過(guò)升壓變壓器，以中壓或高壓接入電網(wǎng)。然而相比電網(wǎng)的總裝機(jī)量而言，光伏電站容量比例很小，常常作為電網(wǎng)的一種補(bǔ)充能源存在，安裝在電力負(fù)荷附近，設(shè)有相應(yīng)的二次設(shè)備。

并網(wǎng)光伏發(fā)電可以分為帶蓄電池的和不帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。帶有蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有可調(diào)度性，可以根據(jù)需要并入或退出電網(wǎng)，還具有備用電源的功能，當(dāng)電網(wǎng)因故停電時(shí)可緊急供電。帶有蓄電池的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)常常安裝在居民建筑；不帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不具備可調(diào)度性和備用電源的功能，一般安裝在較大型的系統(tǒng)上。 并網(wǎng)光伏發(fā)電有集中式大型并網(wǎng)光伏電站一般都是國(guó)家級(jí)電站，主要特點(diǎn)是將所發(fā)電能直接輸送到電網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供電。但這種電站投資大、建設(shè)周期長(zhǎng)、占地面積大，目前還沒(méi)有太大發(fā)展。而分散式小型并網(wǎng)光伏，特別是光伏建筑一體化光伏發(fā)電，由于投資小、建設(shè)快、占地面積小、政策支持力度大等優(yōu)點(diǎn)，是目前并網(wǎng)光伏發(fā)電的主流。

3 光伏發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)

1）體積小、重量輕。 單位重量比功率：50-1000W/kg；2）壽命長(zhǎng)：20-50年（工作 25年，效率下降 20%）；3）零排放：無(wú)燃料消耗，無(wú)噪聲，無(wú)污染；4）發(fā)電不用水（高倍聚光電池也如此）：可以在荒漠地區(qū)建設(shè)；5）運(yùn)行可靠：無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，使用安全，免維護(hù)，無(wú)人值守；6）太陽(yáng)能資源永不枯竭（至少50億年）：各地區(qū)差異不大，分布式電站；7）生產(chǎn)資料豐富：硅材料儲(chǔ)量豐富，為地殼上除氧之外的豐度排列第二，達(dá)到26%之多；8）不單獨(dú)占地：可以安裝到建筑上（BIPV）；9）規(guī)模大小皆宜：10W-100GW，可以“搭積木”式建設(shè)和安裝；10）安裝容易：建設(shè)周期短，安裝成本低；11）能量回收期短（0.8-3.0年），能量增值效應(yīng)明顯（8-30 倍）；12）規(guī)律性強(qiáng)，可預(yù)測(cè)：調(diào)峰效果明顯，調(diào)度比風(fēng)力發(fā)電容易。

3.2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電的缺點(diǎn)

功率密度低（1000W/m2）；能量輸入不連續(xù)：白天有，晚上沒(méi)有；晴天有，陰天沒(méi)有；大規(guī)模存儲(chǔ)技術(shù)尚未解決，大規(guī)模應(yīng)用沒(méi)有自身調(diào)節(jié)能力；小規(guī)模應(yīng)用可以用蓄電池，昂貴且壽命短；目前成本太高：系統(tǒng)投資為3-5萬(wàn)元/kW。

3.3 克服光伏發(fā)電的缺點(diǎn)的方法

現(xiàn)階段，光伏發(fā)電比例還很小，但是光伏發(fā)電擁有獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)，分布式發(fā)電系統(tǒng)和大型并網(wǎng)電站，所以問(wèn)題不大；主干電網(wǎng)并網(wǎng)應(yīng)用于智能電網(wǎng)，脫離主干電網(wǎng)應(yīng)用于微網(wǎng)系統(tǒng)；運(yùn)用大規(guī)模存儲(chǔ)技術(shù)：提水（內(nèi)陸、沿海），壓縮空氣、液流電池，超級(jí)電容器、太陽(yáng)能制氫等；光伏發(fā)電的規(guī)?；苯永糜诤Ｋ?、電鍍、電解、氯堿工業(yè)等。

4 光伏電站并網(wǎng)的評(píng)價(jià)

4.1 光伏電站并網(wǎng)存在的問(wèn)題及解決方法

光伏電站并網(wǎng)還存在四個(gè)方面需要解決的問(wèn)題：光伏電站輸出功率不穩(wěn)定，導(dǎo)致電壓波動(dòng)；光伏電站輸出的直流電經(jīng)逆變器變成交流電，會(huì)產(chǎn)生大量諧波，導(dǎo)致對(duì)電網(wǎng)污染；光伏電站基本上為純有功輸出，導(dǎo)致并網(wǎng)后的無(wú)功平衡問(wèn)題；目前光伏電站容量遠(yuǎn)小于常規(guī)電站容量，遠(yuǎn)距離輸送不經(jīng)濟(jì)。

問(wèn)題的解決方法：需要加快光伏電站建造的技術(shù)進(jìn)步；需要取得關(guān)鍵設(shè)備環(huán)節(jié)的技術(shù)突破；需要光伏企業(yè)和電網(wǎng)企業(yè)的共同努力；需要國(guó)家對(duì)大型光伏電站上網(wǎng)的政策扶持。

4.2 建設(shè)大型光伏并網(wǎng)電站的意義

首先，大型光伏并網(wǎng)電站有利于促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展：有利于把更多的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能；有利于提高光伏電站裝機(jī)的比例；有利于擴(kuò)大光伏產(chǎn)品的應(yīng)用市場(chǎng)；有利于解決能源危機(jī)和化石能源產(chǎn)生的環(huán)境污染對(duì)人類的挑戰(zhàn)。

其次，大型光伏并網(wǎng)電站有利于節(jié)能減排：火力發(fā)電站發(fā)4500萬(wàn)度電節(jié)煤14625噸，排放二氧化碳58500噸；1MW光伏電站發(fā)4500萬(wàn)度電節(jié)煤15300噸，減排二氧化碳61976噸。

此外，大型光伏電站上網(wǎng)的技術(shù)障礙是可以解決的：我國(guó)已初步掌握兆瓦級(jí)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，且已經(jīng)在上海、甘肅武威、西藏羊八井等地建成了與城市景觀和建筑相結(jié)合兆瓦級(jí)并網(wǎng)光伏電站、大型荒漠并網(wǎng)光伏電站。

5 小結(jié)

光伏發(fā)電及其并網(wǎng)目前只處于初級(jí)階段,預(yù)計(jì)在2030年之后增長(zhǎng)率會(huì)持續(xù)增高。那時(shí)光伏并網(wǎng)發(fā)電在各種發(fā)電形式中將占主導(dǎo)地位,擁有穩(wěn)定而快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)；隨著科學(xué)技術(shù)的逐漸成熟，發(fā)電成本會(huì)顯著降低到可接受的范圍。因此，光伏發(fā)電將在未來(lái)成為安全可靠的可再生能源發(fā)電的主要形式之一，并且隨著并網(wǎng)技術(shù)的逐漸成熟，甚至將成為電力主要供應(yīng)形式，擁有廣闊的市場(chǎng)前景。

［1］葉漫紅,林日明,蔡文.太陽(yáng)能光伏電站入網(wǎng)方式探討[J].江西電力,2011,1(35).

［2］崔容強(qiáng),趙春江,吳達(dá)成.并網(wǎng)型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007,7.

［3］沈輝,曾祖勤.太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005,f8.