淺談“雙碳”目標(biāo)下以光伏發(fā)電為主的農(nóng)村新型能源系統(tǒng)

張烜智

（中廣核新能源控股有限公司）

0 引言

光伏發(fā)電最早的研究與應(yīng)用可以追溯到20世紀(jì)，研究這項技術(shù)最早是應(yīng)用在航空領(lǐng)域，因為光伏發(fā)電設(shè)備先期的生產(chǎn)成本相對較高，給光伏發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用帶來了一定的阻礙。而隨著近些年“雙碳”目標(biāo)的確立及科技的快速發(fā)展，我國的光伏發(fā)電設(shè)備成本已經(jīng)大幅度降低，這給光伏發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用帶來曙光，其強大的發(fā)電功能在滿足用戶居家生活及生產(chǎn)用電的同時，也可以向當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)出售，給農(nóng)村地區(qū)發(fā)展光伏發(fā)電提供了推廣的基礎(chǔ)，

1 光伏發(fā)電的優(yōu)勢

光伏發(fā)電的結(jié)構(gòu)與原理相對簡單，沒有能源的消耗，也不排放二氧化碳等一些溫室氣體，在發(fā)電的過程中也沒有噪聲與污染，只要有太陽能就可以把光能轉(zhuǎn)化為電能，且太陽能具有取之不盡、用之不竭的特點，也是目前最為清潔與可持續(xù)的能源類型。光伏發(fā)電優(yōu)勢：①光伏發(fā)電所需的物質(zhì)近乎于取之不盡、用之不竭。通過一些數(shù)據(jù)調(diào)查出的結(jié)果可以看出，每年照射到地球的太陽光所富含的能量要比人類消耗的能量高出6000多倍，而且分布極為廣泛；②太陽能資源不受地理及空間限制，可以隨時發(fā)電以供應(yīng)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，這避免了長線路輸電所導(dǎo)致的電力損耗；③光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)化方式相對簡單，直接將光能轉(zhuǎn)化為電能，在這之中沒有以往的機械能轉(zhuǎn)化為電能的損耗，發(fā)電效率可以達(dá)到80%以上；④光伏發(fā)電自身不使用任何的化石燃料［1］，也不排放相應(yīng)的溫室氣體及其他有害氣體，可以做到零污染與零噪聲，對于周邊環(huán)境也極其的友好，不會因為燃料市場價格變化而增加發(fā)電及用電成本；⑤光伏發(fā)電過程中不需要有冷卻裝置，可以適用于沒有水資源的荒漠地區(qū)，而光伏也能和建筑物很好地結(jié)合起來，不需要占用寶貴的土地資源。

2 農(nóng)村光伏發(fā)電裝置目前面臨的問題

2.1 供電網(wǎng)絡(luò)調(diào)配問題

農(nóng)村分布式光伏發(fā)電首先應(yīng)該根據(jù)其分布的特點，將電網(wǎng)電能的供需關(guān)系考慮進去，在電網(wǎng)供電壓力大及承載能力較強的地區(qū)優(yōu)先開始布局。分布式光伏發(fā)電設(shè)備在接入所在地區(qū)的電網(wǎng)之后，就會由原有的單獨式發(fā)電設(shè)備，變成電網(wǎng)的組成部分，形成一套有源網(wǎng)絡(luò)，這會改變以往的供電方式，將純輸出型的電網(wǎng)，轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向電力交易的供電體系，使用戶也轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電源頭，而用戶通過光伏發(fā)電之后，在滿足自身的用電需求之外，還可以將富裕電力就近銷售給當(dāng)?shù)氐墓╇娖髽I(yè)。農(nóng)村的光伏發(fā)電所產(chǎn)出的電壓是屬于低壓網(wǎng)絡(luò)，而目前的電網(wǎng)供電主干網(wǎng)絡(luò)都是高壓電網(wǎng)［2］，當(dāng)大量的低壓電能輸入到電網(wǎng)之中也會對電網(wǎng)的電壓維持系統(tǒng)、繼電保護裝置與短路保護等供電設(shè)備產(chǎn)生部分影響，當(dāng)電網(wǎng)的電壓超過預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)時，可能會觸動電網(wǎng)的保護系統(tǒng)工作。在當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)因檢修或故障導(dǎo)致停止供電時，分布式光伏發(fā)電裝置如還在繼續(xù)工作，就會導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐墓╇娋€路中還有部分區(qū)域?qū)儆趲щ娺\行，最終形成了一個供電孤島。

2.2 光伏發(fā)電設(shè)備施工及分布方面的問題

在農(nóng)村屋頂以及空余區(qū)域安裝光伏發(fā)電裝置時，主要還存在一些施工方面的困難，由于農(nóng)村的光伏電站具有分散等特性［3］，這會在安裝時產(chǎn)生一些較大的風(fēng)險，主要就是高空安裝作業(yè)、帶電安裝問題和需要手工施工問題。因而在安裝光伏發(fā)電裝置時，這些施工中的風(fēng)險也會有發(fā)生的概率，安全問題始終是最為突出的要素。而在運行的過程中還會發(fā)生一些突發(fā)的自然災(zāi)害，例如冰雹、大風(fēng)及強對流天氣等惡劣天氣，這會對設(shè)備以及房屋下面的居民產(chǎn)生一定的安全隱患。

2.3 光伏發(fā)電設(shè)備運維方面的問題

在電網(wǎng)正常運行的過程中，分布式光伏發(fā)電設(shè)備會隨著當(dāng)?shù)靥鞖獾淖兓a(chǎn)生一些影響，主要的核心部件逆變器的正常輸出功率也會隨之而變，會產(chǎn)生諧波從而會引發(fā)電能污染。農(nóng)村分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是通過電網(wǎng)中的低壓線路入網(wǎng)的，用戶在無法消耗所發(fā)電力的時候就會從所在地區(qū)的變壓裝置并入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，產(chǎn)生多個并入點集中入網(wǎng)，而我國農(nóng)村電網(wǎng)體系相對城市還是有一些薄弱的，大量的電能并入電網(wǎng)可能會對電網(wǎng)工作的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。農(nóng)村分布式光伏發(fā)電裝置其工作的不可調(diào)節(jié)的特點，會與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)及負(fù)荷有所不同，造成電壓產(chǎn)生峰谷差、電壓不穩(wěn)及電壓產(chǎn)生閃變等供電現(xiàn)象。我國一部分農(nóng)村地區(qū)相對比較偏遠(yuǎn)，這些地區(qū)的供電線路相對比較長，而這種長線路供配電系統(tǒng)產(chǎn)生的電力損耗也是相對較高的［4］，如在這些地區(qū)建設(shè)多個分布式農(nóng)村光伏發(fā)電裝置并網(wǎng)時，會導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐墓╇娤到y(tǒng)負(fù)荷增大，甚至?xí)l(fā)電路保護裝置啟動，尤其是一些供電末端的變壓設(shè)備容量相對不足，而現(xiàn)有的農(nóng)村分布式光伏發(fā)電裝置大多數(shù)都是按照2kV的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的，每戶的設(shè)計容量都在5kV之上，這會對農(nóng)村的供配電系統(tǒng)的正常運行造成比較大的壓力。

3 農(nóng)村新型能源分布式光伏實施措施

3.1 農(nóng)村光伏發(fā)電分布設(shè)計解決方式

在農(nóng)村規(guī)劃光伏發(fā)電設(shè)備時，應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的實際需求與有效載荷，光伏發(fā)電項目的建設(shè)是要與區(qū)域供配電系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展的。在當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)絡(luò)承載能力的基礎(chǔ)之上，對不同分布的光伏發(fā)電裝置進行優(yōu)化調(diào)配，針對不同的區(qū)域安裝光伏發(fā)電裝置，可以根據(jù)當(dāng)?shù)毓╇姴块T的電力供應(yīng)情況分析當(dāng)?shù)赜秒娦枨?，了解?dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的近期及中遠(yuǎn)期規(guī)劃，對光伏設(shè)備進行合理分布［1］。對于經(jīng)濟發(fā)展相對比較落后的地區(qū)，其用電的需求也相對較少，當(dāng)?shù)毓┡潆娋W(wǎng)絡(luò)也比較薄弱，這些地區(qū)的光伏發(fā)電安裝可能受到的影響會相對較大。而一些經(jīng)濟條件相對發(fā)達(dá)的地區(qū)，由于其人口相對較多，用電需求及配套電網(wǎng)也比較大，這些區(qū)域正是光伏發(fā)電裝置大顯身手的區(qū)域。光伏發(fā)電裝置在農(nóng)村的分布應(yīng)在設(shè)計期間就要綜合考慮當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展、用電需求及供配電設(shè)施問題。農(nóng)村光伏發(fā)電的設(shè)計與布局首先就要保持其發(fā)電系統(tǒng)能夠正常工作，也要根據(jù)安裝的場地不同進行綜合化的考量，如果安裝在房屋頂部區(qū)域，應(yīng)考慮到房屋的防水問題。要在設(shè)備發(fā)電的過程中對電力與電流進行數(shù)據(jù)的采集與反饋，做好相關(guān)的數(shù)據(jù)整理與保存，進而了解產(chǎn)品在運行中產(chǎn)生的問題，在現(xiàn)有的產(chǎn)品基礎(chǔ)之上，進行優(yōu)化與升級［2］。光伏發(fā)電裝置在設(shè)計階段還要考慮到一些極端天氣和突發(fā)事件（例如火災(zāi)及觸電等事態(tài)）的影響。光伏發(fā)電裝置的設(shè)計核心系統(tǒng)就是控制方式，在開始設(shè)計前，應(yīng)該對施工的場地進行深入考察，評估當(dāng)?shù)氐陌惭b與運行條件，根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乩項l件制定個性化方案［5］，采用最佳的傾斜角度，還要避免附近的其他建筑物和高大植物的遮擋。在安裝光伏發(fā)電設(shè)備的時候應(yīng)配置電弧故障的設(shè)備，還需要安裝一些反孤島設(shè)備，對于孤島現(xiàn)象及發(fā)電電壓進行監(jiān)控，保障光伏發(fā)電的安全。安裝電力保護設(shè)備，從而達(dá)到與電網(wǎng)適配方式相同，這會使光伏發(fā)電的適配區(qū)域進一步擴大。由于光伏發(fā)電都會安裝在高處，應(yīng)在發(fā)電設(shè)備安裝防雷裝置，為光伏發(fā)電提供更高更安全的保障。

3.2 增強農(nóng)光互補，為農(nóng)村生活生產(chǎn)提供更大的便利

由于各地的天氣與地理位置不同，光伏發(fā)電設(shè)備的安裝應(yīng)充分考慮安裝地區(qū)的環(huán)境，而光伏發(fā)電設(shè)備除了給用戶提供電力服務(wù)之外，還可以對農(nóng)村的溫室及大棚提供良好幫助。光伏發(fā)電板可以有效地阻擋一部分紫外線，可以反射一些昆蟲繁衍所需要的藍(lán)紫光，這些優(yōu)勢可以減少當(dāng)?shù)氐氖卟瞬∠x害，進而提高當(dāng)?shù)氐氖卟似焚|(zhì)與產(chǎn)量，這是高科技產(chǎn)品與生態(tài)綠色農(nóng)業(yè)建設(shè)相互結(jié)合的新模式［3］。每當(dāng)步入夏季，我國的大部分地區(qū)都會受到高溫的嚴(yán)重影響，這導(dǎo)致每年都有一部分時間無法種植蔬菜，尤其是傳統(tǒng)的溫室與大棚在夏季的溫度可能會達(dá)到50℃以上，而這種氣溫對于大部分蔬菜品種來說是無法成活的，每年都會有一部分時間空閑，導(dǎo)致其產(chǎn)出受到極大的影響［6］。而新的光伏大棚或溫室就可以完美地解決這一問題，由于光伏發(fā)電板的遮蓋會使大棚內(nèi)的溫度降低，使大棚的產(chǎn)出時間大大延長［4］。當(dāng)冬季來臨之時，光伏發(fā)電板還可以防止棚內(nèi)的溫度向外流失，對于夜間的溫度下降問題也能得到很好的解決，可以節(jié)省草簾覆蓋這一環(huán)節(jié)，節(jié)省大量的人力、物力及財力。而光伏發(fā)電裝置除了對農(nóng)村蔬菜種植有益處之外，合理的遮光也能為農(nóng)村的養(yǎng)殖業(yè)提供更好的生長環(huán)境，合理的光線互補也對水生花卉種植和魚類養(yǎng)殖起到更好的效果，這能使得光伏與農(nóng)村生產(chǎn)相互結(jié)合，通過與村集體合作等方式，惠及當(dāng)?shù)厝罕?，從而帶動農(nóng)村的收入。

3.3 助力鄉(xiāng)村振興發(fā)展

《中共中央 國務(wù)院關(guān)于做好2022年全面推進鄉(xiāng)村振興重點工作的意見》、《中共中央辦公廳 國務(wù)院辦公廳印發(fā)〈鄉(xiāng)村建設(shè)行動實施方案〉》等文件均提到通過建設(shè)光伏發(fā)電助力鄉(xiāng)村振興發(fā)展。除農(nóng)光互補模式外，光伏發(fā)電可在規(guī)劃設(shè)計階段融入文旅元素，如將組件按照景觀進行布置設(shè)計、建設(shè)新型互動景觀，在周邊修建綠色步道等，形成新的旅游景點，促進地方能源與旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展，還可在項目的建設(shè)過程中統(tǒng)籌考慮農(nóng)村電網(wǎng)改造、供電設(shè)施升級，改善農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施水平，為鄉(xiāng)村振興賦能。

3.4 農(nóng)村屋頂分布式光伏發(fā)電設(shè)備的指標(biāo)

現(xiàn)有的光伏發(fā)電設(shè)備在農(nóng)村的主要安裝地點是居住的屋頂，而光伏發(fā)電設(shè)備是一種集合多種高新技術(shù)于一體的發(fā)電裝置，有大量的轉(zhuǎn)換器，可以提供光伏的利用率，節(jié)約傳輸電纜的使用量，反饋裝置的運行情況，以便于對光伏發(fā)電裝置的實時管理，在這個過程之中，為了能使設(shè)備更好的運行，良好的運行維護是必不可少的一環(huán)［5］。分布式光伏主要從諧波的控制入手，還需要提升并網(wǎng)的逆變控制裝置的工作效率，尤其是我國農(nóng)村地區(qū)供配電系統(tǒng)相對薄弱，這對于逆變系統(tǒng)運行的好壞有著直接的關(guān)系［6］。由于光伏發(fā)電裝置的運行特點帶有間歇性與波動性，逆變器是整個光伏設(shè)備的直流轉(zhuǎn)交流的主要工作部分，這就要求逆變器的電力偏差要控制在合理的范圍之內(nèi)，其輸出的三相電壓偏差要控制在7%；電壓波動：光伏發(fā)電設(shè)備以10kV接入為標(biāo)準(zhǔn)［7］，其電壓的波動應(yīng)控制在3%范圍之內(nèi)；電壓不平衡度：在公共位置連接點的負(fù)序電力不平衡度是需要控制在2%的范圍之內(nèi)，瞬間不能超過4%，而由光伏發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生的負(fù)序電壓不平衡度應(yīng)控制在1.3%，瞬間應(yīng)不超過2.6%；直流分量指標(biāo)：光伏發(fā)電設(shè)備在和公共連接點所注入的直流分量應(yīng)不超過額定數(shù)值的0.5%［7］。

4 結(jié)束語

在農(nóng)村的新型能源系統(tǒng)建設(shè)中，光伏發(fā)電無疑是占據(jù)主導(dǎo)位置的，其高效的發(fā)電能力與農(nóng)光互補的優(yōu)勢在逐漸的應(yīng)用中，我國廣大的農(nóng)業(yè)地區(qū)應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂蚺c生產(chǎn)生活方式安裝光伏發(fā)電設(shè)備，這對于農(nóng)村經(jīng)濟有著重大的作用，也能為我國的“雙碳”控制工作貢獻出一份力量。