未来太阳能光伏并网发电对电网的影响

未来太阳能光伏并网发电对电网的影响2007-11-2014:30:33国际新能源网网友评论

尽管寻找新能源的工作已经有相当的历史了，但是世界性的环境污染和能源短缺已经迫使人们更加努力的寻找和开发新能源。在寻找和开发新能源的过程中，人们很自然的把目光投向了各种可再生的替代能源。光伏发电就是其中之一。虽然光伏发电的实际应用存在着种种的局限，但是随着光伏发电成本的降低和矿物发电成本的提高以及矿物能源的减少，总有一天光伏发电的成本将会与传统发电成本相当。到时侯，光伏发电将逐步进入商业化阶段。光伏并网发电形成规模后会对电网形成什么样的影响是本文想要探讨的问题。

一、光伏发电的基本原理1.太阳能光伏发电系统的组成太阳能光伏发电系统主要由太阳能光伏电池组，光伏系统电池控制器，蓄电池和交直流逆变器是其主要部件。其中的核心元件是光伏电池组和控制器。各部件在系统中的作用是：光伏电池：光电转换。控制器：作用于整个系统的过程控制。光伏发电系统中使用的控制器类型很多，如2点式控制器，多路顺序控制器、智能控制器、大功率跟踪充电控制器等，我国目前使用的大都是简单设计的控制器，智能型控制器仅用于通信系统和较大型的光伏电站。蓄电池：蓄电池是光伏发电系统中的关键部件，用于存储从光伏电池转换来的电力。目前我国还没有用于光伏系统的专用蓄电池，而是使用常规的铅酸蓄电池。交直流逆变器：由于它的功能是交直流转换，因此这个部件最重要的指标是可靠性和转换效率。并网逆变器采用最大功率跟踪技术，最大限度地把光伏电池转换的电能送入电网。2.太阳能光伏电池板：太阳能电池主要使用单晶硅为材料。用单晶硅做成类似二极管中的P-N结。工作原理和二极管类似。只不过在二极管中，推动P-N结空穴和电子运动的是外部电场，而在太阳能电池中推动和影响P-N结空穴和电子运动的是太阳光子和光辐射热（*）。也就是通常所说的光生伏特效应原理。目前光电转换的效率，也就是光伏电池效率大约是单晶硅13％－15％，多晶硅11％－13％。目前最新的技术还包括光伏薄膜电池。3.太阳能光伏发电系统的分类：目前太阳能光伏发电系统大致可分为三类，离网光伏蓄电系统，光伏并网发电系统及前两者混合系统。A）离网光伏蓄电系统。这是一种常见的太阳能应用方式。在国内外应用已有若干年。系统比较简单，而且适应性广。只因其一系列种类蓄电池的体积偏大和维护困难而限制了使用范围。B）光伏并网发电系统，当用电负荷较大时，太阳能电力不足就向市电购电。而负荷较小时，或用不完电力时，就可将多余的电力卖给市电。在背靠电网的前提下，该系统省掉了蓄电池，从而扩张了使用的范围和灵活性，并降低了造价。C）A,B两者混合系统，这是介于上述两个方之间的系统。该方案有较强的适应性，例如可以根据电网的峰谷电价来调整自身的发电策略。但是其造价和运行成本较上述两种方案高。二、光伏发电的优点进入70年代后，由于2次石油危机的影响，光伏发电在世界范围内受到高度重视，发展非常迅速。从远期看，光伏发电将以分散式电源进入电力市场，并部分取代常规能源。不论从近期和从近期看，光伏发电可以作为常规能源的补充，在解决特殊应用领域，如通信、信号电源，和边远无电地区民用生活用电需求方面，从环境保护及能源战略上都具有重大的意义。光伏发电的优点充分体现在以下几个方面：1.充分的清洁性。（如果采用蓄电池方案，要考虑对废旧蓄电池的处理）2.绝对的安全性。（并网电压一般在220V以下）3.相对的广泛性。4.确实的长寿命和免维护性。5.初步的实用性。6.资源的充足性及潜在的经济性等。三、光伏发电局限性。任何事物总是具有两面性。目前有太多的文章介绍光伏发电的优点和优势，这里有必要指出光伏发电的一些局限性。太阳能具有能量密度低,稳定性差的弱点,并受到地理分布、季节变化、昼夜交替等影响。光伏发电的局限性包括以下几个方面：1.时间周期局限。由于光伏发电的条件是出太阳时，光伏发电设备才能正常工作发电。因此，白昼黑夜，一年当中春夏秋冬各个季节对光伏发电的负荷影响巨大。为了应付这个情况，电网不得不配备相应容量的发电机处于旋转备用状态。2.地理位置局限。光伏发电设备基本上只能依附建筑物安装建设，也就是所谓的光伏屋顶就地供电。如果离开建筑物来建设光伏发电，将会大大增加成本或者破坏环境和生态。5.降耗问题；光伏并网发电的一个主要优势是可替代矿物燃料的消耗。由于光伏并网发电增加了发电厂旋转发电机的旋转备用或者是热备用，因此，光伏并网发电的实际降耗比率应该扣除旋转备用或热备用损失的能量。光伏并网发电的降耗效率应该考虑到由于光伏并网发电系统提供的电力导致发电公司机组利用小时数降低带来的效率损失。由于电力系统是作为一个整体来运行的，光伏并网发电向电网输送电力将侵害其他发电商的利益，这是作为政策制定者需要考虑的问题。这是由于电网在考虑安全，稳定和经济运行时，不仅仅只由水电厂担任旋转备用。因此，系统中总的光伏并网发电量所等效的理论降耗标煤量前应该乘以一个小于1的系数，并且等比例的减去旋转备用机组的厂用电损耗。这里给出一个公式来判断光伏发电实际的降耗作用：W=[(Wc/Wn)*Wp-（Pc/Pn)Pd）；11）W--光伏并网发电实际获得的降耗量（标煤）；2）Wc--电网火电总发电量；3）Wn--电网总发电量；4）Wp--光伏并网发电理论降耗量（标煤）5）Pc--火电机组总的厂用电损耗（标煤）；6）Pn--电网中总的厂用电损耗（标煤）；7）Pd--旋转备用机组的厂用电损耗（标煤）。6.环保问题；光伏发电带来的减排效果是否应该只考虑火电排放的二氧化硫和二氧化碳还有待研究，因为当光伏并网发电时，同样电网在考虑电网安全，稳定和经济运行时，往往减少出力的不仅仅是火电厂，而考虑旋转备用时，也不仅仅是水电厂来承担旋转备用的任务（水电厂承当旋转备用任务损失较小）。因此，在考虑光伏并网发电系统的减排贡献时，也应该在理论值前乘以一个小于一的系数。这个结论并不象一些文章中所讲的那么乐观。7.顺便指出，风力发电也存在环保生态问题。国外有环保人士指出大型的风力发电站往往建在季风的风道上，这往往是候鸟迁徙的最佳路线。结束语光伏发电的优势在于解决离网地区通信，微波等设备的能源动力，分散人口地区的小容量电力消费及为有条件建立光伏屋顶的建筑就地提供电力。未来电网在做发展规划时，对负荷预测应充分考虑离网光伏发电和光伏并网发电对电网的影响和数学模型。离网光伏发电系统可以作为在线有源可变负荷模型来考虑（这里指的是城市中既可由离网的光伏发电系统，也可以由市电网供电的负荷）。光伏并网发电系统如果以110V或220V并网供电时，也可以把光伏并网发电系统考虑为可从负到正变化的有源负荷模型。通过上述分析，光伏并网发电远期定位只能作为电网节能降耗的重要补充手段。如果超出这个战略定位，将造成投资和额外的能源浪费，对减少污染排放量的乐观看法也要大打折扣。本文仅仅代表作者个人观点。初稿于昆明，2007.11.8，*太阳能中包含了可见光能，不可见光能，光热辐射能等等。从物理学能量守恒定律来看，只要在同系统中形成差值的物理量都包含着能量。比如，水力发电的水位差，或“落差”；热力发电中的“温差”，风力发电中气流的“压差”等等。根据半导体物理原理，P-N结整体温度上升，使P-N结呈现负的温度系数。单片太阳电池的电压随温度的上升而下降（见参考资料3，P49，图2-16，图2-19，太阳能电池组件温度对效率的影响；参考资料5，P174）。也就是说温度的变化将引起P-N结内空穴和电子运动，数量及平衡点的变化（见参考资料2，P26）。随着温度的增加，太阳能电池效率下降（见参考资料5，P43-44）。Isc对温度T很敏感，温度还对Voc起主要作用。对于Si温度每增加一度，Voc下降室温值的0.4%，效率也因而降低同样的百分数。例如，一个硅电池在20度时的效率为20%，当温度生到120度时，效率仅为12%（见参考资料4,P36）。可以猜想，如果P-N结两侧的温差上升，或者P-N结的结温差上升，势必打破空穴和电子对的平衡。结温差的变化是呈现正的还是负的温度系数，以及对太阳能电池IV特性的影响目前尚未见到试验报道。可能存在着一个类似光伏效应的热伏效应--辐射热生伏特效应（当然不一定就是P-N结）。准确的在P-N结上制造一个结温差,或一个较大的温度梯度，在技术上可能是一个非常困难的事情。总之增加“光差”和“结温差”或许是提高光伏发电效率一个有用途径。**作者实在无法用中文来表示“used能源”的意思，只好用英文来代替了。参考资料：1.太阳能发电原理与应用，冯垛生，宋金莲；2.太阳能电池材料，杨德仁；3.并网型太阳能光伏发电系统，崔容强，赵春江，吴达成；4.可再生能源概论，左然，施明恒，王希麟；5.新能源和可再生能源的利用，吴治坚；6.太阳能发电系统状况及发展趋势，沈阳建筑大学交通与机械工程学院2007-9-6；7.光伏并网发电系统的若干问题研究，华中科技大学刘飞，段善旭，徐鹏威，王志峰<<太阳能>>2006年04期；8.可再生能源发电有关管理规定，2006-7-12中国电力报；9.新能源和可再生能源产业发展“十五”规划，国家经贸委；10.对《可再生能源法》颁布并实施一周年的思考中国环境薛惠锋2007-05-25；11.中国光伏发电的市场情况，中美清洁能源技术论坛，中国新能源网2003-11-11；12.2007年中国太阳能光伏发电产业分析及投资咨询报告；13.光伏市场规则与变数，刘文平2006-12-30；14.２００５～２０３０年电力需求预测及发展战略研究，太阳能光伏网，2007-10-1308:18:09；15.点燃中国光伏市场还须迈几道坎,能源世界－中国建筑节能网,2007-9-24；16.全球光伏产业分析报告(上),上海电子网,2007年06月28日；17.太阳能电池的丝网印刷技术，:Solar168，