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未來太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電對電網(wǎng)的影響論文
【摘要】盡管尋找新能源的工作已經(jīng)有相當?shù)臍v史了，但是世界性的環(huán)境污染和能源短缺已經(jīng)迫使人們更加努力的尋找和開發(fā)新能源。在尋找和開發(fā)新能源的過程中，人們很自然的把目光投向了各種可再生的替代能源。光伏發(fā)電就是其中之一。雖然光伏發(fā)電的實際應用存在著種種的局限，但是隨著光伏發(fā)電成本的降低和礦物發(fā)電成本的提高以及礦物能源的減少，總有一天光伏發(fā)電的成本將會與傳統(tǒng)發(fā)電成本相當。到時侯，光伏發(fā)電將逐步進入商業(yè)化階段。光伏并網(wǎng)發(fā)電形成規(guī)模后會對電網(wǎng)形成什么樣的影響是本文想要探討的問題。
一、光伏發(fā)電的基本原理
1. 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成
太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能光伏電池組，光伏系統(tǒng)電池控制器，蓄電池和交直流逆變器是其主要部件。其中的核心元件是光伏電池組和控制器。各部件在系統(tǒng)中的作用是：
光伏電池：光電轉換。
控制器：作用于整個系統(tǒng)的過程控制。光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用的控制器類型很多，如2點式控制器，多路順序控制器、智能控制器、大功率跟蹤充電控制器等，我國目前使用的大都是簡單設計的控制器，智能型控制器僅用于通信系統(tǒng)和較大型的光伏電站。
蓄電池：蓄電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關鍵部件，用于存儲從光伏電池轉換來的電力。目前我國還沒有用于光伏系統(tǒng)的專用蓄電池，而是使用常規(guī)的鉛酸蓄電池。
交直流逆變器：由于它的功能是交直流轉換，因此這個部件最重要的指標是可靠性和轉換效率。并網(wǎng)逆變器采用最大功率跟蹤技術，最大限度地把光伏電池轉換的電能送入電網(wǎng)。
2. 太陽能光伏電池板：
太陽能電池主要使用單晶硅為材料。用單晶硅做成類似二極管中的P-N結。工作原理和二極管類似。只不過在二極管中，推動P-N結空穴和電子運動的是外部電場，而在太陽能電池中推動和影響P-N結空穴和電子運動的是太陽光子和光輻射熱（*）。也就是通常所說的光生伏特效應原理。目前光電轉換的效率，也就是光伏電池效率大約是單晶硅13％－15％，多晶硅11％－13％。目前最新的技術還包括光伏薄膜電池。
3. 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類：
目前太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)大致可分為三類，離網(wǎng)光伏蓄電系統(tǒng)，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及前兩者混合系統(tǒng)。
A）離網(wǎng)光伏蓄電系統(tǒng)。這是一種常見的太陽能應用方式。在國內外應用已有若干年。系統(tǒng)比較簡單，而且適應性廣。只因其一系列種類蓄電池的體積偏大和維護困難而限制了使用范圍。
B）光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，當用電負荷較大時，太陽能電力不足就向市電購電。而負荷較小時，或用不完電力時，就可將多余的電力賣給市電。在背靠電網(wǎng)的前提下，該系統(tǒng)省掉了蓄電池，從而擴張了使用的范圍和靈活性，并降低了造價。
C）A, B兩者混合系統(tǒng)，這是介于上述兩個方之間的系統(tǒng)。該方案有較強的適應性，例如可以根據(jù)電網(wǎng)的峰谷電價來調整自身的發(fā)電策略。但是其造價和運行成本較上述兩種方案高。
二、光伏發(fā)電的優(yōu)點
進入70年代后，由于2次石油危機的影響，光伏發(fā)電在世界范圍內受到高度重視，發(fā)展非常迅速。從遠期看，光伏發(fā)電將以分散式電源進入電力市場，并部分取代常規(guī)能源。不論從近期和從近期看，光伏發(fā)電可以作為常規(guī)能源的補充，在解決特殊應用領域，如通信、信號電源，和邊遠無電地區(qū)民用生活用電需求方面，從環(huán)境保護及能源戰(zhàn)略上都具有重大的意義。光伏發(fā)電的優(yōu)點充分體現(xiàn)在以下幾個方面：
1. 充分的清潔性。 （如果采用蓄電池方案，要考慮對廢舊蓄電池的處理）
2. 絕對的安全性。 （并網(wǎng)電壓一般在220V以下）
3. 相對的廣泛性。
4. 確實的長壽命和免維護性。
5. 初步的實用性。
6. 資源的充足性及潛在的經(jīng)濟性等。
三、光伏發(fā)電局限性。
任何事物總是具有兩面性。目前有太多的文章介紹光伏發(fā)電的優(yōu)點和優(yōu)勢，這里有必要指出光伏發(fā)電的一些局限性。太陽能具有能量密度低,穩(wěn)定性差的弱點,并受到地理分布、季節(jié)變化、晝夜交替等影響。光伏發(fā)電的局限性包括以下幾個方面：
1. 時間周期局限。由于光伏發(fā)電的條件是出太陽時，光伏發(fā)電設備才能正常工作發(fā)電。因此，白晝黑夜，一年當中春夏秋冬各個季節(jié)對光伏發(fā)電的負荷影響巨大。為了應付這個情況，電網(wǎng)不得不配備相應容量的發(fā)電機處于旋轉備用狀態(tài)。
2. 地理位置局限。光伏發(fā)電設備基本上只能依附建筑物安裝建設，也就是所謂的光伏屋頂就地供電。如果離開建筑物來建設光伏發(fā)電，將會大大增加成本或者破壞環(huán)境和生態(tài)。
3. 氣象條件局限。氣候對光伏發(fā)電影響。采用光伏并網(wǎng)發(fā)電無蓄電池方案時，如果一個城市上空的氣候大幅變化，將造成電力負荷的大幅波動；當一個城市上空的空氣質量比如空氣污染，或能見度變差比如霧天，陰天等都將使光伏發(fā)電在線或實時出力下降。
4. 容量傳輸局限。在解決了光伏發(fā)電的成本問題后，大功率，高電壓，遠距離從荒漠面積輸送電力到負荷中心，由于光伏發(fā)電沒有傳統(tǒng)電機的旋轉慣量，調速器及勵磁系統(tǒng)，將給交流電網(wǎng)帶來新的經(jīng)濟和穩(wěn)定問題。不論采用交流或是直流高電壓大功率遠距離從荒漠地區(qū)輸送電力，由于上述1，2，3的局限性將大大增加單位千瓦的輸送成本。下面將會討論這個問題。
5. 光能轉換效率偏低。和傳統(tǒng)能源（礦物能源，石油，水能，原子能，等）的轉換效率相比，光伏能量的轉換效率不能令人滿意。
四、光伏發(fā)電未來展望
我國光伏產(chǎn)業(yè)正以每年30%的速度增長。最近三年全球太陽能電池總產(chǎn)量平均年增長率高達49.8%以上。按照日本新能源計劃、歐盟可再生能源白皮書、美國光伏計劃等推算，2010年全球光伏發(fā)電并網(wǎng)裝機容量將達到15GW(1500萬千瓦，屆時仍不到全球發(fā)電總裝機容量的1%)，至2030年全球光伏發(fā)電裝機容量將達到300GW(屆時整個產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值有可能突破3000億美元)，至2040年光伏發(fā)電將達到全球發(fā)電總量的15%-20%。按此計劃推算，2010-2040年，光伏行業(yè)的復合增長率將高達25%以上（參看資料：15）。其中并網(wǎng)應用會有較大的發(fā)展，從而形成并網(wǎng)發(fā)電(約46%)、離網(wǎng)供電(約27%)和通訊機站(約21%) 3個主要應用領域（參看資料：16）。
太陽的能量對人類而言幾乎是無限的，但是實際上，在地球上能夠獲取太陽能資源的資源是有限的。并不象有些文章中所說的那樣巨大。例如，當我們在在屋頂安裝太陽能熱水器時，就失去了安裝太陽能電池的機會。除建筑物和荒漠外，在其他地點建設太陽能電池板群將是不現(xiàn)實和得不償失。這不僅僅是因為成本巨大的原因，問題是顯而易見的，主要的問題是離開建筑物和荒漠來建設光伏發(fā)電站將破壞環(huán)境和生態(tài)，你會發(fā)現(xiàn)在太陽能電池板下面將寸草不生。總之，節(jié)能降耗是人類的一個永恒話題。從某種意義上講，淘汰舊技術和產(chǎn)品的同時，也就浪費掉了當初生產(chǎn)這些技術和產(chǎn)品的能源。出國考察的人往往會發(fā)現(xiàn)，西方發(fā)達國家有些場合還在使用20-30年代的產(chǎn)品和設備，他們并非要保護“古跡”，某種意義上講是在節(jié)約能源。新舊產(chǎn)品和技術的換代是要以耗費能源為代價的，過快的產(chǎn)品更新?lián)Q代，將加快能源的消耗。當然，這里需要有一個總體的經(jīng)濟指標來判斷能耗。我們是否應該考慮節(jié)約“used能源”的問題？(**)
另一方面，任何先進的技術，進入商業(yè)使用的必要條件是價格能為市場所接受。如果使用成本太高，再好的技術必將只能停留在試驗室中或者示范工程階段。
五、光伏發(fā)電并網(wǎng)對未來電網(wǎng)的影響
隨著我國《可再生能源法》的頒布實施，常規(guī)能源價格的不斷升高和石油價格逼近$100，世界范圍內圍繞利用太陽能科技，商業(yè)發(fā)展非常迅速，其中光伏并網(wǎng)發(fā)電技術發(fā)展非�？臁Ｄ壳爸萍s光伏發(fā)電的主要因素是成本問題。太陽能光伏發(fā)電造價高（每千瓦３萬元以上），發(fā)電成本貴（１．５元／千瓦時以上）。隨著光伏發(fā)電成本的降低和耗能發(fā)電成本的提高，總有一天光伏發(fā)電的成本將會與傳統(tǒng)發(fā)電成本相當。到那時侯，光伏發(fā)電將會進入商業(yè)化應用階段。為了提早迎接這一天的到來，我們將有必要提前考慮光伏并網(wǎng)發(fā)電對現(xiàn)有發(fā)電模式的技術、經(jīng)濟、政策和環(huán)境效益的影響。我們先假設這個時代已經(jīng)到來，并且現(xiàn)有的發(fā)電模式并未發(fā)生較大的改變。那么光伏發(fā)電給我們帶來好處的同時將會對現(xiàn)有的電網(wǎng)產(chǎn)生什么樣的問題？
由于太陽能光伏發(fā)電屬于能量密度低、穩(wěn)定差，調節(jié)能力差的能源，發(fā)電量受天氣及地域的影響較大，并網(wǎng)發(fā)電后會對電網(wǎng)安全，穩(wěn)定，經(jīng)濟運行以及電網(wǎng)的供電質量造成一定影響。至于有多大的影響目前尚不清楚。我們知道目前電能是不能大規(guī)模低成本儲存的，在可以預見的將來也不能大規(guī)模低成本儲存。這就使得光伏發(fā)電的應用受到物理因素的制約，同時也受到地理上的限制。但是隨著技術和市場的發(fā)展，當光伏發(fā)電的上網(wǎng)電量在電網(wǎng)中與火電廠，水電，核電等電廠的發(fā)電量處于可比較的數(shù)量級和成為不可忽略的一部分時，光伏并網(wǎng)發(fā)電將對現(xiàn)有發(fā)電模式和電網(wǎng)的技術、經(jīng)濟、政策和環(huán)境效益帶來如下問題：（如果光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)采用有蓄電池方案，光伏并網(wǎng)發(fā)電的優(yōu)點和優(yōu)勢將大打折扣。但是為光伏并網(wǎng)發(fā)電優(yōu)化配置的蓄電池系統(tǒng)可以部分解決以下1，2和3點提出的問題。）
1. 負荷峰谷對電網(wǎng)的影響。由于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不具備調峰和調頻能力，這將對電網(wǎng)的早峰負荷和晚峰負荷造成沖擊。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)增加的發(fā)電能力并不能減少傳統(tǒng)旋轉機組的擁有量，電網(wǎng)必須為光伏發(fā)電系統(tǒng)準備大量的旋轉備用機組來解決早峰和晚峰的調峰問題。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)供電是以機組利用小時數(shù)下降為代價的。這當然是發(fā)電商所不愿意看到的。
2. 晝夜變化，東西部時差以及季節(jié)的變化對電網(wǎng)的影響。由于陽光和負荷出現(xiàn)的周期性，光伏并網(wǎng)發(fā)電量的增加并不能減少對電網(wǎng)裝機容量的需求。
3. 氣象條件的變化。當一個城市的光伏屋頂并網(wǎng)發(fā)電達到一定規(guī)模時，如果地理氣象出現(xiàn)大幅變化，電網(wǎng)將為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)提供足夠的區(qū)域性旋轉備用機組和無功補償容量，來控制和調整系統(tǒng)的頻率和電壓。在這種情況下，電網(wǎng)將以犧牲經(jīng)濟運行方式為代價來保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。
4. 遠距離光伏電能輸送。當光伏并網(wǎng)發(fā)電遠距離輸送電力在經(jīng)濟和技術上成為可能時，由于光伏并網(wǎng)發(fā)電沒有旋轉慣量，調速器及勵磁系統(tǒng)，它將給交流電網(wǎng)帶來新的穩(wěn)定問題。如果光伏并網(wǎng)發(fā)電形成規(guī)模采用高壓交直流送電，將會給與光伏發(fā)電直流輸電系統(tǒng)相鄰的交流系統(tǒng)帶來穩(wěn)定和經(jīng)濟問題，（專門用于光伏并網(wǎng)發(fā)電的輸電線路，由于使用效率低，將對荒漠太陽能的利用形成制約。用于借道或者兼顧輸送光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)電能的輸電線路，由于負荷率低下，顯得很不經(jīng)濟。）不論采用高壓交流或直流送出，光伏并網(wǎng)發(fā)電站都必須配備自動無功調壓裝置。至于對電網(wǎng)穩(wěn)定的影響，目前還未見到光伏發(fā)電在電網(wǎng)穩(wěn)定計算中的數(shù)學模型（包括電源模型和負荷模型）。光伏并網(wǎng)發(fā)電將對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行有多大的影響目前尚不清楚。
5. 降耗問題；光伏并網(wǎng)發(fā)電的一個主要優(yōu)勢是可替代礦物燃料的消耗。由于光伏并網(wǎng)發(fā)電增加了發(fā)電廠旋轉發(fā)電機的旋轉備用或者是熱備用，因此，光伏并網(wǎng)發(fā)電的實際降耗比率應該扣除旋轉備用或熱備用損失的能量。光伏并網(wǎng)發(fā)電的降耗效率應該考慮到由于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)提供的電力導致發(fā)電公司機組利用小時數(shù)降低帶來的效率損失。由于電力系統(tǒng)是作為一個整體來運行的，光伏并網(wǎng)發(fā)電向電網(wǎng)輸送電力將侵害其他發(fā)電商的利益，這是作為政策制定者需要考慮的問題。這是由于電網(wǎng)在考慮安全，穩(wěn)定和經(jīng)濟運行時，不僅僅只由水電廠擔任旋轉備用。因此，系統(tǒng)中總的光伏并網(wǎng)發(fā)電量所等效的理論降耗標煤量前應該乘以一個小于1的系數(shù)，并且等比例的減去旋轉備用機組的廠用電損耗。
這里給出一個公式來判斷光伏發(fā)電實際的降耗作用：
W=[(Wc/Wn)*Wp -（Pc/Pn)Pd）；1
1）W--光伏并網(wǎng)發(fā)電實際獲得的降耗量（標煤）；
2）Wc--電網(wǎng)火電總發(fā)電量；
3）Wn--電網(wǎng)總發(fā)電量；
4）Wp--光伏并網(wǎng)發(fā)電理論降耗量（標煤）
5）Pc--火電機組總的廠用電損耗（標煤）；
6）Pn--電網(wǎng)中總的廠用電損耗（標煤）；
7）Pd--旋轉備用機組的廠用電損耗（標煤）。
6. 環(huán)保問題；光伏發(fā)電帶來的減排效果是否應該只考慮火電排放的二氧化硫和二氧化碳還有待研究，因為當光伏并網(wǎng)發(fā)電時，同樣電網(wǎng)在考慮電網(wǎng)安全，穩(wěn)定和經(jīng)濟運行時，往往減少出力的不僅僅是火電廠，而考慮旋轉備用時，也不僅僅是水電廠來承擔旋轉備用的任務（水電廠承當旋轉備用任務損失較�。Ｒ虼�，在考慮光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的減排貢獻時，也應該在理論值前乘以一個小于一的系數(shù)。這個結論并不象一些文章中所講的那么樂觀。
7. 順便指出，風力發(fā)電也存在環(huán)保生態(tài)問題。國外有環(huán)保人士指出大型的風力發(fā)電站往往建在季風的風道上，這往往是候鳥遷徙的最佳路線。
結束語
光伏發(fā)電的優(yōu)勢在于解決離網(wǎng)地區(qū)通信，微波等設備的能源動力，分散人口地區(qū)的小容量電力消費及為有條件建立光伏屋頂?shù)慕ㄖ偷靥峁╇娏ΑＮ磥黼娋W(wǎng)在做發(fā)展規(guī)劃時，對負荷預測應充分考慮離網(wǎng)光伏發(fā)電和光伏并網(wǎng)發(fā)電對電網(wǎng)的影響和數(shù)學模型。離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)可以作為在線有源可變負荷模型來考慮（這里指的是城市中既可由離網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，也可以由市電網(wǎng)供電的負荷）。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)如果以110V或220V并網(wǎng)供電時，也可以把光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)考慮為可從負到正變化的有源負荷模型。通過上述分析，光伏并網(wǎng)發(fā)電遠期定位只能作為電網(wǎng)節(jié)能降耗的重要補充手段。如果超出這個戰(zhàn)略定位，將造成投資和額外的能源浪費，對減少污染排放量的樂觀看法也要大打折扣。
本文僅僅代表作者個人觀點。
初稿于昆明，2007.11.8，
* 太陽能中包含了可見光能，不可見光能，光熱輻射能等等。從物理學能量守恒定律來看，只要在同系統(tǒng)中形成差值的物理量都包含著能量。比如，水力發(fā)電的水位差，或“落差”；熱力發(fā)電中的“溫差”，風力發(fā)電中氣流的“壓差”等等。
根據(jù)半導體物理原理，P-N結整體溫度上升，使P-N結呈現(xiàn)負的溫度系數(shù)。單片太陽電池的電壓隨溫度的上升而下降（見參考資料3，P49，圖2-16，圖2-19，太陽能電池組件溫度對效率的影響；參考資料5，P174）。也就是說溫度的變化將引起P-N結內空穴和電子運動，數(shù)量及平衡點的變化（見參考資料2，P26）。隨著溫度的增加，太陽能電池效率下降（見參考資料5，P43-44）。Isc對溫度T很敏感，溫度還對Voc起主要作用。對于Si溫度每增加一度，Voc下降室溫值的0.4%，效率也因而降低同樣的百分數(shù)。例如，一個硅電池在20度時的效率為20%，當溫度生到120度時，效率僅為12%（見參考資料4,P36）。
可以猜想，如果P-N結兩側的溫差上升，或者P-N結的結溫差上升，勢必打破空穴和電子對的平衡。結溫差的變化是呈現(xiàn)正的還是負的溫度系數(shù)，以及對太陽能電池IV特性的影響目前尚未見到試驗報道�？赡艽嬖谥粋�類似光伏效應的熱伏效應--輻射熱生伏特效應（當然不一定就是P-N結）。準確的在P-N結上制造一個結溫差,或一個較大的溫度梯度，在技術上可能是一個非常困難的事情�？傊黾印肮獠睢焙汀敖Y溫差”或許是提高光伏發(fā)電效率一個有用途徑。
** 作者實在無法用中文來表示 “used 能源”的意思，只好用英文來代替了。
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