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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(dāng)?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(yīng)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(dāng)。到時侯，光伏發(fā)電將逐步進(jìn)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(zhuǎn)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(shè)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(guān)鍵部件，用于存儲從光伏電池轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換，因此這個部件最重要的指標(biāo)是可靠性和轉(zhuǎn)換效率。并網(wǎng)逆變器采用最大功率跟蹤技術(shù)，最大限度地把光伏電池轉(zhuǎn)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(jié)。工作原理和二極管類似。只不過在二極管中，推動P-N結(jié)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(jié)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(yīng)原理。目前光電轉(zhuǎn)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(shù)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(yīng)用方式。在國內(nèi)外應(yīng)用已有若干年。系統(tǒng)比較簡單，而且適應(yīng)性廣。只因其一系列種類蓄電池的體積偏大和維護(hù)困難而限制了使用范圍。
B）光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)用電負(fù)荷較大時，太陽能電力不足就向市電購電。而負(fù)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(kuò)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(qiáng)的適應(yīng)性，例如可以根據(jù)電網(wǎng)的峰谷電價來調(diào)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(jìn)入70年代后，由于2次石油危機(jī)的影響，光伏發(fā)電在世界范圍內(nèi)受到高度重視，發(fā)展非常迅速。從遠(yuǎn)期看，光伏發(fā)電將以分散式電源進(jìn)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(bǔ)充，在解決特殊應(yīng)用領(lǐng)域，如通信、信號電源，和邊遠(yuǎn)無電地區(qū)民用生活用電需求方面，從環(huán)境保護(hù)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(hù)性。
5. 初步的實用性。
6. 資源的充足性及潛在的經(jīng)濟(jì)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(shè)備才能正常工作發(fā)電。因此，白晝黑夜，一年當(dāng)中春夏秋冬各個季節(jié)對光伏發(fā)電的負(fù)荷影響巨大。為了應(yīng)付這個情況，電網(wǎng)不得不配備相應(yīng)容量的發(fā)電機(jī)處于旋轉(zhuǎn)備用狀態(tài)。
2. 地理位置局限。光伏發(fā)電設(shè)備基本上只能依附建筑物安裝建設(shè)，也就是所謂的光伏屋頂就地供電。如果離開建筑物來建設(shè)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?qū)夥l(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(fù)荷的大幅波動；當(dāng)一個城市上空的空氣質(zhì)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?qū)崟r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(yuǎn)距離從荒漠面積輸送電力到負(fù)荷中心，由于光伏發(fā)電沒有傳統(tǒng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣量，調(diào)速器及勵磁系統(tǒng)，將給交流電網(wǎng)帶來新的經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定問題。不論采用交流或是直流高電壓大功率遠(yuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率相比，光伏能量的轉(zhuǎn)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(dá)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(jī)容量將達(dá)到15GW(1500萬千瓦，屆時仍不到全球發(fā)電總裝機(jī)容量的1%)，至2030年全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)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(dá)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(fù)合增長率將高達(dá)25%以上（參看資料：15）。其中并網(wǎng)應(yīng)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(jī)站(約21%) 3個主要應(yīng)用領(lǐng)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(dāng)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(jī)會。除建筑物和荒漠外，在其他地點建設(shè)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(shè)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�？傊�，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(shù)和產(chǎn)品的同時，也就浪費掉了當(dāng)初生產(chǎn)這些技術(shù)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(dá)國家有些場合還在使用20-30年代的產(chǎn)品和設(shè)備，他們并非要保護(hù)“古跡”，某種意義上講是在節(jié)約能源。新舊產(chǎn)品和技術(shù)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(dāng)然，這里需要有一個總體的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來判斷能耗。我們是否應(yīng)該考慮節(jié)約“used能源”的問題？(**)
另一方面，任何先進(jìn)的技術(shù)，進(jìn)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(shù)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(nèi)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(shù)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(dāng)。到那時侯，光伏發(fā)電將會進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)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(shù)、經(jīng)濟(jì)、政策和環(huán)境效益的影響。我們先假設(shè)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(diào)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(jì)運行以及電網(wǎng)的供電質(zhì)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(yù)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(yīng)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(shù)和市場的發(fā)展，當(dāng)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(shù)、經(jīng)濟(jì)、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(fù)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(diào)峰和調(diào)頻能力，這將對電網(wǎng)的早峰負(fù)荷和晚峰負(fù)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(zhuǎn)機(jī)組的擁有量，電網(wǎng)必須為光伏發(fā)電系統(tǒng)準(zhǔn)備大量的旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組來解決早峰和晚峰的調(diào)峰問題。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)供電是以機(jī)組利用小時數(shù)下降為代價的。這當(dāng)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(fù)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(jī)容量的需求。
3. 氣象條件的變化。當(dāng)一個城市的光伏屋頂并網(wǎng)發(fā)電達(dá)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(zhuǎn)備用機(jī)組和無功補(bǔ)償容量，來控制和調(diào)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(jì)運行方式為代價來保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。
4. 遠(yuǎn)距離光伏電能輸送。當(dāng)光伏并網(wǎng)發(fā)電遠(yuǎn)距離輸送電力在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上成為可能時，由于光伏并網(wǎng)發(fā)電沒有旋轉(zhuǎn)慣量，調(diào)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(jì)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(fù)荷率低下，顯得很不經(jīng)濟(jì)。）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(diào)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(xué)模型（包括電源模型和負(fù)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(zhuǎn)發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)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(yīng)該扣除旋轉(zhuǎn)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(yīng)該考慮到由于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)提供的電力導(dǎo)致發(fā)電公司機(jī)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(jì)運行時，不僅僅只由水電廠擔(dān)任旋轉(zhuǎn)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(biāo)煤量前應(yīng)該乘以一個小于1的系數(shù)，并且等比例的減去旋轉(zhuǎn)備用機(jī)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(biāo)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(biāo)煤）
5）Pc--火電機(jī)組總的廠用電損耗（標(biāo)煤）；
6）Pn--電網(wǎng)中總的廠用電損耗（標(biāo)煤）；
7）Pd--旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組的廠用電損耗（標(biāo)煤）。
6. 環(huán)保問題；光伏發(fā)電帶來的減排效果是否應(yīng)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(dāng)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(jì)運行時，往往減少出力的不僅僅是火電廠，而考慮旋轉(zhuǎn)備用時，也不僅僅是水電廠來承擔(dān)旋轉(zhuǎn)備用的任務(wù)（水電廠承當(dāng)旋轉(zhuǎn)備用任務(wù)損失較�。Ｒ虼�，在考慮光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的減排貢獻(xiàn)時，也應(yīng)該在理論值前乘以一個小于一的系數(shù)。這個結(jié)論并不象一些文章中所講的那么樂觀。
7. 順便指出，風(fēng)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(fēng)力發(fā)電站往往建在季風(fēng)的風(fēng)道上，這往往是候鳥遷徙的最佳路線。
結(jié)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(shè)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�。未來電網(wǎng)在做發(fā)展規(guī)劃時，對負(fù)荷預(yù)測應(yīng)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(xué)模型。離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)可以作為在線有源可變負(fù)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(fù)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(fù)到正變化的有源負(fù)荷模型。通過上述分析，光伏并網(wǎng)發(fā)電遠(yuǎn)期定位只能作為電網(wǎng)節(jié)能降耗的重要補(bǔ)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(xué)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(fēng)力發(fā)電中氣流的“壓差”等等。
根據(jù)半導(dǎo)體物理原理，P-N結(jié)整體溫度上升，使P-N結(jié)呈現(xiàn)負(fù)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(jié)內(nèi)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?jǐn)?shù)。例如，一個硅電池在20度時的效率為20%，當(dāng)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(jié)兩側(cè)的溫差上升，或者P-N結(jié)的結(jié)溫差上升，勢必打破空穴和電子對的平衡。結(jié)溫差的變化是呈現(xiàn)正的還是負(fù)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(yīng)的熱伏效應(yīng)--輻射熱生伏特效應(yīng)（當(dāng)然不一定就是P-N結(jié)）。準(zhǔn)確的在P-N結(jié)上制造一個結(jié)溫差,或一個較大的溫度梯度，在技術(shù)上可能是一個非常困難的事情�？傊黾印肮獠睢焙汀敖Y(jié)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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【未來太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電對電網(wǎng)的影響論文】相關(guān)文章：
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