關(guān)于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)推廣應(yīng)用的淺見

引言

中國是單晶硅光伏電池生產(chǎn)的大國，但遺憾的是，這些電池板98%銷往歐美，只有2%用于中國的節(jié)能工程。據(jù)統(tǒng)計全世界能源消耗總量中40%是建筑(公用和住宅)能源消耗，其中住宅能源消耗又占2/3。因而，利用太陽能光伏玻璃或光伏板為小區(qū)域或建筑提供電能的技術(shù)是光伏發(fā)電應(yīng)用的突破口。

1 光伏發(fā)電推廣存在的問題

國內(nèi)很多大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)在推廣應(yīng)用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中作了很多工作，其中珠海市興業(yè)太陽能公司做出了榜樣。公司采用了國際上先進(jìn)的非晶硅技術(shù)，將含硅(Si)的氣體鍍在建筑玻璃上，由于加工方便(可大批量生產(chǎn))，用硅量少，成本低，因而只有單晶硅光伏電池的60%。又由于它與建筑物合為一體，發(fā)電總量大。這種光伏玻璃在微弱光下也能發(fā)電，即使在沒有太陽的陰雨天也照樣可以發(fā)電。

為推廣該技術(shù)，珠海興業(yè)公司帶頭使用光伏玻璃。公司頂層有一個長廓，原安裝的是普通玻璃，在夏天員工都怕從這里經(jīng)過。但自從裝了光伏玻璃后，就陰涼清爽了。在走廓盡頭安裝的電表顯示，太陽能發(fā)電功率為580 W，日發(fā)電9.6 kW·h，至今累計發(fā)電2 300 kW·h。從環(huán)保的角度計算其社會效益為：節(jié)省燃油600 L，減排CO2 1 300 g，真可謂一舉兩得。青島火車站的屋頂有4 000 m2，裝上非晶硅透光玻璃頂后，不僅發(fā)電量相當(dāng)于一臺200 kW的發(fā)電機(jī)，還可隔熱，既節(jié)能，又有利于站內(nèi)的環(huán)境舒適度。

據(jù)悉日本、法國都有全太陽能建筑小區(qū)，小區(qū)中每棟住房(或別墅)都用太陽能發(fā)電，甚至在主人外出休假期間，發(fā)出的電還可反送給大電網(wǎng)，不僅不賠本還可掙錢。

既然太陽能發(fā)電有如此誘人的前景，又符合環(huán)保節(jié)能的國策，那么為何在中國大地推廣不開呢?看來，符合不符合“國情”是個難以逾越的瓶頸，正所謂：國情大于國策。根據(jù)資料，有如下的因素制約著光伏發(fā)電在國內(nèi)的推廣應(yīng)用。

1)蓄電池技術(shù)尚有差距，使得從太陽能轉(zhuǎn)換的電能難于穩(wěn)定地儲存和傳輸。

2)供電部門不愿接受光伏電上網(wǎng)。國外，應(yīng)用光伏的家庭都裝有兩個電表，一個是“正潮流”供電電表，供電部門收費(fèi);另一個是“反潮流”饋電電表，用來計算用戶向電網(wǎng)反饋的電量，供電部門以此來給用戶付費(fèi)。據(jù)說，香港、臺灣地區(qū)此問題也未得到滿意解決。

3)建筑開發(fā)商對太陽能熱水泵尚感興趣，但對光伏發(fā)電不感興趣。因為發(fā)電成本高，比現(xiàn)在的火力發(fā)電每kW·h多2 元。另外，光伏發(fā)電初期投資太大，一棟6 000 m2的酒店若全部裝上光伏玻璃，僅靠太陽能提供電力和熱水至少得投資3000萬元。(下面舉例的家庭每戶2.5 kW(單晶硅)光伏發(fā)電需20多萬元。)

所以，推廣太陽能光伏發(fā)電，需要政府分擔(dān)成本，以鼓勵大家采用綠色能源。例如，日本規(guī)定居民購置一套光伏發(fā)電，憑發(fā)票可在環(huán)保部門報銷其費(fèi)用的1/2。

2 民用型綠色電源———太陽能數(shù)碼設(shè)備移動充電器

這是國內(nèi)繼20 世紀(jì)80 年代初期在照明、手機(jī)充電器、計算器、手表等小容量太陽能光伏電源應(yīng)用后，又一次新的突破。其意義在于表明太陽能電源的應(yīng)用已進(jìn)入民用和千家萬戶，其影響力不可低估。

該產(chǎn)品由某公司研發(fā)，2006 年正式向全國推出，其外形如圖1 所示。“動力艙”S1800 的技術(shù)參數(shù)如表1所列。

愛國者“動力艙”移動電源是由太陽能電池板、蓄電池、數(shù)碼裝備轉(zhuǎn)換器等組成，可以為手機(jī)、MP3、MP4、數(shù)碼相機(jī)等各種數(shù)碼產(chǎn)品提供充電服

務(wù)。“動力艙”可以將太陽能、白熾燈光能和200 V交流電能存儲到1 800 mA 的蓄電池里，在用戶的數(shù)碼設(shè)備需要充電的時候隨時提供能源供應(yīng)，既體現(xiàn)了綠色能源的思想，又保障了數(shù)碼設(shè)備在任何時候無后顧之憂。

“動力艙”采用特有的智能調(diào)壓專利技術(shù)，可以在一定的電壓范圍內(nèi)自動調(diào)節(jié)充電電壓，而這塊1 800 mA 的蓄電池相當(dāng)于兩塊800 mA 的手機(jī)電池，而且能在3 h內(nèi)將手機(jī)電池充滿。

3 深圳國際園林花卉博覽園1 MW 并網(wǎng)太陽能光伏電站簡介

3.1 項目來源

2004 年8 月，由深圳市政府投資，中科院北京科諾偉業(yè)公司承建的1 MW太陽能光伏電站在深圳國際園林花卉博覽園內(nèi)建成發(fā)電。

3.2 項目情況和技術(shù)規(guī)格

該電站采用與市電直接并網(wǎng)的運(yùn)行方式，是目前亞洲最大的并網(wǎng)太陽能光伏電站。該電站容量1 000.322 kW(峰值)，光伏組件總面積7 660 m2，年發(fā)電能力約為100萬kW·h，相當(dāng)于每年可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤約384 t，年減排CO2 約170 t，減排SO2 約7.68 t。與常規(guī)能源發(fā)電比較，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用很低，節(jié)約了運(yùn)營成本。

并網(wǎng)運(yùn)行方式，要求逆變器具有同電網(wǎng)連接的功能。并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以省去蓄電池，而將電網(wǎng)作為自己的儲能單元，具有更高的發(fā)電效率和更好的環(huán)保性能。

3.3 系統(tǒng)主要部件及系統(tǒng)構(gòu)成

1 MW 并網(wǎng)太陽能電站的主要部件包括太陽能電池板(光伏組件)和并網(wǎng)逆變器。

系統(tǒng)采用了三種型號的太陽能電池，分別為BP 太陽能公司生產(chǎn)的單晶硅光伏組件BP4170S(功率為170 W)、多晶硅光伏組件BP3160S(功率為160 W)以及日本京瓷公司生產(chǎn)的多晶硅光伏組件KC167G(功率為167 W)。BP太陽能和日本京瓷公司均為世界上太陽能電池板產(chǎn)量前五位的大公司。

所采用的并網(wǎng)逆變器也分為三種型號：

SC125LV(額定功率為125 kW)、SC90(額定功率為90 kW)以及SB2500(額定功率為2.5 kW)。其中，SC125LV、SC90 為集中型逆變器(Central In原verter)，SB2500為串式逆變器(String Inverter)。上述三種型號的并網(wǎng)逆變器均由德國的SMA 公司生產(chǎn)，其在歐洲的并網(wǎng)逆變器市場占有率為80%以上。

3.4 技術(shù)的先進(jìn)性

1)與建筑物結(jié)合好該電站利用螺栓和型鋼把光伏組件固定在建筑屋面上，對屋面起到了良好的隔熱效果，其設(shè)計按50 年一遇的臺風(fēng)考慮，符合國家有關(guān)的技術(shù)政策和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

2)優(yōu)質(zhì)的電能輸出SMA公司所生產(chǎn)的集中型和串式逆變器均配置有高性能濾波電路，使得逆變器交流輸出的電能質(zhì)量很高，不會對電網(wǎng)質(zhì)量造成污染。在輸出功率逸50%額定功率、電網(wǎng)波動5%的情況下，SC125LV和SC90 逆變器的交流輸出電流總諧波分量(THD)3%，SB2500 逆變器的交流輸出電流總諧波分量(THD)4%。

SC125LV、SC90 和SB2500 逆變器均為并網(wǎng)型逆變器，在運(yùn)行過程中，需要實(shí)時采集交流電網(wǎng)的電壓信號，通過閉環(huán)控制，使得逆變器的交流輸出電流與電網(wǎng)電壓的相位保持一致，所以功率因數(shù)保持在1.0 附近。

3)“孤島效應(yīng)”防護(hù)手段“孤島效應(yīng)”指在電網(wǎng)失電情況下，發(fā)電設(shè)備仍作為孤立電源對負(fù)載供電。“孤島效應(yīng)”對設(shè)備和人員的安全存在重大隱患。SC125LV、SC90 和SB2500 逆變器均采用被動式和主動式兩種“孤島效應(yīng)”檢測方法。被動式檢測方法指實(shí)時檢測電網(wǎng)電壓的幅值、頻率和相位，當(dāng)電網(wǎng)失電時，會在電網(wǎng)電壓的幅值、頻率和相位參數(shù)上產(chǎn)生跳變信號，通過檢測跳變信號來判斷電網(wǎng)是否失電;主動式檢測方法指對電網(wǎng)參數(shù)產(chǎn)生小干擾信號，通過檢測反饋信號來判斷電網(wǎng)是否失電。

在并網(wǎng)逆變器檢測到電網(wǎng)失電后，會立即停止工作。當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電時，并網(wǎng)逆變器并不會立即投入運(yùn)行，而是需要持續(xù)檢測電網(wǎng)信號在一段時間(如90 s)內(nèi)完全正常，才重新投入運(yùn)行。

4 20 kW光伏屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)簡介

4.1 項目來源

北京自動化技術(shù)研究院與合肥工業(yè)大學(xué)能源所、北京計科技術(shù)有限公司共同承擔(dān)了科技部“十五”科技攻關(guān)項目“光伏屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)”中關(guān)鍵技術(shù)“雙向并網(wǎng)逆變器”的研究。該項目于2002年6 月啟動，2003 年2 月開始工程施工。2003 年4 月15 日整個系統(tǒng)試運(yùn)行，2003 年9 月通過北京供電局并網(wǎng)質(zhì)量檢測，2004 年1 月2 日通過科技部主持的項目驗收。

系統(tǒng)建造在北京核心區(qū)內(nèi)，位于北京中軸線鼓樓西300 m處，對于宣傳太陽能并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)以及進(jìn)行太陽能知識普及具有良好的效果。

整個系統(tǒng)至2004年12 月30 日止全自動、無故障運(yùn)行達(dá)20個月，累計發(fā)電量達(dá)33 958 kW·h。

4.2 項目概況和技術(shù)規(guī)格

該光伏屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是通過太陽能電池陣列將太陽光能直接轉(zhuǎn)換成700 V級直流電，通過并網(wǎng)逆變器裝置將直流電調(diào)整成與電網(wǎng)電壓、波形、幅度、相位角完全同步的三相交流電，并將能量輸入城市電網(wǎng)。

該系統(tǒng)主要由太陽能電池陣列、逆變器、計算機(jī)監(jiān)控等三部分組成，具有安全可靠、無噪聲、無污染、無需消耗燃料、無需架輸電線路、無需蓄電池、建設(shè)周期短、無人值守、全自動運(yùn)行等特點(diǎn)。主要技術(shù)指標(biāo)：額定容量30 kW;最大匹配太陽能電池陣列功率20 kW(峰值);適配電網(wǎng)三相380 V/50 Hz;并網(wǎng)電流波形為正弦波;正弦電流畸變率臆3%;整機(jī)效率逸90%;具有過熱、過載、短路、過壓、欠壓等常規(guī)保護(hù);具有電網(wǎng)斷電識別功能(即防“孤島效應(yīng)”功能);具有陣列最大功率點(diǎn)跟蹤控制功能(MPPT);全天自動識別日照變化，自啟動和停止;具有鍵盤操作和系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的狀態(tài)顯示監(jiān)控功能;具有遠(yuǎn)程通信接口。19.8 kW(峰值)太陽能電池板由上海國飛公司生產(chǎn)，系統(tǒng)完全國產(chǎn)化，具有完整的自主知識產(chǎn)權(quán)。

4.3 對太陽能光伏發(fā)電事業(yè)的貢獻(xiàn)

在20 kW(峰值)太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的現(xiàn)場運(yùn)行試驗中，根據(jù)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的問題，對并網(wǎng)逆變器的軟硬件進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計。其30 kW的并網(wǎng)逆變器已通過小批量生產(chǎn)的定型，形成商品供貨能力。5 kW 小功率并網(wǎng)逆變器已完成并網(wǎng)運(yùn)行試驗，于2005 年一季度完成小批量生產(chǎn)的定型工作。

5 2.5kW住戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)(BIPV)簡介

5.1 項目來源

深圳市能聯(lián)電子有限公司建設(shè)的住戶用太陽能系統(tǒng)在光伏系統(tǒng)與太陽能熱水系統(tǒng)結(jié)合方面做出大膽的探索，建成了包括2.5 kW的BIPV并網(wǎng)發(fā)電住戶用光伏系統(tǒng)和8 m2的太陽能熱水器綜合利用的太陽能住戶用系統(tǒng)。

該太陽能住戶用系統(tǒng)分為光伏系統(tǒng)和光熱系統(tǒng)兩個部分，安裝于深圳市區(qū)一棟20 層高的住宅樓的樓頂。

2.5 kW的BIPV并網(wǎng)發(fā)電光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電能通過雙向逆變器滿足用戶部分家電用電需求。

當(dāng)太陽能發(fā)電量大于等于即時的負(fù)載需求時，可直接由太陽能供給負(fù)載的電能需求，并且可以將多余的電能返給電網(wǎng);當(dāng)太陽能不足以滿足負(fù)載需求時，由市電供給負(fù)載的需求，并可以同時給蓄電池充電。當(dāng)市電故障時，可以由蓄電池給家電負(fù)載供電。

5.2 系統(tǒng)主要部件和構(gòu)成

1)太陽能電池組件安裝在屋頂?shù)男泵嫔?，朝向正南方，傾斜角度為20毅。采用的是多晶硅太陽能電池，組件呈現(xiàn)深藍(lán)色，與屋頂上所鋪設(shè)的藍(lán)色瓦片顏色協(xié)調(diào)一致。

組件采用8 串聯(lián)伊4并聯(lián)的連接方式，該光伏陣列的工作參數(shù)為：峰值功率2 560 W，最大工作電壓140.8 V，最大工作電流18.20 A，開路電壓168.00 V，短路電流19.20 A。

2)蓄電池本系統(tǒng)中使用的是由深圳華達(dá)電源有限公司提供的GMF-200 型深放電閥控吸液式密封鉛酸蓄電池，使用期間無酸霧和氣體逸出，不會對用戶家庭造成污染，降低了維護(hù)成本，共采用該蓄電池單體54只，組成200 Ah/10 V電池系統(tǒng)。

3)逆變器該住戶用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的核心設(shè)備為AES公司生產(chǎn)的單相SMD逆變器系統(tǒng)，該系統(tǒng)為并網(wǎng)逆變器，輸出波形為正弦波。它內(nèi)含一個雙向逆變器和三個性能優(yōu)良的微處理器，可以為本地負(fù)載提供合格的電源并可以作為一個在線的UPS(不間斷電源)工作。它的工作方式如下。

(1)將市電和太陽能電源并行工作，對于本地負(fù)載而言，如果光伏組件產(chǎn)生的電能超過即時負(fù)載的需求，還能將多余的電能返回到電網(wǎng)。

(2)如果光伏組件產(chǎn)生的電能不夠用，則將自動啟用市電，使用市電供給本地負(fù)載的需求。當(dāng)本地負(fù)載的功率消耗小于SMD 逆變器的額定市電容量的60%時，市電就會自動給蓄電池充電，保證蓄電池長期處于浮充狀態(tài)。

(3)如果市電產(chǎn)生故障，即市電停電或者電壓超出了176~245 V或者頻率超出了48~52 Hz 的范圍，系統(tǒng)就會自動斷開市電，轉(zhuǎn)成獨(dú)立工作模式，由蓄電池和逆變器提供負(fù)載所需的交流電能。

一旦市電恢復(fù)正常，即電壓和頻率都恢復(fù)到正常狀態(tài)，系統(tǒng)就會斷開蓄電池，改為并網(wǎng)模式工作，由市電電網(wǎng)供電。SMD雙向逆變器技術(shù)性能參數(shù)如表2 所列。

(4)節(jié)電效果明顯。目前整個電站系統(tǒng)運(yùn)行良好，截止到2005 年2 月23 日，累計已正常運(yùn)行發(fā)電133 天，發(fā)電量376 959 kW·h。

5.3 系統(tǒng)負(fù)載

該住戶用太陽能系統(tǒng)主要是供給一住宅的部分家用電器的用電。由光伏發(fā)電系統(tǒng)供電的負(fù)載清單如表3 所列。根據(jù)負(fù)載的實(shí)際工作情況估算出每個負(fù)載平均每天的耗電量為7.55 kW。

這些負(fù)載不可能同時工作?？紤]到家庭用電的實(shí)際情況，我們確定這些負(fù)載的同時工作系數(shù)為0.3，則實(shí)際負(fù)載功率=10.3伊0.3=3.09 kW5kW

5.4 獨(dú)立系統(tǒng)(離網(wǎng))和并網(wǎng)系統(tǒng)初投資成本比較

1)并網(wǎng)系統(tǒng)初期投資成本如表4 所列。

2)在考慮到相同的負(fù)載缺電率的情況下，為了滿足年平均每天7.55 kW·h 的用電量需要以及5天的自給，安裝3.6 kW的獨(dú)立光伏系統(tǒng)(離網(wǎng))才能滿足實(shí)際需要。該獨(dú)立系統(tǒng)的設(shè)計和各項成本如表5所列。

這樣，該獨(dú)立光伏系統(tǒng)的初始投資為22.64萬元，而本系統(tǒng)的初始投資為16.662 萬元。為了滿足同樣負(fù)載需求，本系統(tǒng)的初始投資僅為獨(dú)立系統(tǒng)初始投資的73.6%。

6 結(jié)語

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是優(yōu)秀的綠色能源，是21 世紀(jì)能源發(fā)展的方向。本文介紹了幾個光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用典型，以供同行參考。同時也分析了國內(nèi)推廣這一產(chǎn)業(yè)時存在的問題，希望引起政府相關(guān)決策部門的重視。