未來太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的影響

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(shí)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(huì)與傳統(tǒng)發(fā)電成本相當(dāng)。到時(shí)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(huì)對(duì)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(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)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?！　?/p>

控制器：作用于整個(gè)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(diǎn)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(guó)目前使用的大都是簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)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(chǔ)從光伏電池轉(zhuǎn)換來的電力。目前我國(guó)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?！　?/p>

交直流逆變器：由于它的功能是交直流轉(zhuǎn)換，因此這個(gè)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)?！　?/p>

2.太陽(yáng)能光伏電池板：

太陽(yáng)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(dòng)P-N結(jié)空穴和電子運(yùn)動(dòng)的是外部電場(chǎng)，而在太陽(yáng)能電池中推動(dòng)和影響P-N結(jié)空穴和電子運(yùn)動(dòng)的是太陽(yáng)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?！　?/p>

3.太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類：

目前太陽(yáng)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(yáng)能應(yīng)用方式。在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用已有若干年。系統(tǒng)比較簡(jiǎn)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?！　?/p>

B）光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)用電負(fù)荷較大時(shí)，太陽(yáng)能電力不足就向市電購(gòu)電。而負(fù)荷較小時(shí)，或用不完電力時(shí)，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(jià)。　　

C）A,B兩者混合系統(tǒng)，這是介于上述兩個(gè)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(jià)來調(diào)整自身的發(fā)電策略。但是其造價(jià)和運(yùn)行成本較上述兩種方案高?！　?/p>

二、光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)　　

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(chǎng)，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(hào)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(diǎn)充分體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.充分的清潔性。（如果采用蓄電池方案，要考慮對(duì)廢舊蓄電池的處理）

2.絕對(duì)的安全性。（并網(wǎng)電壓一般在220V以下）

3.相對(duì)的廣泛性。

4.確實(shí)的長(zhǎng)壽命和免維護(hù)性。

5.初步的實(shí)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?！　?/p>

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(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，這里有必要指出光伏發(fā)電的一些局限性。太陽(yáng)能具有能量密度低,穩(wěn)定性差的弱點(diǎn),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(gè)方面：　　

1.時(shí)間周期局限。由于光伏發(fā)電的條件是出太陽(yáng)時(shí)，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(gè)季節(jié)對(duì)光伏發(fā)電的負(fù)荷影響巨大。為了應(yīng)付這個(gè)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(huì)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(shí)，如果一個(gè)城市上空的氣候大幅變化，將造成電力負(fù)荷的大幅波動(dòng)；當(dāng)一個(gè)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(shí)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(lì)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(huì)討論這個(gè)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?！　?/p>

四、光伏發(fā)電未來展望　　

我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)正以每年30的速度增長(zhǎng)。最近三年全球太陽(yáng)能電池總產(chǎn)量平均年增長(zhǎng)率高達(dá)49.8以上。按照日本新能源計(jì)劃、歐盟可再生能源白皮書、美國(guó)光伏計(jì)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(shí)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(shí)整個(gè)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(jì)劃推算，2010-2040年，光伏行業(yè)的復(fù)合增長(zhǎng)率將高達(dá)25以上（參看資料：15）。其中并網(wǎng)應(yīng)用會(huì)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(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域（參看資料：16）。　　

太陽(yáng)的能量對(duì)人類而言幾乎是無限的，但是實(shí)際上，在地球上能夠獲取太陽(yáng)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?cè)谠谖蓓敯惭b太陽(yáng)能熱水器時(shí)，就失去了安裝太陽(yáng)能電池的機(jī)會(huì)。除建筑物和荒漠外，在其他地點(diǎn)建設(shè)太陽(yáng)能電池板群將是不現(xiàn)實(shí)和得不償失。這不僅僅是因?yàn)槌杀揪薮蟮脑?，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(huì)發(fā)現(xiàn)在太陽(yáng)能電池板下面將寸草不生?？傊?jié)能降耗是人類的一個(gè)永恒話題。從某種意義上講，淘汰舊技術(shù)和產(chǎn)品的同時(shí)，也就浪費(fèi)掉了當(dāng)初生產(chǎn)這些技術(shù)和產(chǎn)品的能源。出國(guó)考察的人往往會(huì)發(fā)現(xiàn)，西方發(fā)達(dá)國(guó)家有些場(chǎng)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(fèi)能源為代價(jià)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(gè)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(jià)格能為市場(chǎng)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(yàn)室中或者示范工程階段。　　

五、光伏發(fā)電并網(wǎng)對(duì)未來電網(wǎng)的影響　　

隨著我國(guó)《可再生能源法》的頒布實(shí)施，常規(guī)能源價(jià)格的不斷升高和石油價(jià)格逼近$100，世界范圍內(nèi)圍繞利用太陽(yáng)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(yáng)能光伏發(fā)電造價(jià)高（每千瓦３萬元以上），發(fā)電成本貴（１．５元／千瓦時(shí)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(huì)與傳統(tǒng)發(fā)電成本相當(dāng)。到那時(shí)侯，光伏發(fā)電將會(huì)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(duì)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(gè)時(shí)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(shí)將會(huì)對(duì)現(xiàn)有的電網(wǎng)產(chǎn)生什么樣的問題？　　

由于太陽(yáng)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(huì)對(duì)電網(wǎng)安全，穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(chǔ)存的，在可以預(yù)見的將來也不能大規(guī)模低成本儲(chǔ)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(shí)也受到地理上的限制。但是隨著技術(shù)和市場(chǎng)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(jí)和成為不可忽略的一部分時(shí)，光伏并網(wǎng)發(fā)電將對(duì)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(diǎn)和優(yōu)勢(shì)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(diǎn)提出的問題。）　　

1.負(fù)荷峰谷對(duì)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(duì)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(shí)數(shù)下降為代價(jià)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(shí)差以及季節(jié)的變化對(duì)電網(wǎng)的影響。由于陽(yáng)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(duì)電網(wǎng)裝機(jī)容量的需求。

3.氣象條件的變化。當(dāng)一個(gè)城市的光伏屋頂并網(wǎng)發(fā)電達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，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(yùn)行方式為代價(jià)來保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)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(shí)，由于光伏并網(wǎng)發(fā)電沒有旋轉(zhuǎn)慣量，調(diào)速器及勵(lì)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(huì)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(duì)荒漠太陽(yáng)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(dòng)無功調(diào)壓裝置。至于對(duì)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(jì)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(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)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(gè)主要優(yōu)勢(shì)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(shí)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(shí)數(shù)降低帶來的效率損失。由于電力系統(tǒng)是作為一個(gè)整體來運(yùn)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(yùn)行時(shí)，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(gè)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?！　?/p>

這里給出一個(gè)公式來判斷光伏發(fā)電實(shí)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(shí)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?yàn)楫?dāng)光伏并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，同樣電網(wǎng)在考慮電網(wǎng)安全，穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行時(shí)，往往減少出力的不僅僅是火電廠，而考慮旋轉(zhuǎn)備用時(shí)，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?。?。因此，在考慮光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的減排貢獻(xiàn)時(shí)，也應(yīng)該在理論值前乘以一個(gè)小于一的系數(shù)。這個(gè)結(jié)論并不象一些文章中所講的那么樂觀?！　?/p>

7.順便指出，風(fēng)力發(fā)電也存在環(huán)保生態(tài)問題。國(guó)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(yǔ)　　

光伏發(fā)電的優(yōu)勢(shì)在于解決離網(wǎng)地區(qū)通信，微波等設(shè)備的能源動(dòng)力，分散人口地區(qū)的小容量電力消費(fèi)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(shí)，對(duì)負(fù)荷預(yù)測(cè)應(yīng)充分考慮離網(wǎng)光伏發(fā)電和光伏并網(wǎng)發(fā)電對(duì)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(shí)，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(gè)戰(zhàn)略定位，將造成投資和額外的能源浪費(fèi)，對(duì)減少污染排放量的樂觀看法也要大打折扣。