未來太陽能光伏并網發電對電網的影響

2018-05-03 10:54:50 大云網　點擊量：評論 (0)

盡管尋找新能源的工作已經有相當的歷史了，但是世界性的環境污染和能源短缺已經迫使人們更加努力的尋找和開發新能源。在尋找和開發新能源的過程中，人們很自然的把目光投向了各種可再生的替代能源。

五、光伏發電并網對未來電網的影響

隨著我國《可再生能源法》的頒布實施，常規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，商業發展非常迅速，其中光伏并網發電技術發展非常快。目前制約光伏發電的主要因素是成本問題。太陽能光伏發電造價高(每千瓦3萬元以上)，發電成本貴(1.5元/千瓦時以上)。隨著光伏發電成本的降低和耗能發電成本的提高，總有一天光伏發電的成本將會與傳統發電成本相當。到那時侯，光伏發電將會進入商業化應用階段。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發電對現有發電模式的技術、經濟、政策和環境效益的影響。我們先假設這個時代已經到來，并且現有的發電模式并未發生較大的改變。那么光伏發電給我們帶來好處的同時將會對現有的電網產生什么樣的問題?

由于太陽能光伏發電屬于能量密度低、穩定差，調節能力差的能源，發電量受天氣及地域的影響較大，并網發電后會對電網安全，穩定，經濟運行以及電網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模低成本儲存的，在可以預見的將來也不能大規模低成本儲存。這就使得光伏發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展，當光伏發電的上網電量在電網中與火電廠，水電，核電等電廠的發電量處于可比較的數量級和成為不可忽略的一部分時，光伏并網發電將對現有發電模式和電網的技術、經濟、政策和環境效益帶來如下問題：(如果光伏并網發電系統采用有蓄電池方案，光伏并網發電的優點和優勢將大打折扣。但是為光伏并網發電優化配置的蓄電池系統可以部分解決以下1，2和3點提出的問題。)

1. 負荷峰谷對電網的影響。由于光伏并網發電系統不具備調峰和調頻能力，這將對電網的早峰負荷和晚峰負荷造成沖擊。光伏并網發電系統增加的發電能力并不能減少傳統旋轉機組的擁有量，電網必須為光伏發電系統準備大量的旋轉備用機組來解決早峰和晚峰的調峰問題。光伏并網發電系統向電網供電是以機組利用小時數下降為代價的。這當然是發電商所不愿意看到的。

2. 晝夜變化，東西部時差以及季節的變化對電網的影響。由于陽光和負荷出現的周期性，光伏并網發電量的增加并不能減少對電網裝機容量的需求。

3. 氣象條件的變化。當一個城市的光伏屋頂并網發電達到一定規模時，如果地理氣象出現大幅變化，電網將為光伏并網發電系統提供足夠的區域性旋轉備用機組和無功補償容量，來控制和調整系統的頻率和電壓。在這種情況下，電網將以犧牲經濟運行方式為代價來保證電網的安全穩定運行。

4. 遠距離光伏電能輸送。當光伏并網發電遠距離輸送電力在經濟和技術上成為可能時，由于光伏并網發電沒有旋轉慣量，調速器及勵磁系統，它將給交流電網帶來新的穩定問題。如果光伏并網發電形成規模采用高壓交直流送電，將會給與光伏發電直流輸電系統相鄰的交流系統帶來穩定和經濟問題，(專門用于光伏并網發電的輸電線路，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發電系統電能的輸電線路，由于負荷率低下，顯得很不經濟。)不論采用高壓交流或直流送出，光伏并網發電站都必須配備自動無功調壓裝置。至于對電網穩定的影響，目前還未見到光伏發電在電網穩定計算中的數學模型(包括電源模型和負荷模型)。光伏并網發電將對電網安全穩定運行有多大的影響目前尚不清楚。

5. 降耗問題;光伏并網發電的一個主要優勢是可替代礦物燃料的消耗。由于光伏并網發電增加了發電廠旋轉發電機的旋轉備用或者是熱備用，因此，光伏并網發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。光伏并網發電的降耗效率應該考慮到由于光伏并網發電系統提供的電力導致發電公司機組利用小時數降低帶來的效率損失。由于電力系統是作為一個整體來運行的，光伏并網發電向電網輸送電力將侵害其他發電商的利益，這是作為政策制定者需要考慮的問題。這是由于電網在考慮安全，穩定和經濟運行時，不僅僅只由水電廠擔任旋轉備用。因此，系統中總的光伏并網發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，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電實際的降耗作用：

W=[(Wc/Wn)*Wp -(Pc/Pn)Pd);1

1)W--光伏并網發電實際獲得的降耗量(標煤);

2)Wc--電網火電總發電量;

3)Wn--電網總發電量;

4)Wp--光伏并網發電理論降耗量(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. 環保問題;光伏發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，因為當光伏并網發電時，同樣電網在考慮電網安全，穩定和經濟運行時，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小)。因此，在考慮光伏并網發電系統的減排貢獻時，也應該在理論值前乘以一個小于一的系數。這個結論并不象一些文章中所講的那么樂觀。

7. 順便指出，風力發電也存在環保生態問題。國外有環保人士指出大型的風力發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

光伏發電的優勢在于解決離網地區通信，微波等設備的能源動力，分散人口地區的小容量電力消費及為有條件建立光伏屋頂的建筑就地提供電力。未來電網在做發展規劃時，對負荷預測應充分考慮離網光伏發電和光伏并網發電對電網的影響和數學模型。離網光伏發電系統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的光伏發電系統，也可以由市電網供電的負荷)。光伏并網發電系統如果以110V或220V并網供電時，也可以把光伏并網發電系統考慮為可從負到正變化的有源負荷模型。通過上述分析，光伏并網發電遠期定位只能作為電網節能降耗的重要補充手段。如果超出這個戰略定位，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，只要在同系統中形成差值的物理量都包含著能量。比如，水力發電的水位差，或“落差”;熱力發電中的“溫差”，風力發電中氣流的“壓差”等等。

根據半導體物理原理，P-N結整體溫度上升，使P-N結呈現負的溫度系數。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。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正的還是負的溫度系數，以及對太陽能電池IV特性的影響目前尚未見到試驗報道。可能存在著一個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。總之增加“光差”和“結溫差”或許是提高光伏發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。

參考資料：

1. 太陽能發電原理與應用，馮垛生，宋金蓮;

2. 太陽能電池材料，楊德仁;

3. 并網型太陽能光伏發電系統，崔容強，趙春江，吳達成;

4. 可再生能源概論，左然，施明恒，王希麟;

5. 新能源和可再生能源的利用，吳治堅;

6. 太陽能發電系統狀況及發展趨勢，沈陽建筑大學交通與機械工程學院 2007-9-6;

7. 光伏并網發電系統的若干問題研究，華中科技大學劉飛，段善旭，徐鵬威，王志峰太陽能 2006年04期;

8. 可再生能源發電有關管理規定，2006-7-12 中國電力報;

9. 新能源和可再生能源產業發展“十五”規劃，國家經貿委;

10. 對《可再生能源法》頒布并實施一周年的思考中國環境薛惠鋒 2007-05-25;