未来太阳能光伏并网发电对电网的影响

2018-05-03 10:54:50 大云网　点击量：评论 (0)

尽管寻找新能源的工作已经有相当的历史了，但是世界性的环境污染和能源短缺已经迫使人们更加努力的寻找和开发新能源。在寻找和开发新能源的过程中，人们很自然的把目光投向了各种可再生的替代能源。

五、光伏发电并网对未来电网的影响

随着我国《可再生能源法》的颁布实施，常规能源价格的不断升高和石油价格逼近$100，世界范围内围绕利用太阳能科技，商业发展非常迅速，其中光伏并网发电技术发展非常快。目前制约光伏发电的主要因素是成本问题。太阳能光伏发电造价高(每千瓦3万元以上)，发电成本贵(1.5元/千瓦时以上)。随着光伏发电成本的降低和耗能发电成本的提高，总有一天光伏发电的成本将会与传统发电成本相当。到那时侯，光伏发电将会进入商业化应用阶段。为了提早迎接这一天的到来，我们将有必要提前考虑光伏并网发电对现有发电模式的技术、经济、政策和环境效益的影响。我们先假设这个时代已经到来，并且现有的发电模式并未发生较大的改变。那么光伏发电给我们带来好处的同时将会对现有的电网产生什么样的问题?

由于太阳能光伏发电属于能量密度低、稳定差，调节能力差的能源，发电量受天气及地域的影响较大，并网发电后会对电网安全，稳定，经济运行以及电网的供电质量造成一定影响。至于有多大的影响目前尚不清楚。我们知道目前电能是不能大规模低成本储存的，在可以预见的将来也不能大规模低成本储存。这就使得光伏发电的应用受到物理因素的制约，同时也受到地理上的限制。但是随着技术和市场的发展，当光伏发电的上网电量在电网中与火电厂，水电，核电等电厂的发电量处于可比较的数量级和成为不可忽略的一部分时，光伏并网发电将对现有发电模式和电网的技术、经济、政策和环境效益带来如下问题：(如果光伏并网发电系统采用有蓄电池方案，光伏并网发电的优点和优势将大打折扣。但是为光伏并网发电优化配置的蓄电池系统可以部分解决以下1，2和3点提出的问题。)

1. 负荷峰谷对电网的影响。由于光伏并网发电系统不具备调峰和调频能力，这将对电网的早峰负荷和晚峰负荷造成冲击。光伏并网发电系统增加的发电能力并不能减少传统旋转机组的拥有量，电网必须为光伏发电系统准备大量的旋转备用机组来解决早峰和晚峰的调峰问题。光伏并网发电系统向电网供电是以机组利用小时数下降为代价的。这当然是发电商所不愿意看到的。

2. 昼夜变化，东西部时差以及季节的变化对电网的影响。由于阳光和负荷出现的周期性，光伏并网发电量的增加并不能减少对电网装机容量的需求。

3. 气象条件的变化。当一个城市的光伏屋顶并网发电达到一定规模时，如果地理气象出现大幅变化，电网将为光伏并网发电系统提供足够的区域性旋转备用机组和无功补偿容量，来控制和调整系统的频率和电压。在这种情况下，电网将以牺牲经济运行方式为代价来保证电网的安全稳定运行。

4. 远距离光伏电能输送。当光伏并网发电远距离输送电力在经济和技术上成为可能时，由于光伏并网发电没有旋转惯量，调速器及励磁系统，它将给交流电网带来新的稳定问题。如果光伏并网发电形成规模采用高压交直流送电，将会给与光伏发电直流输电系统相邻的交流系统带来稳定和经济问题，(专门用于光伏并网发电的输电线路，由于使用效率低，将对荒漠太阳能的利用形成制约。用于借道或者兼顾输送光伏并网发电系统电能的输电线路，由于负荷率低下，显得很不经济。)不论采用高压交流或直流送出，光伏并网发电站都必须配备自动无功调压装置。至于对电网稳定的影响，目前还未见到光伏发电在电网稳定计算中的数学模型(包括电源模型和负荷模型)。光伏并网发电将对电网安全稳定运行有多大的影响目前尚不清楚。

5. 降耗问题;光伏并网发电的一个主要优势是可替代矿物燃料的消耗。由于光伏并网发电增加了发电厂旋转发电机的旋转备用或者是热备用，因此，光伏并网发电的实际降耗比率应该扣除旋转备用或热备用损失的能量。光伏并网发电的降耗效率应该考虑到由于光伏并网发电系统提供的电力导致发电公司机组利用小时数降低带来的效率损失。由于电力系统是作为一个整体来运行的，光伏并网发电向电网输送电力将侵害其他发电商的利益，这是作为政策制定者需要考虑的问题。这是由于电网在考虑安全，稳定和经济运行时，不仅仅只由水电厂担任旋转备用。因此，系统中总的光伏并网发电量所等效的理论降耗标煤量前应该乘以一个小于1的系数，并且等比例的减去旋转备用机组的厂用电损耗。

这里给出一个公式来判断光伏发电实际的降耗作用：

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

1)W--光伏并网发电实际获得的降耗量(标煤);

2)Wc--电网火电总发电量;

3)Wn--电网总发电量;

4)Wp--光伏并网发电理论降耗量(标煤)

5)Pc--火电机组总的厂用电损耗(标煤);

6)Pn--电网中总的厂用电损耗(标煤);

7)Pd--旋转备用机组的厂用电损耗(标煤)。

6. 环保问题;光伏发电带来的减排效果是否应该只考虑火电排放的二氧化硫和二氧化碳还有待研究，因为当光伏并网发电时，同样电网在考虑电网安全，稳定和经济运行时，往往减少出力的不仅仅是火电厂，而考虑旋转备用时，也不仅仅是水电厂来承担旋转备用的任务(水电厂承当旋转备用任务损失较小)。因此，在考虑光伏并网发电系统的减排贡献时，也应该在理论值前乘以一个小于一的系数。这个结论并不象一些文章中所讲的那么乐观。

7. 顺便指出，风力发电也存在环保生态问题。国外有环保人士指出大型的风力发电站往往建在季风的风道上，这往往是候鸟迁徙的最佳路线。

结束语

光伏发电的优势在于解决离网地区通信，微波等设备的能源动力，分散人口地区的小容量电力消费及为有条件建立光伏屋顶的建筑就地提供电力。未来电网在做发展规划时，对负荷预测应充分考虑离网光伏发电和光伏并网发电对电网的影响和数学模型。离网光伏发电系统可以作为在线有源可变负荷模型来考虑(这里指的是城市中既可由离网的光伏发电系统，也可以由市电网供电的负荷)。光伏并网发电系统如果以110V或220V并网供电时，也可以把光伏并网发电系统考虑为可从负到正变化的有源负荷模型。通过上述分析，光伏并网发电远期定位只能作为电网节能降耗的重要补充手段。如果超出这个战略定位，将造成投资和额外的能源浪费，对减少污染排放量的乐观看法也要大打折扣。

本文仅仅代表作者个人观点。

初稿于昆明，2007.11.8，

* 太阳能中包含了可见光能，不可见光能，光热辐射能等等。从物理学能量守恒定律来看，只要在同系统中形成差值的物理量都包含着能量。比如，水力发电的水位差，或“落差”;热力发电中的“温差”，风力发电中气流的“压差”等等。

根据半导体物理原理，P-N结整体温度上升，使P-N结呈现负的温度系数。单片太阳电池的电压随温度的上升而下降(见参考资料3，P49，图2-16，图2-19，太阳能电池组件温度对效率的影响;参考资料5，P174)。也就是说温度的变化将引起P-N结内空穴和电子运动，数量及平衡点的变化(见参考资料2，P26)。随着温度的增加，太阳能电池效率下降(见参考资料5，P43-44)。Isc对温度T很敏感，温度还对Voc起主要作用。对于Si温度每增加一度，Voc下降室温值的0.4%，效率也因而降低同样的百分数。例如，一个硅电池在20度时的效率为20%，当温度生到120度时，效率仅为12%(见参考资料4,P36)。

可以猜想，如果P-N结两侧的温差上升，或者P-N结的结温差上升，势必打破空穴和电子对的平衡。结温差的变化是呈现正的还是负的温度系数，以及对太阳能电池IV特性的影响目前尚未见到试验报道。可能存在着一个类似光伏效应的热伏效应--辐射热生伏特效应(当然不一定就是P-N结)。准确的在P-N结上制造一个结温差,或一个较大的温度梯度，在技术上可能是一个非常困难的事情。总之增加“光差”和“结温差”或许是提高光伏发电效率一个有用途径。

** 作者实在无法用中文来表示 “used 能源”的意思，只好用英文来代替了。

参考资料：

1. 太阳能发电原理与应用，冯垛生，宋金莲;

2. 太阳能电池材料，杨德仁;

3. 并网型太阳能光伏发电系统，崔容强，赵春江，吴达成;

4. 可再生能源概论，左然，施明恒，王希麟;

5. 新能源和可再生能源的利用，吴治坚;

6. 太阳能发电系统状况及发展趋势，沈阳建筑大学交通与机械工程学院 2007-9-6;

7. 光伏并网发电系统的若干问题研究，华中科技大学刘飞，段善旭，徐鹏威，王志峰太阳能 2006年04期;

8. 可再生能源发电有关管理规定，2006-7-12 中国电力报;

9. 新能源和可再生能源产业发展“十五”规划，国家经贸委;

10. 对《可再生能源法》颁布并实施一周年的思考中国环境薛惠锋 2007-05-25;