太陽能光伏發電系統技術的發展

趙春江

研究員,上海電力學院太陽能研究所,上海200090

太陽能光伏發電系統技術的發展

趙春江

研究員,上海電力學院太陽能研究所,上海200090

并網型PV系統 微網系統 智能電網系統

太陽能PV系統從國防軍用到民用、從離網系統到并網系統已走過了半個多世紀的歷程,效率不斷提高,技術日益完善,發電成本逐年下降。隨著科技和時代的發展,大規模利用PV技術進行太陽能發電已經蓬勃興起,而大量分散型PV電源的入網又需要發展微網系統、智能電網系統和全球PV供電系統。

1 前 言

太陽能巨大,即使像上海這種太陽能資源不算豐富的地區(屬三類地區),太陽每年照射在水平面上的能量也有4600 MJ/m2左右,相當于1280度電能。太陽能是一種聚變能,根據太陽的質量和愛因斯坦的質能轉換理論,太陽還可以“燃燒”800億年,相對于人類5000年歷史而言,這幾乎是一個天文數字的時間長度。太陽能清潔無污染,安全無毒害,是理想的可持續發展能源之一。向太陽索取電能是工業化發展到今天、大量化石能源被消耗且面臨枯竭的必然趨勢。太陽能光伏發電(以下把光伏發電簡稱為PV)技術是人類向太陽索取電能的重要途徑。

自1954年美國貝爾實驗室誕生了第一塊p-n結晶體硅太陽電池,太陽能PV技術從國防軍用到民用已走過了半個多世紀的歷程,效率不斷提高,技術日益完善,成本逐年下降,新工藝和新品種層出不窮。晶體硅電池、非晶硅電池、化合物電池、染料敏化電池等紛紛登上PV舞臺亮相自身的特點和優勢,這個舞臺就是太陽能PV系統。

2 太陽能PV系統

太陽能PV系統是一種利用光電轉換原理和相應的光電轉換器材來發電的系統,英文稱之為PhotoVoltaic Power Generating System,縮寫為 PV System。其規模可大可小,維護簡單,使用方便。太陽能PV系統的應用主要分為空間和地面兩大類,本文主要介紹地面應用。該系統可分為PV離網系統(Off-Grid System或Stand-Alone System)和 PV并網系統(On-Grid System或Connected-Grid System),并且隨著科技和時代的發展又衍生出多種形式。

2.1 PV離網系統

PV離網系統與公共電網沒有直接的聯系,其規模小至幾百瓦的照明電源,大至上百千瓦的獨立光伏電站。它特別適用于島嶼、深山、荒漠、大草原等無電地區,也適用于城市中鋪設線路困難且成本高的場所,如書報亭、崗亭、高速公路指示燈和沿途休息場所的用電等。零售的太陽能草坪燈、太陽能計算器中的電源也是該系統技術的應用。由于PV離網系統除了太陽能外無需外界能源支持,因此,它還可用作空間站電源。

PV離網系統主要由太陽電池陣列、蓄電池組、充放電控制器、逆變器四大件組成,如圖1所示。目前多數是把充放電控制器和逆變器做成一體的。

圖1 PV離網系統原理

對于PV離網系統,往往需要根據用戶的要求,解決連續陰雨天的情況下不間斷供電的問題。因此,當太陽電池功率規模確定后,蓄電池的配置容量往往成為設計人員的主要課題,設計過大則成本太高,設計過小則供電不足。一般情況下,蓄電池和充放電設備的配置費要占整個工程費用的25%左右。通常在設計中還要考慮盡量采用長壽命、無二次污染、可再生利用的蓄電池。蓄電池在充放電過程中還要消耗相當一部分電能,包括其自放電的損耗,蓄電系統的總體效率一般為75%左右,導致PV離網系統總體效率下降到60%甚至更低,因此,在能采用輔助電源的情況下,一般應避免采用由大量蓄電池支持的PV離網系統,而是采用由輔助發電設備與適量蓄電池配合的PV離網系統,如圖2所示。

圖2 帶輔助電源的PV離網系統

工程范例(圖3,見彩插一)：

工程名：西藏自治區定日縣扎果鄉30 kW獨立光伏電站供電方式：帶蓄電池PV離網系統交流220 V低壓供電系統主體設備：

太陽電池方陣126 W×16塊/串×15串=30240 W

蓄電池220 V×1000 Ah×3組

逆變器35 kW×2臺

充放電控制器33 kW×1臺

交直流配電柜35 kW×1臺

2.2 PV并網系統

太陽電池發的電是直流,通過控制逆變裝置變換成交流,經過相位整合后同電網的交流電合起來使用。采用這種形態的PV系統就是PV并網系統。PV并網供電形式是PV系統技術的主流發展趨勢。系統技術日益完善,系統形式也越來越多樣化。目前有無蓄電池無逆流(即不向電網倒送電)系統、有蓄電池無逆流系統、有逆流系統(PV系統剩余電力向電網輸送,由電力部門回購),隨著技術進步,今后將發展微網系統、智能電網系統和全球PV供電系統。

2.2.1 無蓄電池無逆流供電系統

無蓄電池無逆流供電系統主要由太陽電池方陣和并網逆變器組成。無逆流系統是指PV系統的功率始終小于或等于負載,不存在剩余電力,電力不夠時由電網提供,也即PV系統與電網形成并聯向負載供電。由于不會出現PV系統向電網輸電的現象,因此稱為無逆流。對于無蓄電池無逆流系統,即使PV系統因某種原因(比如負載側某用電器停止用電等)產生剩余電力時也只能通過某種手段放棄,比如部分切斷或全部切斷太陽電池方陣的直流輸出。這種系統對充分利用PV設備不利,因此應用較少。無蓄電池無逆流供電系統原理如圖4所示。

圖4 無蓄電池無逆流供電系統原理圖

2.2.2 有蓄電池無逆流供電系統

有蓄電池無逆流供電系統主要由太陽電池陣列、蓄電池組和帶有充放電控制及電源自動切換裝置的控制逆變器組成。有蓄電池無逆流供電系統原理如圖5所示。PV系統的發電量受氣象影響很大,且白晝發電,晚間不發電,用戶要獲得穩定的電力供應并在用電時間段方面不受限制,可以采用適量的蓄電池蓄電。對于無逆流供電系統,在負載側負荷下降、PV側電力剩余的情況下,蓄電池可以貯存剩余的PV系統電能,在PV系統電力供應不足時釋放,起到調衡系統供電的作用。另外,可通過控制系統限制電網向蓄電池充電。這種帶有蓄電池的無逆流供電系統仍然是PV系統與電網形成并聯向負載供電,并且設計上往往考慮太陽能發電系統優先供電,在蓄電池電壓下降到一定值時供電系統將自動切換到商業電網。事實上,這種供電系統可以視作是在有電網地區對離網系統的優化,本質上仍然是給一個確定的負載供電,因此,在設計系統時,從發電設備利用率和投資效率考慮,一般以當天的發電量能被負載當天完全消耗為宜,不需要把太陽電池容量和蓄電池容量設計過大,當可安裝太陽電池陣列的空間足夠時,以所需為準;不夠時,以可安裝空間的大小為準。這樣,PV系統利用率一般可達100%,投資效率高。

圖5 有蓄電池無逆流供電系統原理圖

工程范例(圖6,見彩插一)：

工程名：上海市盧灣區復興公園公廁PV供電系統

供電方式：有蓄電池無逆流PV系統與商業電網并聯供電

系統主體設備：太陽電池方陣170 W×6塊=1020 W

蓄電池200 Ah×12 V×4個

控制逆變器(含充放電控制)1臺

2.2.3 有逆流供電系統

PV系統剩余電力可以向電網倒送的系統稱為有逆流供電系統,其基本原理如圖7所示。有逆流供電系統主要由太陽電池方陣、并網逆變器組成,系統規模較大的情況下還要追加一些必要的配套設備,如直流控制裝置、交流控制裝置及升壓系統等。系統的用戶在電力使用上可通過電網來調節,PV系統有剩余電力時向電網發送電力,電力不足時從電網輸入電力,因此大多數系統不配備蓄電池。有逆流供電系統小到kW級的家庭PV系統,大到MW級、10 MW級乃至將來用于沙漠發電的GW級PV系統,大小不一,靈活多變,但是系統的基本構成相差不大。根據就近接入的電網電壓高低可以分為低壓并網系統和高壓并網系統,前者的特點在于PV系統發的電直接被分配到住宅內或區域內的用電負載上,多余或不足的電力通過所連接的低壓電網來調節,系統效率和電能使用效率較高;后者的特點在于PV系統發的電直接通過升壓系統被輸送到高壓電網上,由高壓電網把電力統一分配到各個用電單位,由于PV系統所發電力到達負載前要經過升壓和降壓兩道口子,電能使用效率會下降一些。通常家庭PV系統和幾十千瓦級的辦公樓PV系統都采用低壓并網方式,以發揮小型PV系統就地發電就地使用的特點。對于百千瓦級以上的大系統,通常多數采用高壓并網方式,由于要追加升壓裝置和完善接入系統,工程設計會稍微復雜一些。總的來說,有逆流供電系統結構簡潔,故障率低,維護簡單,系統效率高。

圖7 有逆流供電系統原理圖(低壓并網方式)

在政府扶持政策的刺激下,日本的家用PV系統幾乎都采用有逆流低壓并網方式,其模式如圖8所示。2009年11月日本政府出臺綠電回購政策后,家用PV系統在日本獲得了加速推廣。日本政府計劃以2005年全國裝機容量為基數,在2030年以前再增加40倍裝機容量,將使家用PV系統達到1600萬套以上。

圖8 日本的家用PV并網供電系統結構和原理

事實上把PV技術推廣應用到普通家庭,發揮家用PV系統不占地、就地發電就地使用、減少輸電損失、故障就地解決的優點,將更能體現PV技術的綜合經濟效益。大城市的電網四通八達,如能充分利用家用PV系統的優點,大力推廣并網型家用PV系統,則對建設資源節約型和環境友好型社會具有極大的價值和社會效益。相信只要中國也出臺綠電回購政策,有逆流PV系統將會得到大規模的發展。

工程范例(圖9,見彩插一)：

工程名：上海市閔行區3kW家用PV供電系統

供電方式：無蓄電池有逆流PV系統與商業電網低壓并網供電

系統主體設備：太陽電池方陣136 W×22塊=2992 W

并網逆變器2.5 kW×1臺

隨著太陽能發電市場的迅猛發展和城市化進程的推進,太陽能發電與建筑的結合越來越受到人們的重視。事實上,在各國政府提出屋頂太陽能發電計劃的同時,太陽能工程師們就開始考慮能使環境優美、居住舒適的建筑一體化光伏(Building Integrated PhotoVoltaic—BIPV)技術了。

BIPV技術是大規模應用太陽能的需要,也是人類就近利用太陽能這一最終唯一安全可靠能源的最好方式。把太陽能同生態結合起來、把幾千年來房屋只是人類居住、遮風擋雨、避寒暑、娛樂的簡單建筑發展成獨立能源、自我循環式的新型建筑,這也是人類進步和社會、科學技術發展的必然。上海電力學院南匯校區學生多功能生態活動中心屋頂PV系統采用了該項技術。

工程范例(圖10,見彩插一)：

工程名：上海電力學院南匯校區學生多功能生態活動中心PV供電系統

供電方式：無蓄電池有逆流PV系統與商業電網低壓并網供電

系統主體設備：

太陽電池方陣185 W×54塊=9.99 kW

并網逆變器2.8 kW×3臺

在大城市里推廣PV系統技術,占用寶貴的綠化地和公園用地等顯然是不合理的。解決安裝場地的最好辦法就是除了利用住宅區建筑之外,還可以利用大量的辦公大樓安裝太陽電池。國家電網浙江省電力公司生產調度大樓太陽能光伏發電系統就是一個應用典范。該系統由太陽電池方陣(總容量為244.11 kW)、直流匯流裝置、交直流控制裝置、并網逆變器、交流升壓裝置及輸電設備(電纜、橋架等)構成,采用高壓并網方式,由交流升壓裝置把逆變器輸出的400 V三相交流電升壓至10 kV后再接入當地公共電網,由高壓電網把電力統一分配到各個用電單位。

工程范例(圖11,見彩插一)：

工程名：浙江省電力公司250 kW太陽能屋頂并網光伏電站示范工程

供電方式：無蓄電池有逆流PV系統與商業電網高壓(400 V→10 kV)并網供電

系統主體設備：太陽電池方陣

270 W×16塊/串×48串=207.36 kW 175 W×15塊/串×14串=36.75 kW

直流匯流箱8臺

交直流組合柜3臺

并網逆變器50 kW×1臺

100 kW×2臺

升壓變壓器400 kVA×1臺

隨著國家在新能源方面投資的擴大,MW級和10MW級的光伏電站也已出現。

工程范例(圖12,見彩插二)：

工程名：鹽城阜寧3MW屋頂光伏發電系統

供電方式：無蓄電池有逆流PV系統與商業電網高壓(400 V→10 kV)并網供電

系統主體設備：太陽電池方陣 用12664塊多晶硅光伏組件組成6個子系統

總功率3 MW

并網逆變中壓變壓器500 kVA×6臺

工程范例(圖13,見彩插二)：

工程名：徐州協鑫20 MW光伏電站

供電方式：無蓄電池有逆流PV系統與商業電網高壓(400 V→10 kV→110 kV)并網供電

系統主體設備：太陽電池方陣用98684塊多晶硅光伏組件組成38個子系統

總功率20 MW

并網逆變中壓變壓器500 kVA×38臺

高壓變壓器20 MVA×1臺

2010世博會是展現各國傳統工藝技術和21世紀前沿科技產品的最佳舞臺,當然少不了太陽能PV系統這一重要角色。

工程范例(圖14,見封面)：

工程名：上海世博會3 MW屋頂光伏發電系統

供電方式：無蓄電池有逆流PV系統與商業電網高壓(400 V→10 kV)并網供電

系統主體設備：太陽電池方陣總功率3 MW

并網逆變器500 kW×1臺

250 kW×1臺

100 kW×18臺

50 kW×3臺

5 kW ×25臺

升壓變壓器1250 kVA×1臺1600 kVA×1臺

2.3 微網系統

太陽輻射到地面任一點的功率密度一年四季每時每刻都在變化,是一種不穩定的供能源泉,也是太陽能光伏發電與核能發電或火力發電的不同之處。PV系統的輸出功率受氣候影響,輸出的電能時刻變化,與電網連接后會給電網帶來不穩定。PV系統普及量不大時這種影響不明顯,當大規模太陽能光伏發電并網輸電時,供電波動問題將凸顯出來,因此,必須開發把這種不穩定影響限制在最小的控制技術,如能徹底解決這一問題,則人類在電力使用方面可高枕無憂了。

微網系統(Micro-Grid)是一種獨立性很強的分散型電源網絡,是解決上述問題的新一代電網技術。該系統是由太陽能光伏發電、風力發電、小水力發電、生物質發電、燃氣發電或柴油發電、燃料電池、蓄電池組等任意組合起來,再加入計量和控制裝置,自成系統,獨立于大電網或間歇與大電網連接,不需要長距離輸電線(電纜)和架空鐵塔等大型設備,投資省,不需要大規模投資,也解決了遠距離運輸大型設備的成本,尤其可以解決大型發電設備運往島嶼和山區的困難。由于其自我調衡,因此,能把可再生能源發電對大電網的擾動減少到最低程度,還能改善家庭太陽能發電系統從發電、用電到蓄電的效率。它還是解決無法實施大型火力或核能發電的小國、島國、窮困地區日常用電的最佳方案。該技術目前尚處于研究和完善階段,但可以預期其進入實際應用將為期不遠。圖15是由PV系統、燃氣發電機和蓄電池三個供電主體構成的、與國家電網連接的住宅小區微網系統的實驗模型。

圖15 微網系統的典型構成及原理

2.4 智能電網系統

智能電網(Smart-grid)的提出并非偶然,是有多種原因的,其中很重要的因素就是分散型的可再生能源(太陽能、風能、生物質能等)電力的大量應用和上網造成電網管理日益復雜和困難,且勢頭已不可逆轉,需要改革傳統的管理方式,運用現代高科技來調控和管理。作為大規模接納可再生能源電力的電網技術必須做到對頻率和電壓波動的抑制,同時維持和提高電力質量,并提高電力的使用效率。其主要手段是在微網供配電技術基礎上借助通信網絡(移動通信、無線通信等)來把握安裝有PV系統的家庭、辦公樓等用電戶與發電廠之間供需電情況,進行遠距離監測和控制。可以說,智能電網是利用微網技術和IT技術形成的新一代電網。據資料稱,日本搞智能電網技術研究的科技人員中有70%來自于IT行業,這足以說明IT技術與智能電網技術的密切關系。發揮IT在快速準確傳遞信息方面的技術特點,在國家一級的廣大區域內實時掌控電力使用狀況和發電狀況,進行電力需求調整,包括對PV電力和風電等不穩定電力進行調控。圖16表示智能電網的概念,表1列出了智能電網的基本構成。

智能電網是一項跨行業綜合技術,囊括了電力、通信、控制等技術領域。

在智能電網中,蓄電裝置仍然是不可或缺的重要支柱,整個蓄電系統將包括電動車(EV)內的蓄電池。電動車的大規模應用為蓄電提供了輔助容量,很可能將來電動車會成為智能電網中蓄電系統的最有力的支持,成為能奔跑的蓄電庫和緊急救援用輔助電源。目前,能適應快速充放電的高功率密度和高能量密度蓄電池仍然是一項瓶頸技術。根據日本野村證券金融經濟研究所預測,2010年至2030年,日美歐在智能電網上的投資將達12500億美元,其中蓄電系統投資占60%,足見蓄電系統在智能電網中的地位。

智能電表也是智能電網中的重要角色之一。智能電表具有雙向通信功能,可以設定一定的時間間隔記錄用戶的用電情況,并向用戶提出節能建議。智能電表能詳細掌握電力用戶的電力消費和光伏系統擁有者的運行信息(發電量、電壓、頻率、故障停機等等),根據光伏發電的波動調整電廠的功率,維持電力品質,還可以通過電表直接控制用電戶的電力消費。

圖16 智能電網概念圖

_____表1 智能電網的基本構成

日美兩國正在日本沖繩和美國夏威夷進行智能電網的實證試驗,并且將在日美兩國的智能電網技術基礎上制定國際標準。我國也將在2020年以前投資40000億元建設智能電網。

智能電網是發展太陽能發電和風力發電等可再生能源電力的不可欠缺的技術,但也是一項“奢侈”的供電技術,需要電網基礎設施完善,與之配套的通信系統也要完善,因此,初期階段成本比較高,費效比差。日本的電網基礎設施堪稱一流,通信系統也是一流的,需要進一步完善的地方已經不多,即使如此,日本電力公司仍取謹慎姿態,擔心成本會大幅上升。事實上,任何一項應用技術在起步階段都是昂貴的,智能電網技術也不例外。展望將來,隨著技術的完善和成本下降,智能電網技術最終會以全新的姿態替代傳統的電網技術。

2.5 全球PV供電系統

全球PV供電系統是一種理想的光伏電力資源的共享網絡,利用世界各地的沙漠和缺水的干旱地區進行大規模太陽能發電,遠距離輸電線路全部采用超導電纜,并把各國的國家電網連接起來,形成一個超級PV供配電系統。就全球而言,這個PV系統總在工作,美國白天PV系統的過剩電力可以送往正處于晚間的中國,反之亦然。

這里以東亞、中國和中亞地區為例(見圖17),東起日本途徑黃土高原、戈壁沙漠鋪設超導電纜,利用兩側的不毛地帶進行大規模PV發電,由于太陽電池的遮陰,減少了土壤中水分的蒸發,養護了土壤,又可使動物有陰涼棲息處,動植物自然循環,久而久之,氣候和土地逐漸得到改良。可以想象幾百年后,郁郁蔥蔥的黃河流域將再現于人類,絲綢之路沿途將重現繁榮。超導電纜可以與高速公路并行鋪設,沿途每隔一定距離設置一個電動車充電站,提高電纜的利用效率,增加經濟效益。

圖17 全球PV供電系統概念圖

當不同標準電網之間的電力調配、電費結算等技術性問題和經濟性問題得到妥善解決后,世界各國將能夠平等地獲得能源共享的權利,從而因能源問題發動侵略戰爭的可能性大大減少。再者投鼠忌器,戰爭機器會把各國之間互相連接的大電網破壞得千瘡百孔,即使因其他原因發動侵略戰爭,政治家們也不得不考慮電網遭受破壞后本國的間接經濟損失。全球PV供電系統有可能使人類遠離戰爭,在世界范圍內實現永久和平。

3 結束語

從200年前的工業革命開始,人類在大規模開發利用礦物能源的過程中,既獲得了電動機械、高速交通工具、成千上萬種家電和霓虹閃爍的夜生活帶來的享受,也飽受了煤炭石油造成的無情污染和氣候變化之苦,并且每時每刻都把自己置身于切爾諾貝利核電泄露事件那樣的威脅之下。到如今,連這種樂中帶苦的“享受”也難以為繼了,我們無法得知礦物能源枯竭的那一天何時到來,但是人類已經感覺到這種威脅的日益逼近。隨著時代的進步和科技的發展,大規模利用PV技術進行太陽能發電已經蓬勃興起,也許清潔、無污染、永不枯竭的太陽能才能真正地讓人類從此走上一條可持續發展之路。

(2010年5月1日收到)

(責任編輯：沈美芳)

Development of Solar PV System Technology

ZHAO Chun-jiang
Professor,Institute of Solar Energy,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China

It has been over half century to apply solar PV system from military to civil,from off-grid to grid-connected.Its efficiency keeps increasing,technology improving,and cost cutting down.At present,there is a great tendency to put solar PV system into application.There are also great requirements for developing microgrid system,smart-grid system and global PV power supply system in order to integrate discrete PV power into the existing power grid.

grid-connected PV system,micro-grid system,smartgrid system

10.3969/j.issn 0253-9608.2010.03.004