淺談“雙碳”目標下以光伏發電為主的農村新型能源系統

張烜智

（中廣核新能源控股有限公司）

0 引言

光伏發電最早的研究與應用可以追溯到20世紀，研究這項技術最早是應用在航空領域，因為光伏發電設備先期的生產成本相對較高，給光伏發電的大規模應用帶來了一定的阻礙。而隨著近些年“雙碳”目標的確立及科技的快速發展，我國的光伏發電設備成本已經大幅度降低，這給光伏發電大規模應用帶來曙光，其強大的發電功能在滿足用戶居家生活及生產用電的同時，也可以向當地的電網出售，給農村地區發展光伏發電提供了推廣的基礎，

1 光伏發電的優勢

光伏發電的結構與原理相對簡單，沒有能源的消耗，也不排放二氧化碳等一些溫室氣體，在發電的過程中也沒有噪聲與污染，只要有太陽能就可以把光能轉化為電能，且太陽能具有取之不盡、用之不竭的特點，也是目前最為清潔與可持續的能源類型。光伏發電優勢：①光伏發電所需的物質近乎于取之不盡、用之不竭。通過一些數據調查出的結果可以看出，每年照射到地球的太陽光所富含的能量要比人類消耗的能量高出6000多倍，而且分布極為廣泛；②太陽能資源不受地理及空間限制，可以隨時發電以供應當地電網，這避免了長線路輸電所導致的電力損耗；③光伏發電的能量轉化方式相對簡單，直接將光能轉化為電能，在這之中沒有以往的機械能轉化為電能的損耗，發電效率可以達到80%以上；④光伏發電自身不使用任何的化石燃料［1］，也不排放相應的溫室氣體及其他有害氣體，可以做到零污染與零噪聲，對于周邊環境也極其的友好，不會因為燃料市場價格變化而增加發電及用電成本；⑤光伏發電過程中不需要有冷卻裝置，可以適用于沒有水資源的荒漠地區，而光伏也能和建筑物很好地結合起來，不需要占用寶貴的土地資源。

2 農村光伏發電裝置目前面臨的問題

2.1 供電網絡調配問題

農村分布式光伏發電首先應該根據其分布的特點，將電網電能的供需關系考慮進去，在電網供電壓力大及承載能力較強的地區優先開始布局。分布式光伏發電設備在接入所在地區的電網之后，就會由原有的單獨式發電設備，變成電網的組成部分，形成一套有源網絡，這會改變以往的供電方式，將純輸出型的電網，轉變為雙向電力交易的供電體系，使用戶也轉變為發電源頭，而用戶通過光伏發電之后，在滿足自身的用電需求之外，還可以將富裕電力就近銷售給當地的供電企業。農村的光伏發電所產出的電壓是屬于低壓網絡，而目前的電網供電主干網絡都是高壓電網［2］，當大量的低壓電能輸入到電網之中也會對電網的電壓維持系統、繼電保護裝置與短路保護等供電設備產生部分影響，當電網的電壓超過預定的標準時，可能會觸動電網的保護系統工作。在當地電網因檢修或故障導致停止供電時，分布式光伏發電裝置如還在繼續工作，就會導致當地的供電線路中還有部分區域屬于帶電運行，最終形成了一個供電孤島。

2.2 光伏發電設備施工及分布方面的問題

在農村屋頂以及空余區域安裝光伏發電裝置時，主要還存在一些施工方面的困難，由于農村的光伏電站具有分散等特性［3］，這會在安裝時產生一些較大的風險，主要就是高空安裝作業、帶電安裝問題和需要手工施工問題。因而在安裝光伏發電裝置時，這些施工中的風險也會有發生的概率，安全問題始終是最為突出的要素。而在運行的過程中還會發生一些突發的自然災害，例如冰雹、大風及強對流天氣等惡劣天氣，這會對設備以及房屋下面的居民產生一定的安全隱患。

2.3 光伏發電設備運維方面的問題

在電網正常運行的過程中，分布式光伏發電設備會隨著當地天氣的變化而產生一些影響，主要的核心部件逆變器的正常輸出功率也會隨之而變，會產生諧波從而會引發電能污染。農村分布式光伏發電系統主要是通過電網中的低壓線路入網的，用戶在無法消耗所發電力的時候就會從所在地區的變壓裝置并入當地電網，產生多個并入點集中入網，而我國農村電網體系相對城市還是有一些薄弱的，大量的電能并入電網可能會對電網工作的穩定性產生影響。農村分布式光伏發電裝置其工作的不可調節的特點，會與當地電網系統的調節及負荷有所不同，造成電壓產生峰谷差、電壓不穩及電壓產生閃變等供電現象。我國一部分農村地區相對比較偏遠，這些地區的供電線路相對比較長，而這種長線路供配電系統產生的電力損耗也是相對較高的［4］，如在這些地區建設多個分布式農村光伏發電裝置并網時，會導致當地的供電系統負荷增大，甚至會引發電路保護裝置啟動，尤其是一些供電末端的變壓設備容量相對不足，而現有的農村分布式光伏發電裝置大多數都是按照2kV的標準設計的，每戶的設計容量都在5kV之上，這會對農村的供配電系統的正常運行造成比較大的壓力。

3 農村新型能源分布式光伏實施措施

3.1 農村光伏發電分布設計解決方式

在農村規劃光伏發電設備時，應充分考慮當地電網的實際需求與有效載荷，光伏發電項目的建設是要與區域供配電系統協調發展的。在當地配電網絡承載能力的基礎之上，對不同分布的光伏發電裝置進行優化調配，針對不同的區域安裝光伏發電裝置，可以根據當地供電部門的電力供應情況分析當地用電需求，了解當地電網的近期及中遠期規劃，對光伏設備進行合理分布［1］。對于經濟發展相對比較落后的地區，其用電的需求也相對較少，當地供配電網絡也比較薄弱，這些地區的光伏發電安裝可能受到的影響會相對較大。而一些經濟條件相對發達的地區，由于其人口相對較多，用電需求及配套電網也比較大，這些區域正是光伏發電裝置大顯身手的區域。光伏發電裝置在農村的分布應在設計期間就要綜合考慮當地的經濟發展、用電需求及供配電設施問題。農村光伏發電的設計與布局首先就要保持其發電系統能夠正常工作，也要根據安裝的場地不同進行綜合化的考量，如果安裝在房屋頂部區域，應考慮到房屋的防水問題。要在設備發電的過程中對電力與電流進行數據的采集與反饋，做好相關的數據整理與保存，進而了解產品在運行中產生的問題，在現有的產品基礎之上，進行優化與升級［2］。光伏發電裝置在設計階段還要考慮到一些極端天氣和突發事件（例如火災及觸電等事態）的影響。光伏發電裝置的設計核心系統就是控制方式，在開始設計前，應該對施工的場地進行深入考察，評估當地的安裝與運行條件，根據當地的地理條件制定個性化方案［5］，采用最佳的傾斜角度，還要避免附近的其他建筑物和高大植物的遮擋。在安裝光伏發電設備的時候應配置電弧故障的設備，還需要安裝一些反孤島設備，對于孤島現象及發電電壓進行監控，保障光伏發電的安全。安裝電力保護設備，從而達到與電網適配方式相同，這會使光伏發電的適配區域進一步擴大。由于光伏發電都會安裝在高處，應在發電設備安裝防雷裝置，為光伏發電提供更高更安全的保障。

3.2 增強農光互補，為農村生活生產提供更大的便利

由于各地的天氣與地理位置不同，光伏發電設備的安裝應充分考慮安裝地區的環境，而光伏發電設備除了給用戶提供電力服務之外，還可以對農村的溫室及大棚提供良好幫助。光伏發電板可以有效地阻擋一部分紫外線，可以反射一些昆蟲繁衍所需要的藍紫光，這些優勢可以減少當地的蔬菜病蟲害，進而提高當地的蔬菜品質與產量，這是高科技產品與生態綠色農業建設相互結合的新模式［3］。每當步入夏季，我國的大部分地區都會受到高溫的嚴重影響，這導致每年都有一部分時間無法種植蔬菜，尤其是傳統的溫室與大棚在夏季的溫度可能會達到50℃以上，而這種氣溫對于大部分蔬菜品種來說是無法成活的，每年都會有一部分時間空閑，導致其產出受到極大的影響［6］。而新的光伏大棚或溫室就可以完美地解決這一問題，由于光伏發電板的遮蓋會使大棚內的溫度降低，使大棚的產出時間大大延長［4］。當冬季來臨之時，光伏發電板還可以防止棚內的溫度向外流失，對于夜間的溫度下降問題也能得到很好的解決，可以節省草簾覆蓋這一環節，節省大量的人力、物力及財力。而光伏發電裝置除了對農村蔬菜種植有益處之外，合理的遮光也能為農村的養殖業提供更好的生長環境，合理的光線互補也對水生花卉種植和魚類養殖起到更好的效果，這能使得光伏與農村生產相互結合，通過與村集體合作等方式，惠及當地群眾，從而帶動農村的收入。

3.3 助力鄉村振興發展

《中共中央 國務院關于做好2022年全面推進鄉村振興重點工作的意見》、《中共中央辦公廳 國務院辦公廳印發〈鄉村建設行動實施方案〉》等文件均提到通過建設光伏發電助力鄉村振興發展。除農光互補模式外，光伏發電可在規劃設計階段融入文旅元素，如將組件按照景觀進行布置設計、建設新型互動景觀，在周邊修建綠色步道等，形成新的旅游景點，促進地方能源與旅游產業發展，還可在項目的建設過程中統籌考慮農村電網改造、供電設施升級，改善農村基礎設施水平，為鄉村振興賦能。

3.4 農村屋頂分布式光伏發電設備的指標

現有的光伏發電設備在農村的主要安裝地點是居住的屋頂，而光伏發電設備是一種集合多種高新技術于一體的發電裝置，有大量的轉換器，可以提供光伏的利用率，節約傳輸電纜的使用量，反饋裝置的運行情況，以便于對光伏發電裝置的實時管理，在這個過程之中，為了能使設備更好的運行，良好的運行維護是必不可少的一環［5］。分布式光伏主要從諧波的控制入手，還需要提升并網的逆變控制裝置的工作效率，尤其是我國農村地區供配電系統相對薄弱，這對于逆變系統運行的好壞有著直接的關系［6］。由于光伏發電裝置的運行特點帶有間歇性與波動性，逆變器是整個光伏設備的直流轉交流的主要工作部分，這就要求逆變器的電力偏差要控制在合理的范圍之內，其輸出的三相電壓偏差要控制在7%；電壓波動：光伏發電設備以10kV接入為標準［7］，其電壓的波動應控制在3%范圍之內；電壓不平衡度：在公共位置連接點的負序電力不平衡度是需要控制在2%的范圍之內，瞬間不能超過4%，而由光伏發電設備產生的負序電壓不平衡度應控制在1.3%，瞬間應不超過2.6%；直流分量指標：光伏發電設備在和公共連接點所注入的直流分量應不超過額定數值的0.5%［7］。

4 結束語

在農村的新型能源系統建設中，光伏發電無疑是占據主導位置的，其高效的發電能力與農光互補的優勢在逐漸的應用中，我國廣大的農業地區應結合當地的氣候與生產生活方式安裝光伏發電設備，這對于農村經濟有著重大的作用，也能為我國的“雙碳”控制工作貢獻出一份力量。