太阳能光伏发电系统技术的发展

赵春江

研究员,上海电力学院太阳能研究所,上海200090

太阳能光伏发电系统技术的发展

赵春江

研究员,上海电力学院太阳能研究所,上海200090

并网型PV系统 微网系统 智能电网系统

太阳能PV系统从国防军用到民用、从离网系统到并网系统已走过了半个多世纪的历程,效率不断提高,技术日益完善,发电成本逐年下降。随着科技和时代的发展,大规模利用PV技术进行太阳能发电已经蓬勃兴起,而大量分散型PV电源的入网又需要发展微网系统、智能电网系统和全球PV供电系统。

1 前 言

太阳能巨大,即使像上海这种太阳能资源不算丰富的地区(属三类地区),太阳每年照射在水平面上的能量也有4600 MJ/m2左右,相当于1280度电能。太阳能是一种聚变能,根据太阳的质量和爱因斯坦的质能转换理论,太阳还可以“燃烧”800亿年,相对于人类5000年历史而言,这几乎是一个天文数字的时间长度。太阳能清洁无污染,安全无毒害,是理想的可持续发展能源之一。向太阳索取电能是工业化发展到今天、大量化石能源被消耗且面临枯竭的必然趋势。太阳能光伏发电(以下把光伏发电简称为PV)技术是人类向太阳索取电能的重要途径。

自1954年美国贝尔实验室诞生了第一块p-n结晶体硅太阳电池,太阳能PV技术从国防军用到民用已走过了半个多世纪的历程,效率不断提高,技术日益完善,成本逐年下降,新工艺和新品种层出不穷。晶体硅电池、非晶硅电池、化合物电池、染料敏化电池等纷纷登上PV舞台亮相自身的特点和优势,这个舞台就是太阳能PV系统。

2 太阳能PV系统

太阳能PV系统是一种利用光电转换原理和相应的光电转换器材来发电的系统,英文称之为PhotoVoltaic Power Generating System,缩写为 PV System。其规模可大可小,维护简单,使用方便。太阳能PV系统的应用主要分为空间和地面两大类,本文主要介绍地面应用。该系统可分为PV离网系统(Off-Grid System或Stand-Alone System)和 PV并网系统(On-Grid System或Connected-Grid System),并且随着科技和时代的发展又衍生出多种形式。

2.1 PV离网系统

PV离网系统与公共电网没有直接的联系,其规模小至几百瓦的照明电源,大至上百千瓦的独立光伏电站。它特别适用于岛屿、深山、荒漠、大草原等无电地区,也适用于城市中铺设线路困难且成本高的场所,如书报亭、岗亭、高速公路指示灯和沿途休息场所的用电等。零售的太阳能草坪灯、太阳能计算器中的电源也是该系统技术的应用。由于PV离网系统除了太阳能外无需外界能源支持,因此,它还可用作空间站电源。

PV离网系统主要由太阳电池阵列、蓄电池组、充放电控制器、逆变器四大件组成,如图1所示。目前多数是把充放电控制器和逆变器做成一体的。

图1 PV离网系统原理

对于PV离网系统,往往需要根据用户的要求,解决连续阴雨天的情况下不间断供电的问题。因此,当太阳电池功率规模确定后,蓄电池的配置容量往往成为设计人员的主要课题,设计过大则成本太高,设计过小则供电不足。一般情况下,蓄电池和充放电设备的配置费要占整个工程费用的25%左右。通常在设计中还要考虑尽量采用长寿命、无二次污染、可再生利用的蓄电池。蓄电池在充放电过程中还要消耗相当一部分电能,包括其自放电的损耗,蓄电系统的总体效率一般为75%左右,导致PV离网系统总体效率下降到60%甚至更低,因此,在能采用辅助电源的情况下,一般应避免采用由大量蓄电池支持的PV离网系统,而是采用由辅助发电设备与适量蓄电池配合的PV离网系统,如图2所示。

图2 带辅助电源的PV离网系统

工程范例(图3,见彩插一)：

工程名：西藏自治区定日县扎果乡30 kW独立光伏电站供电方式：带蓄电池PV离网系统交流220 V低压供电系统主体设备：

太阳电池方阵126 W×16块/串×15串=30240 W

蓄电池220 V×1000 Ah×3组

逆变器35 kW×2台

充放电控制器33 kW×1台

交直流配电柜35 kW×1台

2.2 PV并网系统

太阳电池发的电是直流,通过控制逆变装置变换成交流,经过相位整合后同电网的交流电合起来使用。采用这种形态的PV系统就是PV并网系统。PV并网供电形式是PV系统技术的主流发展趋势。系统技术日益完善,系统形式也越来越多样化。目前有无蓄电池无逆流(即不向电网倒送电)系统、有蓄电池无逆流系统、有逆流系统(PV系统剩余电力向电网输送,由电力部门回购),随着技术进步,今后将发展微网系统、智能电网系统和全球PV供电系统。

2.2.1 无蓄电池无逆流供电系统

无蓄电池无逆流供电系统主要由太阳电池方阵和并网逆变器组成。无逆流系统是指PV系统的功率始终小于或等于负载,不存在剩余电力,电力不够时由电网提供,也即PV系统与电网形成并联向负载供电。由于不会出现PV系统向电网输电的现象,因此称为无逆流。对于无蓄电池无逆流系统,即使PV系统因某种原因(比如负载侧某用电器停止用电等)产生剩余电力时也只能通过某种手段放弃,比如部分切断或全部切断太阳电池方阵的直流输出。这种系统对充分利用PV设备不利,因此应用较少。无蓄电池无逆流供电系统原理如图4所示。

图4 无蓄电池无逆流供电系统原理图

2.2.2 有蓄电池无逆流供电系统

有蓄电池无逆流供电系统主要由太阳电池阵列、蓄电池组和带有充放电控制及电源自动切换装置的控制逆变器组成。有蓄电池无逆流供电系统原理如图5所示。PV系统的发电量受气象影响很大,且白昼发电,晚间不发电,用户要获得稳定的电力供应并在用电时间段方面不受限制,可以采用适量的蓄电池蓄电。对于无逆流供电系统,在负载侧负荷下降、PV侧电力剩余的情况下,蓄电池可以贮存剩余的PV系统电能,在PV系统电力供应不足时释放,起到调衡系统供电的作用。另外,可通过控制系统限制电网向蓄电池充电。这种带有蓄电池的无逆流供电系统仍然是PV系统与电网形成并联向负载供电,并且设计上往往考虑太阳能发电系统优先供电,在蓄电池电压下降到一定值时供电系统将自动切换到商业电网。事实上,这种供电系统可以视作是在有电网地区对离网系统的优化,本质上仍然是给一个确定的负载供电,因此,在设计系统时,从发电设备利用率和投资效率考虑,一般以当天的发电量能被负载当天完全消耗为宜,不需要把太阳电池容量和蓄电池容量设计过大,当可安装太阳电池阵列的空间足够时,以所需为准;不够时,以可安装空间的大小为准。这样,PV系统利用率一般可达100%,投资效率高。

图5 有蓄电池无逆流供电系统原理图

工程范例(图6,见彩插一)：

工程名：上海市卢湾区复兴公园公厕PV供电系统

供电方式：有蓄电池无逆流PV系统与商业电网并联供电

系统主体设备：太阳电池方阵170 W×6块=1020 W

蓄电池200 Ah×12 V×4个

控制逆变器(含充放电控制)1台

2.2.3 有逆流供电系统

PV系统剩余电力可以向电网倒送的系统称为有逆流供电系统,其基本原理如图7所示。有逆流供电系统主要由太阳电池方阵、并网逆变器组成,系统规模较大的情况下还要追加一些必要的配套设备,如直流控制装置、交流控制装置及升压系统等。系统的用户在电力使用上可通过电网来调节,PV系统有剩余电力时向电网发送电力,电力不足时从电网输入电力,因此大多数系统不配备蓄电池。有逆流供电系统小到kW级的家庭PV系统,大到MW级、10 MW级乃至将来用于沙漠发电的GW级PV系统,大小不一,灵活多变,但是系统的基本构成相差不大。根据就近接入的电网电压高低可以分为低压并网系统和高压并网系统,前者的特点在于PV系统发的电直接被分配到住宅内或区域内的用电负载上,多余或不足的电力通过所连接的低压电网来调节,系统效率和电能使用效率较高;后者的特点在于PV系统发的电直接通过升压系统被输送到高压电网上,由高压电网把电力统一分配到各个用电单位,由于PV系统所发电力到达负载前要经过升压和降压两道口子,电能使用效率会下降一些。通常家庭PV系统和几十千瓦级的办公楼PV系统都采用低压并网方式,以发挥小型PV系统就地发电就地使用的特点。对于百千瓦级以上的大系统,通常多数采用高压并网方式,由于要追加升压装置和完善接入系统,工程设计会稍微复杂一些。总的来说,有逆流供电系统结构简洁,故障率低,维护简单,系统效率高。

图7 有逆流供电系统原理图(低压并网方式)

在政府扶持政策的刺激下,日本的家用PV系统几乎都采用有逆流低压并网方式,其模式如图8所示。2009年11月日本政府出台绿电回购政策后,家用PV系统在日本获得了加速推广。日本政府计划以2005年全国装机容量为基数,在2030年以前再增加40倍装机容量,将使家用PV系统达到1600万套以上。

图8 日本的家用PV并网供电系统结构和原理

事实上把PV技术推广应用到普通家庭,发挥家用PV系统不占地、就地发电就地使用、减少输电损失、故障就地解决的优点,将更能体现PV技术的综合经济效益。大城市的电网四通八达,如能充分利用家用PV系统的优点,大力推广并网型家用PV系统,则对建设资源节约型和环境友好型社会具有极大的价值和社会效益。相信只要中国也出台绿电回购政策,有逆流PV系统将会得到大规模的发展。

工程范例(图9,见彩插一)：

工程名：上海市闵行区3kW家用PV供电系统

供电方式：无蓄电池有逆流PV系统与商业电网低压并网供电

系统主体设备：太阳电池方阵136 W×22块=2992 W

并网逆变器2.5 kW×1台

随着太阳能发电市场的迅猛发展和城市化进程的推进,太阳能发电与建筑的结合越来越受到人们的重视。事实上,在各国政府提出屋顶太阳能发电计划的同时,太阳能工程师们就开始考虑能使环境优美、居住舒适的建筑一体化光伏(Building Integrated PhotoVoltaic—BIPV)技术了。

BIPV技术是大规模应用太阳能的需要,也是人类就近利用太阳能这一最终唯一安全可靠能源的最好方式。把太阳能同生态结合起来、把几千年来房屋只是人类居住、遮风挡雨、避寒暑、娱乐的简单建筑发展成独立能源、自我循环式的新型建筑,这也是人类进步和社会、科学技术发展的必然。上海电力学院南汇校区学生多功能生态活动中心屋顶PV系统采用了该项技术。

工程范例(图10,见彩插一)：

工程名：上海电力学院南汇校区学生多功能生态活动中心PV供电系统

供电方式：无蓄电池有逆流PV系统与商业电网低压并网供电

系统主体设备：

太阳电池方阵185 W×54块=9.99 kW

并网逆变器2.8 kW×3台

在大城市里推广PV系统技术,占用宝贵的绿化地和公园用地等显然是不合理的。解决安装场地的最好办法就是除了利用住宅区建筑之外,还可以利用大量的办公大楼安装太阳电池。国家电网浙江省电力公司生产调度大楼太阳能光伏发电系统就是一个应用典范。该系统由太阳电池方阵(总容量为244.11 kW)、直流汇流装置、交直流控制装置、并网逆变器、交流升压装置及输电设备(电缆、桥架等)构成,采用高压并网方式,由交流升压装置把逆变器输出的400 V三相交流电升压至10 kV后再接入当地公共电网,由高压电网把电力统一分配到各个用电单位。

工程范例(图11,见彩插一)：

工程名：浙江省电力公司250 kW太阳能屋顶并网光伏电站示范工程

供电方式：无蓄电池有逆流PV系统与商业电网高压(400 V→10 kV)并网供电

系统主体设备：太阳电池方阵

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

直流汇流箱8台

交直流组合柜3台

并网逆变器50 kW×1台

100 kW×2台

升压变压器400 kVA×1台

随着国家在新能源方面投资的扩大,MW级和10MW级的光伏电站也已出现。

工程范例(图12,见彩插二)：

工程名：盐城阜宁3MW屋顶光伏发电系统

供电方式：无蓄电池有逆流PV系统与商业电网高压(400 V→10 kV)并网供电

系统主体设备：太阳电池方阵 用12664块多晶硅光伏组件组成6个子系统

总功率3 MW

并网逆变中压变压器500 kVA×6台

工程范例(图13,见彩插二)：

工程名：徐州协鑫20 MW光伏电站

供电方式：无蓄电池有逆流PV系统与商业电网高压(400 V→10 kV→110 kV)并网供电

系统主体设备：太阳电池方阵用98684块多晶硅光伏组件组成38个子系统

总功率20 MW

并网逆变中压变压器500 kVA×38台

高压变压器20 MVA×1台

2010世博会是展现各国传统工艺技术和21世纪前沿科技产品的最佳舞台,当然少不了太阳能PV系统这一重要角色。

工程范例(图14,见封面)：

工程名：上海世博会3 MW屋顶光伏发电系统

供电方式：无蓄电池有逆流PV系统与商业电网高压(400 V→10 kV)并网供电

系统主体设备：太阳电池方阵总功率3 MW

并网逆变器500 kW×1台

250 kW×1台

100 kW×18台

50 kW×3台

5 kW ×25台

升压变压器1250 kVA×1台1600 kVA×1台

2.3 微网系统

太阳辐射到地面任一点的功率密度一年四季每时每刻都在变化,是一种不稳定的供能源泉,也是太阳能光伏发电与核能发电或火力发电的不同之处。PV系统的输出功率受气候影响,输出的电能时刻变化,与电网连接后会给电网带来不稳定。PV系统普及量不大时这种影响不明显,当大规模太阳能光伏发电并网输电时,供电波动问题将凸显出来,因此,必须开发把这种不稳定影响限制在最小的控制技术,如能彻底解决这一问题,则人类在电力使用方面可高枕无忧了。

微网系统(Micro-Grid)是一种独立性很强的分散型电源网络,是解决上述问题的新一代电网技术。该系统是由太阳能光伏发电、风力发电、小水力发电、生物质发电、燃气发电或柴油发电、燃料电池、蓄电池组等任意组合起来,再加入计量和控制装置,自成系统,独立于大电网或间歇与大电网连接,不需要长距离输电线(电缆)和架空铁塔等大型设备,投资省,不需要大规模投资,也解决了远距离运输大型设备的成本,尤其可以解决大型发电设备运往岛屿和山区的困难。由于其自我调衡,因此,能把可再生能源发电对大电网的扰动减少到最低程度,还能改善家庭太阳能发电系统从发电、用电到蓄电的效率。它还是解决无法实施大型火力或核能发电的小国、岛国、穷困地区日常用电的最佳方案。该技术目前尚处于研究和完善阶段,但可以预期其进入实际应用将为期不远。图15是由PV系统、燃气发电机和蓄电池三个供电主体构成的、与国家电网连接的住宅小区微网系统的实验模型。

图15 微网系统的典型构成及原理

2.4 智能电网系统

智能电网(Smart-grid)的提出并非偶然,是有多种原因的,其中很重要的因素就是分散型的可再生能源(太阳能、风能、生物质能等)电力的大量应用和上网造成电网管理日益复杂和困难,且势头已不可逆转,需要改革传统的管理方式,运用现代高科技来调控和管理。作为大规模接纳可再生能源电力的电网技术必须做到对频率和电压波动的抑制,同时维持和提高电力质量,并提高电力的使用效率。其主要手段是在微网供配电技术基础上借助通信网络(移动通信、无线通信等)来把握安装有PV系统的家庭、办公楼等用电户与发电厂之间供需电情况,进行远距离监测和控制。可以说,智能电网是利用微网技术和IT技术形成的新一代电网。据资料称,日本搞智能电网技术研究的科技人员中有70%来自于IT行业,这足以说明IT技术与智能电网技术的密切关系。发挥IT在快速准确传递信息方面的技术特点,在国家一级的广大区域内实时掌控电力使用状况和发电状况,进行电力需求调整,包括对PV电力和风电等不稳定电力进行调控。图16表示智能电网的概念,表1列出了智能电网的基本构成。

智能电网是一项跨行业综合技术,囊括了电力、通信、控制等技术领域。

在智能电网中,蓄电装置仍然是不可或缺的重要支柱,整个蓄电系统将包括电动车(EV)内的蓄电池。电动车的大规模应用为蓄电提供了辅助容量,很可能将来电动车会成为智能电网中蓄电系统的最有力的支持,成为能奔跑的蓄电库和紧急救援用辅助电源。目前,能适应快速充放电的高功率密度和高能量密度蓄电池仍然是一项瓶颈技术。根据日本野村证券金融经济研究所预测,2010年至2030年,日美欧在智能电网上的投资将达12500亿美元,其中蓄电系统投资占60%,足见蓄电系统在智能电网中的地位。

智能电表也是智能电网中的重要角色之一。智能电表具有双向通信功能,可以设定一定的时间间隔记录用户的用电情况,并向用户提出节能建议。智能电表能详细掌握电力用户的电力消费和光伏系统拥有者的运行信息(发电量、电压、频率、故障停机等等),根据光伏发电的波动调整电厂的功率,维持电力品质,还可以通过电表直接控制用电户的电力消费。

图16 智能电网概念图

_____表1 智能电网的基本构成

日美两国正在日本冲绳和美国夏威夷进行智能电网的实证试验,并且将在日美两国的智能电网技术基础上制定国际标准。我国也将在2020年以前投资40000亿元建设智能电网。

智能电网是发展太阳能发电和风力发电等可再生能源电力的不可欠缺的技术,但也是一项“奢侈”的供电技术,需要电网基础设施完善,与之配套的通信系统也要完善,因此,初期阶段成本比较高,费效比差。日本的电网基础设施堪称一流,通信系统也是一流的,需要进一步完善的地方已经不多,即使如此,日本电力公司仍取谨慎姿态,担心成本会大幅上升。事实上,任何一项应用技术在起步阶段都是昂贵的,智能电网技术也不例外。展望将来,随着技术的完善和成本下降,智能电网技术最终会以全新的姿态替代传统的电网技术。

2.5 全球PV供电系统

全球PV供电系统是一种理想的光伏电力资源的共享网络,利用世界各地的沙漠和缺水的干旱地区进行大规模太阳能发电,远距离输电线路全部采用超导电缆,并把各国的国家电网连接起来,形成一个超级PV供配电系统。就全球而言,这个PV系统总在工作,美国白天PV系统的过剩电力可以送往正处于晚间的中国,反之亦然。

这里以东亚、中国和中亚地区为例(见图17),东起日本途径黄土高原、戈壁沙漠铺设超导电缆,利用两侧的不毛地带进行大规模PV发电,由于太阳电池的遮阴,减少了土壤中水分的蒸发,养护了土壤,又可使动物有阴凉栖息处,动植物自然循环,久而久之,气候和土地逐渐得到改良。可以想象几百年后,郁郁葱葱的黄河流域将再现于人类,丝绸之路沿途将重现繁荣。超导电缆可以与高速公路并行铺设,沿途每隔一定距离设置一个电动车充电站,提高电缆的利用效率,增加经济效益。

图17 全球PV供电系统概念图

当不同标准电网之间的电力调配、电费结算等技术性问题和经济性问题得到妥善解决后,世界各国将能够平等地获得能源共享的权利,从而因能源问题发动侵略战争的可能性大大减少。再者投鼠忌器,战争机器会把各国之间互相连接的大电网破坏得千疮百孔,即使因其他原因发动侵略战争,政治家们也不得不考虑电网遭受破坏后本国的间接经济损失。全球PV供电系统有可能使人类远离战争,在世界范围内实现永久和平。

3 结束语

从200年前的工业革命开始,人类在大规模开发利用矿物能源的过程中,既获得了电动机械、高速交通工具、成千上万种家电和霓虹闪烁的夜生活带来的享受,也饱受了煤炭石油造成的无情污染和气候变化之苦,并且每时每刻都把自己置身于切尔诺贝利核电泄露事件那样的威胁之下。到如今,连这种乐中带苦的“享受”也难以为继了,我们无法得知矿物能源枯竭的那一天何时到来,但是人类已经感觉到这种威胁的日益逼近。随着时代的进步和科技的发展,大规模利用PV技术进行太阳能发电已经蓬勃兴起,也许清洁、无污染、永不枯竭的太阳能才能真正地让人类从此走上一条可持续发展之路。

(2010年5月1日收到)

(责任编辑：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