關(guān)于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統推廣應用的淺見(jiàn)

引言

中國是單晶硅光伏電池生產(chǎn)的大國，但遺憾的是，這些電池板98%銷(xiāo)往歐美，只有2%用于中國的節能工程。據統計全世界能源消耗總量中40%是建筑(公用和住宅)能源消耗，其中住宅能源消耗又占2/3。因而，利用太陽(yáng)能光伏玻璃或光伏板為小區域或建筑提供電能的技術(shù)是光伏發(fā)電應用的突破口。

1 光伏發(fā)電推廣存在的問(wèn)題

國內很多大學(xué)、研究機構及企業(yè)在推廣應用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統中作了很多工作，其中珠海市興業(yè)太陽(yáng)能公司做出了榜樣。公司采用了國際上先進(jìn)的非晶硅技術(shù)，將含硅(Si)的氣體鍍在建筑玻璃上，由于加工方便(可大批量生產(chǎn))，用硅量少，成本低，因而只有單晶硅光伏電池的60%。又由于它與建筑物合為一體，發(fā)電總量大。這種光伏玻璃在微弱光下也能發(fā)電，即使在沒(méi)有太陽(yáng)的陰雨天也照樣可以發(fā)電。

為推廣該技術(shù)，珠海興業(yè)公司帶頭使用光伏玻璃。公司頂層有一個(gè)長(cháng)廓，原安裝的是普通玻璃，在夏天員工都怕從這里經(jīng)過(guò)。但自從裝了光伏玻璃后，就陰涼清爽了。在走廓盡頭安裝的電表顯示，太陽(yáng)能發(fā)電功率為580 W，日發(fā)電9.6 kW·h，至今累計發(fā)電2 300 kW·h。從環(huán)保的角度計算其社會(huì )效益為：節省燃油600 L，減排CO2 1 300 g，真可謂一舉兩得。青島火車(chē)站的屋頂有4 000 m2，裝上非晶硅透光玻璃頂后，不僅發(fā)電量相當于一臺200 kW的發(fā)電機，還可隔熱，既節能，又有利于站內的環(huán)境舒適度。

據悉日本、法國都有全太陽(yáng)能建筑小區，小區中每棟住房(或別墅)都用太陽(yáng)能發(fā)電，甚至在主人外出休假期間，發(fā)出的電還可反送給大電網(wǎng)，不僅不賠本還可掙錢(qián)。

既然太陽(yáng)能發(fā)電有如此誘人的前景，又符合環(huán)保節能的國策，那么為何在中國大地推廣不開(kāi)呢?看來(lái)，符合不符合“國情”是個(gè)難以逾越的瓶頸，正所謂：國情大于國策。根據資料，有如下的因素制約著(zhù)光伏發(fā)電在國內的推廣應用。

1)蓄電池技術(shù)尚有差距，使得從太陽(yáng)能轉換的電能難于穩定地儲存和傳輸。

2)供電部門(mén)不愿接受光伏電上網(wǎng)。國外，應用光伏的家庭都裝有兩個(gè)電表，一個(gè)是“正潮流”供電電表，供電部門(mén)收費;另一個(gè)是“反潮流”饋電電表，用來(lái)計算用戶(hù)向電網(wǎng)反饋的電量，供電部門(mén)以此來(lái)給用戶(hù)付費。據說(shuō)，香港、臺灣地區此問(wèn)題也未得到滿(mǎn)意解決。

3)建筑開(kāi)發(fā)商對太陽(yáng)能熱水泵尚感興趣，但對光伏發(fā)電不感興趣。因為發(fā)電成本高，比現在的火力發(fā)電每kW·h多2 元。另外，光伏發(fā)電初期投資太大，一棟6 000 m2的酒店若全部裝上光伏玻璃，僅靠太陽(yáng)能提供電力和熱水至少得投資3000萬(wàn)元。(下面舉例的家庭每戶(hù)2.5 kW(單晶硅)光伏發(fā)電需20多萬(wàn)元。)

所以，推廣太陽(yáng)能光伏發(fā)電，需要政府分擔成本，以鼓勵大家采用綠色能源。例如，日本規定居民購置一套光伏發(fā)電，憑發(fā)票可在環(huán)保部門(mén)報銷(xiāo)其費用的1/2。

2 民用型綠色電源———太陽(yáng)能數碼設備移動(dòng)充電器

這是國內繼20 世紀80 年代初期在照明、手機充電器、計算器、手表等小容量太陽(yáng)能光伏電源應用后，又一次新的突破。其意義在于表明太陽(yáng)能電源的應用已進(jìn)入民用和千家萬(wàn)戶(hù)，其影響力不可低估。

該產(chǎn)品由某公司研發(fā)，2006 年正式向全國推出，其外形如圖1 所示。“動(dòng)力艙”S1800 的技術(shù)參數如表1所列。

愛(ài)國者“動(dòng)力艙”移動(dòng)電源是由太陽(yáng)能電池板、蓄電池、數碼裝備轉換器等組成，可以為手機、MP3、MP4、數碼相機等各種數碼產(chǎn)品提供充電服

務(wù)。“動(dòng)力艙”可以將太陽(yáng)能、白熾燈光能和200 V交流電能存儲到1 800 mA 的蓄電池里，在用戶(hù)的數碼設備需要充電的時(shí)候隨時(shí)提供能源供應，既體現了綠色能源的思想，又保障了數碼設備在任何時(shí)候無(wú)后顧之憂(yōu)。

“動(dòng)力艙”采用特有的智能調壓專(zhuān)利技術(shù)，可以在一定的電壓范圍內自動(dòng)調節充電電壓，而這塊1 800 mA 的蓄電池相當于兩塊800 mA 的手機電池，而且能在3 h內將手機電池充滿(mǎn)。

3 深圳國際園林花卉博覽園1 MW 并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏電站簡(jiǎn)介

3.1 項目來(lái)源

2004 年8 月，由深圳市政府投資，中科院北京科諾偉業(yè)公司承建的1 MW太陽(yáng)能光伏電站在深圳國際園林花卉博覽園內建成發(fā)電。

3.2 項目情況和技術(shù)規格

該電站采用與市電直接并網(wǎng)的運行方式，是目前亞洲最大的并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏電站。該電站容量1 000.322 kW(峰值)，光伏組件總面積7 660 m2，年發(fā)電能力約為100萬(wàn)kW·h，相當于每年可節省標準煤約384 t，年減排CO2 約170 t，減排SO2 約7.68 t。與常規能源發(fā)電比較，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統的運行和維護費用很低，節約了運營(yíng)成本。

并網(wǎng)運行方式，要求逆變器具有同電網(wǎng)連接的功能。并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統的優(yōu)點(diǎn)是可以省去蓄電池，而將電網(wǎng)作為自己的儲能單元，具有更高的發(fā)電效率和更好的環(huán)保性能。

3.3 系統主要部件及系統構成

1 MW 并網(wǎng)太陽(yáng)能電站的主要部件包括太陽(yáng)能電池板(光伏組件)和并網(wǎng)逆變器。

系統采用了三種型號的太陽(yáng)能電池，分別為BP 太陽(yáng)能公司生產(chǎn)的單晶硅光伏組件BP4170S(功率為170 W)、多晶硅光伏組件BP3160S(功率為160 W)以及日本京瓷公司生產(chǎn)的多晶硅光伏組件KC167G(功率為167 W)。BP太陽(yáng)能和日本京瓷公司均為世界上太陽(yáng)能電池板產(chǎn)量前五位的大公司。

所采用的并網(wǎng)逆變器也分為三種型號：

SC125LV(額定功率為125 kW)、SC90(額定功率為90 kW)以及SB2500(額定功率為2.5 kW)。其中，SC125LV、SC90 為集中型逆變器(Central In原verter)，SB2500為串式逆變器(String Inverter)。上述三種型號的并網(wǎng)逆變器均由德國的SMA 公司生產(chǎn)，其在歐洲的并網(wǎng)逆變器市場(chǎng)占有率為80%以上。

3.4 技術(shù)的先進(jìn)性

1)與建筑物結合好該電站利用螺栓和型鋼把光伏組件固定在建筑屋面上，對屋面起到了良好的隔熱效果，其設計按50 年一遇的臺風(fēng)考慮，符合國家有關(guān)的技術(shù)政策和標準規范。

2)優(yōu)質(zhì)的電能輸出SMA公司所生產(chǎn)的集中型和串式逆變器均配置有高性能濾波電路，使得逆變器交流輸出的電能質(zhì)量很高，不會(huì )對電網(wǎng)質(zhì)量造成污染。在輸出功率逸50%額定功率、電網(wǎng)波動(dòng)5%的情況下，SC125LV和SC90 逆變器的交流輸出電流總諧波分量(THD)3%，SB2500 逆變器的交流輸出電流總諧波分量(THD)4%。

SC125LV、SC90 和SB2500 逆變器均為并網(wǎng)型逆變器，在運行過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)采集交流電網(wǎng)的電壓信號，通過(guò)閉環(huán)控制，使得逆變器的交流輸出電流與電網(wǎng)電壓的相位保持一致，所以功率因數保持在1.0 附近。

3)“孤島效應”防護手段“孤島效應”指在電網(wǎng)失電情況下，發(fā)電設備仍作為孤立電源對負載供電。“孤島效應”對設備和人員的安全存在重大隱患。SC125LV、SC90 和SB2500 逆變器均采用被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種“孤島效應”檢測方法。被動(dòng)式檢測方法指實(shí)時(shí)檢測電網(wǎng)電壓的幅值、頻率和相位，當電網(wǎng)失電時(shí)，會(huì )在電網(wǎng)電壓的幅值、頻率和相位參數上產(chǎn)生跳變信號，通過(guò)檢測跳變信號來(lái)判斷電網(wǎng)是否失電;主動(dòng)式檢測方法指對電網(wǎng)參數產(chǎn)生小干擾信號，通過(guò)檢測反饋信號來(lái)判斷電網(wǎng)是否失電。

在并網(wǎng)逆變器檢測到電網(wǎng)失電后，會(huì )立即停止工作。當電網(wǎng)恢復供電時(shí)，并網(wǎng)逆變器并不會(huì )立即投入運行，而是需要持續檢測電網(wǎng)信號在一段時(shí)間(如90 s)內完全正常，才重新投入運行。

4 20 kW光伏屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統簡(jiǎn)介

4.1 項目來(lái)源

北京自動(dòng)化技術(shù)研究院與合肥工業(yè)大學(xué)能源所、北京計科技術(shù)有限公司共同承擔了科技部“十五”科技攻關(guān)項目“光伏屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統”中關(guān)鍵技術(shù)“雙向并網(wǎng)逆變器”的研究。該項目于2002年6 月啟動(dòng)，2003 年2 月開(kāi)始工程施工。2003 年4 月15 日整個(gè)系統試運行，2003 年9 月通過(guò)北京供電局并網(wǎng)質(zhì)量檢測，2004 年1 月2 日通過(guò)科技部主持的項目驗收。

系統建造在北京核心區內，位于北京中軸線(xiàn)鼓樓西300 m處，對于宣傳太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)以及進(jìn)行太陽(yáng)能知識普及具有良好的效果。

整個(gè)系統至2004年12 月30 日止全自動(dòng)、無(wú)故障運行達20個(gè)月，累計發(fā)電量達33 958 kW·h。

4.2 項目概況和技術(shù)規格

該光伏屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統是通過(guò)太陽(yáng)能電池陣列將太陽(yáng)光能直接轉換成700 V級直流電，通過(guò)并網(wǎng)逆變器裝置將直流電調整成與電網(wǎng)電壓、波形、幅度、相位角完全同步的三相交流電，并將能量輸入城市電網(wǎng)。

該系統主要由太陽(yáng)能電池陣列、逆變器、計算機監控等三部分組成，具有安全可靠、無(wú)噪聲、無(wú)污染、無(wú)需消耗燃料、無(wú)需架輸電線(xiàn)路、無(wú)需蓄電池、建設周期短、無(wú)人值守、全自動(dòng)運行等特點(diǎn)。主要技術(shù)指標：額定容量30 kW;最大匹配太陽(yáng)能電池陣列功率20 kW(峰值);適配電網(wǎng)三相380 V/50 Hz;并網(wǎng)電流波形為正弦波;正弦電流畸變率臆3%;整機效率逸90%;具有過(guò)熱、過(guò)載、短路、過(guò)壓、欠壓等常規保護;具有電網(wǎng)斷電識別功能(即防“孤島效應”功能);具有陣列最大功率點(diǎn)跟蹤控制功能(MPPT);全天自動(dòng)識別日照變化，自啟動(dòng)和停止;具有鍵盤(pán)操作和系統運行參數的狀態(tài)顯示監控功能;具有遠程通信接口。19.8 kW(峰值)太陽(yáng)能電池板由上海國飛公司生產(chǎn)，系統完全國產(chǎn)化，具有完整的自主知識產(chǎn)權。

4.3 對太陽(yáng)能光伏發(fā)電事業(yè)的貢獻

在20 kW(峰值)太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)系統的現場(chǎng)運行試驗中，根據運行中發(fā)現的問(wèn)題，對并網(wǎng)逆變器的軟硬件進(jìn)行了改進(jìn)設計。其30 kW的并網(wǎng)逆變器已通過(guò)小批量生產(chǎn)的定型，形成商品供貨能力。5 kW 小功率并網(wǎng)逆變器已完成并網(wǎng)運行試驗，于2005 年一季度完成小批量生產(chǎn)的定型工作。

5 2.5kW住戶(hù)用光伏發(fā)電系統(BIPV)簡(jiǎn)介

5.1 項目來(lái)源

深圳市能聯(lián)電子有限公司建設的住戶(hù)用太陽(yáng)能系統在光伏系統與太陽(yáng)能熱水系統結合方面做出大膽的探索，建成了包括2.5 kW的BIPV并網(wǎng)發(fā)電住戶(hù)用光伏系統和8 m2的太陽(yáng)能熱水器綜合利用的太陽(yáng)能住戶(hù)用系統。

該太陽(yáng)能住戶(hù)用系統分為光伏系統和光熱系統兩個(gè)部分，安裝于深圳市區一棟20 層高的住宅樓的樓頂。

2.5 kW的BIPV并網(wǎng)發(fā)電光伏系統產(chǎn)生的電能通過(guò)雙向逆變器滿(mǎn)足用戶(hù)部分家電用電需求。

當太陽(yáng)能發(fā)電量大于等于即時(shí)的負載需求時(shí)，可直接由太陽(yáng)能供給負載的電能需求，并且可以將多余的電能返給電網(wǎng);當太陽(yáng)能不足以滿(mǎn)足負載需求時(shí)，由市電供給負載的需求，并可以同時(shí)給蓄電池充電。當市電故障時(shí)，可以由蓄電池給家電負載供電。

5.2 系統主要部件和構成

1)太陽(yáng)能電池組件安裝在屋頂的斜面上，朝向正南方，傾斜角度為20毅。采用的是多晶硅太陽(yáng)能電池，組件呈現深藍色，與屋頂上所鋪設的藍色瓦片顏色協(xié)調一致。

組件采用8 串聯(lián)伊4并聯(lián)的連接方式，該光伏陣列的工作參數為：峰值功率2 560 W，最大工作電壓140.8 V，最大工作電流18.20 A，開(kāi)路電壓168.00 V，短路電流19.20 A。

2)蓄電池本系統中使用的是由深圳華達電源有限公司提供的GMF-200 型深放電閥控吸液式密封鉛酸蓄電池，使用期間無(wú)酸霧和氣體逸出，不會(huì )對用戶(hù)家庭造成污染，降低了維護成本，共采用該蓄電池單體54只，組成200 Ah/10 V電池系統。

3)逆變器該住戶(hù)用光伏并網(wǎng)系統的核心設備為AES公司生產(chǎn)的單相SMD逆變器系統，該系統為并網(wǎng)逆變器，輸出波形為正弦波。它內含一個(gè)雙向逆變器和三個(gè)性能優(yōu)良的微處理器，可以為本地負載提供合格的電源并可以作為一個(gè)在線(xiàn)的UPS(不間斷電源)工作。它的工作方式如下。

(1)將市電和太陽(yáng)能電源并行工作，對于本地負載而言，如果光伏組件產(chǎn)生的電能超過(guò)即時(shí)負載的需求，還能將多余的電能返回到電網(wǎng)。

(2)如果光伏組件產(chǎn)生的電能不夠用，則將自動(dòng)啟用市電，使用市電供給本地負載的需求。當本地負載的功率消耗小于SMD 逆變器的額定市電容量的60%時(shí)，市電就會(huì )自動(dòng)給蓄電池充電，保證蓄電池長(cháng)期處于浮充狀態(tài)。

(3)如果市電產(chǎn)生故障，即市電停電或者電壓超出了176~245 V或者頻率超出了48~52 Hz 的范圍，系統就會(huì )自動(dòng)斷開(kāi)市電，轉成獨立工作模式，由蓄電池和逆變器提供負載所需的交流電能。

一旦市電恢復正常，即電壓和頻率都恢復到正常狀態(tài)，系統就會(huì )斷開(kāi)蓄電池，改為并網(wǎng)模式工作，由市電電網(wǎng)供電。SMD雙向逆變器技術(shù)性能參數如表2 所列。

(4)節電效果明顯。目前整個(gè)電站系統運行良好，截止到2005 年2 月23 日，累計已正常運行發(fā)電133 天，發(fā)電量376 959 kW·h。

5.3 系統負載

該住戶(hù)用太陽(yáng)能系統主要是供給一住宅的部分家用電器的用電。由光伏發(fā)電系統供電的負載清單如表3 所列。根據負載的實(shí)際工作情況估算出每個(gè)負載平均每天的耗電量為7.55 kW。

這些負載不可能同時(shí)工作?？紤]到家庭用電的實(shí)際情況，我們確定這些負載的同時(shí)工作系數為0.3，則實(shí)際負載功率=10.3伊0.3=3.09 kW5kW

5.4 獨立系統(離網(wǎng))和并網(wǎng)系統初投資成本比較

1)并網(wǎng)系統初期投資成本如表4 所列。

2)在考慮到相同的負載缺電率的情況下，為了滿(mǎn)足年平均每天7.55 kW·h 的用電量需要以及5天的自給，安裝3.6 kW的獨立光伏系統(離網(wǎng))才能滿(mǎn)足實(shí)際需要。該獨立系統的設計和各項成本如表5所列。

這樣，該獨立光伏系統的初始投資為22.64萬(wàn)元，而本系統的初始投資為16.662 萬(wàn)元。為了滿(mǎn)足同樣負載需求，本系統的初始投資僅為獨立系統初始投資的73.6%。

6 結語(yǔ)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統是優(yōu)秀的綠色能源，是21 世紀能源發(fā)展的方向。本文介紹了幾個(gè)光伏發(fā)電系統的應用典型，以供同行參考。同時(shí)也分析了國內推廣這一產(chǎn)業(yè)時(shí)存在的問(wèn)題，希望引起政府相關(guān)決策部門(mén)的重視。