關于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)推廣應用的淺見

引言

中國是單晶硅光伏電池生產的大國，但遺憾的是，這些電池板98%銷往歐美，只有2%用于中國的節(jié)能工程。據統(tǒng)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，利用太陽能光伏玻璃或光伏板為小區(qū)域或建筑提供電能的技術是光伏發(fā)電應用的突破口。

1 光伏發(fā)電推廣存在的問題

國內很多大學、研究機構及企業(yè)在推廣應用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中作了很多工作，其中珠海市興業(yè)太陽能公司做出了榜樣。公司采用了國際上先進的非晶硅技術，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)，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，即使在沒有太陽的陰雨天也照樣可以發(fā)電。

為推廣該技術，珠海興業(yè)公司帶頭使用光伏玻璃。公司頂層有一個長廓，原安裝的是普通玻璃，在夏天員工都怕從這里經過。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效益為：節(jié)省燃油600 L，減排CO2 1 300 g，真可謂一舉兩得。青島火車站的屋頂有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(jié)能，又有利于站內的環(huán)境舒適度。

據悉日本、法國都有全太陽能建筑小區(qū)，小區(qū)中每棟住房(或別墅)都用太陽能發(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，不僅不賠本還可掙錢。

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

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

2)供電部門不愿接受光伏電上網。國外，應用光伏的家庭都裝有兩個電表，一個是“正潮流”供電電表，供電部門收費;另一個是“反潮流”饋電電表，用來計算用戶向電網反饋的電量，供電部門以此來給用戶付費。據說，香港、臺灣地區(qū)此問題也未得到滿意解決。

3)建筑開發(fā)商對太陽能熱水泵尚感興趣，但對光伏發(fā)電不感興趣。因為發(fā)電成本高，比現(xiàn)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，僅靠太陽能提供電力和熱水至少得投資3000萬元。(下面舉例的家庭每戶2.5 kW(單晶硅)光伏發(fā)電需20多萬元。)

所以，推廣太陽能光伏發(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(guī)定居民購置一套光伏發(fā)電，憑發(fā)票可在環(huán)保部門報銷其費用的1/2。

2 民用型綠色電源———太陽能數碼設備移動充電器

這是國內繼20 世紀80 年代初期在照明、手機充電器、計算器、手表等小容量太陽能光伏電源應用后，又一次新的突破。其意義在于表明太陽能電源的應用已進入民用和千家萬戶，其影響力不可低估。

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

愛國者“動力艙”移動電源是由太陽能電池板、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品提供充電服

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

“動力艙”采用特有的智能調壓專利技術，可以在一定的電壓范圍內自動調節(jié)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。

3 深圳國際園林花卉博覽園1 MW 并網太陽能光伏電站簡介

3.1 項目來源

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 項目情況和技術規(guī)格

該電站采用與市電直接并網的運行方式，是目前亞洲最大的并網太陽能光伏電站。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kW·h，相當于每年可節(jié)省標準煤約384 t，年減排CO2 約170 t，減排SO2 約7.68 t。與常規(guī)能源發(fā)電比較，并網光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行和維護費用很低，節(jié)約了運營成本。

并網運行方式，要求逆變器具有同電網連接的功能。并網型光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點是可以省去蓄電池，而將電網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(tǒng)主要部件及系統(tǒng)構成

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

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

所采用的并網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逆變器均由德國的SMA 公司生產，其在歐洲的并網逆變器市場占有率為80%以上。

3.4 技術的先進性

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 年一遇的臺風考慮，符合國家有關的技術政策和標準規(guī)范。

2)優(yōu)質的電能輸出SMA公司所生產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量很高，不會對電網質量造成污染。在輸出功率逸50%額定功率、電網波動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 逆變器均為并網型逆變器，在運行過程中，需要實時采集交流電網的電壓信號，通過閉環(huán)控制，使得逆變器的交流輸出電流與電網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 逆變器均采用被動式和主動式兩種“孤島效應”檢測方法。被動式檢測方法指實時檢測電網電壓的幅值、頻率和相位，當電網失電時，會在電網電壓的幅值、頻率和相位參數上產生跳變信號，通過檢測跳變信號來判斷電網是否失電;主動式檢測方法指對電網參數產生小干擾信號，通過檢測反饋信號來判斷電網是否失電。

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

4 20 kW光伏屋頂并網發(fā)電系統(tǒng)簡介

4.1 項目來源

北京自動化技術研究院與合肥工業(yè)大學能源所、北京計科技術有限公司共同承擔了科技部“十五”科技攻關項目“光伏屋頂并網發(fā)電系統(tǒng)”中關鍵技術“雙向并網逆變器”的研究。該項目于2002年6 月啟動，2003 年2 月開始工程施工。2003 年4 月15 日整個系統(tǒng)試運行，2003 年9 月通過北京供電局并網質量檢測，2004 年1 月2 日通過科技部主持的項目驗收。

系統(tǒng)建造在北京核心區(qū)內，位于北京中軸線鼓樓西300 m處，對于宣傳太陽能并網發(fā)電技術以及進行太陽能知識普及具有良好的效果。

整個系統(tǒng)至2004年12 月30 日止全自動、無故障運行達20個月，累計發(fā)電量達33 958 kW·h。

4.2 項目概況和技術規(guī)格

該光伏屋頂并網發(fā)電系統(tǒng)是通過太陽能電池陣列將太陽光能直接轉換成700 V級直流電，通過并網逆變器裝置將直流電調整成與電網電壓、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。

該系統(tǒng)主要由太陽能電池陣列、逆變器、計算機監(jiān)控等三部分組成，具有安全可靠、無噪聲、無污染、無需消耗燃料、無需架輸電線路、無需蓄電池、建設周期短、無人值守、全自動運行等特點。主要技術指標：額定容量30 kW;最大匹配太陽能電池陣列功率20 kW(峰值);適配電網三相380 V/50 Hz;并網電流波形為正弦波;正弦電流畸變率臆3%;整機效率逸90%;具有過熱、過載、短路、過壓、欠壓等常規(guī)保護;具有電網斷電識別功能(即防“孤島效應”功能);具有陣列最大功率點跟蹤控制功能(MPPT);全天自動識別日照變化，自啟動和停止;具有鍵盤操作和系統(tǒng)運行參數的狀態(tài)顯示監(jiān)控功能;具有遠程通信接口。19.8 kW(峰值)太陽能電池板由上海國飛公司生產，系統(tǒng)完全國產化，具有完整的自主知識產權。

4.3 對太陽能光伏發(fā)電事業(yè)的貢獻

在20 kW(峰值)太陽能光伏并網系統(tǒng)的現(xiàn)場運行試驗中，根據運行中發(fā)現(xiàn)的問題，對并網逆變器的軟硬件進行了改進設計。其30 kW的并網逆變器已通過小批量生產的定型，形成商品供貨能力。5 kW 小功率并網逆變器已完成并網運行試驗，于2005 年一季度完成小批量生產的定型工作。

5 2.5kW住戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)(BIPV)簡介

5.1 項目來源

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

該太陽能住戶用系統(tǒng)分為光伏系統(tǒng)和光熱系統(tǒng)兩個部分，安裝于深圳市區(qū)一棟20 層高的住宅樓的樓頂。

2.5 kW的BIPV并網發(fā)電光伏系統(tǒng)產生的電能通過雙向逆變器滿足用戶部分家電用電需求。

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

5.2 系統(tǒng)主要部件和構成

1)太陽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能電池，組件呈現(xiàn)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，開路電壓168.00 V，短路電流19.20 A。

2)蓄電池本系統(tǒng)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，使用期間無酸霧和氣體逸出，不會對用戶家庭造成污染，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(tǒng)。

3)逆變器該住戶用光伏并網系統(tǒng)的核心設備為AES公司生產的單相SMD逆變器系統(tǒng)，該系統(tǒng)為并網逆變器，輸出波形為正弦波。它內含一個雙向逆變器和三個性能優(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在線的UPS(不間斷電源)工作。它的工作方式如下。

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

(2)如果光伏組件產生的電能不夠用，則將自動啟用市電，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，市電就會自動給蓄電池充電，保證蓄電池長期處于浮充狀態(tài)。

(3)如果市電產生故障，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(tǒng)就會自動斷開市電，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(tǒng)就會斷開蓄電池，改為并網模式工作，由市電電網供電。SMD雙向逆變器技術性能參數如表2 所列。

(4)節(jié)電效果明顯。目前整個電站系統(tǒng)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(tǒng)負載

該住戶用太陽能系統(tǒng)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(tǒng)供電的負載清單如表3 所列。根據負載的實際工作情況估算出每個負載平均每天的耗電量為7.55 kW。

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

5.4 獨立系統(tǒng)(離網)和并網系統(tǒng)初投資成本比較

1)并網系統(tǒng)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(tǒng)(離網)才能滿足實際需要。該獨立系統(tǒng)的設計和各項成本如表5所列。

這樣，該獨立光伏系統(tǒng)的初始投資為22.64萬元，而本系統(tǒng)的初始投資為16.662 萬元。為了滿足同樣負載需求，本系統(tǒng)的初始投資僅為獨立系統(tǒng)初始投資的73.6%。

6 結語

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是優(yōu)秀的綠色能源，是21 世紀能源發(fā)展的方向。本文介紹了幾個光伏發(fā)電系統(tǒng)的應用典型，以供同行參考。同時也分析了國內推廣這一產業(yè)時存在的問題，希望引起政府相關決策部門的重視。