五、光伏發(fā)電并網(wǎng)對未來電網(wǎng)的影響

隨著我國《可再生能源法》的頒布實施，常規(guī)能源價格的不斷升高和石油價格逼近$100，世界范圍內(nèi)圍繞利用太陽能科技，商業(yè)發(fā)展非常迅速，其中光伏并網(wǎng)發(fā)電技術發(fā)展非常快。目前制約光伏發(fā)電的主要因素是成本問題。太陽能光伏發(fā)電造價高(每千瓦3萬元以上)，發(fā)電成本貴(1.5元/千瓦時以上)。隨著光伏發(fā)電成本的降低和耗能發(fā)電成本的提高，總有一天光伏發(fā)電的成本將會與傳統(tǒng)發(fā)電成本相當。到那時侯，光伏發(fā)電將會進入商業(yè)化應用階段。為了提早迎接這一天的到來，我們將有必要提前考慮光伏并網(wǎng)發(fā)電對現(xiàn)有發(fā)電模式的技術、經(jīng)濟、政策和環(huán)境效益的影響。我們先假設這個時代已經(jīng)到來，并且現(xiàn)有的發(fā)電模式并未發(fā)生較大的改變。那么光伏發(fā)電給我們帶來好處的同時將會對現(xiàn)有的電網(wǎng)產(chǎn)生什么樣的問題?

由于太陽能光伏發(fā)電屬于能量密度低、穩(wěn)定差，調(diào)節(jié)能力差的能源，發(fā)電量受天氣及地域的影響較大，并網(wǎng)發(fā)電后會對電網(wǎng)安全，穩(wěn)定，經(jīng)濟運行以及電網(wǎng)的供電質(zhì)量造成一定影響。至于有多大的影響目前尚不清楚。我們知道目前電能是不能大規(guī)模低成本儲存的，在可以預見的將來也不能大規(guī)模低成本儲存。這就使得光伏發(fā)電的應用受到物理因素的制約，同時也受到地理上的限制。但是隨著技術和市場的發(fā)展，當光伏發(fā)電的上網(wǎng)電量在電網(wǎng)中與火電廠，水電，核電等電廠的發(fā)電量處于可比較的數(shù)量級和成為不可忽略的一部分時，光伏并網(wǎng)發(fā)電將對現(xiàn)有發(fā)電模式和電網(wǎng)的技術、經(jīng)濟、政策和環(huán)境效益帶來如下問題：(如果光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)采用有蓄電池方案，光伏并網(wǎng)發(fā)電的優(yōu)點和優(yōu)勢將大打折扣。但是為光伏并網(wǎng)發(fā)電優(yōu)化配置的蓄電池系統(tǒng)可以部分解決以下1，2和3點提出的問題。)

1. 負荷峰谷對電網(wǎng)的影響。由于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不具備調(diào)峰和調(diào)頻能力，這將對電網(wǎng)的早峰負荷和晚峰負荷造成沖擊。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)增加的發(fā)電能力并不能減少傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)機組的擁有量，電網(wǎng)必須為光伏發(fā)電系統(tǒng)準備大量的旋轉(zhuǎn)備用機組來解決早峰和晚峰的調(diào)峰問題。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)供電是以機組利用小時數(shù)下降為代價的。這當然是發(fā)電商所不愿意看到的。

2. 晝夜變化，東西部時差以及季節(jié)的變化對電網(wǎng)的影響。由于陽光和負荷出現(xiàn)的周期性，光伏并網(wǎng)發(fā)電量的增加并不能減少對電網(wǎng)裝機容量的需求。

3. 氣象條件的變化。當一個城市的光伏屋頂并網(wǎng)發(fā)電達到一定規(guī)模時，如果地理氣象出現(xiàn)大幅變化，電網(wǎng)將為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)提供足夠的區(qū)域性旋轉(zhuǎn)備用機組和無功補償容量，來控制和調(diào)整系統(tǒng)的頻率和電壓。在這種情況下，電網(wǎng)將以犧牲經(jīng)濟運行方式為代價來保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

4. 遠距離光伏電能輸送。當光伏并網(wǎng)發(fā)電遠距離輸送電力在經(jīng)濟和技術上成為可能時，由于光伏并網(wǎng)發(fā)電沒有旋轉(zhuǎn)慣量，調(diào)速器及勵磁系統(tǒng)，它將給交流電網(wǎng)帶來新的穩(wěn)定問題。如果光伏并網(wǎng)發(fā)電形成規(guī)模采用高壓交直流送電，將會給與光伏發(fā)電直流輸電系統(tǒng)相鄰的交流系統(tǒng)帶來穩(wěn)定和經(jīng)濟問題，(專門用于光伏并網(wǎng)發(fā)電的輸電線路，由于使用效率低，將對荒漠太陽能的利用形成制約。用于借道或者兼顧輸送光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)電能的輸電線路，由于負荷率低下，顯得很不經(jīng)濟。)不論采用高壓交流或直流送出，光伏并網(wǎng)發(fā)電站都必須配備自動無功調(diào)壓裝置。至于對電網(wǎng)穩(wěn)定的影響，目前還未見到光伏發(fā)電在電網(wǎng)穩(wěn)定計算中的數(shù)學模型(包括電源模型和負荷模型)。光伏并網(wǎng)發(fā)電將對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行有多大的影響目前尚不清楚。

5. 降耗問題;光伏并網(wǎng)發(fā)電的一個主要優(yōu)勢是可替代礦物燃料的消耗。由于光伏并網(wǎng)發(fā)電增加了發(fā)電廠旋轉(zhuǎn)發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)備用或者是熱備用，因此，光伏并網(wǎng)發(fā)電的實際降耗比率應該扣除旋轉(zhuǎn)備用或熱備用損失的能量。光伏并網(wǎng)發(fā)電的降耗效率應該考慮到由于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)提供的電力導致發(fā)電公司機組利用小時數(shù)降低帶來的效率損失。由于電力系統(tǒng)是作為一個整體來運行的，光伏并網(wǎng)發(fā)電向電網(wǎng)輸送電力將侵害其他發(fā)電商的利益，這是作為政策制定者需要考慮的問題。這是由于電網(wǎng)在考慮安全，穩(wěn)定和經(jīng)濟運行時，不僅僅只由水電廠擔任旋轉(zhuǎn)備用。因此，系統(tǒng)中總的光伏并網(wǎng)發(fā)電量所等效的理論降耗標煤量前應該乘以一個小于1的系數(shù)，并且等比例的減去旋轉(zhuǎn)備用機組的廠用電損耗。

這里給出一個公式來判斷光伏發(fā)電實際的降耗作用：

W=[(Wc/Wn)*Wp -(Pc/Pn)Pd);1

1)W--光伏并網(wǎng)發(fā)電實際獲得的降耗量(標煤);

2)Wc--電網(wǎng)火電總發(fā)電量;

3)Wn--電網(wǎng)總發(fā)電量;

4)Wp--光伏并網(wǎng)發(fā)電理論降耗量(標煤)

5)Pc--火電機組總的廠用電損耗(標煤);

6)Pn--電網(wǎng)中總的廠用電損耗(標煤);

7)Pd--旋轉(zhuǎn)備用機組的廠用電損耗(標煤)。

6. 環(huán)保問題;光伏發(fā)電帶來的減排效果是否應該只考慮火電排放的二氧化硫和二氧化碳還有待研究，因為當光伏并網(wǎng)發(fā)電時，同樣電網(wǎng)在考慮電網(wǎng)安全，穩(wěn)定和經(jīng)濟運行時，往往減少出力的不僅僅是火電廠，而考慮旋轉(zhuǎn)備用時，也不僅僅是水電廠來承擔旋轉(zhuǎn)備用的任務(水電廠承當旋轉(zhuǎn)備用任務損失較小)。因此，在考慮光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的減排貢獻時，也應該在理論值前乘以一個小于一的系數(shù)。這個結(jié)論并不象一些文章中所講的那么樂觀。

7. 順便指出，風力發(fā)電也存在環(huán)保生態(tài)問題。國外有環(huán)保人士指出大型的風力發(fā)電站往往建在季風的風道上，這往往是候鳥遷徙的最佳路線。

結(jié)束語

光伏發(fā)電的優(yōu)勢在于解決離網(wǎng)地區(qū)通信，微波等設備的能源動力，分散人口地區(qū)的小容量電力消費及為有條件建立光伏屋頂?shù)慕ㄖ偷靥峁╇娏ΑＮ磥黼娋W(wǎng)在做發(fā)展規(guī)劃時，對負荷預測應充分考慮離網(wǎng)光伏發(fā)電和光伏并網(wǎng)發(fā)電對電網(wǎng)的影響和數(shù)學模型。離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)可以作為在線有源可變負荷模型來考慮(這里指的是城市中既可由離網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，也可以由市電網(wǎng)供電的負荷)。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)如果以110V或220V并網(wǎng)供電時，也可以把光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)考慮為可從負到正變化的有源負荷模型。通過上述分析，光伏并網(wǎng)發(fā)電遠期定位只能作為電網(wǎng)節(jié)能降耗的重要補充手段。如果超出這個戰(zhàn)略定位，將造成投資和額外的能源浪費，對減少污染排放量的樂觀看法也要大打折扣。

本文僅僅代表作者個人觀點。

初稿于昆明，2007.11.8，

* 太陽能中包含了可見光能，不可見光能，光熱輻射能等等。從物理學能量守恒定律來看，只要在同系統(tǒng)中形成差值的物理量都包含著能量。比如，水力發(fā)電的水位差，或“落差”;熱力發(fā)電中的“溫差”，風力發(fā)電中氣流的“壓差”等等。

根據(jù)半導體物理原理，P-N結(jié)整體溫度上升，使P-N結(jié)呈現(xiàn)負的溫度系數(shù)。單片太陽電池的電壓隨溫度的上升而下降(見參考資料3，P49，圖2-16，圖2-19，太陽能電池組件溫度對效率的影響;參考資料5，P174)。也就是說溫度的變化將引起P-N結(jié)內(nèi)空穴和電子運動，數(shù)量及平衡點的變化(見參考資料2，P26)。隨著溫度的增加，太陽能電池效率下降(見參考資料5，P43-44)。Isc對溫度T很敏感，溫度還對Voc起主要作用。對于Si溫度每增加一度，Voc下降室溫值的0.4%，效率也因而降低同樣的百分數(shù)。例如，一個硅電池在20度時的效率為20%，當溫度生到120度時，效率僅為12%(見參考資料4,P36)。

可以猜想，如果P-N結(jié)兩側(cè)的溫差上升，或者P-N結(jié)的結(jié)溫差上升，勢必打破空穴和電子對的平衡。結(jié)溫差的變化是呈現(xiàn)正的還是負的溫度系數(shù)，以及對太陽能電池IV特性的影響目前尚未見到試驗報道。可能存在著一個類似光伏效應的熱伏效應--輻射熱生伏特效應(當然不一定就是P-N結(jié))。準確的在P-N結(jié)上制造一個結(jié)溫差,或一個較大的溫度梯度，在技術上可能是一個非常困難的事情。總之增加“光差”和“結(jié)溫差”或許是提高光伏發(fā)電效率一個有用途徑。

** 作者實在無法用中文來表示 “used 能源”的意思，只好用英文來代替了。

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