關於太陽能光伏發電系統推廣應用的淺見

引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201808/387404.htm

中國是單晶矽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%用於中國的節能工程。據統計全世界能源消耗總量中40%是建築(公用和住宅)能源消耗，其中住宅能源消耗又佔2/3。因而，利用太陽能光伏玻璃或光伏板為小區域或建築提供電能的技術是光伏發電應用的突破口。

1 光伏發電推廣存在的問題

國內很多大學、研究機構及企業在推廣應用太陽能光伏發電系統中作了很多工作，其中珠海市興業太陽能公司做出了榜樣。公司採用了國際上先進的非晶矽技術，將含矽(Si)的氣體鍍在建築玻璃上，由於加工方便(可大批量生產)，用矽量少，成本低，因而只有單晶矽光伏電池的60%。又由於它與建築物合為一體，發電總量大。這種光伏玻璃在微弱光下也能發電，即使在沒有太陽的陰雨天也照樣可以發電。

為推廣該技術，珠海興業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裡經過。但自從裝了光伏玻璃後，就陰涼清爽了。在走廓盡頭安裝的電錶顯示，太陽能發電功率為580 W，日發電9.6 kW·h，至今累計發電2 300 kW·h。從環保的角度計算其社會效益為：節省燃油600 L，減排CO2 1 300 g，真可謂一舉兩得。青島火車站的屋頂有4 000 m2，裝上非晶矽透光玻璃頂後，不僅發電量相當於一臺200 kW的發電機，還可隔熱，既節能，又有利於站內的環境舒適度。

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

既然太陽能發電有如此誘人的前景，又符合環保節能的國策，那麼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：國情大於國策。根據資料，有如下的因素制約著光伏發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於穩定地儲存和傳輸。

2)供電部門不願接受光伏電上網。國外，應用光伏的家庭都裝有兩個電錶，一個是「正潮流」供電電錶，供電部門收費;另一個是「反潮流」饋電電錶，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、臺灣地區此問題也未得到滿意解決。

3)建築開發商對太陽能熱水泵尚感興趣，但對光伏發電不感興趣。因為發電成本高，比現在的火力發電每kW·h多2 元。另外，光伏發電初期投資太大，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(單晶矽)光伏發電需20多萬元。)

所以，推廣太陽能光伏發電，需要政府分擔成本，以鼓勵大家採用綠色能源。例如，日本規定居民購置一套光伏發電，憑發票可在環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、手錶等小容量太陽能光伏電源應用後，又一次新的突破。其意義在於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，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、數位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 的蓄電池裡，在用戶的數碼設備需要充電的時候隨時提供能源供應，既體現了綠色能源的思想，又保障了數碼設備在任何時候無後顧之憂。

「動力艙」採用特有的智能調壓專利技術，可以在一定的電壓範圍內自動調節充電電壓，而這塊1 800 mA 的蓄電池相當於兩塊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 併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電。

3.2 項目情況和技術規格

該電站採用與市電直接併網的運行方式，是目前亞洲最大的併網太陽能光伏電站。該電站容量1 000.322 kW(峰值)，光伏組件總面積7 660 m2，年發電能力約為100萬kW·h，相當於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。與常規能源發電比較，併網光伏發電系統的運行和維護費用很低，節約了運營成本。

併網運行方式，要求逆變器具有同電網連接的功能。併網型光伏發電系統的優點是可以省去蓄電池，而將電網作為自己的儲能單元，具有更高的發電效率和更好的環保性能。

3.3 系統主要部件及系統構成

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

系統採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矽光伏組件BP4170S(功率為170 W)、多晶矽光伏組件BP3160S(功率為160 W)以及日本京瓷公司生產的多晶矽光伏組件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。

所採用的併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)。上述三種型號的併網逆變器均由德國的SMA 公司生產，其在歐洲的併網逆變器市場佔有率為80%以上。

3.4 技術的先進性

1)與建築物結合好該電站利用螺栓和型鋼把光伏組件固定在建築屋面上，對屋面起到了良好的隔熱效果，其設計按50 年一遇的颱風考慮，符合國家有關的技術政策和標準規範。

2)優質的電能輸出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汙染。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 逆變器均為併網型逆變器，在運行過程中，需要實時採集交流電網的電壓信號，通過閉環控制，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 逆變器均採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幹擾信號，通過檢測反饋信號來判斷電網是否失電。

在併網逆變器檢測到電網失電後，會立即停止工作。當電網恢復供電時，併網逆變器並不會立即投入運行，而是需要持續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光伏屋頂併網發電系統簡介

4.1 項目來源

北京自動化技術研究院與合肥工業大學能源所、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「光伏屋頂併網發電系統」中關鍵技術「雙向併網逆變器」的研究。該項目於2002年6 月啟動，2003 年2 月開始工程施工。2003 年4 月15 日整個系統試運行，2003 年9 月通過北京供電局併網質量檢測，2004 年1 月2 日通過科技部主持的項目驗收。

系統建造在北京核心區內，位於北京中軸線鼓樓西300 m處，對於宣傳太陽能併網發電技術以及進行太陽能知識普及具有良好的效果。

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

4.2 項目概況和技術規格

該光伏屋頂併網發電系統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，通過併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，並將能量輸入城市電網。

該系統主要由太陽能電池陣列、逆變器、計算機監控等三部分組成，具有安全可靠、無噪聲、無汙染、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;併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運行參數的狀態顯示監控功能;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，系統完全國產化，具有完整的自主智慧財產權。

4.3 對太陽能光伏發電事業的貢獻

在20 kW(峰值)太陽能光伏併網系統的現場運行試驗中，根據運行中發現的問題，對併網逆變器的軟硬體進行了改進設計。其30 kW的併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 小功率併網逆變器已完成併網運行試驗，於2005 年一季度完成小批量生產的定型工作。

5 2.5kW住戶用光伏發電系統(BIPV)簡介

5.1 項目來源

深圳市能聯電子有限公司建設的住戶用太陽能系統在光伏系統與太陽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併網發電住戶用光伏系統和8 m2的太陽能熱水器綜合利用的太陽能住戶用系統。

該太陽能住戶用系統分為光伏系統和光熱系統兩個部分，安裝於深圳市區一棟20 層高的住宅樓的樓頂。

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

當太陽能發電量大於等於即時的負載需求時，可直接由太陽能供給負載的電能需求，並且可以將多餘的電能返給電網;當太陽能不足以滿足負載需求時，由市電供給負載的需求，並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。採用的是多晶矽太陽能電池，組件呈現深藍色，與屋頂上所鋪設的藍色瓦片顏色協調一致。

組件採用8 串聯伊4並聯的連接方式，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汙染，降低了維護成本，共採用該蓄電池單體54隻，組成200 Ah/10 V電池系統。

3)逆變器該住戶用光伏併網系統的核心設備為AES公司生產的單相SMD逆變器系統，該系統為併網逆變器，輸出波形為正弦波。它內含一個雙向逆變器和三個性能優良的微處理器，可以為本地負載提供合格的電源並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並行工作，對於本地負載而言，如果光伏組件產生的電能超過即時負載的需求，還能將多餘的電能返回到電網。

(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於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，保證蓄電池長期處於浮充狀態。

(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 的範圍，系統就會自動斷開市電，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，系統就會斷開蓄電池，改為併網模式工作，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)節電效果明顯。目前整個電站系統運行良好，截止到2005 年2 月23 日，累計已正常運行發電133 天，發電量376 959 kW·h。

5.3 系統負載

該住戶用太陽能系統主要是供給一住宅的部分家用電器的用電。由光伏發電系統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。考慮到家庭用電的實際情況，我們確定這些負載的同時工作係數為0.3，則實際負載功率=10.3伊0.3=3.09 kW5kW

5.4 獨立系統(離網)和併網系統初投資成本比較

1)併網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)才能滿足實際需要。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22.64萬元，而本系統的初始投資為16.662 萬元。為了滿足同樣負載需求，本系統的初始投資僅為獨立系統初始投資的73.6%。

6 結語

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