五、光伏發(fā)電并網(wǎng)對(duì)未來(lái)電網(wǎng)的影響

隨著我國(guó)《可再生能源法》的頒布實(shí)施，常規(guī)能源價(jià)格的不斷升高和石油價(jià)格逼近$100，世界范圍內(nèi)圍繞利用太陽(yáng)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(shù)發(fā)展非常快。目前制約光伏發(fā)電的主要因素是成本問(wèn)題。太陽(yáng)能光伏發(fā)電造價(jià)高(每千瓦3萬(wàn)元以上)，發(fā)電成本貴(1.5元/千瓦時(shí)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(huì)與傳統(tǒng)發(fā)電成本相當(dāng)。到那時(shí)侯，光伏發(fā)電將會(huì)進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段。為了提早迎接這一天的到來(lái)，我們將有必要提前考慮光伏并網(wǎng)發(fā)電對(duì)現(xiàn)有發(fā)電模式的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、政策和環(huán)境效益的影響。我們先假設(shè)這個(gè)時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，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(lái)好處的同時(shí)將會(huì)對(duì)現(xiàn)有的電網(wǎng)產(chǎn)生什么樣的問(wèn)題?

由于太陽(yáng)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(huì)對(duì)電網(wǎng)安全，穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(chǔ)存的，在可以預(yù)見(jiàn)的將來(lái)也不能大規(guī)模低成本儲(chǔ)存。這就使得光伏發(fā)電的應(yīng)用受到物理因素的制約，同時(shí)也受到地理上的限制。但是隨著技術(shù)和市場(chǎng)的發(fā)展，當(dāng)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(jí)和成為不可忽略的一部分時(shí)，光伏并網(wǎng)發(fā)電將對(duì)現(xiàn)有發(fā)電模式和電網(wǎng)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、政策和環(huán)境效益帶來(lái)如下問(wèn)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(diǎn)和優(yōu)勢(shì)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(diǎn)提出的問(wèn)題。)

1. 負(fù)荷峰谷對(duì)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(duì)電網(wǎng)的早峰負(fù)荷和晚峰負(fù)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(jī)組的擁有量，電網(wǎng)必須為光伏發(fā)電系統(tǒng)準(zhǔn)備大量的旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組來(lái)解決早峰和晚峰的調(diào)峰問(wèn)題。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)供電是以機(jī)組利用小時(shí)數(shù)下降為代價(jià)的。這當(dāng)然是發(fā)電商所不愿意看到的。

2. 晝夜變化，東西部時(shí)差以及季節(jié)的變化對(duì)電網(wǎng)的影響。由于陽(yáng)光和負(fù)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(duì)電網(wǎng)裝機(jī)容量的需求。

3. 氣象條件的變化。當(dāng)一個(gè)城市的光伏屋頂并網(wǎng)發(fā)電達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，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(jī)組和無(wú)功補(bǔ)償容量，來(lái)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(jì)運(yùn)行方式為代價(jià)來(lái)保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4. 遠(yuǎn)距離光伏電能輸送。當(dāng)光伏并網(wǎng)發(fā)電遠(yuǎn)距離輸送電力在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上成為可能時(shí)，由于光伏并網(wǎng)發(fā)電沒(méi)有旋轉(zhuǎn)慣量，調(diào)速器及勵(lì)磁系統(tǒng)，它將給交流電網(wǎng)帶來(lái)新的穩(wěn)定問(wèn)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(huì)給與光伏發(fā)電直流輸電系統(tǒng)相鄰的交流系統(tǒng)帶來(lái)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)問(wèn)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(duì)荒漠太陽(yáng)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(fù)荷率低下，顯得很不經(jīng)濟(jì)。)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(dòng)無(wú)功調(diào)壓裝置。至于對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定的影響，目前還未見(jiàn)到光伏發(fā)電在電網(wǎng)穩(wěn)定計(jì)算中的數(shù)學(xué)模型(包括電源模型和負(fù)荷模型)。光伏并網(wǎng)發(fā)電將對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有多大的影響目前尚不清楚。

5. 降耗問(wèn)題;光伏并網(wǎng)發(fā)電的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)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(jī)的旋轉(zhuǎn)備用或者是熱備用，因此，光伏并網(wǎng)發(fā)電的實(shí)際降耗比率應(yīng)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(yīng)該考慮到由于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)提供的電力導(dǎo)致發(fā)電公司機(jī)組利用小時(shí)數(shù)降低帶來(lái)的效率損失。由于電力系統(tǒng)是作為一個(gè)整體來(lái)運(yùn)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(wèn)題。這是由于電網(wǎng)在考慮安全，穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行時(shí)，不僅僅只由水電廠擔(dān)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(biāo)煤量前應(yīng)該乘以一個(gè)小于1的系數(shù)，并且等比例的減去旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組的廠用電損耗。

這里給出一個(gè)公式來(lái)判斷光伏發(fā)電實(shí)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(shí)際獲得的降耗量(標(biāo)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(biāo)煤)

5)Pc--火電機(jī)組總的廠用電損耗(標(biāo)煤);

6)Pn--電網(wǎng)中總的廠用電損耗(標(biāo)煤);

7)Pd--旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組的廠用電損耗(標(biāo)煤)。

6. 環(huán)保問(wèn)題;光伏發(fā)電帶來(lái)的減排效果是否應(yīng)該只考慮火電排放的二氧化硫和二氧化碳還有待研究，因?yàn)楫?dāng)光伏并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，同樣電網(wǎng)在考慮電網(wǎng)安全，穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行時(shí)，往往減少出力的不僅僅是火電廠，而考慮旋轉(zhuǎn)備用時(shí)，也不僅僅是水電廠來(lái)承擔(dān)旋轉(zhuǎn)備用的任務(wù)(水電廠承當(dāng)旋轉(zhuǎn)備用任務(wù)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(xiàn)時(shí)，也應(yīng)該在理論值前乘以一個(gè)小于一的系數(shù)。這個(gè)結(jié)論并不象一些文章中所講的那么樂(lè)觀。

7. 順便指出，風(fēng)力發(fā)電也存在環(huán)保生態(tài)問(wèn)題。國(guó)外有環(huán)保人士指出大型的風(fēng)力發(fā)電站往往建在季風(fēng)的風(fēng)道上，這往往是候鳥遷徙的最佳路線。

結(jié)束語(yǔ)

光伏發(fā)電的優(yōu)勢(shì)在于解決離網(wǎng)地區(qū)通信，微波等設(shè)備的能源動(dòng)力，分散人口地區(qū)的小容量電力消費(fèi)及為有條件建立光伏屋頂?shù)慕ㄖ偷靥峁╇娏ΑＮ磥?lái)電網(wǎng)在做發(fā)展規(guī)劃時(shí)，對(duì)負(fù)荷預(yù)測(cè)應(yīng)充分考慮離網(wǎng)光伏發(fā)電和光伏并網(wǎng)發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的影響和數(shù)學(xué)模型。離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)可以作為在線有源可變負(fù)荷模型來(lái)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(fù)荷)。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)如果以110V或220V并網(wǎng)供電時(shí)，也可以把光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)考慮為可從負(fù)到正變化的有源負(fù)荷模型。通過(guò)上述分析，光伏并網(wǎng)發(fā)電遠(yuǎn)期定位只能作為電網(wǎng)節(jié)能降耗的重要補(bǔ)充手段。如果超出這個(gè)戰(zhàn)略定位，將造成投資和額外的能源浪費(fèi)，對(duì)減少污染排放量的樂(lè)觀看法也要大打折扣。

本文僅僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)。

初稿于昆明，2007.11.8，

* 太陽(yáng)能中包含了可見(jiàn)光能，不可見(jiàn)光能，光熱輻射能等等。從物理學(xué)能量守恒定律來(lái)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(fēng)力發(fā)電中氣流的“壓差”等等。

根據(jù)半導(dǎo)體物理原理，P-N結(jié)整體溫度上升，使P-N結(jié)呈現(xiàn)負(fù)的溫度系數(shù)。單片太陽(yáng)電池的電壓隨溫度的上升而下降(見(jiàn)參考資料3，P49，圖2-16，圖2-19，太陽(yáng)能電池組件溫度對(duì)效率的影響;參考資料5，P174)。也就是說(shuō)溫度的變化將引起P-N結(jié)內(nèi)空穴和電子運(yùn)動(dòng)，數(shù)量及平衡點(diǎn)的變化(見(jiàn)參考資料2，P26)。隨著溫度的增加，太陽(yáng)能電池效率下降(見(jiàn)參考資料5，P43-44)。Isc對(duì)溫度T很敏感，溫度還對(duì)Voc起主要作用。對(duì)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?jǐn)?shù)。例如，一個(gè)硅電池在20度時(shí)的效率為20%，當(dāng)溫度生到120度時(shí)，效率僅為12%(見(jiàn)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(shì)必打破空穴和電子對(duì)的平衡。結(jié)溫差的變化是呈現(xiàn)正的還是負(fù)的溫度系數(shù)，以及對(duì)太陽(yáng)能電池IV特性的影響目前尚未見(jiàn)到試驗(yàn)報(bào)道。可能存在著一個(gè)類似光伏效應(yīng)的熱伏效應(yīng)--輻射熱生伏特效應(yīng)(當(dāng)然不一定就是P-N結(jié))。準(zhǔn)確的在P-N結(jié)上制造一個(gè)結(jié)溫差,或一個(gè)較大的溫度梯度，在技術(shù)上可能是一個(gè)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(gè)有用途徑。

** 作者實(shí)在無(wú)法用中文來(lái)表示 “used 能源”的意思，只好用英文來(lái)代替了。

參考資料：

1. 太陽(yáng)能發(fā)電原理與應(yīng)用，馮垛生，宋金蓮;

2. 太陽(yáng)能電池材料，楊德仁;

3. 并網(wǎng)型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，崔容強(qiáng)，趙春江，吳達(dá)成;

4. 可再生能源概論，左然，施明恒，王希麟;

5. 新能源和可再生能源的利用，吳治堅(jiān);

6. 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)狀況及發(fā)展趨勢(shì)，沈陽(yáng)建筑大學(xué)交通與機(jī)械工程學(xué)院 2007-9-6;

7. 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的若干問(wèn)題研究，華中科技大學(xué)劉飛，段善旭，徐鵬威，王志峰太陽(yáng)能 2006年04期;

8. 可再生能源發(fā)電有關(guān)管理規(guī)定，2006-7-12 中國(guó)電力報(bào);

9. 新能源和可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十五”規(guī)劃，國(guó)家經(jīng)貿(mào)委;

10. 對(duì)《可再生能源法》頒布并實(shí)施一周年的思考中國(guó)環(huán)境 薛惠鋒 2007-05-25;

11. 中國(guó)光伏發(fā)電的市場(chǎng)情況，中美清潔能源技術(shù)論壇，中國(guó)新能源網(wǎng) 2003-11-11;

12. 2007年中國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)分析及投資咨詢報(bào)告;

13. 光伏市場(chǎng)規(guī)則與變數(shù)，劉文平2006-12-30;

14. 2005～2030年電力需求預(yù)測(cè)及發(fā)展戰(zhàn)略研究，太陽(yáng)能光伏網(wǎng)，2007-10-13 08:18:09;

15. 點(diǎn)燃中國(guó)光伏市場(chǎng)還須邁幾道坎, 能源世界-中國(guó)建筑節(jié)能網(wǎng),2007-9-24;

16. 全球光伏產(chǎn)業(yè)分析報(bào)告(上),上海電子網(wǎng),2007年06月28日;

17. 太陽(yáng)能電池的絲網(wǎng)印刷技術(shù)，:Solar168，杰克`肖，06-12-25 ;

18. 太陽(yáng)能光伏發(fā)電綜述,廣州科技網(wǎng),2007-02-15;

19. 太陽(yáng)能電池發(fā)電的原理，中國(guó)綠色能源資訊網(wǎng) 作者：佚名 發(fā)布時(shí)間：2007-10-24;

20. 光伏產(chǎn)業(yè)在全球的發(fā)展，楊學(xué)林，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所;

21. 光伏發(fā)電縱橫談，中國(guó)新能源網(wǎng) 2006.7.10;

22. 解析太陽(yáng)能光伏發(fā)電新趨勢(shì)，葉娜;

23. 太陽(yáng)能電池與發(fā)光二極管的異曲同工之妙，無(wú)錫尚德太陽(yáng)能電力， 孟昭淵。