太陽能發(fā)電與并網(wǎng),微網(wǎng),智能電網(wǎng),全球聯(lián)網(wǎng)（課堂PPT）

1、上海電力學(xué)院太陽能研究所趙春江太陽能發(fā)電與并網(wǎng)、微電網(wǎng)、智能電網(wǎng)、全球聯(lián)網(wǎng)2010. 92前言前言 太陽能巨大，根據(jù)E=mc2理論，太陽還可以“燃燒”800億年。向太陽索取電能是工業(yè)化發(fā)展到今天、大量化石能源被消耗且面臨枯竭的必然趨勢。太陽能光伏發(fā)電（以下把光伏發(fā)電簡稱為PV）技術(shù)是人類向太陽索取電能的重要途徑。晶體硅電池、非晶硅電池、化合物電池、染料敏化電池等亮相自身特點(diǎn)和優(yōu)勢的舞臺就是太陽能PV系統(tǒng)。 3太陽電池發(fā)電原理太陽電池發(fā)電原理太陽電池是由電性質(zhì)不同的N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體連接合成的。這二種半導(dǎo)體的界面稱作PN結(jié)。太陽光入射到太陽電池表面上后，被太陽電池吸收。此時(shí)，在太陽電池內(nèi)部因

2、吸收了光能而產(chǎn)生了帶正電的空穴和帶負(fù)電的電子，電子朝N型半導(dǎo)體匯集，而空穴則朝P型半導(dǎo)體匯集，這樣就在PN結(jié)處形成了電勢。在電池表面和背面焊上電極后，再接上燈泡或馬達(dá)之類的負(fù)載，形成外電路，電流就會流起來。4并網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng) 太陽能PV系統(tǒng)的應(yīng)用主要分為空間和地面兩大類，就系統(tǒng)而言又可分為PV離網(wǎng)系統(tǒng)（Off-Grid System 或Stand-Alone System）和PV并網(wǎng)系統(tǒng)（On-Grid System 或Connected-Grid System），并且隨著科技和時(shí)代的發(fā)展又衍生出多種形式。太陽電池發(fā)的電是直流，通過控制逆變裝置變換成交流，經(jīng)過相

3、位整合后同電網(wǎng)的交流電合起來使用。采用這種形態(tài)的PV系統(tǒng)就是PV并網(wǎng)系統(tǒng)。PV并網(wǎng)供電形式是PV系統(tǒng)技術(shù)的主流發(fā)展趨勢。系統(tǒng)技術(shù)日益完善，系統(tǒng)形式也越來越多樣化。目前有無蓄電池?zé)o逆流（即不向電網(wǎng)倒送電）系統(tǒng)、有蓄電池?zé)o逆流系統(tǒng)、無蓄電池有逆流系統(tǒng)（PV系統(tǒng)剩余電力向電網(wǎng)輸送，由電力部門回購），隨著技術(shù)進(jìn)步，今后將發(fā)展微網(wǎng)系統(tǒng)、智能電網(wǎng)系統(tǒng)和全球PV供電系統(tǒng)。5無蓄電池?zé)o逆流供電系統(tǒng)無蓄電池?zé)o逆流供電系統(tǒng) 無蓄電池?zé)o逆流供電系統(tǒng)主要由太陽電池方陣和并網(wǎng)逆變器組成。無逆流系統(tǒng)是指PV系統(tǒng)的功率始終小于或等于負(fù)載，不存在剩余電力，電力不夠時(shí)由電網(wǎng)提供，也即PV系統(tǒng)與電網(wǎng)形成并聯(lián)向負(fù)載供電。由于不會出

4、現(xiàn)PV系統(tǒng)向電網(wǎng)輸電的現(xiàn)象，因此稱為無逆流。對于無蓄電池?zé)o逆流系統(tǒng)，即使PV系統(tǒng)因某種原因（比如負(fù)載側(cè)某用電器停止用電等）產(chǎn)生剩余電力時(shí)也只能通過某種手段放棄，比如部分切斷或全部切斷太陽電池方陣的直流輸出。這種系統(tǒng)對充分利用PV設(shè)備不利，因此應(yīng)用較少。 6無蓄電池?zé)o逆流供電系統(tǒng)原理圖無蓄電池?zé)o逆流供電系統(tǒng)原理圖 負(fù)載并網(wǎng)逆變器太陽電池方陣電網(wǎng)7有蓄電池?zé)o逆流供電系統(tǒng)有蓄電池?zé)o逆流供電系統(tǒng) 有蓄電池?zé)o逆流供電系統(tǒng)主要由太陽電池陣列、蓄電池組和帶有充放電控制及電源自動(dòng)切換裝置的控制逆變器組成。PV系統(tǒng)的發(fā)電量受氣象影響很大，且白晝發(fā)電，晚間不發(fā)電，用戶要獲得穩(wěn)定的電力供應(yīng)并在用電時(shí)間段方面不受限制

5、，可以采用適量的蓄電池蓄電。對于無逆流供電系統(tǒng)，在負(fù)載側(cè)負(fù)荷下降、PV側(cè)電力剩余的情況下，蓄電池可以貯存剩余的PV系統(tǒng)電能，在PV系統(tǒng)電力供應(yīng)不足時(shí)釋放，起到調(diào)衡系統(tǒng)供電的作用。另外可通過控制系統(tǒng)限制電網(wǎng)向蓄電池充電。這種帶有蓄電池的無逆流供電系統(tǒng)仍然是PV系統(tǒng)與電網(wǎng)形成并聯(lián)向負(fù)載供電，并且設(shè)計(jì)上往往考慮太陽能發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)先供電，在蓄電池電壓下降到一定值時(shí)供電系統(tǒng)將自動(dòng)切換到商業(yè)電網(wǎng)。事實(shí)上，這種供電系統(tǒng)可以視作是在有電網(wǎng)地區(qū)對離網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化。8有蓄電池?zé)o逆流供電系統(tǒng)原理圖有蓄電池?zé)o逆流供電系統(tǒng)原理圖 太陽電池方陣匯流箱蓄電池負(fù)載配電盤PV系統(tǒng)/電網(wǎng)電源自動(dòng)切換器充放電控制器逆變器電網(wǎng)電源控制逆

6、變器9工程范例：工程范例：上海市盧灣區(qū)復(fù)興公園公廁PV供電系統(tǒng)供電方式：有蓄電池?zé)o逆流PV系統(tǒng)與商業(yè)電網(wǎng)并聯(lián)供電系統(tǒng)主體設(shè)備：太陽電池方陣 170W6塊1020W ； 蓄電池 200Ah12V4個(gè)； 控制逆變器(含充放電控制) 1臺10無蓄電池有逆流供電系統(tǒng)無蓄電池有逆流供電系統(tǒng) PV系統(tǒng)剩余電力可以向電網(wǎng)倒送的系統(tǒng)稱為有逆流供電系統(tǒng)。有逆流供電系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、并網(wǎng)逆變器組成，系統(tǒng)規(guī)模較大的情況下還要追加一些必要的配套設(shè)備，如直流控制裝置、交流控制裝置及升壓系統(tǒng)等。系統(tǒng)的用戶在電力使用上可通過電網(wǎng)來調(diào)節(jié)，PV系統(tǒng)有剩余電力時(shí)向電網(wǎng)發(fā)送電力，電力不足時(shí)從電網(wǎng)輸入電力，因此大多數(shù)系統(tǒng)不配備

7、蓄電池。有逆流供電系統(tǒng)小到kW級的家庭PV系統(tǒng)，大到MW級、10MW級乃至將來用于沙漠發(fā)電的GW級PV系統(tǒng)，大小不一，靈活多變，但是系統(tǒng)的基本構(gòu)成相差不大。根據(jù)就近接入的電網(wǎng)電壓高低可以分為低壓并網(wǎng)系統(tǒng)和高壓并網(wǎng)系統(tǒng)，前者的特點(diǎn)在于PV系統(tǒng)發(fā)的電直接被分配到住宅內(nèi)或區(qū)域內(nèi)的用電負(fù)載上，多余或不足的電力通過所連接的低壓電網(wǎng)來調(diào)節(jié)，系統(tǒng)效率和電能使用效率較高；后者的特點(diǎn)在于PV系統(tǒng)發(fā)的電直接通過升壓系統(tǒng)被輸送到高壓電網(wǎng)上，由高壓電網(wǎng)把電力統(tǒng)一分配到各個(gè)用電單位，由于PV系統(tǒng)所發(fā)電力到達(dá)負(fù)載前要經(jīng)過升壓和降壓兩道口子，電能使用效率會下降一些。通常家庭PV系統(tǒng)和幾十千瓦級的辦公樓PV系統(tǒng)都采用低壓并網(wǎng)

8、方式，以發(fā)揮小型PV系統(tǒng)就地發(fā)電就地使用的特點(diǎn)。對于百千瓦級以上的大系統(tǒng)，通常多數(shù)采用高壓并網(wǎng)方式，由于要追加升壓裝置和完善接入系統(tǒng)，工程設(shè)計(jì)會稍微復(fù)雜一些?？偟膩碚f有逆流供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，故障率低，維護(hù)簡單，系統(tǒng)效率高。 11無蓄電池有逆流供電系統(tǒng)原理圖（低壓無蓄電池有逆流供電系統(tǒng)原理圖（低壓并網(wǎng)方式）并網(wǎng)方式）負(fù)載并網(wǎng)逆變器太陽電池方陣電網(wǎng)12日本的家用日本的家用PV并網(wǎng)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理并網(wǎng)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理12345去負(fù)載1 接線箱; 2 并網(wǎng)逆變器;3 配電箱;4 電表(向電網(wǎng)輸出);5 電表(從電網(wǎng)引入)電網(wǎng)太陽電池方陣13工程范例：上海市閔行區(qū)工程范例：上海市閔行區(qū)3kW家用家用

9、PV供供電系統(tǒng)電系統(tǒng) 供電方式：無蓄電池有逆流PV系統(tǒng)與商業(yè)電網(wǎng)低壓并網(wǎng)供電系統(tǒng)主體設(shè)備：太陽電池方陣 136W22塊2992W并網(wǎng)逆變器 2.5kW1臺 截止2010年8月31日，已安全無故障運(yùn)行1356天，累計(jì)發(fā)電量11465kWh。 14建筑一體化光伏技術(shù)建筑一體化光伏技術(shù) 隨著太陽能發(fā)電市場的迅猛發(fā)展和城市化進(jìn)程的推進(jìn)，太陽能發(fā)電與建筑的結(jié)合越來越受到人們的重視。2010年7月，美國政府提出了1千萬屋頂太陽能發(fā)電計(jì)劃。 能保持環(huán)境優(yōu)美、居住舒適的建筑一體化光伏（Building Integrated PhotoVoltaicBIPV）技術(shù)是大規(guī)模應(yīng)用太陽能的需要，也是人類就近利用太陽能

10、這一最終唯一安全可靠能源的最好方式。把太陽能同生態(tài)結(jié)合起來、把幾千年來房屋只是人類居住、遮風(fēng)擋雨、避寒暑、娛樂的簡單建筑發(fā)展成獨(dú)立能源、自我循環(huán)式的新型建筑，這也是人類進(jìn)步和社會、科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然。15工程范例：上海電力學(xué)院南匯校區(qū)學(xué)生工程范例：上海電力學(xué)院南匯校區(qū)學(xué)生多功能生態(tài)活動(dòng)中心多功能生態(tài)活動(dòng)中心BIPV供電系統(tǒng)供電系統(tǒng) 供電方式：無蓄電池有逆流PV系統(tǒng)與商業(yè)電網(wǎng)低壓并網(wǎng)供電 系統(tǒng)主體設(shè)備：太陽電池方陣 185W54塊9.99kW 并網(wǎng)逆變器 2.8kW3臺 16大型屋頂大型屋頂PV系統(tǒng)系統(tǒng) 在大城市里推廣PV系統(tǒng)技術(shù)，占用寶貴的綠化地和公園用地等顯然是不合理的。解決安裝場地的最好辦

11、法就是除了利用住宅區(qū)建筑之外，還可以利用大量的辦公大樓安裝太陽電池。國家電網(wǎng)浙江省電力公司生產(chǎn)調(diào)度大樓太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)就是一個(gè)應(yīng)用典范。該系統(tǒng)由太陽電池方陣（總?cè)萘繛?44.11kW）、直流匯流裝置、交直流控制裝置、并網(wǎng)逆變器、交流升壓裝置及輸電設(shè)備（電纜、橋架等）構(gòu)成，采用高壓并網(wǎng)方式，由交流升壓裝置把逆變器輸出的400V三相交流電升壓至10kV后再接入當(dāng)?shù)毓搽娋W(wǎng)，由高壓電網(wǎng)把電力統(tǒng)一分配到各個(gè)用電單位。17工程范例：浙江省電力公司工程范例：浙江省電力公司250kW太陽能太陽能屋頂并網(wǎng)光伏電站示范工程屋頂并網(wǎng)光伏電站示范工程 供電方式：無蓄電池有逆流PV系統(tǒng)與商業(yè)電網(wǎng)高壓（400V10k

12、V）并網(wǎng)供電系統(tǒng)主體設(shè)備：太陽電池方陣 270W16塊/串48串207.36kW 175W15塊/串14串36.75kW 直流匯流箱 8臺 交直流組合柜 3臺并網(wǎng)逆變器 50kW1臺 100kW2臺 升壓變壓器 400kVA1臺 18MW級工程范例：鹽城阜寧級工程范例：鹽城阜寧3MW屋頂光屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)伏發(fā)電系統(tǒng) 供電方式：無蓄電池有逆流PV系統(tǒng)與商業(yè)電網(wǎng)高壓（400V10kV）并網(wǎng)供電 系統(tǒng)主體設(shè)備：太陽電池方陣 用12664塊多晶硅光伏組件組成6個(gè)子系統(tǒng) 總功率3MW 并網(wǎng)逆變中壓變壓器 500kVA6臺 19工程范例：徐州協(xié)鑫工程范例：徐州協(xié)鑫20MW光伏電站光伏電站 供電方式：無蓄電

13、池有逆流PV系統(tǒng)與商業(yè)電網(wǎng)高壓（400V10kV110kV）并網(wǎng)供電系統(tǒng)主體設(shè)備：太陽電池方陣 用98684塊多晶硅光伏組件組成38個(gè)子系統(tǒng) 總功率20MW 并網(wǎng)逆變中壓變壓器 500kVA38臺 高壓變壓器 20MVA1臺 20工程范例：上海世博會工程范例：上海世博會3MW屋頂光伏發(fā)屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)電系統(tǒng) 供電方式：無蓄電池有逆流PV系統(tǒng)與商業(yè)電網(wǎng)高壓（400V10kV）并網(wǎng)供電系統(tǒng)主體設(shè)備：太陽電池方陣 總功率3MW 并網(wǎng)逆變器 500kW1臺 250kW1臺 100kW18臺 50kW3臺 5kW25臺升壓變壓器 1250kVA1臺 1600kVA1臺 21微網(wǎng)系統(tǒng)微網(wǎng)系統(tǒng) 微網(wǎng)系統(tǒng)（M

14、icro-Grid）是一種獨(dú)立性很強(qiáng)的分散型電源網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)由太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、小水力發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電或柴油發(fā)電、燃料電池、蓄電池組等任意組合起來，再加入計(jì)量和控制裝置，自成系統(tǒng)，獨(dú)立于大電網(wǎng)或間歇與大電網(wǎng)連接，不需要長距離輸電線（電纜）和架空鐵塔等大型設(shè)備，投資省，不需要大規(guī)模投資，也解決了遠(yuǎn)距離運(yùn)輸大型設(shè)備的成本問題，尤其可以解決大型發(fā)電設(shè)備運(yùn)往島嶼和山區(qū)的困難。由于其自我調(diào)衡，因此能把可再生能源發(fā)電對大電網(wǎng)的擾動(dòng)減少到最低程度，還能改善家庭太陽能發(fā)電系統(tǒng)從發(fā)電、用電到蓄電的效率。它還是解決無法實(shí)施大型火力或核能發(fā)電的小國、島國、窮困地區(qū)日常用電的最佳方案。該技術(shù)目前尚處

15、于研究和完善階段，但可以預(yù)期其進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用將為期不遠(yuǎn)。22微網(wǎng)系統(tǒng)的典型構(gòu)成及原理微網(wǎng)系統(tǒng)的典型構(gòu)成及原理 智能電表太陽電池蓄電池控制管理系統(tǒng)逆變器燃?xì)獍l(fā)電機(jī)變壓站極少情況下的向外求援或向外輸電負(fù)載國家電網(wǎng)23智能電網(wǎng)系統(tǒng)智能電網(wǎng)系統(tǒng) 智能電網(wǎng)（Smart-grid）的提出并非偶然，是有多種原因的，其中很重要的因素就是分散型的可再生能源（太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等）電力的大量應(yīng)用和上網(wǎng)造成電網(wǎng)管理日益復(fù)雜和困難，且勢頭已不可逆轉(zhuǎn)，需要改革傳統(tǒng)的管理方式，運(yùn)用現(xiàn)代高科技來調(diào)控和管理。作為大規(guī)模接納可再生能源電力的電網(wǎng)技術(shù)必須做到對頻率和電壓波動(dòng)的抑制，同時(shí)維持和提高電力質(zhì)量，并提高電力的使用效率。

16、其主要手段是在微網(wǎng)供配電技術(shù)基礎(chǔ)上借助通信網(wǎng)絡(luò)（移動(dòng)通信、無線通信等）來把握安裝有PV系統(tǒng)的家庭、辦公樓等用電戶與發(fā)電廠之間供需電情況，進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)測和控制。可以說智能電網(wǎng)是利用微網(wǎng)技術(shù)和IT技術(shù)形成的新一代電網(wǎng)。據(jù)資料稱，日本搞智能電網(wǎng)技術(shù)研究的科技人員中有70%來自于IT行業(yè)，這足以說明IT技術(shù)與智能電網(wǎng)技術(shù)的密切關(guān)系。發(fā)揮IT在快速準(zhǔn)確傳遞信息方面的技術(shù)特點(diǎn)，在國家一級的廣大區(qū)域內(nèi)實(shí)時(shí)掌控電力使用狀況和發(fā)電狀況，進(jìn)行電力需求調(diào)整，包括對PV電力和風(fēng)電等不穩(wěn)定電力進(jìn)行調(diào)控。24智能電網(wǎng)概念圖智能電網(wǎng)概念圖 控制管理系統(tǒng)發(fā)電廠大型PV系統(tǒng)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)大型蓄電系統(tǒng)家庭PV系統(tǒng)電動(dòng)車樓宇PV系統(tǒng)智

17、能電表中華人民共和國制造25智能電網(wǎng)的基本構(gòu)成智能電網(wǎng)的基本構(gòu)成 1.電源：集中型的傳統(tǒng)發(fā)電廠、分散型的可再生能源電力（太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電、小水力發(fā)電、燃料電池等）、蓄電系統(tǒng)（幾億輛電動(dòng)車的蓄電池也將加入此行列）。2.智能化輸配電設(shè)備：能自動(dòng)調(diào)衡電壓波動(dòng)的智能變壓器和自動(dòng)變電站及能自動(dòng)調(diào)衡電力參數(shù)的電力中轉(zhuǎn)站等。3.用電側(cè)智能化設(shè)備：包括智能電表在內(nèi)的家庭能源管理系統(tǒng)（HEMS）或大樓能源管理系統(tǒng)（BEMS）或區(qū)域能源管理系統(tǒng)（AEMS）等。4.適應(yīng)智能電網(wǎng)發(fā)展潮流而出現(xiàn)的、不影響生活質(zhì)量的新型電力自調(diào)衡電冰箱、冷庫、空調(diào)等。5. 使上述4項(xiàng)互相連通的遙測遙控技術(shù)及數(shù)據(jù)傳遞通信

18、系統(tǒng)。26全球全球PV供電系統(tǒng)供電系統(tǒng) 全球PV供電系統(tǒng)是一種理想的光伏電力資源的共享網(wǎng)絡(luò)，利用世界各地的沙漠和缺水的干旱地區(qū)進(jìn)行大規(guī)模太陽能發(fā)電，遠(yuǎn)距離輸電線路全部采用超導(dǎo)電纜，并把各國的國家電網(wǎng)連接起來，形成一個(gè)超級PV供配電系統(tǒng)。就全球而言，這個(gè)PV系統(tǒng)能24小時(shí)處于發(fā)電狀態(tài)，美國白天PV系統(tǒng)的過剩電力可以送往正處于晚間的中國，反之亦然。 27全球全球PV供電系統(tǒng)概念圖供電系統(tǒng)概念圖 28今后的課題：太陽電池今后的課題：太陽電池 太陽電池制造成本的進(jìn)一步下降，太陽電池制造成本的進(jìn)一步下降，2030年交鑰匙工程年交鑰匙工程價(jià)每瓦價(jià)每瓦1.5美金以下。美金以下。 太陽電池效率的大幅提高，太陽電池效率的大幅提高，2030年組件效率達(dá)年組件效率達(dá)25%。 建筑一體化太陽電池（建筑一體化太陽電池（BIPV）組件的深層次研發(fā)）組件的深層次研發(fā) 太陽電池原料問題太陽電池原料問題研發(fā)硅太陽電池專用的高純度硅（研發(fā)硅太陽電池專用的高純度硅（ SOG-Si Solar Grade Silicon）生產(chǎn)技術(shù)）生產(chǎn)技術(shù)29今后的課題：蓄電池今后的課題：蓄電池