分布式光伏系统应用研究

来源 :安家(建筑与工程)上旬刊 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hou_sen
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  摘要:本文旨在经多篇分布式光伏能源系统方面研究文献的综合研究后对该系统在建筑中的应用进行简单分析,对以往已解决的问题和尚存的问题进行叙述和总结;同时对其中的重点核心问题以及对当前发展的影响和趋势简要阐述。在总结前辈经验及思想的基础下,对分布式光伏系统进行了包含技术方面和市场经济方面的客观评价,以期对分布式光伏发电技术的发展提供支持与参考。
  关键词:分布式光伏系统、太阳能、建筑能源
  中图分类号:G4 文献标识码:A 文章编号:(2021)-9-035
  一、光伏系统简介
  我国疆域辽阔,且多数地区处于中低纬度,太阳辐射水平较高,具有丰富的太阳资源,很适合进行开发利用。光伏发电是太阳能有效利用的方式之一,不受地理位置的限制,而且光伏电池能与建筑物紧密结合,不占用额外的土地资源,不仅节约了土地资源,还提高了土地资源的利用率。
  当前社会时期,我国光伏系统按应用方式可分为:独立光伏系统、集中式光伏系统和混合系统三大类别。
  独立系统,也称离网式发电系统,即不和公共电网连接,独立发电,是一种独立运行的发电系统。因此该系统在应用时,多设置于公共电网覆盖之外的地区,例如:荒野地区、偏远山区等。同时最近几年以来其应用领域也逐渐扩大,并将成为太阳能发电系统的一个主要研究领域[1]。除此之外,独立光伏系统具有全时段发电的特点,贴合普通居民或工作人员对用电的实际需求,虽然在其作用过程中,气候和天气等因素会极大影响到其效率和稳定性,但即使如此,独立光伏系统对偏远地区的日常生活或工作仍发挥着不可忽视的作用。独立光伏系统能够直接使用矩阵内板吸收太阳光转化电能,不需要使用其他系统进行二次转化,所以具有更高效、经济的优势,减少能耗,实现可持续发展。
  集中式光伏系统,最常见于光伏电站的系统形式,运行时与公共电网相连,并通过该方法对太阳能进行转化,使电能运输至电力系统中。转化时,由于并网光伏系统大多具有较高的电能容量,进而其可以实现将电能转化并进行储藏的功能。在常用的太阳能发电系统中,需在系统之外设置储存装置储蓄电能,实行该系统的的过程也较为简单经济,常用于太阳能发电站或一般用电负荷设施中。当用于太阳能电站时,由于其规模较大,通常需安装“无功补偿”设备,以期减少其带给公共电网的负面影响,进而才能实现系统的稳定长期运行[2]。同时由于太阳能发电具有一定不可预测性,光伏发电站的电能供应的可靠性受到一定程度的影响,因此光伏电站的发电质量和安全可靠性也正面临不小的挑战。不过近期光伏发电方面的研究发现,将光伏发电和风力发电等设施有机结合,能够某种程度上解决现存的问题。此外,并网系统需要与公共电网共同承担供电任务,进而难以在偏远的地区应用,只能应用于公共电网覆盖地区,以满足人们的用电需求。
  混合系统则是独立与集中式结合的系统,即分布式光伏系统或家庭光伏发电系统。一般来说,和地面光伏电站比较,家庭光伏发电系统有很多优点,它不但十分的灵活以及智能,而且,它们对电网的依赖非常小,除此之外,它们所需的占地面积非常小,因此,日后光伏系统很可能向这方面发展。其优点如下:由于家庭使用的光伏系统多安装在屋顶,其太阳能板具有一定隔热效果,可以减少夏季空调的负荷,达到节能减排效果。光伏每发1度光伏电,相当于减少燃烧 0.4KG标准煤,减少碳排放近 1KG,减少粉尘 0.27KG,对于改善我们的生活环境不可小觑[3]。其次,光伏系统发电效率高峰出现在夏季,而全国出现电力紧张的也是多发生于夏季,从全国用电的角度思考,光伏系统能很好的补充夏季的电力缺口。同时光伏发电是在白天进行,而社会经营活动的用电主要是发生在白天,光伏发电与用电事件及需求刚好匹配。第三,光伏发电有很多种形式,基本上和建筑物有机结合在一起,不占用宝贵的土地资源,就地发电就地并网消耗,是目前国家积极倡导的分布式能源应用的典型方式。
  总的来说,家庭光伏发电系统的优势在于其环保效益高,减少了化石能源消耗的同时又能够给用户提供安全可靠的电能。特别是在乡村和电网建设薄弱的边远地区,每年停电时间很多,家庭光伏发电系统就解决了当地供电质量的问题。接下来本文讨论的重点也将立足于分布式光伏发电系统。
  二、分布式光伏系统的研究现状
  本国光伏发电在 2013 年共有 12WG 属于新增装机容量,同比提升 232%。对比欧洲该年的新增容量来看,约为欧洲当年的综合。这也表明,中国开始超过德国,在光伏发电方面占据全球最大市场。结合数据来看,2013 年,中国的用电总量高达 5.31 万亿千瓦时,同比增长 7.5%[4]。通过对比两年第一季度的用电状况,基于当前本国产业特点、用电需求量,相关机构预测,对比 2013年而言,2014 年本国的用电量将增加 6.5%。结合相关报告的数据来看,本国用电量处于快速增长之中,且存在更大的用电缺口。这也表明,光伏发电将获得更好的发展。结合研究机构预测,在日后的 5 到 10 年时间里,对比前一年度而言,每年本国在光伏发电方面的新增容量将超过 50%。
  市场前景良好的同时,学术研究领域也未落后。如有学者从视觉和评价标准入手,研究了现代建筑设计手法在建筑的光伏立面设计中应用[4];或以设计师的角度,兼顾技术,对建筑光伏一体化进行了研究[5];或从建筑师的角度,总结了建筑光伏一体化的发展阻力和潜力;对于特定地区的建筑光伏一体化研究,主要集中在功能上(采光、通风、隔热、遮阳等方面)满足特定地区的气候特征,如针对湿热地区气候特征,提出了非封闭遮阳散热表皮形式的光伏一体化设计策略,并通过计算机模拟,分析了该一体化形式对建筑遮阳、室内自然采光及光伏发电的影响[6];系统优化设计研究方面较多,整体上有针对不同的光伏系统,结合工程实践案例提出设计优化方法,包括组件倾角、设备选型、联接方式等方面进行优化设计和组合;如有人提出一種离网型光伏发电系统的最佳化设计方法,即利用倾斜面太阳辐射量计算公式及连续阴天数优化光伏方阵和蓄电池容量的组合[7];细节方面,有对光伏组件物理及化学属性进行研究,包括组件热性能、阴影遮挡影响、光电转化效率等方面,通过调查研究发现,采用通风设计的光伏方阵组件背面温度上升程度与普通支架布置的光伏方阵基本相同[8];总结了不同合同能源管理模式下的投资分布式光伏发电发电项目的收益与风险,通过对内部收益的敏感性分析,发现太阳辐射量和电价对投资收益影响较大,认为应通过优先考虑组件安装和尽量就地消纳光伏电量的方式增加项目的收益。结合具体实例分析,认为光伏建筑一体化的普及有赖于系统成本的降低和政策支持[9];通过建立光伏发电成本的计算模型,分析了系统成本、日照条件、贷款利率及运行维护费用等因素对光伏成本电价的影响,并认为当采用 1 元/KWH 的上网电价,西北地区分布式光伏电站的动态投资回收期为 10 年[10]。 环境效益方面的研究主要针对光伏系统的能量偿还时间、CO2的减排潜力和环境成本等方面;采用 CO2减排潜力作为光伏发电系统减少二氧化碳排放量的评价指标,通过计算发现我国 26 各主要城市并网型光伏发电系统的 CO2减排潜力在 8.92~39.20 吨/KW[11];将能量偿还时间作为光伏发电系统环境效益的评价指标,通过计算发现我国 28 个主要城市并网光伏发电系统的能量偿还时间在 1.57 年~6.92 年之间[12]。   国外更是很久以前便开始相关研究。且国外学者中,较少研究光伏一体化系统与传统建筑的结合,研究和实践基本都是针对现代建筑的光伏一体化设计、系统的效率的影响因素、经济效益和环境效益展开的。如认为通过 E-BIM 技术可实现建筑师师与电气工程师在 BIPV设计上的无缝对接,相比于普通的 BIPV 设计,该技术可使光伏成本降低 11.7%,传输损耗降低 2.95%[13];有学者认为一体化构件的工厂预制可有效拓宽 BIPV 的应用领域,并使光伏系统与建筑在美学、形式和效率方面达到高度的整合;通过分析了系统因素和环境因素对光伏组件性能的影响,认为在实际应用中应当重点考虑组件安装、电缆、倾角及最大功率点跟踪方式的影响,计算投资回收期时应考虑系统和电缆成本[14]。
  然而分布式光伏系统也存在不少问题。
  市场行业方面,行业标准及规范的发布跟不上市场步伐,致使行业内鱼龙混杂。而在众企业分销商的模式之下,分布式光伏在走入千家萬户的过程中出现了质量、安全、运维、低效等问题。更有甚者,有部分投机者趁着广大人们群众对光伏发电的尚不了解,开始以光伏发电为名非法集资。这些问题的存在已经严重阻碍了行业的发展。与此同时,由于西北地区地面电站出现大规模“弃光限电”的前车之鉴,为了规避这类问题的发生,分布式光伏也需要根据当地的电网建设水平与实际情况进行规划发展。近期,为规范及引导分布式光伏的规范发展,相关部门连续发布《分布式光伏发电项目管理办法》(征求意见稿)及《分布式光伏发电项目管理办法》(征求意见稿)。该两项政策的发布确定了严禁先建先得、将分布式光伏纳入规模管理等重大改变。
  技术研究方面,也存在着诸多不足。如光伏组件与建筑整合程度较低,一方面,建筑方案与光伏系统分别由建筑师和光伏厂家进行设计,由于两者间缺少衔接,光伏组件的美学表达达不到建筑审美要求;另一方面,光伏系统发电效率组件的倾角及朝向有关,而建筑外表面的朝向及倾角是固定的,如何正确处理两者的矛盾光伏技术与建筑整合须考虑的重点。建筑光伏一体化应用领域较局限,一体化组件主要与现代形式的建筑平整的外表面相整合,如光伏幕墙、光伏坡屋面、光伏雨棚、光伏阳台等;而较少与传统建筑整合。虽然传统建筑能为一体化组件安装提供大面积屋面和墙面,具有与光伏系统相结合的潜力;但由于建筑形式复杂多样,传统建筑外表面的太阳辐射分布及阴影遮挡要比平整表面复杂,市场上常用的单晶硅、多晶硅一体化组件由于弱光发电性能差,已不适用于传统建筑表面。而且虽然光伏组件成本不断降低,但新形式、新材料的建筑一体化光伏组件由于生产工艺尚未普及,其成本仍然较高。同时国家对于分布式光伏系统的政策补贴标准也在不断下调,从 2009 年的按系统安装机容量 20 元/W的补贴额度下调至 2018 年按系统发电量 0.37 元/W[15]标准,并且在未来仍有继续下调的趋势。因此,提高建筑光伏一体化系统的运行效率以减少政策补贴下降的影响越来越重要。另外城镇建筑光伏一体化应用中,设计时往往忽略周边建筑及构件遮挡影响,盲目的选用发电效率高但弱光发电性能差的晶体硅组件,导致系统实际运行效率很低,建筑光伏一体化的经济效益往往要明显低于普通光伏电站。
  三、分布式光伏系统总体评价
  分布式光伏主要安装在建筑屋顶、直接接入低压配电网,具有靠近用户侧、就地消纳、降低输送成本的优势。与传统发电、水电等新能源发电形式相比,家庭光伏发电系统规模小,分布范围大,影响效果大。此外,通过光伏发电技术产生的是电能对环境的污染近乎于无,降低了对环境的破坏,达到可持续发展的目的。而且光伏发电的装置虽然成本较高,但可使用时间长,材料占地面积小,简单安装在屋顶即可使用,不必另外开辟场地安置,一般住户即能在住所附近安装。同时,普通居民安装在屋顶或墙壁上的太阳能光伏发电装置在一定程度上吸收了光能,避免阳光直接照射建筑物,也减少了建筑物对光能的吸收,在夏季也可以降低室内温度,起到一举两得的目的。最后,太阳能转化随时产生随时使用,这点在普通居民使用中尤其明显,只要有光照,就能产生电能,这就减少了电能从发电厂输送到用户家中的过程产生的浪费,减少远距离输送电能在一定程度上也减少了电线的使用,节省了能源。
  此外,在调节市场经济方面,光伏发电系统的建设为当地人民提供了大量的就业机会,就业率有大幅度提升,这样一来又促进了该地区经济条件的发展。中国太阳辐射含量最丰富的地区是西部,当地经济等方面较落后。光伏发电系统的大规模投资和政府政策补贴光伏发电系统将促进其他行业的发展,对于这些地区的经济发展有极大的鼓舞推进作用,在某种范围内上消除贫穷落后现象,减少东部和西部地区之间的经济差距。光伏产业的繁荣发展改善了西部和其他地区的枢纽,让交通更加顺畅,改善了电网设备和建设,形成了区域发展的良性循环。家庭光伏发电系统的建设无论是对国家或对个人都有非常重要的意义。
  但同时,其存在的问题也不容忽视。首先是随着市场的扩大,行业的监管与规范有待提高。市场的不确定性会引起业主及投资方的不信任,进而导致行业发展滞缓,因此国家相关政策的出台有利于提高国民对分布式光伏发电的信任感和支持度,进而有利于促进分布式光伏发电在国内的大范围发展。其次要提升光伏设备与传统建筑接和度,如普通建筑的设备由于只能设置在楼顶,因此要格外注意磨损和防雷;此外,由于光伏设备的逐渐普及,国内政策对于光伏系统的补贴也随之下降,此时其效率便愈发重要,则更需要新型设备为提升其效率以便推广,如新式自适应开关交错升压转化器的应用[16];同时设计时要考虑到一体化建筑群间的互相影响因素,光伏发电设备要具有一定纵深才能高效吸收光能,避免建筑物大量光照,在居民建筑物中要考虑顶层住户和中间层住户的区别,在设计时注重楼顶和楼体表面设备的安装。
  当下我国部分建筑物楼顶已经安装了简易的太阳能光伏发电设备,普通型建筑的推广初见成效,但由于受到成本较高、知名度较低的限制,光伏发电设备的大范围推广还需要研究者们花费大量时间和努力,能源问题和环保问题已经是全球都在关注的问题,环保节能的建筑物应该在未来得到推广。   参考文献
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  宁波工程学院 浙江 宁波 315000
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