关于太阳能光伏发电系统推广应用的浅见

 引言

中国是单晶硅光伏电池生产的大国，但遗憾的是，这些电池板98%销往欧美，只有2%用于中国的节能工程。据统计全世界能源消耗总量中40%是建筑(公用和住宅)能源消耗，其中住宅能源消耗又占2/3。因而，利用太阳能光伏玻璃或光伏板为小区域或建筑提供电能的技术是光伏发电应用的突破口。

1 光伏发电推广存在的问题

国内很多大学、研究机构及企业在推广应用太阳能光伏发电系统中作了很多工作，其中珠海市兴业太阳能公司做出了榜样。公司采用了国际上先进的非晶硅技术，将含硅(Si)的气体镀在建筑玻璃上，由于加工方便(可大批量生产)，用硅量少，成本低，因而只有单晶硅光伏电池的60%。又由于它与建筑物合为一体，发电总量大。这种光伏玻璃在微弱光下也能发电，即使在没有太阳的阴雨天也照样可以发电。

为推广该技术，珠海兴业公司带头使用光伏玻璃。公司顶层有一个长廓，原安装的是普通玻璃，在夏天员工都怕从这里经过。但自从装了光伏玻璃后，就阴凉清爽了。在走廓尽头安装的电表显示，太阳能发电功率为580 W，日发电9.6 kW·h，至今累计发电2 300 kW·h。从环保的角度计算其社会效益为：节省燃油600 L，减排CO2 1 300 g，真可谓一举两得。青岛火车站的屋顶有4 000 m2，装上非晶硅透光玻璃顶后，不仅发电量相当于一台200 kW的发电机，还可隔热，既节能，又有利于站内的环境舒适度。

据悉日本、法国都有全太阳能建筑小区，小区中每栋住房(或别墅)都用太阳能发电，甚至在主人外出休假期间，发出的电还可反送给大电网，不仅不赔本还可挣钱。

既然太阳能发电有如此诱人的前景，又符合环保节能的国策，那么为何在中国大地推广不开呢?看来，符合不符合“国情”是个难以逾越的瓶颈，正所谓：国情大于国策。根据资料，有如下的因素制约着光伏发电在国内的推广应用。

1)蓄电池技术尚有差距，使得从太阳能转换的电能难于稳定地储存和传输。

2)供电部门不愿接受光伏电上网。国外，应用光伏的家庭都装有两个电表，一个是“正潮流”供电电表，供电部门收费;另一个是“反潮流”馈电电表，用来计算用户向电网反馈的电量，供电部门以此来给用户付费。据说，香港、台湾地区此问题也未得到满意解决。

3)建筑开发商对太阳能热水泵尚感兴趣，但对光伏发电不感兴趣。因为发电成本高，比现在的火力发电每kW·h多2 元。另外，光伏发电初期投资太大，一栋6 000 m2的酒店若全部装上光伏玻璃，仅靠太阳能提供电力和热水至少得投资3000万元。(下面举例的家庭每户2.5 kW(单晶硅)光伏发电需20多万元。)

所以，推广太阳能光伏发电，需要政府分担成本，以鼓励大家采用绿色能源。例如，日本规定居民购置一套光伏发电，凭发票可在环保部门报销其费用的1/2。

2 民用型绿色电源———太阳能数码设备移动充电器

这是国内继20 世纪80 年代初期在照明、手机充电器、计算器、手表等小容量太阳能光伏电源应用后，又一次新的突破。其意义在于表明太阳能电源的应用已进入民用和千家万户，其影响力不可低估。

该产品由某公司研发，2006 年正式向全国推出，其外形如图1 所示。“动力舱”S1800 的技术参数如表1所列。

爱国者“动力舱”移动电源是由太阳能电池板、蓄电池、数码装备转换器等组成，可以为手机、MP3、MP4、数码相机等各种数码产品提供充电服

务。“动力舱”可以将太阳能、白炽灯光能和200 V交流电能存储到1 800 mA 的蓄电池里，在用户的数码设备需要充电的时候随时提供能源供应，既体现了绿色能源的思想，又保障了数码设备在任何时候无后顾之忧。

“动力舱”采用特有的智能调压专利技术，可以在一定的电压范围内自动调节充电电压，而这块1 800 mA 的蓄电池相当于两块800 mA 的手机电池，而且能在3 h内将手机电池充满。

3 深圳国际园林花卉博览园1 MW 并网太阳能光伏电站简介

3.1 项目来源

2004 年8 月，由深圳市政府投资，中科院北京科诺伟业公司承建的1 MW太阳能光伏电站在深圳国际园林花卉博览园内建成发电。

3.2 项目情况和技术规格

该电站采用与市电直接并网的运行方式，是目前亚洲最大的并网太阳能光伏电站。该电站容量1 000.322 kW(峰值)，光伏组件总面积7 660 m2，年发电能力约为100万kW·h，相当于每年可节省标准煤约384 t，年减排CO2 约170 t，减排SO2 约7.68 t。与常规能源发电比较，并网光伏发电系统的运行和维护费用很低，节约了运营成本。

并网运行方式，要求逆变器具有同电网连接的功能。并网型光伏发电系统的优点是可以省去蓄电池，而将电网作为自己的储能单元，具有更高的发电效率和更好的环保性能。

3.3 系统主要部件及系统构成

1 MW 并网太阳能电站的主要部件包括太阳能电池板(光伏组件)和并网逆变器。

系统采用了三种型号的太阳能电池，分别为BP 太阳能公司生产的单晶硅光伏组件BP4170S(功率为170 W)、多晶硅光伏组件BP3160S(功率为160 W)以及日本京瓷公司生产的多晶硅光伏组件KC167G(功率为167 W)。BP太阳能和日本京瓷公司均为世界上太阳能电池板产量前五位的大公司。

所采用的并网逆变器也分为三种型号：

SC125LV(额定功率为125 kW)、SC90(额定功率为90 kW)以及SB2500(额定功率为2.5 kW)。其中，SC125LV、SC90 为集中型逆变器(Central In原verter)，SB2500为串式逆变器(String Inverter)。上述三种型号的并网逆变器均由德国的SMA 公司生产，其在欧洲的并网逆变器市场占有率为80%以上。

3.4 技术的先进性

1)与建筑物结合好该电站利用螺栓和型钢把光伏组件固定在建筑屋面上，对屋面起到了良好的隔热效果，其设计按50 年一遇的台风考虑，符合国家有关的技术政策和标准规范。

2)优质的电能输出SMA公司所生产的集中型和串式逆变器均配置有高性能滤波电路，使得逆变器交流输出的电能质量很高，不会对电网质量造成污染。在输出功率逸50%额定功率、电网波动<5%的情况下，SC125LV和SC90 逆变器的交流输出电流总谐波分量(THD)<3%，SB2500 逆变器的交流输出电流总谐波分量(THD)<4%。

SC125LV、SC90 和SB2500 逆变器均为并网型逆变器，在运行过程中，需要实时采集交流电网的电压信号，通过闭环控制，使得逆变器的交流输出电流与电网电压的相位保持一致，所以功率因数保持在1.0 附近。

3)“孤岛效应”防护手段“孤岛效应”指在电网失电情况下，发电设备仍作为孤立电源对负载供电。“孤岛效应”对设备和人员的安全存在重大隐患。SC125LV、SC90 和SB2500 逆变器均采用被动式和主动式两种“孤岛效应”检测方法。被动式检测方法指实时检测电网电压的幅值、频率和相位，当电网失电时，会在电网电压的幅值、频率和相位参数上产生跳变信号，通过检测跳变信号来判断电网是否失电;主动式检测方法指对电网参数产生小干扰信号，通过检测反馈信号来判断电网是否失电。

在并网逆变器检测到电网失电后，会立即停止工作。当电网恢复供电时，并网逆变器并不会立即投入运行，而是需要持续检测电网信号在一段时间(如90 s)内完全正常，才重新投入运行。

4 20 kW光伏屋顶并网发电系统简介

4.1 项目来源

北京自动化技术研究院与合肥工业大学能源所、北京计科技术有限公司共同承担了科技部“十五”科技攻关项目“光伏屋顶并网发电系统”中关键技术“双向并网逆变器”的研究。该项目于2002年6 月启动，2003 年2 月开始工程施工。2003 年4 月15 日整个系统试运行，2003 年9 月通过北京供电局并网质量检测，2004 年1 月2 日通过科技部主持的项目验收。

系统建造在北京核心区内，位于北京中轴线鼓楼西300 m处，对于宣传太阳能并网发电技术以及进行太阳能知识普及具有良好的效果。

整个系统至2004年12 月30 日止全自动、无故障运行达20个月，累计发电量达33 958 kW·h。

4.2 项目概况和技术规格

该光伏屋顶并网发电系统是通过太阳能电池阵列将太阳光能直接转换成700 V级直流电，通过并网逆变器装置将直流电调整成与电网电压、波形、幅度、相位角完全同步的三相交流电，并将能量输入城市电网。

该系统主要由太阳能电池阵列、逆变器、计算机监控等三部分组成，具有安全可靠、无噪声、无污染、无需消耗燃料、无需架输电线路、无需蓄电池、建设周期短、无人值守、全自动运行等特点。主要技术指标：额定容量30 kW;最大匹配太阳能电池阵列功率20 kW(峰值);适配电网三相380 V/50 Hz;并网电流波形为正弦波;正弦电流畸变率臆3%;整机效率逸90%;具有过热、过载、短路、过压、欠压等常规保护;具有电网断电识别功能(即防“孤岛效应”功能);具有阵列最大功率点跟踪控制功能(MPPT);全天自动识别日照变化，自启动和停止;具有键盘操作和系统运行参数的状态显示监控功能;具有远程通信接口。19.8 kW(峰值)太阳能电池板由上海国飞公司生产，系统完全国产化，具有完整的自主知识产权。

4.3 对太阳能光伏发电事业的贡献

在20 kW(峰值)太阳能光伏并网系统的现场运行试验中，根据运行中发现的问题，对并网逆变器的软硬件进行了改进设计。其30 kW的并网逆变器已通过小批量生产的定型，形成商品供货能力。5 kW 小功率并网逆变器已完成并网运行试验，于2005 年一季度完成小批量生产的定型工作。

5 2.5kW住户用光伏发电系统(BIPV)简介

5.1 项目来源

深圳市能联电子有限公司建设的住户用太阳能系统在光伏系统与太阳能热水系统结合方面做出大胆的探索，建成了包括2.5 kW的BIPV并网发电住户用光伏系统和8 m2的太阳能热水器综合利用的太阳能住户用系统。

该太阳能住户用系统分为光伏系统和光热系统两个部分，安装于深圳市区一栋20 层高的住宅楼的楼顶。

2.5 kW的BIPV并网发电光伏系统产生的电能通过双向逆变器满足用户部分家电用电需求。

当太阳能发电量大于等于即时的负载需求时，可直接由太阳能供给负载的电能需求，并且可以将多余的电能返给电网;当太阳能不足以满足负载需求时，由市电供给负载的需求，并可以同时给蓄电池充电。当市电故障时，可以由蓄电池给家电负载供电。

5.2 系统主要部件和构成

1)太阳能电池组件安装在屋顶的斜面上，朝向正南方，倾斜角度为20毅。采用的是多晶硅太阳能电池，组件呈现深蓝色，与屋顶上所铺设的蓝色瓦片颜色协调一致。

组件采用8 串联伊4并联的连接方式，该光伏阵列的工作参数为：峰值功率2 560 W，最大工作电压140.8 V，最大工作电流18.20 A，开路电压168.00 V，短路电流19.20 A。

2)蓄电池本系统中使用的是由深圳华达电源有限公司提供的GMF-200 型深放电阀控吸液式密封铅酸蓄电池，使用期间无酸雾和气体逸出，不会对用户家庭造成污染，降低了维护成本，共采用该蓄电池单体54只，组成200 Ah/10 V电池系统。

3)逆变器该住户用光伏并网系统的核心设备为AES公司生产的单相SMD逆变器系统，该系统为并网逆变器，输出波形为正弦波。它内含一个双向逆变器和三个性能优良的微处理器，可以为本地负载提供合格的电源并可以作为一个在线的UPS(不间断电源)工作。它的工作方式如下。

(1)将市电和太阳能电源并行工作，对于本地负载而言，如果光伏组件产生的电能超过即时负载的需求，还能将多余的电能返回到电网。

(2)如果光伏组件产生的电能不够用，则将自动启用市电，使用市电供给本地负载的需求。当本地负载的功率消耗小于SMD 逆变器的额定市电容量的60%时，市电就会自动给蓄电池充电，保证蓄电池长期处于浮充状态。

(3)如果市电产生故障，即市电停电或者电压超出了176~245 V或者频率超出了48~52 Hz 的范围，系统就会自动断开市电，转成独立工作模式，由蓄电池和逆变器提供负载所需的交流电能。

一旦市电恢复正常，即电压和频率都恢复到正常状态，系统就会断开蓄电池，改为并网模式工作，由市电电网供电。SMD双向逆变器技术性能参数如表2 所列。

(4)节电效果明显。目前整个电站系统运行良好，截止到2005 年2 月23 日，累计已正常运行发电133 天，发电量376 959 kW·h。

5.3 系统负载

该住户用太阳能系统主要是供给一住宅的部分家用电器的用电。由光伏发电系统供电的负载清单如表3 所列。根据负载的实际工作情况估算出每个负载平均每天的耗电量为7.55 kW。

这些负载不可能同时工作。考虑到家庭用电的实际情况，我们确定这些负载的同时工作系数为0.3，则实际负载功率=10.3伊0.3=3.09 kW<5kW

5.4 独立系统(离网)和并网系统初投资成本比较

1)并网系统初期投资成本如表4 所列。

2)在考虑到相同的负载缺电率的情况下，为了满足年平均每天7.55 kW·h 的用电量需要以及5天的自给，安装3.6 kW的独立光伏系统(离网)才能满足实际需要。该独立系统的设计和各项成本如表5所列。

这样，该独立光伏系统的初始投资为22.64万元，而本系统的初始投资为16.662 万元。为了满足同样负载需求，本系统的初始投资仅为独立系统初始投资的73.6%。

6 结语

太阳能光伏发电系统是优秀的绿色能源，是21 世纪能源发展的方向。本文介绍了几个光伏发电系统的应用典型，以供同行参考。同时也分析了国内推广这一产业时存在的问题，希望引起政府相关决策部门的重视。