光伏發電在新能源可持續發展中的應用

侯佳琪

（國網沈陽供電公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

在社會經濟高速發展的背景下，經濟發展需要大量的能源供應來支撐生產和生活的各個方面，導致人們對電力能源的需求不斷增加。然而，傳統的能源消耗主要依賴于化石資源，而這種依賴帶來了許多問題。首先，化石資源的消耗導致了環境污染問題，化石燃料的燃燒會釋放出大量的二氧化碳等溫室氣體，加劇了全球氣候變化和大氣污染的問題，對生態系統和人類健康造成了嚴重的影響。其次，化石資源的有限性也帶來了能源短缺的風險，隨著全球人口增加和經濟發展的加速，對能源的需求不斷增長，而化石資源的供應卻面臨枯竭的局面。為了應對這些挑戰，綠色發展和環保成為當代社會的重要議題，低碳發展和新能源的推廣成為可持續發展戰略的核心，太陽能是一種備受關注的新興能源形式。推動光伏發電產業的轉型發展對于實現可持續發展目標至關重要，光伏發電不僅可以減少對化石資源的依賴，降低能源短缺的風險，還可以創造經濟、社會和生態效益。光伏發電產業的發展將帶動相關產業鏈的壯大，促進就業機會的增加，并推動經濟結構的優化升級。同時，通過減少化石燃料的使用，光伏發電有助于改善環境質量，減少大氣污染，保護生態系統。

1 光伏發電的概念和特點

1.1 光伏發電的概念

光伏發電作為一種新型發電方式，具有減少能源損耗和環境污染的潛力，分布式光伏發電系統是廣泛應用的形式，能夠滿足當地發電和并網需求，并改善光伏發電并網問題[1]。然而，光伏發電項目需要公共電網的支持，以確保電能質量和供電可靠性，從而實現光伏發電的可持續發展。

1.2 光伏發電的特點

1.2.1 輸出功率小

分布式光伏發電系統通常由多個小型光伏發電裝置組成，每個裝置的輸出功率較小[2]。這種模塊化特點使得光伏發電系統能夠根據具體情況靈活調整光伏發電規模。相比之下，集中式光伏發電系統通常由少數大型光伏電站組成，每個電站的輸出功率較大。

1.2.2 環境污染小

光伏發電是一種清潔能源，不像傳統能源發電方式那樣產生大量的污染物和溫室氣體排放[3]。光伏發電不會產生氣體排放，減少了對大氣和水資源的污染。這使得光伏發電系統在環境保護方面具有重要的優勢。

1.2.3 可以緩解用電緊張

光伏發電系統能夠利用太陽能將其轉化為電能，特別是在白天光照充足的時候，能夠提供較大的電能量[4]。這有助于緩解用電緊張的問題，尤其是在電力需求高峰期時，光伏發電系統可以為電網注入更多的清潔能源電力。

1.2.4 發電用電并存

分布式光伏發電系統通常與配電網連接，實現發電和用電的并存。這意味著分布式光伏發電系統可以直接為周圍的用電設施供電，減少了輸電損耗。而集中式光伏發電系統則需要將電能升壓接入輸電網，充當電站的角色。

2 光伏并網發電系統組成

光伏并網發電系統是一種利用太陽能轉化為電能并將其接入電網的系統。它由多個關鍵組件組成，包括繼電保護裝置、光伏列陣、逆變器、儲能裝置和最大功率點跟蹤裝置[5]。這些組件的協同工作使得系統能夠高效地從太陽能中提取能量并穩定地向電網輸送電能。

光伏列陣是光伏系統的核心部件，它由多個光伏電池組成，這些光伏電池能夠將太陽能轉化為直流電能。然而，光伏電池的輸出功率受到非線性特征的影響，因此需要最大功率點跟蹤裝置來確保系統以最大的效率工作。最大功率點跟蹤裝置監測光伏列陣的輸出電壓和電流，并調整工作點以使得系統輸出功率最大化。為了提高光伏并網發電系統的可控性和穩定性，儲能裝置被引入其中，儲能裝置可以將電能進行儲存和釋放，以滿足電網需求或者在光照不足時提供持續的電能輸出[6]。此外，儲能裝置還可以用于調節系統的功率波動，提高系統對外界溫度和光照等因素的適應能力。逆變器是另一個重要的組件，它連接光伏系統和電網。逆變器的主要功能是將直流電能轉化為交流電能，使得系統的電能輸出能夠符合電網的要求。逆變器還能夠監測系統的運行狀態，并根據需要進行調節和保護。光伏并網發電系統的運行成本是一個重要的考慮因素。通過合理控制系統的運行模式和電能輸出，可以降低運行成本并提高太陽能的利用率。此外，系統的穩定性和可控性也是確保系統能夠與電網并網并保持一致的關鍵要素。

3 中國光伏能源的市場分析

在過去，中國的光伏發電主要應用于一些無電地區的離網工程，為當地提供可靠的電力供應。此外，太陽能光伏電池還廣泛應用于家庭供電系統，為家庭提供綠色、可再生的電力。高原地區的通信、氣象和鐵路設施也采用了太陽能光伏電池技術，確保了這些關鍵基礎設施的正常運行。此外，太陽能路燈項目在城市和農村地區廣泛推廣，提供了可持續、節能的照明解決方案。中國國家電力發展建設規劃在推動光伏能源發展方面發揮了重要作用，該規劃推動了一系列項目的實施，如無電縣建設、光明工程、阿里光電計劃、農村輸變電工程和無電地區電力建設等。這些項目的實施為中國光伏能源市場帶來了新的機遇和發展動力。

在“九五”至“十二五”期間，中國進行了一系列城市項目和大型沙漠項目，推動了太陽能光伏電池的并網發電。這些項目的實施促進了光伏能源的規?；瘧煤推占?，為中國的清潔能源轉型做出了重要貢獻。2009 年起，中國啟動了大范圍的光電建設，推動了全國金太陽示范工程和敦煌大漠光伏電站等重大項目的發展。這些項目不僅推動了光伏能源技術的創新和進步，也為中國的可再生能源發展樹立了典范。在中國光伏發電市場中，基于用戶側的分布式發電系統與民用建筑的結合占據著重要地位。這種發電方式利用太陽能光伏電池系統為民用建筑提供電力，并將多余的電能并網，使其成為可再生能源的重要供應來源。類似的基于用戶側的分布式發電系統也在德國、日本、美國等國家得到推廣，以更有效地利用光伏發電資源，實現能源的可持續利用。對于光伏電力公司而言，基于用戶側的并網發電方式是一個受歡迎的發展方向。光伏電力公司通過與民用建筑合作，可以更好地推廣和應用光伏發電技術，同時為用戶提供可靠的清潔能源解決方案。

4 光伏發電在新能源可持續發展中的應用策略

4.1 應用保證新能源發電電網穩定運行的控制技術

隨著光伏發電系統的快速發展，將其接入主電網成為一種常見的并網方式，在實施并網之前，需要采取更加徹底的措施來降低系統故障的隱患。這意味著在設計和安裝光伏發電系統時，應注意確保系統的穩定性和可靠性，以避免潛在的故障風險。一旦光伏發電系統成功并網，輸配電網絡的結構會發生變化，傳統的故障檢測方法和排障措施可能會對光伏發電系統的運行產生一定的影響。因此，需要研究和應用更先進的電網保護技術，以確保對光伏發電系統的運行和安全進行有效的監測和保護。這些技術可以及時檢測到電氣設備的故障，并采取相應的措施進行排障，以防止故障蔓延或對整個系統造成嚴重影響。此外，防止孤島效應的發生也是至關重要的。孤島效應指的是當主電網出現故障時，光伏發電系統仍然繼續運行并提供電力，形成一個孤立的電力系統。這可能會對電力設備和電網產生不利影響，甚至對工作人員和設備的安全造成威脅。因此，需要選擇適當的調控策略，確保新能源發電系統能夠穩定運行，并能及時與主電網連接或切斷連接，以避免孤島效應的出現。在解決故障后，確保光伏發電系統能夠順利地繼續以并網方式運行也是十分重要的，這需要進行全面的檢測和測試，確保系統的各個組件和設備正常運行，并與主電網保持良好的協調和同步。

4.2 提升能源系統儲存和調節能力

在建設高比例的可再生能源體系時，一個關鍵要素是確保能源系統具備良好的存儲和調節能力。由于可再生能源的不穩定性和間歇性，能源的存儲和調節能力變得尤為重要，這意味著我們需要能夠儲存多余的能源以便在需要時進行釋放，同時還要能夠平衡供需之間的差異。為了實現雙碳目標，即減少溫室氣體排放并推動可持續發展，需要確保新能源替代傳統石化能源的發展節奏與可再生能源建設相一致。意味著需要在逐步推進可再生能源的同時逐漸減少對傳統能源的依賴，以實現能源結構的轉型。在傳統電力系統方面，傳統電力系統通常以中央化的方式運行，而可再生能源的大規模接入要求電力系統更加靈活，能夠適應分散式發電和多樣化的能源來源。因此，需要進行技術升級和改造，以提高傳統電力系統的響應速度、可靠性和適應性。其中，物理化學儲能技術是實現能源存儲和調節能力的關鍵之一，包括先進儲冷儲熱和先進儲氫等技術，這些技術可以將多余的能源轉化為其他形式進行儲存，以便在需要時釋放能量。例如，儲冷儲熱技術可以將多余的能源用于冷卻或加熱系統，以滿足能源需求，儲氫技術可以將多余的能源轉化為氫氣儲存起來，用于燃料電池發電或其他用途。

4.3 結合風力與光伏發電并網的特點研究新型配電系統方式

輸配電網絡是現代能源系統中至關重要的組成部分。隨著新能源發電系統的快速發展，特別是風力發電和光伏發電的興起，將這些新能源并入傳統輸配電網絡成為一項重要任務。了解風力發電和光伏發電的并網特點是實現有效整合的關鍵。在確定電力與光伏發電系統的優化位置時，需要綜合考慮多個因素，如資源分布、氣候條件和用電負荷等。通過詳盡的分析研究，可以確定最佳的裝機容量和裝機地質，以最大限度地利用可再生能源資源并滿足電力需求。為了實現電力與光伏發電系統的有效控制和管理，需要選擇合適的控制方式和并網方式?？刂品绞桨L力發電機組的槳距角控制、光伏逆變器的功率控制等，以確保發電系統在各種工況下運行穩定。并網方式則涉及與傳統電力系統的連接方式和交互方式，如并聯并網和逐級遞變并網等。另外，選擇合適的接入位置對于電力與光伏發電系統的并網成功至關重要，通過合理安排接入點，可以最小化輸配電網的改造成本并降低電網損耗。同時，還需要對電壓波動和電壓諧波進行影響性分析，以確保并網設計方案的可行性和穩定性。在規劃設計過程中，必須考慮施工地點的環境因素對風力和光伏發電系統的運行狀態的影響。這包括考慮地形地貌、氣候條件、降水量和風速等因素，以評估系統在不同環境條件下的性能和可靠性。此外，還需要評估并網方式對環境的影響效果，以確保系統的環保性。

4.4 提高非化石能源利用比重

為了實現“雙碳”目標，中國需要在2050—2055 年顯著提高非化石能源利用的比重，至少達到70%。為滿足這一目標，每年需要保持2%的漲幅，以確保能源結構的逐步轉型。在非化石能源中，水電和核電的增長受到一定的限制，因此建立以風電和光伏發電為主力的能源結構已成為全球共識。實際上，在2020 年，中國風電和光伏發電新增裝機容量已經達到1.2 億kW，顯示出了中國在這方面的巨大努力和成就。然而，新能源發電也面臨一些挑戰，其中包括隨機性、間歇性和波動性等問題。為了解決這些問題，中國正在進行電網改造，以便更好地適應新能源的消納。此外，儲能技術的發展也將為新能源提供有效的支持，使其能夠更好地滿足能源供應的需求。同時，氫能技術的發展也將為能源轉型提供重要支持，促進能源的清潔利用。為了實現這一目標，中國需要加強核心技術的研發和創新，以推動新能源發電技術的進步。通過持續投資和政策支持，中國可以進一步改善新能源發電的可靠性和穩定性，減少對傳統化石能源的依賴。

5 結語

綜上所述，在新能源可持續發展的大背景下，大力推動光伏發電產業的轉型升級具有重要意義。通過準備時間短、清潔環保、減少污染和能耗等優勢，光伏發電能夠為社會發展帶來更大的效益。為了實現這一目標，我們需要完善相關政策和措施，加強技術研發和創新，擴大光伏發電的規模，以推動清潔能源的發展，邁向可持續發展的未來。