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城镇化建设中光伏发电系统的应用

1 为何要利用太阳能发电

城镇化建设会导致大量人员的相对集中,需要消耗大量的能源。目前除餐饮、供暖以外,我国城镇消耗的主要能源几乎全部是电能,但电能在生产制造过程中要消耗煤炭、石油、天然气等传统燃料,会对环境产生一定的污染,同时这些原材料一般都在边远省份,产生的电能需要远距离输送到发达省份。利用太阳能发电有以下优势。

1)大自然提供的能源有限,为子孙后代留下生存发展的资本

2)减少环境污染、保证可持续发展

3)太阳能资源丰富、无污染,是非常理想的绿色能源

4)国家政策支持

5)航天具有丰富应用经验

6)光伏建筑一体化是发展方向

2 如何实现太阳能发电

1)光伏发电概念

人类利用太阳能已有3 000多年的历史,但用于光伏发电系统只有近200多年的历史。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应,将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件,再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。

光伏发电,理论上讲可以用于任何需要电源的场合, 太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池(片),有单晶硅多晶硅非晶硅和薄膜电池等。其中,单晶和多晶电池用量最大,非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。多晶硅电池效率为15%~16%,单晶硅电池的效率为17%~18%。光伏组件由一个或多个太阳能电池片组成。

光伏发电产品主要用于三大方面:一是为无电场提供电源;二是太阳能日用电子产品,如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草地各种灯具等;三是并网发电,这在发达国家已经大面积推广实施。到2009年,中国并网发电还未开始全面推广。

2)系统分类

(1)按布置型式分类

光伏发电系统按布置型式分为集中式电站和分布式电站。

集中电站占地面积和发电容量大,一般为国家级电站,容量在几十MW以上,高压侧并网需要长距离的输电线路,近几年青海、内蒙等地建设的荒漠电站属于集中电站。

分布式电站发电容量小,占地面积小,一般利用建筑物的屋顶、立面等,电站可以和建筑物的变电所低压配电室统一建设,布置灵活;光伏发电低压侧并网基本自发自用,对电网影响小;不需要长距离输电,损耗小。城镇化建设中应以分布式电站为主。

(2)按并网型式分类

光伏发电系统按并网型式分为独立光伏系统和并网光伏系统。

独立光伏发电也叫离网光伏发电。主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成,若为交流负载供电,还需要配置交流逆变器。独立光伏电站一般用于边远地区的村庄供电系统,太阳能户用电源系统,通信信号电源、太阳能路灯等各种带有蓄电池的、可以独立运行的光伏发电系统。

并网光伏发电就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。

并网光伏发电系统可以分为带蓄电池和不带蓄电池两种。带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性,可以根据需要并入或退出电网,还具有备用电源的功能,当电网因故停电时可紧急供电。带有蓄电池的光伏并网发电系统常常安装在居民建筑;不带蓄电池的并网发电系统不具备可调度性和备用电源的功能,一般安装在较大型的系统上。并网光伏发电有集中式大型并网光伏电站,一般都是国家级电站,主要特点是将所发电能直接输送到电网,由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大,还没有太大发展。而分散式小型并网光伏,特别是光伏建筑一体化光伏发电,由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点,是并网光伏发电的主流。

3) 系统组成

太阳能光伏并网发电系统和离网发电系统如图1和图2所示。

图1 太阳能光伏并网发电系统示意图

图2 太阳能光伏离网发电系统示意图

 

光伏发电系统是由光伏组件方阵、蓄电池组、充放电控制器、逆变器、交流配电柜和太阳跟踪控制系统等设备组成。

4)城镇建设光伏发电

由于太阳辐射能的能量密度较小,大部分地区不大于1kW/m2,容量在有限瞬间提供大容量电力的能力很差且供电能力随着光照强度的变化而变化,因此不能用作主电源,一般作为辅助能源使用。城镇公共建设配套工程的光伏发电系统,通常采用非储能的屋顶发电分布式能源系统,光伏容量为变压器安装容量的20%~30%,低压侧并网,基本实现自发自用,不足部分由电网提供,尽量避免反向送电增加电能调度和继电保护困难。居民住宅中,白天虽有充足光照,但人员外出工作,家用电器设备关闭用电量小;晚上虽没有光照,但人员回家用电设备开启反而用电量大,因此光伏发电系统宜采用带储能的并网式光伏发电系统。白天将光伏系统产生的电能储存在蓄电池中,晚上释放出来,虽成本会有所增加,但节能效果非常明显。随着技术的进步,蓄电池的性价比提高,成本将会进一步降低。太阳能建筑将太阳能发电与建筑材料相结合,使得未来的大型建筑实现电力自给,是未来城镇化建设一大发展方向。

5) 光伏发电的特点

与常用的火力发电系统相比,光伏发电的优点主要体现为:

(1)无枯竭危险;

(2)安全可靠、无噪声、无污染排放、绝对干净(无公害);

(3)不受资源分布地域的限制,可利用建筑屋面的优势;

(4)无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电;

(5)建设周期短,获取能源花费的时间短。

缺点主要表现为:

(1)照射的能量分布密度小,即要占用较大面积;

(2)获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关;

(3)发电成本高。

3 经济和社会效益

1) 社会效益

响应国家号召、减少环境污染、保证城镇化建设可持续发展。

2) 经济效益

当安装容量在100kW以上时:

一类地区太阳辐射能4kWh/d·m2,转换效率16%,光伏板发电量640Wh/d·m2,年日照时数2 000h,年发电量234kWh/年·m2。成本:光伏板790元/m2,逆变器250元/m2,人工安装费240元/m2;辅材260元/m2;成本总计1 540元/m2;按每度电0.8元计算,约8.5年可回收成本。

二类地区太阳辐射能3kWh/m2,转换效率16%,光伏板发电量480W/m2,年日照时数2 000h,年发电量176kWh/年·m2。

成本:光伏板790元/m2,逆变器250元/m2,人工安装费240元/m2;辅材260元/m2;成本总计1 540元/m2;按每度电0.8元计算,约11年可回收成本。

三类地区太阳辐射能2.5kWh/m2,转换效率16%,光伏板发电量400W/m2,年日照时数2 000h,年发电量146kWh/年·m2。

成本:光伏板790元/m2,逆变器250元/m2,人工安装费240元/m2;辅材260元/m2;成本总计1 540元 m2;按每度电0.8元计算,约13年可回收成本。

北京实际地区测量得到数据:单晶硅光伏系统发电量约为1.3 kWh/年·W,成本12元/W。按每度电0.85元计算,成本回收期约为11年。

本文来源:《智能建筑电气技术》杂志,作者:中国航天建设集团有限公司 王 勇 阮 洁 转载请注明来源

作者:王 勇 阮 洁 来源: 点击数: 发布时间:2016年01月14日
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