光伏发电在新能源可持续发展中的应用

0引言在社会经济高速发展的背景下，经济发展需要大量的能源供应来支撑生产和生活的各个方面，导致人们对电力能源的需求不断增加。然而，传统的能源消耗主要依赖于化石资源，而这种依赖带来了许多问题。首先，化石资源的消耗导致了环境污染问题，化石燃料的燃烧会释放出大量的二氧化碳等温室气体，加剧了全球气候变化和大气污染的问题，对生态系统和人类健康造成了严重的影响。其次，化石资源的有限性也带来了能源短缺的风险，随着全球人口增加和经济发展的加速，对能源的需求不断增长，而化石资源的供应却面临枯竭的局面。为了应对这些挑战，绿色发展和环保成为当代社会的重要议题，低碳发展和新能源的推广成为可持续发展战略的核心，太阳能是一种备受关注的新兴能源形式。推动光伏发电产业的转型发展对于实现可持续发展目标至关重要，光伏发电不仅可以减少对化石资源的依赖，降低能源短缺的风险，还可以创造经济、社会和生态效益。光伏发电产业的发展将带动相关产业链的壮大，促进就业机会的增加，并推动经济结构的优化升级。同时，通过减少化石燃料的使用，光伏发电有助于改善环境质量，减少大气污染，保护生态系统。1光伏发电的概念和特点1.1光伏发电的概念光伏发电作为一种新型发电方式，具有减少能源损耗和环境污染的潜力，分布式光伏发电系统是广泛应用的形式，能够满足当地发电和并网需求，并改善光伏发电并网问题[1]。然而，光伏发电项目需要公共电网的支持，以确保电能质量和供电可靠性，从而实现光伏发电的可持续发展。1.2光伏发电的特点1.2.1输出功率小分布式光伏发电系统通常由多个小型光伏发电装置组成，每个装置的输出功率较小[2]。这种模块化特点使得光伏发电系统能够根据具体情况灵活调整光伏发电规模。相比之下，集中式光伏发电系统通常由少数大型光伏电站组成，每个电站的输出功率较大。1.2.2环境污染小光伏发电是一种清洁能源，不像传统能源发电方式那样产生大量的污染物和温室气体排放[3]。光伏发电不会产生气体排放，减少了对大气和水资源的污染。这使得光伏发电系统在环境保护方面具有重要的优势。1.2.3可以缓解用电紧张光伏发电系统能够利用太阳能将其转化为电能，特别是在白天光照充足的时候，能够提供较大的电能量[4]。这有助于缓解用电紧张的问题，尤其是在电力需求高峰期时，光伏发电系统可以为电网注入更多的清洁能源电力。1.2.4发电用电并存分布式光伏发电系统通常与配电网连接，实现发电和用电的并存。这意味着分布式光伏发电系统可以直接为周围的用电设施供电，减少了输电损耗。而集中式光伏发电系统则需要将电能升压接入输电网，充当电站的角色。2光伏并网发电系统组成光伏并网发电系统是一种利用太阳能转化为电能并将其接入电网的系统。它由多个关键组件组成，包括继电保护装置、光伏列阵、逆变器、储能装置和最大功率点跟踪装置[5]。这些组件的协同工作使得系统能够高效地从太阳能中提取能量并稳定地向电网输送电能。光伏列阵是光伏系统的核心部件，它由多个光伏电池组成，这些光伏电池能够将太阳能转化为直流电能。然而，光伏电池的输出功率受到非线性特征的影响，因此需要最大功率点跟踪装置来确保系统以最大的效率工作。最大功率点跟踪装置监测光伏列阵的输出电压和电流，并调整工作点以使得系统输出功率最大化。为了提高光伏并网发电系统的可控性和稳定性，储能装置被引入其中，储能装置可以将电能进行储存和释放，以满足电网需求或者在光照不足时提供持续的电能输出[6]。此外，储能装置还可以用于调节系统的功率波动，提高系统对外界温度和光照等因素的适应能力。逆变器是另一个重要的组件，它连接光伏系统和电网。逆变器的主要功能是将直流电能转化为交流电能，使得系统的电能输出能够符合电网的要求。逆变器还能够监测系统的运行状态，并根据需要进行调节和保护。光伏并网发电系统的运行成本是一个重要的考虑因素。通过合理控制系统的运行模式和电能输出，可以降低运行成本并提高太阳能的利用率。此外，系统的稳定性和可控性也是确保系统能够与电网并网并保持一致的关键要素。3中国光伏能源的市场分析在过去，中国的光伏发电主要应用于一些无电地区的离网工程，为当地提供可靠的电力供应。此外，太阳能光伏电池还广泛应用于家庭供电系统，为家庭提供绿色、可再生的电力。高原地区的通信、气象和铁路设施也采用了太阳能光伏电池技术，确保了这些关键基础设施的正常运行。此外，太阳能路灯项目在城市和农村地区广泛推广，提供了可持续、节能的照明解决方案。中国国家电力发展建设规划在推动光伏能源发展方面发挥了重要作用，该规划推动了一系列项目的实施，如无电县建设、光明工程、阿里光电计划、农村输变电工程和无电地区电力建设等。这些项目的实施为中国光伏能源市场带来了新的机遇和发展动力。在“九五”至“十二五”期间，中国进行了一系列城市项目和大型沙漠项目，推动了太阳能光伏电池的并网发电。这些项目的实施促进了光伏能源的规模化应用和普及，为中国的清洁能源转型做出了重要贡献。2009年起，中国启动了大范围的光电建设，推动了全国金太阳示范工程和敦煌大漠光伏电站等重大项目的发展。这些项目不仅推动了光伏能源技术的创新和进步，也为中国的可再生能源发展树立了典范。在中国光伏发电市场中，基于用户侧的分布式发电系统与民用建筑的结合占据着重要地位。这种发电方式利用太阳能光伏电池系统为民用建筑提供电力，并将多余的电能并网，使其成为可再生能源的重要供应来源。类似的基于用户侧的分布式发电系统也在德国、日本、美国等国家得到推广，以更有效地利用光伏发电资源，实现能源的可持续利用。对于光伏电力公司而言，基于用户侧的并网发电方式是一个受欢迎的发展方向。光伏电力公司通过与民用建筑合作，可以更好地推广和应用光伏发电技术，同时为用户提供可靠的清洁能源解决方案。4光伏发电在新能源可持续发展中的应用策略4.1应用保证新能源发电电网稳定运行的控制技术随着光伏发电系统的快速发展，将其接入主电网成为一种常见的并网方式，在实施并网之前，需要采取更加彻底的措施来降低系统故障的隐患。这意味着在设计和安装光伏发电系统时，应注意确保系统的稳定性和可靠性，以避免潜在的故障风险。一旦光伏发电系统成功并网，输配电网络的结构会发生变化，传统的故障检测方法和排障措施可能会对光伏发电系统的运行产生一定的影响。因此，需要研究和应用更先进的电网保护技术，以确保对光伏发电系统的运行和安全进行有效的监测和保护。这些技术可以及时检测到电气设备的故障，并采取相应的措施进行排障，以防止故障蔓延或对整个系统造成严重影响。此外，防止孤岛效应的发生也是至关重要的。孤岛效应指的是当主电网出现故障时，光伏发电系统仍然继续运行并提供电力，形成一个孤立的电力系统。这可能会对电力设备和电网产生不利影响，甚至对工作人员和设备的安全造成威胁。因此，需要选择适当的调控策略，确保新能源发电系统能够稳定运行，并能及时与主电网连接或切断连接，以避免孤岛效应的出现。在解决故障后，确保光伏发电系统能够顺利地继续以并网方式运行也是十分重要的，这需要进行全面的检测和测试，确保系统的各个组件和设备正常运行，并与主电网保持良好的协调和同步。4.2提升能源系统储存和调节能力在建设高比例的可再生能源体系时，一个关键要素是确保能源系统具备良好的存储和调节能力。由于可再生能源的不稳定性和间歇性，能源的存储和调节能力变得尤为重要，这意味着我们需要能够储存多余的能源以便在需要时进行释放，同时还要能够平衡供需之间的差异。为了实现双碳目标，即减少温室气体排放并推动可持续发展，需要确保新能源替代传统石化能源的发展节奏与可再生能源建设相一致。意味着需要在逐步推进可再生能源的同时逐渐减少对传统能源的依赖，以实现能源结构的转型。在传统电力系统方面，传统电力系统通常以中央化的方式运行，而可再生能源的大规模接入要求电力系统更加灵活，能够适应分散式发电和多样化的能源来源。因此，需要进行技术升级和改造，以提高传统电力系统的响应速度、可靠性和适应性。其中，物理化学储能技术是实现能源存储和调节能力的关键之一，包括先进储冷储热和先进储氢等技术，这些技术可以将多余的能源转化为其他形式进行储存，以便在需要时释放能量。例如，储冷储热技术可以将多余的能源用于冷却或加热系统，以满足能源需求，储氢技术可以将多余的能源转化为氢气储存起来，用于燃料电池发电或其他用途。4.3结合风力与光伏发电并网的特点研究新型配电系统方式输配电网络是现代能源系统中至关重要的组成部分。随着新能源发电系统的快速发展，特别是风力发电和光伏发电的兴起，将这些新能源并入传统输配电网络成为一项重要任务。了解风力发电和光伏发电的并网特点是实现有效整合的关键。在确定电力与光伏发电系统的优化位置时，需要综合考虑多个因素，如资源分布、气候条件和用电负荷等。通过详尽的分析研究，可以确定最佳的装机容量和装机地质，以最大限度地利用可再生能源资源并满足电力需求。为了实现电力与光伏发电系统的有效控制和管理，需要选择合适的控制方式和并网方式。控制方式包括风力发电机组的桨距角控制、光伏逆变器的功率控制等，以确保发电系统在各种工况下运行稳定。并网方式则涉及与传统电力系统的连接方式和交互方式，如并联并网和逐级递变并网等。另外，选择合适的接入位置对于电力与光伏发电系统的并网成功至关重要，通过合理安排接入点，可以最小化输配电网的改造成本并降低电网损耗。同时，还需要对电压波动和电压谐波进行影响性分析，以确保并网设计方案的可行性和稳定性。在规划设计过程中，必须考虑施工地点的环境因素对风力和光伏发电系统的运行状态的影响。这包括考虑地形地貌、气候条件、降水量和风速等因素，以评估系统在不同环境条件下的性能和可靠性。此外，还需要评估并网方式对环境的影响效果，以确保系统的环保性。4.4提高非化石能源利用比重为了实现“双碳”目标，中国需要在2050—2055年显著提高非化石能源利用的比重，至少达到70%。为满足这一目标，每年需要保持2%的涨幅，以确保能源结构的逐步转型。在非化石能源中，水电和核电的增长受到一定的限制，因此建立以风电和光伏发电为主力的能源结构已成为全球共识。实际上，在2020年，中国风电和光伏发电新增装机容量已经达到1.2亿kW，显示出了中国在这方面的巨大努力和成就。然而，新能源发电也面临一些挑战，其中包括随机性、间歇性和波动性等问题。为了解决这些问题，中国正在进行电网改造，以便更好地适应新能源的消纳。此外，储能技术的发展也将为新能源提供有效的支持，使其能够更好地满足能源供应的需求。同时，氢能技术的发展也将为能源转型提供重要支持，促进能源的清洁利用。为了实现这一目标，中国需