太阳能发电与并网,微网,智能电网,全球联网ppt课件

上海电力学院太阳能研究所赵春江,太阳能发电与并网、微电网、智能电网、全球联网,2010.9,1,前言,太阳能巨大，根据E=mc2理论，太阳还可以“燃烧”800亿年。向太阳索取电能是工业化发展到今天、大量化石能源被消耗且面临枯竭的必然趋势。太阳能光伏发电（以下把光伏发电简称为PV）技术是人类向太阳索取电能的重要途径。晶体硅电池、非晶硅电池、化合物电池、染料敏化电池等亮相自身特点和优势的舞台就是太阳能PV系统。,2,太阳电池发电原理,太阳电池是由电性质不同的N型半导体和P型半导体连接合成的。这二种半导体的界面称作PN结。太阳光入射到太阳电池表面上后，被太阳电池吸收。此时，在太阳电池内部因吸收了光能而产生了带正电的空穴和带负电的电子，电子朝N型半导体汇集，而空穴则朝P型半导体汇集，这样就在PN结处形成了电势。在电池表面和背面焊上电极后，再接上灯泡或马达之类的负载，形成外电路，电流就会流起来。,3,并网型太阳能光伏发电系统,太阳能PV系统的应用主要分为空间和地面两大类，就系统而言又可分为PV离网系统（Off-GridSystem或Stand-AloneSystem）和PV并网系统（On-GridSystem或Connected-GridSystem），并且随着科技和时代的发展又衍生出多种形式。太阳电池发的电是直流，通过控制逆变装置变换成交流，经过相位整合后同电网的交流电合起来使用。采用这种形态的PV系统就是PV并网系统。PV并网供电形式是PV系统技术的主流发展趋势。系统技术日益完善，系统形式也越来越多样化。目前有无蓄电池无逆流（即不向电网倒送电）系统、有蓄电池无逆流系统、无蓄电池有逆流系统（PV系统剩余电力向电网输送，由电力部门回购），随着技术进步，今后将发展微网系统、智能电网系统和全球PV供电系统。,4,无蓄电池无逆流供电系统,无蓄电池无逆流供电系统主要由太阳电池方阵和并网逆变器组成。无逆流系统是指PV系统的功率始终小于或等于负载，不存在剩余电力，电力不够时由电网提供，也即PV系统与电网形成并联向负载供电。由于不会出现PV系统向电网输电的现象，因此称为无逆流。对于无蓄电池无逆流系统，即使PV系统因某种原因（比如负载侧某用电器停止用电等）产生剩余电力时也只能通过某种手段放弃，比如部分切断或全部切断太阳电池方阵的直流输出。这种系统对充分利用PV设备不利，因此应用较少。,5,无蓄电池无逆流供电系统原理图,6,有蓄电池无逆流供电系统,有蓄电池无逆流供电系统主要由太阳电池阵列、蓄电池组和带有充放电控制及电源自动切换装置的控制逆变器组成。PV系统的发电量受气象影响很大，且白昼发电，晚间不发电，用户要获得稳定的电力供应并在用电时间段方面不受限制，可以采用适量的蓄电池蓄电。对于无逆流供电系统，在负载侧负荷下降、PV侧电力剩余的情况下，蓄电池可以贮存剩余的PV系统电能，在PV系统电力供应不足时释放，起到调衡系统供电的作用。另外可通过控制系统限制电网向蓄电池充电。这种带有蓄电池的无逆流供电系统仍然是PV系统与电网形成并联向负载供电，并且设计上往往考虑太阳能发电系统优先供电，在蓄电池电压下降到一定值时供电系统将自动切换到商业电网。事实上，这种供电系统可以视作是在有电网地区对离网系统的优化。,7,有蓄电池无逆流供电系统原理图,8,工程范例：上海市卢湾区复兴公园公厕PV供电系统,供电方式：有蓄电池无逆流PV系统与商业电网并联供电系统主体设备：太阳电池方阵170W6块1020W；蓄电池200Ah12V4个；控制逆变器(含充放电控制)1台,9,无蓄电池有逆流供电系统,PV系统剩余电力可以向电网倒送的系统称为有逆流供电系统。有逆流供电系统主要由太阳电池方阵、并网逆变器组成，系统规模较大的情况下还要追加一些必要的配套设备，如直流控制装置、交流控制装置及升压系统等。系统的用户在电力使用上可通过电网来调节，PV系统有剩余电力时向电网发送电力，电力不足时从电网输入电力，因此大多数系统不配备蓄电池。有逆流供电系统小到kW级的家庭PV系统，大到MW级、10MW级乃至将来用于沙漠发电的GW级PV系统，大小不一，灵活多变，但是系统的基本构成相差不大。根据就近接入的电网电压高低可以分为低压并网系统和高压并网系统，前者的特点在于PV系统发的电直接被分配到住宅内或区域内的用电负载上，多余或不足的电力通过所连接的低压电网来调节，系统效率和电能使用效率较高；后者的特点在于PV系统发的电直接通过升压系统被输送到高压电网上，由高压电网把电力统一分配到各个用电单位，由于PV系统所发电力到达负载前要经过升压和降压两道口子，电能使用效率会下降一些。通常家庭PV系统和几十千瓦级的办公楼PV系统都采用低压并网方式，以发挥小型PV系统就地发电就地使用的特点。对于百千瓦级以上的大系统，通常多数采用高压并网方式，由于要追加升压装置和完善接入系统，工程设计会稍微复杂一些。总的来说有逆流供电系统结构简洁，故障率低，维护简单，系统效率高。,10,无蓄电池有逆流供电系统原理图（低压并网方式）,11,日本的家用PV并网供电系统结构和原理,12,工程范例：上海市闵行区3kW家用PV供电系统,供电方式：无蓄电池有逆流PV系统与商业电网低压并网供电系统主体设备：太阳电池方阵136W22块2992W并网逆变器2.5kW1台截止2010年8月31日，已安全无故障运行1356天，累计发电量11465kWh。,13,建筑一体化光伏技术,随着太阳能发电市场的迅猛发展和城市化进程的推进，太阳能发电与建筑的结合越来越受到人们的重视。2010年7月，美国政府提出了1千万屋顶太阳能发电计划。能保持环境优美、居住舒适的建筑一体化光伏（BuildingIntegratedPhotoVoltaicBIPV）技术是大规模应用太阳能的需要，也是人类就近利用太阳能这一最终唯一安全可靠能源的最好方式。把太阳能同生态结合起来、把几千年来房屋只是人类居住、遮风挡雨、避寒暑、娱乐的简单建筑发展成独立能源、自我循环式的新型建筑，这也是人类进步和社会、科学技术发展的必然。,14,工程范例：上海电力学院南汇校区学生多功能生态活动中心BIPV供电系统,供电方式：无蓄电池有逆流PV系统与商业电网低压并网供电系统主体设备：太阳电池方阵185W54块9.99kW并网逆变器2.8kW3台,15,大型屋顶PV系统,在大城市里推广PV系统技术，占用宝贵的绿化地和公园用地等显然是不合理的。解决安装场地的最好办法就是除了利用住宅区建筑之外，还可以利用大量的办公大楼安装太阳电池。国家电网浙江省电力公司生产调度大楼太阳能光伏发电系统就是一个应用典范。该系统由太阳电池方阵（总容量为244.11kW）、直流汇流装置、交直流控制装置、并网逆变器、交流升压装置及输电设备（电缆、桥架等）构成，采用高压并网方式，由交流升压装置把逆变器输出的400V三相交流电升压至10kV后再接入当地公共电网，由高压电网把电力统一分配到各个用电单位。,16,工程范例：浙江省电力公司250kW太阳能屋顶并网光伏电站示范工程,供电方式：无蓄电池有逆流PV系统与商业电网高压（400V10kV）并网供电系统主体设备：太阳电池方阵270W16块/串48串207.36kW175W15块/串14串36.75kW直流汇流箱8台交直流组合柜3台并网逆变器50kW1台100kW2台升压变压器400kVA1台,17,MW级工程范例：盐城阜宁3MW屋顶光伏发电系统,供电方式：无蓄电池有逆流PV系统与商业电网高压（400V10kV）并网供电系统主体设备：太阳电池方阵用12664块多晶硅光伏组件组成6个子系统总功率3MW并网逆变中压变压器500kVA6台,18,工程范例：徐州协鑫20MW光伏电站,供电方式：无蓄电池有逆流PV系统与商业电网高压（400V10kV110kV）并网供电系统主体设备：太阳电池方阵用98684块多晶硅光伏组件组成38个子系统总功率20MW并网逆变中压变压器500kVA38台高压变压器20MVA1台,19,工程范例：上海世博会3MW屋顶光伏发电系统,供电方式：无蓄电池有逆流PV系统与商业电网高压（400V10kV）并网供电系统主体设备：太阳电池方阵总功率3MW并网逆变器500kW1台250kW1台100kW18台50kW3台5kW25台升压变压器1250kVA1台1600kVA1台,20,微网系统,微网系统（Micro-Grid）是一种独立性很强的分散型电源网络。该系统由太阳能光伏发电、风力发电、小水力发电、生物质发电、燃气发电或柴油发电、燃料电池、蓄电池组等任意组合起来，再加入计量和控制装置，自成系统，独立于大电网或间歇与大电网连接，不需要长距离输电线（电缆）和架空铁塔等大型设备，投资省，不需要大规模投资，也解决了远距离运输大型设备的成本问题，尤其可以解决大型发电设备运往岛屿和山区的困难。由于其自我调衡，因此能把可再生能源发电对大电网的扰动减少到最低程度，还能改善家庭太阳能发电系统从发电、用电到蓄电的效率。它还是解决无法实施大型火力或核能发电的小国、岛国、穷困地区日常用电的最佳方案。该技术目前尚处于研究和完善阶段，但可以预期其进入实际应用将为期不远。,21,微网系统的典型构成及原理,22,智能电网系统,智能电网（Smart-grid）的提出并非偶然，是有多种原因的，其中很重要的因素就是分散型的可再生能源（太阳能、风能、生物质能等）电力的大量应用和上网造成电网管理日益复杂和困难，且势头已不可逆转，需要改革传统的管理方式，运用现代高科技来调控和管理。作为大规模接纳可再生能源电力的电网技术必须做到对频率和电压波动的抑制，同时维持和提高电力质量，并提高电力的使用效率。其主要手段是在微网供配电技术基础上借助通信网络（移动通信、无线通信等）来把握安装有PV系统的家庭、办公楼等用电户与发电厂之间供需电情况，进行远距离监测和控制。可以说智能电网是利用微网技术和IT技术形成的新一代电网。据资料称，日本搞智能电网技术研究的科技人员中有70%来自于IT行业，这足以说明IT技术与智能电网技术的密切关系。发挥IT在快速准确传递信息方面的技术特点，在国家一级的广大区域内实时掌控电力使用状况和发电状况，进行电力需求调整，包括对PV电力和风电等不稳定电力进行调控。,23,智能电网概念图,24,智能电网的基本构成,1.电源：集中型的传统发电厂、分散型的可再生能源电力（太阳能发电、风力发电、生物质能发电、小水力发电、燃料电池等）、蓄电系统（几亿辆电动车的蓄电池也将加入此行列）。2.智能化输配电设备：能自动调衡电压波动的智能变压器和自动变电站及能自动调衡电力参数的电力中转站等。3.用电侧智能化设备：包括智能电表在内的家庭能源管理系统（HEMS）或大楼能源管理系统（BEMS）或区域能源管理系统（AEMS）等。4.适应智能电网发展潮流而出现的、不影响生活质量的新型电力自调衡电冰箱、冷库、空调等。5.使上述4项互相连通的遥测遥控技术及数据传递通信系统。,25,全球PV供电系统,全球PV供电系统是一种理想的光伏电力资源的共享网络，利用世界各地的沙漠和缺水的干旱地区进行大规模太阳能发电，远距离输电线路全部采用超导电缆，并把各国的国家电网连接起来，形成一个超级PV供配电系统。就全球而言，这个PV系统能24小时处于发电状态，美国白天PV系统的过剩电力可以送往正处于晚间的中国，反之亦然。,26,全球PV供电系统概念图,27,今后的课题：太阳电池,太阳电池制造成本的进一步下降，2030年交钥匙工程价每瓦1.5美金以下。太阳电池效率的大幅提高，2030年组件效率达25%。建筑一体化太阳电池（BIPV）组件的深层次研发太阳电池原料问题研发硅太阳电池专用的高纯度硅（SOG-SiSolarGradeSilicon）生产技术,28,今后的课题：蓄电池,高能量密度、高功率密度、快速充放电、低价格新型蓄电池的研发，2030年使蓄电池能量密度达到8001000Wh/l，可充放电5000次以上，价格在200美金/kWh以下。,29,令人振奋的前景,有消息称日本政府与阿尔及利亚政府合作在撒哈拉沙漠建设硅提纯工业，生产太阳电池，再利用太阳电池在沙漠中发电，所发的电再用于电池生产和绿化改造沙漠，循环生产产生的盈余电力和太阳电池提供给电力市场和电池市场。在我国的西部沙漠地区也可以形成同样的生产链，其深远的意义还在于实现真正的改造沙漠改造自然，使千年沙漠变成良田。,30,最新消息,韩国现代重工接到美国的7亿美金订单，在美国的亚利桑那州建设迄今世界上最大的15万kW太阳能光伏发电站，预定2012年年底发电。,31,结束语,从200年前