分布式光伏發(fā)電的現(xiàn)狀分析及技術(shù)改進(jìn)研究

向萌

（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢430000）

1 引言

作為典型的自然能源，太陽(yáng)能具有污染可控、能耗低、發(fā)電期間不會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)等優(yōu)勢(shì)，由此而衍生出的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)也呈現(xiàn)出了極為迅猛的發(fā)展勢(shì)頭。事實(shí)證明，分布式發(fā)電可使太陽(yáng)能得到最大程度的開(kāi)發(fā)，確保太陽(yáng)能盡快轉(zhuǎn)化成電能并供居民使用。可以預(yù)見(jiàn)的是，未來(lái)該技術(shù)將得到更加廣泛的運(yùn)用，因此，圍繞該技術(shù)的不足展開(kāi)討論很有必要。

2 分布式光伏發(fā)電現(xiàn)狀

我國(guó)太陽(yáng)能十分豐富，在政府大力扶持光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的當(dāng)下，光伏發(fā)電相關(guān)技術(shù)均得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，其中，最具代表性的是分布式光伏發(fā)電技術(shù)。其優(yōu)勢(shì)主要是能夠解決各地區(qū)日照長(zhǎng)度、太陽(yáng)能儲(chǔ)量不均的情況，通過(guò)對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行科學(xué)布設(shè)的方式，使太陽(yáng)能得到充分開(kāi)發(fā)，由此來(lái)保證光伏發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益。

但由于我國(guó)引入分布式光伏發(fā)電技術(shù)的時(shí)間較晚，在利用該技術(shù)對(duì)光伏發(fā)電相關(guān)項(xiàng)目進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)，仍有亟待解決的問(wèn)題存在，例如，有關(guān)人員未能做到嚴(yán)格管控組件質(zhì)量，導(dǎo)致不達(dá)標(biāo)組件進(jìn)入項(xiàng)目，使發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性受到負(fù)面影響[1]；太陽(yáng)能不穩(wěn)定，光伏發(fā)電期間極易出現(xiàn)電網(wǎng)波動(dòng)的情況，進(jìn)而使發(fā)電系統(tǒng)難以正常運(yùn)行；在儲(chǔ)存電能、并網(wǎng)的過(guò)程中，光伏電網(wǎng)的電壓不固定，這一問(wèn)題同樣影響著光伏發(fā)電優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。

現(xiàn)階段，亟待解決的問(wèn)題主要包括以下兩個(gè)：（1）除特殊情況外，集中進(jìn)行供電的配電網(wǎng)均存在電力輻射的情況，若配電網(wǎng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)，其電壓將沿功率傳輸方向緩慢下降，但運(yùn)用分布式光伏發(fā)電技術(shù)后，電網(wǎng)內(nèi)將形成多個(gè)電源節(jié)點(diǎn)，同時(shí)傳輸功率潮流的變化方向也發(fā)生了改變，使各節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)電壓不斷變化，若不盡快解決該問(wèn)題，將導(dǎo)致電壓偏壓持續(xù)增大，進(jìn)而對(duì)電網(wǎng)的安全性造成不利影響。（2）若供電系統(tǒng)因故停止運(yùn)行，但光伏發(fā)電仍處于供電狀態(tài)，會(huì)造成孤島現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)，孤島現(xiàn)象主要分為非計(jì)劃性和計(jì)劃性兩類，非計(jì)劃孤島往往難以預(yù)測(cè)。此外，考慮到主網(wǎng)難以做到有效控制孤島輸電頻率和電壓，隨著孤島現(xiàn)象存在時(shí)間的增加，其他設(shè)備受損的概率將大幅提高。

3 分布式光伏發(fā)電的技術(shù)改進(jìn)探究

3.1 科學(xué)調(diào)壓

分布式光伏發(fā)電的性質(zhì)較為特殊，極易由于自然光能的影響而出現(xiàn)發(fā)電不穩(wěn)定的情況。對(duì)電力資源進(jìn)行并網(wǎng)期間，頻繁變化的光伏電壓對(duì)電網(wǎng)所產(chǎn)生的影響有目共睹，若不盡快解決該問(wèn)題，將在極大程度上降低項(xiàng)目的安全性。鑒于此，有關(guān)人員指出，應(yīng)酌情引入調(diào)壓技術(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是利用電壓調(diào)節(jié)器對(duì)電力進(jìn)行控制，縮小電壓波動(dòng)范圍。長(zhǎng)期處于高效運(yùn)行狀態(tài)的發(fā)電系統(tǒng)較易發(fā)生線路輕載或類似情況，以往在電網(wǎng)末端安裝調(diào)壓設(shè)備的方法，會(huì)導(dǎo)致光伏電網(wǎng)在并網(wǎng)期間所形成電壓超出限值，進(jìn)而使并網(wǎng)效果和可靠性受到負(fù)面影響[2]。為避免上述情況出現(xiàn)，有關(guān)人員最終決定以發(fā)電系統(tǒng)呈現(xiàn)出的運(yùn)行狀態(tài)為依據(jù)，在儲(chǔ)能階段增設(shè)調(diào)壓器，利用調(diào)壓器對(duì)電壓波動(dòng)加以控制。事實(shí)證明，此舉可使發(fā)電系統(tǒng)具有更加理想的穩(wěn)定性及安全性，需要引起重視。

3.2 孤島保護(hù)

要使光伏發(fā)電存在的不足得到彌補(bǔ)，關(guān)鍵是明確問(wèn)題成因，同時(shí)制訂相應(yīng)的改進(jìn)方案。研發(fā)孤島保護(hù)相關(guān)技術(shù)的初衷主要是杜絕并網(wǎng)期間兩者出現(xiàn)短暫失聯(lián)，導(dǎo)致光伏電網(wǎng)失去獨(dú)立運(yùn)行的能力。對(duì)該技術(shù)加以運(yùn)用，可在極大程度上提高光伏電網(wǎng)的穩(wěn)定性及安全性，通過(guò)主動(dòng)切斷連接設(shè)備的方式，使維護(hù)及檢查工作得到高效開(kāi)展。若存在計(jì)劃外的孤島運(yùn)行情況，則要對(duì)電網(wǎng)處于該工況時(shí)對(duì)電氣設(shè)備、工作人員所產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，從而制訂切實(shí)可行的預(yù)控計(jì)劃，同時(shí)針對(duì)常見(jiàn)事故，擬定相應(yīng)的處理方案，為光伏電網(wǎng)的長(zhǎng)期運(yùn)行提供保障。

3.3 光伏列陣

若光伏電站所用支架為固定支架，待安裝組件、支架的工作告一段落，將無(wú)法再次調(diào)整方陣傾斜角度，由此可見(jiàn)，提前確定符合實(shí)際情況的傾斜角度極為重要。在此過(guò)程中，要先對(duì)當(dāng)?shù)刈罴褍A角、陣列間距進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法如下。

3.3.1 最佳傾角

導(dǎo)致光伏發(fā)電難以大范圍推廣的原因，主要是其效率及成本均未能達(dá)到理想水平，應(yīng)用固定光伏方陣前，先要確定陣列傾斜角度[3]。為保證太陽(yáng)輻射量達(dá)到預(yù)期，可選擇以下公式對(duì)斜面輻射總量Ht進(jìn)行計(jì)算：

式中，Hbt為太陽(yáng)散射傾斜面的輻射量；Hdt為太陽(yáng)直射傾斜面的輻射量；Hrt為地面反射對(duì)應(yīng)輻射量；Rb為直射傾斜面和水平面的輻射量之比；Hb為氣象站觀測(cè)所得水平面直射輻射初始值；Hd為氣象站觀測(cè)所得水平面散射輻射初始值；H0為大氣層以外水平面對(duì)應(yīng)輻射量；H為水平面對(duì)應(yīng)太陽(yáng)輻射總量，由氣象臺(tái)提供；ρ為地面反射率，通常為0.2，實(shí)際工作中，可根據(jù)地面狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，相關(guān)數(shù)值見(jiàn)表1；ωs′為傾斜面對(duì)應(yīng)日沒(méi)時(shí)角；ωs為水平面對(duì)應(yīng)日沒(méi)時(shí)角；φ為電站緯度，南半球的取值為負(fù)，北半球的取值為正；β為組件傾角；δ為赤緯角。

表1 不同狀態(tài)地面所對(duì)應(yīng)反射率

實(shí)際工作中，有關(guān)人員應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r，對(duì)不同陣列方位角對(duì)應(yīng)輻射總量進(jìn)行計(jì)算，由此確定陣列安裝方向，通過(guò)酌情調(diào)整傾角的方式，確保輻射量可達(dá)到預(yù)期水平。

3.3.2 陣列間距

北半球所安裝光伏方陣均面向正南方向，只有保證傾角合適，才能使斜面所接受輻射量達(dá)到預(yù)期。另外，為避免前后排間出現(xiàn)陰影遮擋的情況，導(dǎo)致發(fā)電系統(tǒng)無(wú)法高效運(yùn)行，應(yīng)對(duì)陣列間距進(jìn)行計(jì)算，確保冬至日9∶00～15∶00，陣列不會(huì)出現(xiàn)遮擋問(wèn)題。以光伏電站所對(duì)應(yīng)太陽(yáng)位置、地理坐標(biāo)還有方陣高度為依據(jù)，利用下列公式對(duì)間距D進(jìn)行計(jì)算：

式中，H′為陣列高度；L為陣列實(shí)際寬度；d為陰影長(zhǎng)度；β′為陣列當(dāng)前傾角。

在圖1中，D為間距；αs為太陽(yáng)光線與地平面夾角。出于降低計(jì)算難度的考慮，利用VB程序?qū)τ?jì)算組件間距的方法進(jìn)行編寫(xiě)，只需在所編寫(xiě)程序內(nèi)輸入陣列傾角、寬度及緯度，便可得出包括陣列間距最小值、垂直高度還有陰影長(zhǎng)度在內(nèi)的相關(guān)數(shù)值。

圖1 組件間距示意圖

3.3.3 發(fā)電量和傾角的關(guān)系

本文所討論分布式光伏電站與常規(guī)電站的區(qū)別，主要是其能夠最大限度地接近用戶，減少電能運(yùn)輸期間的損耗量。現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)多數(shù)發(fā)電系統(tǒng)均建設(shè)在屋頂上，由于可供使用的場(chǎng)地面積較小，電站容量往往難以達(dá)到預(yù)期，鑒于此，應(yīng)盡快提高電站的發(fā)電量。

某廠區(qū)內(nèi)車棚的平面圖如圖2所示。有關(guān)人員計(jì)劃在該區(qū)域建設(shè)光伏車棚，該項(xiàng)目的占地面積約為1 035 m2。對(duì)光伏方陣進(jìn)行布置的形式有兩種，分別是橫向布置和豎向布置，各方案占地面積大致相同，本項(xiàng)目計(jì)劃采取橫向布置方案。為保證所獲得太陽(yáng)輻射達(dá)到預(yù)期，應(yīng)朝南布置列陣，同時(shí)確保其傾斜角度達(dá)到最佳。實(shí)地勘測(cè)結(jié)果表明，發(fā)電量、裝機(jī)容量和傾角間的關(guān)系如圖3所示。

圖2 廠區(qū)內(nèi)車棚的平面圖（單位：m）

由圖3所傳遞信息可知，電站容量和傾角度數(shù)的關(guān)系為負(fù)相關(guān)，土地利用率也會(huì)隨著傾角度數(shù)的增加而降低。在傾角為最佳值時(shí)，發(fā)電量、裝機(jī)容量均為最小值，若將傾角改為0°，則發(fā)電量、裝機(jī)容量可達(dá)到最大值。導(dǎo)致上述情況出現(xiàn)的原因，主要是陣列間距將隨著傾角度數(shù)的加大而加大，裝機(jī)容量隨之減少。由此可見(jiàn)，在預(yù)留空間有限的情況下，可酌情減小傾角度數(shù)，增加發(fā)電量以及裝機(jī)容量，為土地利用率提供保證。

圖3 發(fā)電量、裝機(jī)容量和傾角間的關(guān)系

在光伏技術(shù)持續(xù)發(fā)展的當(dāng)下，組件所具有的發(fā)電效率也較以往有所提高，土地成本給電站所產(chǎn)生影響有目共睹，要想在對(duì)土地進(jìn)行充分利用的前提下，使發(fā)電量達(dá)到預(yù)期水平，應(yīng)明確以下內(nèi)容：（1）在可供使用的面積有限的情況下，發(fā)千瓦發(fā)電量和單位面積所對(duì)應(yīng)發(fā)電量的關(guān)系為互逆；（2）在確定傾角時(shí)，不應(yīng)僅考慮組件或土地利用率，還要參考地貌地形和氣象條件，同時(shí)對(duì)發(fā)電成本加以分析，確保發(fā)電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、穩(wěn)定的運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上文的分析能夠看出，在開(kāi)發(fā)分布式光伏發(fā)電相關(guān)項(xiàng)目時(shí)，為保證電網(wǎng)始終處于穩(wěn)定且安全的運(yùn)行狀態(tài)，有關(guān)人員應(yīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，通過(guò)科學(xué)調(diào)壓還有孤島保護(hù)等方式，使光伏發(fā)電的價(jià)值得到最大化的體現(xiàn)。