分布式光伏應(yīng)用現(xiàn)狀與技術(shù)創(chuàng)新方向展望
侯孟婧 劉然 王世靜
(電力規(guī)劃設(shè)計總院)
一、我國分布式光伏發(fā)展態(tài)勢
光伏產(chǎn)業(yè)作為我國的突出優(yōu)勢產(chǎn)業(yè),技術(shù)水平和應(yīng)用規(guī)模連續(xù)多年領(lǐng)跑全球。在能源安全新戰(zhàn)略和“雙碳”目標的引領(lǐng)下,我國的
光伏發(fā)電繼續(xù)保持強勁的增長勢頭,正逐步成為新型電力系統(tǒng)中的主體能源之一。
在成本快速下降和補貼政策的雙重作用下,用電側(cè)小規(guī)模分散式建設(shè)的分布式光伏電站發(fā)展迅速。自2017年起,全國新增光伏裝機由集中式電站占絕大多數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榧惺胶头植际诫娬静Ⅰ{齊驅(qū)。據(jù)國家能源局統(tǒng)計,截至2021年底,分布式光伏累計并網(wǎng)容量107.5吉瓦,占光伏總裝機容量的35%。特別是2021年以來,在整縣(市、區(qū))屋頂分布式光伏開發(fā)等政策的刺激下,新增分布式光伏裝機首次超過集中式光伏。特別值得注意的是,戶用光伏裝機出現(xiàn)爆發(fā)式增長,2021年新增裝機21.5吉瓦,占比接近分布式光伏新增裝機的四分之三。分布式光伏在用戶側(cè)的市場活力和滲透力可見一斑。
2021年底,國資委印發(fā)《關(guān)于推進中央企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展做好碳達峰碳中和工作的指導(dǎo)意見》;國家能源局等三部門印發(fā)《加快農(nóng)村能源轉(zhuǎn)型發(fā)展助力鄉(xiāng)村振興的實施意見》;工信部等五部門聯(lián)合發(fā)布《智能光伏產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展行動計劃(2021-2025年)》。國家層面密集發(fā)文,大力引導(dǎo)、支持分布式光伏高質(zhì)量快速發(fā)展。可以預(yù)見,我國的分布式光伏裝機規(guī)模將繼續(xù)保持迅猛的增長勢頭,分布式光伏也將在科技創(chuàng)新的助力下與新型電力系統(tǒng)深度融合,為實現(xiàn)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)揮越來越顯著的作用。
二、分布式光伏主要應(yīng)用場景
分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機容量小,形式靈活多樣,在廣大的城鄉(xiāng)地區(qū),便于與負荷中心和閑置空間結(jié)合;所發(fā)電力就地消納,可有效推動各地區(qū)、各行業(yè)的可再生能源替代和“雙碳”進程。目前,建筑、交通、設(shè)施農(nóng)業(yè)、通信等領(lǐng)域已成為分布式光伏的主要應(yīng)用場景,以“光伏+”的形式實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)與場地、設(shè)施的功能性融合,助力智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施與智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同發(fā)展,助力城鄉(xiāng)基礎(chǔ)設(shè)施補短板和更新改造。
(一)光伏+建筑
建筑上的分布式光伏系統(tǒng)有安裝式光伏電站(BAPV)和光伏建筑一體化電站(BIPV)兩種形式。應(yīng)用最廣泛的屋頂光伏電站屬于BAPV系統(tǒng);BIPV系統(tǒng)則指將光伏組件作為建材,成為建筑物本身的一部分,例如光伏幕墻、光伏遮陽板、直接取代彩鋼瓦屋面的光伏屋面等。
建筑是最常見的負荷中心,光伏發(fā)電系統(tǒng)就地為建筑供電,自發(fā)自用,既可避免遠距離輸電造成的電能損耗,又能夠?qū)崿F(xiàn)建筑用電的可再生能源替代,有效降低建筑系統(tǒng)的碳排放。此外,BIPV系統(tǒng)中的光伏構(gòu)件還承擔(dān)建筑圍護結(jié)構(gòu)、外觀裝飾等功能。
(二)光伏+交通
隨著電動汽車的普及,光儲充一體式車棚成為熱門的分布式光伏應(yīng)用形式。光伏系統(tǒng)就地為電動汽車充電,余電上網(wǎng),還可利用分布式
儲能系統(tǒng)進行能量時移,平抑光伏發(fā)電波動和負荷波動。
公共道路體系中,光伏路燈是應(yīng)用最早、最廣泛的分布式光伏形式。近幾年,光伏公交站臺、光伏加油站、道路護坡光伏電站等也大量涌現(xiàn),還出現(xiàn)了光伏地磚、光伏公路等探索性的應(yīng)用。
(三)光伏+通信
隨著我國通信服務(wù)覆蓋面的擴大和通信技術(shù)更新?lián)Q代,偏遠地區(qū)通信基站供電不便和基站設(shè)備功耗劇增的狀況越發(fā)突出。因此,為通信基站配套分布式光伏電站,就地供電,可有效降低供電成本,提高供電保障能力。
(四)光伏+設(shè)施農(nóng)業(yè)
在日光溫室、玻璃溫室等種植設(shè)施和牛棚、雞舍等養(yǎng)殖設(shè)施上安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng),可以就地為供暖、供液、照明補光設(shè)備供電,不僅能夠降低用電成本,還能利用余電上網(wǎng)為農(nóng)村帶來發(fā)電收益,同時有助于降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的碳排放。
(五)分布式光伏的其他應(yīng)用場景
近年來,各路廠商開發(fā)了形形色色的光伏應(yīng)用產(chǎn)品,例如光伏地?zé)?、光伏智能垃圾箱、光伏帳篷、光伏背包等,以日用、展示、?yīng)急等用途為主。很多共享單車也安裝了光伏組件,用于給智能車鎖供電。光伏技術(shù)的日常應(yīng)用已相當(dāng)成熟、普及,未來還將有更豐富的應(yīng)用場景被發(fā)掘、拓展。
三、分布式光伏關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新方向
(一)分布式光伏系統(tǒng)設(shè)備創(chuàng)新方向
分布式光伏系統(tǒng)通常安裝在建筑上,或與各類設(shè)備設(shè)施相結(jié)合,其應(yīng)用場景的特點對系統(tǒng)的特性提出了如下需求:
1.作為小規(guī)模、大數(shù)量、高度分散的工程項目,分布式光伏電站的設(shè)計、建造應(yīng)盡可能標準化;
2.靠近生產(chǎn)生活設(shè)施的分布式光伏電站應(yīng)保證安全性;
3.分布式電站的光伏組件常受到周邊建筑和設(shè)施的遮擋,陰影易導(dǎo)致組件產(chǎn)生熱斑,甚至損毀,也會造成組串內(nèi)各塊組件工作電流差異大,產(chǎn)生“短板效應(yīng)”,顯著降低發(fā)電量,需要從設(shè)計和設(shè)備兩端充分考慮陰影遮擋的影響,盡可能提高發(fā)電量。
為提高分布式光伏電站,特別是小型戶用光伏電站的設(shè)計、施工的標準化程度,即插即用式系統(tǒng)是一種有效的解決方案。將光伏組件、逆變器、小型儲能設(shè)備和電纜、夾具等配件高度集成,并改進電氣連接方式,使安裝操作簡化為直接插接或壓接,不僅能大幅提高施工效率,還能提高安全性。即插即用式系統(tǒng)解決方案的推廣可行性,很大程度上決定了集成系統(tǒng)對農(nóng)村住宅和小型建筑物的適用性。
分布式光伏系統(tǒng)作為電氣系統(tǒng),存在漏電、起火等事故風(fēng)險。因此,組串級甚至組件級的關(guān)斷器有必要推廣應(yīng)用。目前,關(guān)斷器的成本較高,在國內(nèi)的應(yīng)用規(guī)模較小;統(tǒng)一標準,降低成本,應(yīng)是重點攻關(guān)方向。BIPV系統(tǒng)相較于常規(guī)的屋頂電站,更靠近于建筑內(nèi)的人員財物,安全性至關(guān)重要;除電氣安全外,結(jié)構(gòu)安全性、材料環(huán)保性等也應(yīng)是進一步研發(fā)和標準化的核心關(guān)注點。
由于組串內(nèi)各塊組件的額定電氣參數(shù)有微小差異,受到的陰影遮擋、污穢遮擋等情況也不同,使得輸出電流失配,造成功率損失。而微型逆變器和組件級優(yōu)化器能使每塊組件工作在最大功率點上,盡可能地減少損失。對于微型逆變器和組件優(yōu)化器,當(dāng)前的研發(fā)重點包括優(yōu)化最大功率點追蹤算法、提高器件可靠性、降低自身功率損耗、降低成本等。此外,與常規(guī)逆變器類似的是,微型逆變器和組件優(yōu)化器也需提高智能化程度。
(二)分布式光伏系統(tǒng)運維技術(shù)創(chuàng)新方向
分布式光伏電站地理位置分散,業(yè)主往往不具備光伏專業(yè)知識,運維工作亟需提高自動化、智能化、集約化水平,以降低運維成本,提升工作效率。
基于逆變器等系統(tǒng)設(shè)備,利用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、5G通信等先進技術(shù),對大量分布式光伏電站進行集中統(tǒng)一的監(jiān)控,是最具可行性的技術(shù)路線。監(jiān)控系統(tǒng)不僅實時監(jiān)測各電站的運行數(shù)據(jù),還要進行數(shù)據(jù)分析,統(tǒng)計發(fā)電量,計算收益,預(yù)測未來發(fā)電走勢;發(fā)現(xiàn)異常情況時,定位故障點,診斷故障類型和程度,從而為人員派遣、檢修事項等運維工作安排提供輔助決策。同時,隨著分布式光伏大規(guī)模、高比例接入配電網(wǎng),為保障電網(wǎng)電能質(zhì)量、運行安全,其通過智能監(jiān)控系統(tǒng)參與電網(wǎng)智能化調(diào)度也將成為必然趨勢。
此外,運維平臺移動終端、智能清洗機器人、自動化檢測工具等運維設(shè)備也是分布式光伏系統(tǒng)運維技術(shù)創(chuàng)新的重要突破口。
(三)分布式光伏與多種能源的耦合
在建筑級和園區(qū)級的微網(wǎng)中,分布式光伏是最常見、最重要的能源之一,與電化學(xué)儲能、供熱/冷、蓄熱/冷及其他負荷等由能量管理系統(tǒng)集中監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度管理。分布式光伏作為微網(wǎng)中清潔電能的主要來源,其隨機性、波動性經(jīng)能量管理系統(tǒng)的控制,由儲能系統(tǒng)予以平抑,其發(fā)電曲線與負荷曲線的不匹配也由儲能系統(tǒng)予以緩和。通過這種多能耦合的方式,可實現(xiàn)能源的高效利用,助力建筑和園區(qū)的碳減排。
為提高分布式光伏與微網(wǎng)中其他能源和負荷的匹配性,改善電能質(zhì)量和供電可靠性,降低用電成本,需開發(fā)智能化程度更高的能量管理系統(tǒng),基于氣象數(shù)據(jù)和光伏出力、負荷等歷史運行數(shù)據(jù),進行光伏發(fā)電和負荷功率預(yù)測,開展多時間尺度的源、荷、儲能量匹配優(yōu)化調(diào)度管理。
包含分布式光伏系統(tǒng)的直流微電網(wǎng)或交直流混合微電網(wǎng)是建筑級和園區(qū)級新能源綜合利用的典型形式。對于有大量直流負荷的應(yīng)用場景,采用直流配電系統(tǒng),能夠更便利地接入分布式光伏和儲能,并且簡化變換環(huán)節(jié),減少電能損耗。在電力電子技術(shù)提升、儲能應(yīng)用規(guī)模拓展和能量管理系統(tǒng)優(yōu)化的基礎(chǔ)上,這種“光儲直柔”模式將有效促進分布式光伏與用電側(cè)的深度融合。
四、對推動分布式光伏技術(shù)創(chuàng)新的建議
分布式光伏在我國已獲得了廣泛的應(yīng)用,且隨著“雙碳”目標的實現(xiàn)進程推進,應(yīng)用規(guī)模還將持續(xù)擴大。為有效解決隨之而來的消納、運維等過程中的問題,需從多方面入手促進科技創(chuàng)新,大幅提高分布式光伏系統(tǒng)的智能化水平,切實提升分布式光伏發(fā)電的效率和安全性,從而確保分布式光伏在新型電力系統(tǒng)中能夠大規(guī)模參與平衡,為用電側(cè)提供有力支撐。
(一)政策引導(dǎo)鼓勵科技創(chuàng)新應(yīng)用
一是國家政策和地方政策應(yīng)形成上下協(xié)同的體系,在《智能光伏產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展行動計劃(2021-2025年)》等文件發(fā)布后,地方政策需緊跟國家導(dǎo)向,積極響應(yīng),引導(dǎo)落實;二是光伏行業(yè)相關(guān)的各部門應(yīng)相互協(xié)調(diào),在支持政策引領(lǐng)下相互配合;三是對分布式光伏新產(chǎn)品和新技術(shù)的研發(fā)可予以獎勵、補貼、減稅等財政支持,通過設(shè)立研發(fā)平臺、建設(shè)示范項目等多種措施,加大鼓勵力度。
(二)完善標準體系,統(tǒng)一技術(shù)口徑
對于不斷推出的新技術(shù)、新產(chǎn)品、新設(shè)計、新做法,要加快標準制定的速度,保證創(chuàng)新的工程應(yīng)用有據(jù)可依。對于研發(fā)程度已較為成熟的技術(shù)和產(chǎn)品,應(yīng)在標準層面盡可能統(tǒng)一技術(shù)口徑,從而引導(dǎo)新技術(shù)和新產(chǎn)品具備較強的普適性,降低從創(chuàng)新研發(fā)到大規(guī)模應(yīng)用過程中的行業(yè)磨合成本。此外,鼓勵我國光伏從業(yè)人員積極參與國際標準制定,為我國光伏領(lǐng)域研發(fā)創(chuàng)新成果在國際上的推廣應(yīng)用爭取更廣闊的空間。
(三)發(fā)揮實證作用,確保安全可行
因靠近用戶,項目小而分散,分布式光伏電站的安全性和易用性至關(guān)重要。因此,有必要建設(shè)可提供各種氣候環(huán)境條件和應(yīng)用需求條件的實證平臺,在創(chuàng)新技術(shù)和產(chǎn)品大規(guī)模推廣之前,充分試用,以確保其安全、可行、易用。
(四)凝聚行業(yè)力量,集中火力攻關(guān)
應(yīng)發(fā)揮行業(yè)協(xié)會、學(xué)會、聯(lián)盟等行業(yè)組織的作用,群策群力,在分布式光伏技術(shù)創(chuàng)新的方向和內(nèi)容上達成一定的共識,從而引導(dǎo)行業(yè)內(nèi)集中火力在亟需攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)上,盡快取得突破。
原標題:分布式光伏應(yīng)用現(xiàn)狀與技術(shù)創(chuàng)新方向展望