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分布式光伏应用现状与技术创新方向展望

作者:侯孟婧 刘然 王世静 来源:中能传媒研究院 发布时间:2022-05-24 浏览:

分布式光伏应用现状与技术创新方向展望

侯孟婧  刘然  王世静

(电力规划设计总院)

一、我国分布式光伏发展态势

光伏产业作为我国的突出优势产业,技术水平和应用规模连续多年领跑全球。在能源安全新战略和“双碳”目标的引领下,我国的光伏发电继续保持强劲的增长势头,正逐步成为新型电力系统中的主体能源之一。

在成本快速下降和补贴政策的双重作用下,用电侧小规模分散式建设的分布式光伏电站发展迅速。自2017年起,全国新增光伏装机由集中式电站占绝大多数转变为集中式和分布式电站并驾齐驱。据国家能源局统计,截至2021年底,分布式光伏累计并网容量107.5吉瓦,占光伏总装机容量的35%。特别是2021年以来,在整县(市、区)屋顶分布式光伏开发等政策的刺激下,新增分布式光伏装机首次超过集中式光伏。特别值得注意的是,户用光伏装机出现爆发式增长,2021年新增装机21.5吉瓦,占比接近分布式光伏新增装机的四分之三。分布式光伏在用户侧的市场活力和渗透力可见一斑。

2021年底,国资委印发《关于推进中央企业高质量发展做好碳达峰碳中和工作的指导意见》;国家能源局等三部门印发《加快农村能源转型发展助力乡村振兴的实施意见》;工信部等五部门联合发布《智能光伏产业创新发展行动计划(2021-2025年)》。国家层面密集发文,大力引导、支持分布式光伏高质量快速发展。可以预见,我国的分布式光伏装机规模将继续保持迅猛的增长势头,分布式光伏也将在科技创新的助力下与新型电力系统深度融合,为实现能源绿色低碳转型发挥越来越显著的作用。

二、分布式光伏主要应用场景

分布式光伏发电系统装机容量小,形式灵活多样,在广大的城乡地区,便于与负荷中心和闲置空间结合;所发电力就地消纳,可有效推动各地区、各行业的可再生能源替代和“双碳”进程。目前,建筑、交通、设施农业、通信等领域已成为分布式光伏的主要应用场景,以“光伏+”的形式实现光伏发电系统与场地、设施的功能性融合,助力智慧城市基础设施与智能网联汽车协同发展,助力城乡基础设施补短板和更新改造。

(一)光伏+建筑

建筑上的分布式光伏系统有安装式光伏电站(BAPV)和光伏建筑一体化电站(BIPV)两种形式。应用最广泛的屋顶光伏电站属于BAPV系统;BIPV系统则指将光伏组件作为建材,成为建筑物本身的一部分,例如光伏幕墙、光伏遮阳板、直接取代彩钢瓦屋面的光伏屋面等。

建筑是最常见的负荷中心,光伏发电系统就地为建筑供电,自发自用,既可避免远距离输电造成的电能损耗,又能够实现建筑用电的可再生能源替代,有效降低建筑系统的碳排放。此外,BIPV系统中的光伏构件还承担建筑围护结构、外观装饰等功能。

(二)光伏+交通

随着电动汽车的普及,光储充一体式车棚成为热门的分布式光伏应用形式。光伏系统就地为电动汽车充电,余电上网,还可利用分布式储能系统进行能量时移,平抑光伏发电波动和负荷波动。

公共道路体系中,光伏路灯是应用最早、最广泛的分布式光伏形式。近几年,光伏公交站台、光伏加油站、道路护坡光伏电站等也大量涌现,还出现了光伏地砖、光伏公路等探索性的应用。

(三)光伏+通信

随着我国通信服务覆盖面的扩大和通信技术更新换代,偏远地区通信基站供电不便和基站设备功耗剧增的状况越发突出。因此,为通信基站配套分布式光伏电站,就地供电,可有效降低供电成本,提高供电保障能力。

(四)光伏+设施农业

在日光温室、玻璃温室等种植设施和牛棚、鸡舍等养殖设施上安装分布式光伏发电系统,可以就地为供暖、供液、照明补光设备供电,不仅能够降低用电成本,还能利用余电上网为农村带来发电收益,同时有助于降低农业生产过程的碳排放。

(五)分布式光伏的其他应用场景

近年来,各路厂商开发了形形色色的光伏应用产品,例如光伏地灯、光伏智能垃圾箱、光伏帐篷、光伏背包等,以日用、展示、应急等用途为主。很多共享单车也安装了光伏组件,用于给智能车锁供电。光伏技术的日常应用已相当成熟、普及,未来还将有更丰富的应用场景被发掘、拓展。

三、分布式光伏关键技术创新方向

(一)分布式光伏系统设备创新方向

分布式光伏系统通常安装在建筑上,或与各类设备设施相结合,其应用场景的特点对系统的特性提出了如下需求:

1.作为小规模、大数量、高度分散的工程项目,分布式光伏电站的设计、建造应尽可能标准化;

2.靠近生产生活设施的分布式光伏电站应保证安全性;

3.分布式电站的光伏组件常受到周边建筑和设施的遮挡,阴影易导致组件产生热斑,甚至损毁,也会造成组串内各块组件工作电流差异大,产生“短板效应”,显著降低发电量,需要从设计和设备两端充分考虑阴影遮挡的影响,尽可能提高发电量。

为提高分布式光伏电站,特别是小型户用光伏电站的设计、施工的标准化程度,即插即用式系统是一种有效的解决方案。将光伏组件、逆变器、小型储能设备和电缆、夹具等配件高度集成,并改进电气连接方式,使安装操作简化为直接插接或压接,不仅能大幅提高施工效率,还能提高安全性。即插即用式系统解决方案的推广可行性,很大程度上决定了集成系统对农村住宅和小型建筑物的适用性。

分布式光伏系统作为电气系统,存在漏电、起火等事故风险。因此,组串级甚至组件级的关断器有必要推广应用。目前,关断器的成本较高,在国内的应用规模较小;统一标准,降低成本,应是重点攻关方向。BIPV系统相较于常规的屋顶电站,更靠近于建筑内的人员财物,安全性至关重要;除电气安全外,结构安全性、材料环保性等也应是进一步研发和标准化的核心关注点。

由于组串内各块组件的额定电气参数有微小差异,受到的阴影遮挡、污秽遮挡等情况也不同,使得输出电流失配,造成功率损失。而微型逆变器和组件级优化器能使每块组件工作在最大功率点上,尽可能地减少损失。对于微型逆变器和组件优化器,当前的研发重点包括优化最大功率点追踪算法、提高器件可靠性、降低自身功率损耗、降低成本等。此外,与常规逆变器类似的是,微型逆变器和组件优化器也需提高智能化程度。

(二)分布式光伏系统运维技术创新方向

分布式光伏电站地理位置分散,业主往往不具备光伏专业知识,运维工作亟需提高自动化、智能化、集约化水平,以降低运维成本,提升工作效率。

基于逆变器等系统设备,利用互联网、大数据、人工智能、5G通信等先进技术,对大量分布式光伏电站进行集中统一的监控,是最具可行性的技术路线。监控系统不仅实时监测各电站的运行数据,还要进行数据分析,统计发电量,计算收益,预测未来发电走势;发现异常情况时,定位故障点,诊断故障类型和程度,从而为人员派遣、检修事项等运维工作安排提供辅助决策。同时,随着分布式光伏大规模、高比例接入配电网,为保障电网电能质量、运行安全,其通过智能监控系统参与电网智能化调度也将成为必然趋势。

此外,运维平台移动终端、智能清洗机器人、自动化检测工具等运维设备也是分布式光伏系统运维技术创新的重要突破口。

(三)分布式光伏与多种能源的耦合

在建筑级和园区级的微网中,分布式光伏是最常见、最重要的能源之一,与电化学储能、供热/冷、蓄热/冷及其他负荷等由能量管理系统集中监控、统一调度管理。分布式光伏作为微网中清洁电能的主要来源,其随机性、波动性经能量管理系统的控制,由储能系统予以平抑,其发电曲线与负荷曲线的不匹配也由储能系统予以缓和。通过这种多能耦合的方式,可实现能源的高效利用,助力建筑和园区的碳减排。

为提高分布式光伏与微网中其他能源和负荷的匹配性,改善电能质量和供电可靠性,降低用电成本,需开发智能化程度更高的能量管理系统,基于气象数据和光伏出力、负荷等历史运行数据,进行光伏发电和负荷功率预测,开展多时间尺度的源、荷、储能量匹配优化调度管理。

包含分布式光伏系统的直流微电网或交直流混合微电网是建筑级和园区级新能源综合利用的典型形式。对于有大量直流负荷的应用场景,采用直流配电系统,能够更便利地接入分布式光伏和储能,并且简化变换环节,减少电能损耗。在电力电子技术提升、储能应用规模拓展和能量管理系统优化的基础上,这种“光储直柔”模式将有效促进分布式光伏与用电侧的深度融合。

四、对推动分布式光伏技术创新的建议

分布式光伏在我国已获得了广泛的应用,且随着“双碳”目标的实现进程推进,应用规模还将持续扩大。为有效解决随之而来的消纳、运维等过程中的问题,需从多方面入手促进科技创新,大幅提高分布式光伏系统的智能化水平,切实提升分布式光伏发电的效率和安全性,从而确保分布式光伏在新型电力系统中能够大规模参与平衡,为用电侧提供有力支撑。

(一)政策引导鼓励科技创新应用

一是国家政策和地方政策应形成上下协同的体系,在《智能光伏产业创新发展行动计划(2021-2025年)》等文件发布后,地方政策需紧跟国家导向,积极响应,引导落实;二是光伏行业相关的各部门应相互协调,在支持政策引领下相互配合;三是对分布式光伏新产品和新技术的研发可予以奖励、补贴、减税等财政支持,通过设立研发平台、建设示范项目等多种措施,加大鼓励力度。

(二)完善标准体系,统一技术口径

对于不断推出的新技术、新产品、新设计、新做法,要加快标准制定的速度,保证创新的工程应用有据可依。对于研发程度已较为成熟的技术和产品,应在标准层面尽可能统一技术口径,从而引导新技术和新产品具备较强的普适性,降低从创新研发到大规模应用过程中的行业磨合成本。此外,鼓励我国光伏从业人员积极参与国际标准制定,为我国光伏领域研发创新成果在国际上的推广应用争取更广阔的空间。

(三)发挥实证作用,确保安全可行

因靠近用户,项目小而分散,分布式光伏电站的安全性和易用性至关重要。因此,有必要建设可提供各种气候环境条件和应用需求条件的实证平台,在创新技术和产品大规模推广之前,充分试用,以确保其安全、可行、易用。

(四)凝聚行业力量,集中火力攻关

应发挥行业协会、学会、联盟等行业组织的作用,群策群力,在分布式光伏技术创新的方向和内容上达成一定的共识,从而引导行业内集中火力在亟需攻关的关键技术上,尽快取得突破。

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