光伏发电前行道路的机遇与挑战-光伏发电多少钱一平方米-星火太阳能

光伏发电前行道路的机遇与挑战

返回列表 来源：发布日期： 2022.06.10 浏览次数：

随着现代科技取得了较大的发展，人们对于各类能源的使用量越来越大。过去人类主要使用不可再生的化石能源作为发电原材料，由于人们对于化石能源的不断开发，以至于不可再生的化石能源出现过度消耗，储量不足的情况。与此同时，伴随着化石能源的过度开发与利用，其中有大量的污染物和有害物质对于人类的生活环境造成了极大的破坏，对于人类的正常社会生产生活造成了重大危害。为了同时照顾到环境问题保护和平衡社会发展需求，人类迫切需要寻找到新的能源替代方式。新能源领域中的发电技术因其对环境污染较小、发电效率较高、使用灵活性强和适应性好等诸多特点，在世界范围内广受好评。目前为止，电力系统依旧大量使用集中式的供电形式，新能源发电技术在已经实现了较大规模集中式并网供电之后，同时也实现了各地区分布式供电，满足了各级用户对于电能的需求。表1-1显示了全国历年装机容量情况；表1-2显示了全国历年发电情况；图1-1显示了2009-2021近十五年中国发电类型的变化趋势。

表1-1 全国历年装机容量（单位：万千瓦）

年份	风电	光伏	水电
2009	1760	3	19629
2010	2958	26	22106
2011	4623	212	23298
2012	6142	341	24947
2013	7716	1589	28044
2014	9637	2486	30486
2015	12934	4318	31954
2016	14864	7742	33207
2017	16367	12942	34359
2018	18426	17433	35259
2019	21005	20468	35640
2020	28153	25343	37016
2021	32848	30656	39092

表1-2 全国历年发电情况（单位：亿千瓦时）

年份	风电	光伏	水电
2012	959.8	30	8721.07
2013	1412	120	9202.92
2014	1599.8	230	10728.82
2015	1857.7	380	11302.7
2016	2370.7	620	11840.48
2017	2972.3	1180	11978.65
2018	3659.7	1775	12317.87
2019	4057	2243	13044.38
2020	4665	2060	13552.1

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图1-1 近十五年中国发电类型装机占比变化趋势

如图1-1所示，各类型发电形式装机容量占比中，火力发电自2009年开始急剧下降，十五年时间下降20%左右，水电占比小幅下降，核电占比微量上涨，而风力发电与光伏发电急剧攀升，尤其是2014年起，光伏发电占比在发电成本大幅下降、国家补贴政策逐步推展开来的刺激下大幅增长。

需要说明的是火电与水电占比下降的一部分原因是新能源发电占比急剧增长使得其装机占比下降，而火电下降还有更深层次的原因在于国家为减少碳排放，于“十一五”规划和中央经济工作会议确定的节能减排约束性指标而制定的“上大压小”顶层设计使得大量“老旧小”等高耗能机组逐步关停的结果。

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在新能源资源丰富的区域，集中并网发电的新能源形式已被广泛使用。例如，在太阳能和风能资源丰富的西部、北部地区，一些装机容量大的太阳能和风能发电站正在大规模运行。这种新型发电方式减轻了传统供电形式高污染、高排放的运行负担，但由于风能和太阳能在周围天气因素的影响下容易出现较大的波动，大规模新能源发电并网运行极易影响大电网的稳定运行，其中以太阳能光伏发电尤为突出。此外这些大规模新能源发电单元多位于中国西北部，而中国的负荷中心则多集中于东南沿海等地。长距离传输的线路损耗高，限制了新能源的发展，图1-2显示了2021年全国发电装机容量情况。

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图1-2 全国发电装机容量情况（单位：万千瓦）

分布式电源适用于无法集中供电，或因成本过高而很难铺展开集中供电的区域，例如山区、孤岛、荒漠、草原等地区。因为分布式电源具有小型化、模块化的特点，不会受到地理方面太大的约束。所以可以根据负荷特点、用户需求以及场地环境灵活布置，这不但能够满足负荷自身的用电需求，也可以通过微电网将多发出的电能及时地向邻近的用户供电，还可以将过剩的电能输送至电力系统。这不仅避免了长距离传输造成的网络损失，还可以实现更好地利用新能源资源与技术，因此分布式电源在电力系统中的占比逐年上升，有取代传统发电方式的势头。

我国拥有丰富的太阳能和风能等能源资源，近年来，我国的太阳能和风能技术发展非常迅速，远远超出人们的预期。根据国家能源局2022年1月25日发布的2021年全国电力统计数据，截至2021年12月底，全国发电装机容量约为23.8亿千瓦，相比上年增长7.9%。其中，风电装机容量约为3.3亿千瓦，新增装机容量4757万千瓦，同比增长16.6%；太阳能发电总装机容量约为3.1亿千瓦，新增装机容量5493万千瓦，同比增长20.9%。2020年全年新增4820万千瓦光伏发电容量和7167万千瓦风力发电容量。其中光伏发电应用场景如图1-3所示，全国光伏装机容量与近几年新增装机容量如图1-4所示。

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图1-3 光伏发电应用场景

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图1-4 全国光伏装机容量与新增容量（单位：万千瓦）

光伏电池在发电过程中容易受到外部环境的干扰和影响，主要是光强和温度。当光照强度发生变化时，光伏电池的能量转化自然而然就会急剧变化。因此其发电出力具有波动性、随机性以及不可预测性，故其接入大系统以后势必会引起大系统的电压、频率以及功率的波动，这不仅对系统产生严重的冲击，可能导致系统的稳定性降低、安全性受到严重威胁，也会对接入的负荷产生影响，例如接入系统的主力军——交流电动机会因为电压的波动而产生变化的机械扭矩，因此造成机械损伤等问题。变化的频率也会使交流电动机的转速发生变化，从而导致机械加工的精度大为降低。

传统电力系统中并联运行的发电机主要以同步发电机为主，由于其自身存在机械结构的缘故，其转动部分天然的拥有一定的转动惯量，这可以帮助电力系统的频率在突然投切负荷的情况下维持原有的系统频率不发生突变，并且机械功率的输入可控并且稳定，例如水电厂利用水的高度差来转化为机械能而发电，其水位的高低在短期内不会发生突变；又例如火电厂而言，一般需要提前储备好一周至一个月的煤炭供应；还有对于核电站而言，其核能原料消耗的质量相较于火力发电而言极少，可以较为容易地提前储备好充足的一次能源，使其可以源源不断的为发电机供应能量。因此这类传统发电的原动机部分可控且易规划，这种种优势使得其发电质量非常稳定。

为了解决好光伏电池等新能源发电在随机性、稳定性方面所存在的“硬伤”，考虑在光伏发电单元中使用虚拟同步发电机技术，通过模仿同步发电机，利用储能电池作为机械转动部分提供的转动惯量来虚拟实现同步发电机的外部特性，以此提高光伏电池等新能源发电的稳定性问题。使光伏发电过程平滑出力、稳定电压与频率，能够实现以同步发电机为发电主体的传统发电单元所具有的削峰填谷、一次调频调压等功能，从而使消费者获得稳定、可靠、高质量的电能。