分布式光伏发电站在居民供电系统中应用浅析

分布式光伏发电站在居民供电系统中应用浅析

邓钰骞

中国电建集团重庆工程有限公司

摘 要：在日益恶化的生态环境下，保护环境、优化资源配置、提高资源利用率是社会研究的重要课题。实现环境资源的全面、协调、可持续发展，大力开发和利用新型能源已经势在必行。太阳能作为一种绿色环保可再生能源，对太阳能的开发利用能够有效缓解电力需求紧张状况，在我国已经得到了广泛的应用。本文介绍了光伏发电站的现状及光伏发电站工作原理，分析了太阳能光伏电站的分类及特点，探讨分布式光伏发电站在居民供电系统中应用的市场前景，在此基础上给出了分布式光伏发电站在居民供电系统中应用建议。

关键词：太阳能 分布式 光伏发电站 居民供电系统 应用建议

一、太阳能光伏电站现状

太阳能光伏电站通过光伏组件将其接收的太阳辐射不断地转换成为电能，这类太阳能电池发电系统，也可称为光伏发电系统。

美国贝尔实验室的科学家Chapin DM、Fuller CS和Pearson GL于1954年成功研制出世界上第一块实用型单晶硅P-N结光伏组件，标志着对太阳能光伏的研究成果进入了应用阶段。

图1：单晶硅P-N结光伏组件示意图

我国光伏发电的研发和应用主要有：大型集中式光伏电站、分布式光伏电站、家用光伏电源、微波通信中继站光伏电源、光缆通信站光伏电源、铁路信号及通信光伏电源、航标灯光伏电源、气象台站光伏电源等。

二、光伏发电站工作原理

1、光伏发电站的特点

光伏发电站的主要优点在于：绿色环保、资源可再生、无资源枯竭危险、不受资源分布地域的限制、安装地点灵活、建设周期短、可维护成本低、可在用电处就近发电。

光伏发电站也存在诸多不足之处:阳光照射的能量的分布密度较小，能够获得的能源的量与环境、季节、天气、昼夜以及阴晴等气象条件有很大的关系，建设成本较高。

2、光伏组件工作原理

光伏发电站的能量转换器是太阳能电池，又称光伏组件。光伏组件发电的原理是光生伏特效应。所谓光生伏特效应就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光(或其他光)照射到光伏组件上时，光伏组件吸收光能，产生光生电子-空穴对。在光伏组件内建电场的作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，使光伏组件的PN结产生电流，从而形成电源。

在光伏组件内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流出，从而获得功率输出。这样，太阳的光能转变成可以使用的电能。

光伏组件工作原理概括如下：第一，光伏组件吸收一定数量的光子后，半导体内产生电子-空穴对，可称之为“光生载流子”，两者的电性相反，电子带负电，空穴带正电；第二，电性相反的光生载流子被半导体P-N结所产生的静电场分离开:第三,光生载流子电子和空穴分别被光伏组件的正、负两极所收集产生“光生电压”，使光伏组件的PN结产生电流，从而形成电源。

图2：光伏发电原理示意图

3、光伏发电站主要运行模式

光伏发电站的主要运行方式可以分为两大类：独立运行与并网运行。

没有接入公共电网的光伏发电站是独立运行的光伏发电站，也可以称之为独立光伏发电站。这类光伏发电站主要用于远离公共电网的地区，例如公共电网覆盖不到的偏远农村、山区、海岛、牧区等地。此外，还可应用在通信中继站、边防站、气象站等场所。

图3：独立光伏发电系统概要图

接入公共电网的光伏发电站是并网运行的光伏发电站，也可称之为并网光伏发电站。这类光伏发电站可以将光伏发电站输出的直流电不断地转化成为与公共电网的电压相同的交流电，并且可以实现光伏发电站与公共电网的相互连接，源源不断地向公共电网输送其产生的电能。这类光伏发电站是太阳能光伏发电行业规模发展、商业化发展的结果，市场发展前景广阔，是未来电力工业发展的的重要方向之一，也是当今绿色新能源电能发展的主要趋势之一。

图4：并网光伏发电系统概要图

三、太阳能光伏电站分类及特点

按照布置方式及规模，可将太阳能光伏发电站分为集中式光伏发电站与分布式光伏发电站两大类型。主要有以下作用：

(1)能够有效保障电网电压的稳定性。太阳能光伏发电站对电网进行调峰可发挥削峰填谷作用，有效地改善电网的功率因数，确保电网末端的电压稳定，防止发生电网杂波。

(2)能够减少储能项目的投入成本。太阳能光伏发电站能够将其所发电能并入电网，以电网为其储存电能的装置可以减少储能项目的投入。

(3)能够优化资源配置。分布式光伏发电站的光伏组件能够实现与建筑设计结合，光伏组件既能够作为建筑设计的装饰材料，又能够发挥其发电作用，优化资源配置，具有重要的经济效益和社会效益。

(4)能够提升电网调节自适应能力。分布式光伏发电站能够有效解决居民供电系统电力负荷过大问题，保持供电系统的负荷平衡，减少供电线路中电能损耗。

5)能够有效保护环境。太阳能是取之不尽、用之不竭的可再生绿色能源，避免资源短缺问题的进一步恶化；其次，光伏发电站运行不需要任何燃料，也不会产生二氧化碳等污染物；最后，太阳能光伏发电站采用自动控制技术，无机械转动部分，运行过程几乎没有噪声，不会对民用住宅环境产生影响。

四、分布式光伏发电站在居民供电系统中应用及前景

1、分布式光伏发电站在居民供电系统中应用

分布式光伏发电站在高层住宅中应用是科学技术发展的重要成果转化。高层建筑中一体化结构设计与光伏发电站相互融合，既能提升资源利用率又具有良好的经济社会效益。

分布式光伏发电站在居民供电系统中的应用，光伏组件大多安装在住宅的屋顶或者阳台，逆变控制器输出端与公共电网并联，共同向建筑物供电，这是光伏电站与建筑设计的初步融合。随着太阳能光伏发电技术的进步，将光伏组件与建筑材料融为一体，采用特殊的材料和工艺手段，将光伏组件做成屋顶、外墙、窗户等，可以直接将其作为建筑材料使用，能够进一步降低发电成本。实现发电功能的同时还能起到建筑外观的装饰作用。

图5：城区居民分布式光伏电站案例

我国电力发展存在地域上分布不均，部分偏远地区电力装机规模不满足当地生活生产负荷需要，制约当地经济发展。部分偏远的农村或山区的供电设施极不完善，人们的日常生活和社会生产因为电力的缺乏而无法顺利开展，如果这些偏远的地区有充足的太阳能资源，利用当地民房、厂房等资源布置光伏组件，建成的分布式光伏发电站能一定程度上解决生产生活中的用电、配电等问题。对拉动当地经济发展具有积极作用。

图6：乡村居民分布式光伏电站案例

2、分布式光伏发电站在居民供电系统中的应用前景。

太阳能作为绿色环保可再生能源的重要组成部分，太阳能光伏发电站的太阳能电池组件生产数量平均每年增长33%。太阳能光伏发电已经成为国内国际范围发展最为迅速的高新技术产业之一。

世界各国都已经纷纷出台了太阳能光伏发电站发展规划，努力实现太阳能光伏发电站与居民供电系统的一体化建设。我国建筑总能耗在全国能源总能耗中占比较大，而我国的太阳能资源相对丰富，分布范围广泛。因此，分布式光伏发电站在居民供电系统中，能够满足居民供电系统中自身的用电需求，将有效解决我国居民住宅建筑高能耗的问题。

图7：光伏发电与建筑一体化示例

分布式光伏发电站在居民供电系统中的应用具有广阔的发展前景，能够有效提升资源利用率，具有良好的经济社会效益，值得推广与发展。

五、结束语

太阳能光伏发电站作为绿色环保，可再生资源利用的重要组成部分，随着我国建筑行业光伏组件的不断创新和开发，必将被广泛地应用于居民供电系统中。太阳能光伏发电与居民住宅建筑的一体化建设将会大规模兴起，对太阳能的开发利用将会成为建筑行业发展的重要课题，太阳能也必将成为我国重要的能源组成部分。加大分布式光伏发电站在居民供电系统中的应用既能有效降低居民建筑能耗问题，又能对国家碳中和目标起到积极作用。同时分布式光伏电站的应用也能为居民带来创收，经济社会效良好！

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