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太阳能光伏发电并网技术应用分析


全球变暖和环境污染已成为当今挑战性的问题,这促进了可再生能源的快速发展。光伏发电以其巨大的容量和潜力,通过降低能源消耗,进而减少环境污染,被人们普遍认为是最有前景的可再生能源之一。随着电力需求的不断增加,对绿色分布式能源和快速消耗的化石燃料的需求也在不断增加。最常见的绿色分布式能源是太阳能光伏、燃料电池(FC)或连接在配电电压水平的微型涡轮机。
1、生命周期评价太阳能光伏发电并网应用
最近,越来越多的生命周期评价(LCA)研究已经开展了关于TEPBT和光伏技术的环境影响。采用生命周期评价(LCA)方法研究了我国晶体硅太阳能组件并网光伏发电对环境的影响。首先对生命周期库存进行了分析。然后对各工序的能耗和温室气体排放量进行了详细估算,最后计算出各工序的生命周期值。结果表明,晶硅太阳能组件并网光伏发电的能量回收期在1.6~2.3年之间。约占光伏制造过程总能耗和总温室气体排放量的84%甚至更多。太阳能级硅(SOG-Si)生产是最耗能的温室气体排放工艺,占总能耗和总温室气体排放量的35%以上。无论是多硅、单硅、LS-PV还是分布式光伏系统,光伏电站制造业占总能耗和温室气体排放量的84%甚至更多。例如,2013年中国光伏组件出货量为27.4GWP,占全球出货量的50%以上。2013年的年装机容量为12.42GWP,是世界上最大的市场之一。这个快速增长的市场促进了与光伏产业相关的关键技术的发展。此外,太阳能电池的效率也在不断提高,太阳能级硅每千克的生产能耗大幅下降,光伏组件和系统成本也同样降低。
关于光伏发电的争议仍然存在。一些反对意见认为,光伏系统寿命期内的总能源产量不能补偿制造过程中的能源消耗。另一些人则坚持认为,光伏发电不是一种清洁能源,因为它在系统建设过程中能耗高,污染物排放严重,特别是在生产硫硅的过程中。实际上,光伏系统运行几乎无需维护,完全“清洁”。然而,在考虑光伏发电的整个生命周期时,从石英开采到冶金硅生产、电池和组件生产,以及报废光伏系统的处置,能源消耗和污染排放等问题却不应忽视。目前的光伏系统的寿命是25年或更长,虽然在制造过程中消耗了一定的能量,但当能量消耗与整个系统寿命期内的总能量输出相比较时,其消耗的能量可以忽略不计。一般来说,产品或技术的生命周期是指从其诞生到死亡的一段时间,包括制造、使用、维护和最终处置。光伏技术的生命周期评价研究始于近四十年,用于评估可持续性和环境效益的最常见指标包括能源回收时间(TEPBT)、能源产出率(EYR)和温室气体(GHG)排放。
LCA不仅跟踪直接能源消耗和排放,还跟踪与可能燃料相关的所有间接能源消耗和排放。由于不同的制造、安装位置/时间和安装类型,光伏系统的TEPBT和GHG排放量存在很大差异。随着我国光伏产业和市场的快速发展,光伏技术对环境的影响越来越受到人们的重视。根据目前中国光伏行业的水平,一个1.0公斤的多硅锭可以切成至少46片,尺寸约为156毫米。多硅太阳能电池的平均效率为17.5%,每片太阳能电池的功率为4.26wp。因此,1.0kg多硅锭可以生产功率为196wp的太阳能电池,相当于通过1.1kgSOG-Si和1.485kgUMG-Si获得的太阳能电池。每瓦太阳能电池的SOGSi约为5.61g/wp,每瓦太阳能电池的UMGSi约为7.58g/wp。在制造过程中,一定数量的太阳能电池被破坏。因此研究人员对我国采用多硅或单硅太阳能组件的光伏并网发电进行了全寿命评估。能源回收期从1.6年到2.3年不等,而温室气体排放量目前在60.1-87.3g-co2/kwh之间。随着未来技术的进步,能源回收期和温室气体排放量预计将进一步减少。
2、太阳能光伏发电的动力应用
有关人员还重点研究了太阳能光伏阵列和电池储能系统(BESS)等可再生能源型电力系统在低压电网中提供电压支持的能力,以及在孤岛型微电网中提供电压和频率支持的能力。除此之外,还研究了利用太阳能光伏在MPPT中的作用来提供有功和无功(即非有功)功率控制,以及用于电网连接模式的电池储能系统。在Matlab/Simulink软件中得到的仿真结果清楚地证明了所提出的控制方法的有效性。微电网是分布式发电机或微资源、储能装置和负载的集合,它们作为一个独立的可控制系统运行,能够向服务区域提供电力和热量。集成在微电网中的微资源由不到100千瓦的小型装置组成,并配有电力电子(PE)接口。
最常见的资源是太阳能光伏(PV)、燃料电池(FC)或以配电电压水平连接的微型涡轮机。当有充足的太阳辐照度时,微电网频率控制所需的有功功率小于MPP时太阳能光伏发电机产生的有功功率,即pfcontrol<ppvmpp,同时电池的SOC为80%,则电池充电不能超过SOC的上限。在这种情况下,降低太阳能光伏发电机的输出功率会导致太阳能资源的利用不足。
因此,微电网需要一种全局控制机制,将光伏控制从频率控制模式转换为恒功率模式,并在PPVMPP上产生功率,同时,应该有一种机制允许微电网的任何其他发电机处理频率控制问题。在考虑的微电网系统中,有一台柴油发电机可以减少发电量,以匹配光伏发电量的增加。因此,系统的功率平衡将得到维持,最终控制微电网的频率。同样,当辐照度较低时,光伏发电机的最大功率不足以维持微电网频率,即pfcontrol>ppvmpp,同时电池的SOC为20%,电池将无法备份光伏。
3、结语
我们可以引入有限数量的光伏发电作为战略性的分布式发电可以更好地缓解电压分布,减少损耗和改善THDV。光伏发电的能耗和温室气体强度取决于多种因素,包括太阳能电池类型、局部太阳辐射、安装类型、bos组件的效率、系统容量、寿命、模块效率、现状局部电力混合等。这些因素的任何变化都不可避免地会导致温室气体排放和TEPBT的变化。然而,考虑到光伏电站向终端用户输电过程中的能量损失,仍然很少有结果。为了澄清已公布的太阳能光伏的生命周期结果,国家可再生能源实验室(NREL)的科学家审查了数百份已发表的科学文献,然后协调关键性能特征,以产生更具可比性和一致性的结果。虽然已经获得了一些直接或间接的结果,但中国的研究很少提供详细的分析或计算。有必要进行合理可靠的LCA研究,更=新最新研究成果,以适应中国光伏产业和市场的快速增长。

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