丁光濤

(安徽師范大學 物理與電子信息學院，安徽 蕪湖　241000)

?

對發(fā)展光伏發(fā)電站的兩點建議

丁光濤

(安徽師范大學 物理與電子信息學院，安徽 蕪湖241000)

摘要：根據(jù)綠色發(fā)展理念，必須加快發(fā)展太陽能光伏發(fā)電，針對光伏發(fā)電站建設中存在的用地緊缺和并網(wǎng)困難兩大限制，提出兩點建議：一是依水而建，即在江河湖庫的灘涂濕地和水面上建設光伏發(fā)電站；二是光水互補，即光伏發(fā)電站與水電站互補發(fā)電，或建設光伏發(fā)電和抽水蓄能組合發(fā)電站.

關鍵詞：綠色發(fā)展；光伏發(fā)電；光水互補；水電站；抽水蓄能

引言

2014年6月13日習近平總書記主持召開中央財經(jīng)領導小組第六次會議，研究中國能源安全戰(zhàn)略，突出能源消費、能源供給、能源技術和能源體制四方面的“革命”.2015年6月，中國向聯(lián)合國氣候變化框架公約秘書處提交了應對氣候變化國家自主貢獻文件，提出到2030年單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降60%-65%、非化石能源占一次能源消費比重達到20%左右、森林蓄積量比2005年增加45億立方米、二氧化碳排放2030年左右達到峰值并爭取盡早達峰.10月，黨的十八屆五中全會通過的關于“十三五”規(guī)劃建議中明確提出，堅持綠色發(fā)展，著力改善生態(tài)環(huán)境.11月30日，在第21屆聯(lián)合國氣候變化大會開幕式上，國家主席習近平發(fā)表題為《攜手構建合作共贏、公平合理的氣候變化治理機制》的重要講話，強調指出中國一直是全球應對氣候變化事業(yè)的積極參與者，目前已成為世界節(jié)能和利用新能源、可再生能源第一大國；中國將落實創(chuàng)新、協(xié)調、綠色、開放、共享的發(fā)展理念，形成人與自然和諧發(fā)展現(xiàn)代化建設新格局；中國在“國家自主貢獻”中提出的目標雖然需要付出艱苦努力，但我們有信心和決心實現(xiàn)我們的承諾.12月12日晚，《聯(lián)合國氣候變化框架公約》近200個締約方一致同意通過《巴黎協(xié)議》.

一切表明，堅持綠色發(fā)展，推動能源生產和消費革命勢在必行.面對日益突出的能源短缺和環(huán)境污染問題，人們必須重視可再生能源的開發(fā)和利用，其中太陽能每秒鐘到達地面的能量高達80萬千瓦時，它無處不在、用之不竭、清潔安全，它可以直接利用、無需運輸開采、且不造成任何污染，因而,世界各國都將發(fā)展太陽能光伏發(fā)電等新能源作為重要的戰(zhàn)略選擇.據(jù)預測，太陽能光伏發(fā)電在21世紀會占據(jù)世界能源消費的重要席位，到2030年，可再生能源在總能源結構中將占到30%以上，而太陽能光伏發(fā)電在世界總電力供應中的占比也將達到10%以上；到2040年，可再生能源將占總能耗的50%以上，太陽能光伏發(fā)電將占總電力的20%以上；到21世紀末，可再生能源在能源結構中將占到80%以上，太陽能發(fā)電將占到60%以上.這些數(shù)字足以顯示出太陽能光伏產業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領域重要的戰(zhàn)略地位.建造大型光伏電站是利用太陽能的最好方法，與傳統(tǒng)火力發(fā)電相比，太陽能光伏電站具有重大的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益.

近年來我國光伏發(fā)電也呈現(xiàn)加快發(fā)展趨勢.2014年中國(不包含港澳臺地區(qū))光伏發(fā)電累計裝機容量2805萬千瓦，累計發(fā)電量250億千瓦時，其中光伏電站2338萬千瓦，分布式467萬千瓦，新增裝機容量1060萬千瓦，約占全球新增裝機的五分之一，實現(xiàn)了《國務院關于促進光伏產業(yè)健康發(fā)展的若干意見》中提出的平均年增1000萬千瓦目標.安徽省在發(fā)展太陽能發(fā)電方面也取得很大進展，截至2015年11月底，全省光伏發(fā)電累計裝機規(guī)模75萬千瓦，新增裝機規(guī)模為25萬千瓦，1月至11月光伏發(fā)電量約3.6億千瓦時，同比增加428%.“十三五”規(guī)劃建議中明確提出“加快發(fā)展風能、太陽能……”，顯然，這個期間我國的太陽能開發(fā)和利用將迎來最好的機遇期.近幾年筆者對安徽省蕪湖市光伏發(fā)電站建設進行了一些實地調查研究，發(fā)現(xiàn)在發(fā)展光伏發(fā)電站確實存在若干需要解決的實際問題，本文將討論其中用地和并網(wǎng)兩大困難，并給出解決問題的建議.

1發(fā)展光伏發(fā)電系統(tǒng)需要解決的兩大問題

太陽能有眾多的優(yōu)勢，光伏發(fā)電技術可以用于任何需要電源的場合，從航天器到家用電器；功率范圍極大，從兆瓦級電站到玩具電源.光伏發(fā)電系統(tǒng)有離網(wǎng)的，有并網(wǎng)的；并網(wǎng)的系統(tǒng)有分布式的，有集中式大型光伏電站[1,4-7].我國光伏發(fā)電分布式和集中式兩種系統(tǒng)都要發(fā)展，但是，我們認為要想實現(xiàn)太陽能發(fā)電的大規(guī)模應用，還是應當以建設光伏發(fā)電站為主.然而，太陽能也存在著兩個重大的局限性：1)分散性：到達地球表面的太陽輻射的總量盡管很大，但是能流密度很低，想要得到較大的光伏發(fā)電能量，需要面積相當大的一套收集和轉換設備；2)不穩(wěn)定性：由于受到晝夜變更等自然條件的限制以及晴陰云雨等隨機因素的影響，到達地面的太陽輻射是間斷的不穩(wěn)定的.不穩(wěn)定性意味著儲能成為太陽能利用的重要環(huán)節(jié)，然而這恰是當前太陽能利用中的薄弱環(huán)節(jié)，特別是與大型集中式光伏電站相匹配的而且成本可以接受的儲能技術更是未能很好解決的問題.不帶儲能裝置的光伏發(fā)電系統(tǒng)直接并網(wǎng)將給電網(wǎng)帶來潮汐式送電，造成電壓起伏不定，如果這樣并網(wǎng)的發(fā)電量比例較大，可能導致電網(wǎng)失穩(wěn)[2,3,8]；如果配置大容量的化學蓄電設備，不僅將會增加成本，而且存在安全隱患和后期處理蓄電設備的環(huán)境風險.在光伏發(fā)電項目建設實踐中，普遍遇到電網(wǎng)接入限制而產生的棄光問題，以及由于用地指標緊張而出現(xiàn)的無處建光伏電站問題，這里面固然有體制和政策方面的障礙，也與上述太陽能兩個內在的局限性密切相關.大規(guī)模建設集中式光伏發(fā)電站必須解決上述兩個問題，而如何解決問題需要創(chuàng)新思路，下面主要就此提出具體建議.

2通過與水結合建設光伏發(fā)電站解決用地困難問題

光伏電站用地為永久性地，大型地面光伏電站需占用較大的土地面積，理論估算光伏電站平均每千瓦占地20—30平方米.我省地處長江中下游地區(qū)，經(jīng)濟發(fā)達，人多地少，最近幾十年的快速發(fā)展，特別是工業(yè)化的加速、城市擴大和交通建設等，使用地需求大增，用地指標一直緊張.中央“十三五”規(guī)劃建議中明確要求，堅持節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策，堅持最嚴格的耕地保護制度，開展大規(guī)模國土綠化行動，加快建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，推進美麗中國建設，在此情況下，未來征用耕地和林地條件會更加嚴格，再加上光伏發(fā)電站本身對用地要求滿足一定的條件，將使用地困難問題更難解決.

如何解脫建設光伏電站用地難的困境？需要轉變觀念，拓寬思路，我們提出采取與水結合方式建設光伏發(fā)電站.長江中下游地區(qū)自然環(huán)境是江河縱橫交錯，湖泊星羅棋布，而且還有多年來的水利興修留下的很多水庫渠道，這些提供了發(fā)展光伏發(fā)電的廣闊空間.第一種方式是利用江河湖庫的岸邊未利用土地、水中沙洲灘涂、淺水湖塘池沼，以及為了加強生態(tài)保護而開展退耕還濕、退養(yǎng)還灘的濕地資源來建設光伏電站，這些年來建成的“漁光互補”模式光伏電站基本上屬于這一種類型.第二種方式是利用水位較深的湖泊和水庫的水面建設光伏電站，當然，還有以上兩種方式的復合方式.國外已經(jīng)有了水面光伏電站的實例，與淺水中固定支架的“漁光互補”電站不同，水面光伏電站的平臺是浮在水面上的.

發(fā)展水上光伏電站具有多方面優(yōu)點，例如安徽省地處江淮，有眾多的江河湖庫，而地處內陸風平浪靜，這些水域是合適的光伏電站選址.此外，安徽省又是竹資源最豐富的地區(qū)，竹子不僅低成本，加工易，做成的竹筏吃水淺、浮力大，如對竹材進行科學處理，可使其在水中具有更良好的耐腐蝕性，與國外使用化工產品相比，將使水面光伏電站造價降低，符合綠色發(fā)展的理念.只要占用水面比例適當，建設水面光伏電站不會影響正常的漁業(yè)和水產養(yǎng)殖，也不會妨礙航行，還可以為水體養(yǎng)殖、風景旅游、生態(tài)建設等提供電力支持.從技術角度看，由于水面光伏電站的浮體平臺便于整體調整方位和傾角，位置貼近水面利于降低溫度，此外，水面上空氣清新可降低光伏電池的污染，故能夠提高發(fā)電效率而且減少運行管理成本.這樣的光伏電站是資源節(jié)約環(huán)境友好型的，例如，支架便于回收，而且有的專家指出，浮于水面的光伏電站平臺能夠降低陽光對水體的照射，可以抑制水中藻類的生長，有利于水體污染的防治.如果選擇某些條件合適的灘涂和水面，還能夠同時建設風力電站.綜上所述，與水為鄰，以水為基，依水而建，不僅會解決安徽省建設光伏電站的用地問題，而且能帶來多方面的綠色發(fā)展效益.

3通過光水互補解決光伏發(fā)電不穩(wěn)定性和并網(wǎng)困難問題

3.1依托水電站直接光水互補方式

光伏發(fā)電具有出力不穩(wěn)定和間歇性的特點，長距離輸送中電力潮流變化將會給電網(wǎng)的電壓控制增加難度，為此電力系統(tǒng)需要有足夠備用容量來調節(jié)，通常采用相應的火電機組承擔旋轉備用，但是這樣處理會消耗煤炭、油氣等化石能源，造成污染物及溫室氣體的排放.為解決光伏發(fā)電存在的問題，在青海研發(fā)了“水光互補”協(xié)調運行控制系統(tǒng)，依托水電站發(fā)展光伏發(fā)電站，兩種電站互相補充發(fā)電，在光伏電站能夠充分發(fā)電時直接并網(wǎng)，水電站停止發(fā)電或減少發(fā)電量；在光伏電站發(fā)電能力下降或停止發(fā)電時，水電站啟動發(fā)電或增加發(fā)電能力，以補足發(fā)電量，兩種電站交替運行互補并網(wǎng)以保持并網(wǎng)電量均衡，電網(wǎng)電壓穩(wěn)定.這種方式利用水輪發(fā)電機組的快速調節(jié)能力和水庫的調節(jié)能力，提高了光伏電站的電能質量，依靠水力發(fā)電和光伏發(fā)電快速補償?shù)墓δ?，使光伏發(fā)電轉換為安全穩(wěn)定的優(yōu)質電源并能夠安全并網(wǎng)[9].與利用火電機組承擔旋轉備用的方式相比，“水光互補”是清潔能源之間的優(yōu)勢互補，不僅效率更高，而且減少化石燃料消費，降低了碳排放，因而，應用前景廣闊，具有較高社會經(jīng)濟效益.安徽省有相當多的已經(jīng)建成的水電站，有的地區(qū)水力發(fā)電的潛力已經(jīng)不多，如果用來發(fā)展“水光互補”的光伏電站，可以迅速而低成本地擴大發(fā)電能力.

3.2與抽水蓄能相結合解決光伏電站大容量蓄能問題

理論上通過儲能裝置可以使光伏發(fā)電保持平穩(wěn)的電能輸出，但是，大容量的蓄能裝置，特別是電站級的化學蓄能裝置恰是薄弱環(huán)節(jié).眾所周知，抽水蓄能是電力系統(tǒng)最可靠、最經(jīng)濟、壽命周期最長、容量最大的儲能裝置，我們建議將光伏發(fā)電技術與抽水蓄能技術組合起來，利用抽水蓄能技術來解決光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性問題[10-12].這種組合電站的運行方式如下：光伏發(fā)電-抽水蓄能-放水發(fā)電-電能并網(wǎng).這種光伏發(fā)電和水力發(fā)電組合中，光伏發(fā)電帶有起伏性、間歇性，甚至有隨機性，但是，通過抽水蓄能，光伏發(fā)電得到的電能將以大量水體的勢能儲存起來；水力發(fā)電則是連續(xù)的穩(wěn)定的全天候的，龐大的水庫水體平抑了太陽能的起伏，保持了輸出的電力是平穩(wěn)的、連續(xù)的，同時通過水力發(fā)電又將不穩(wěn)定的光伏直流電，變換成平穩(wěn)的交流電，提高了并網(wǎng)電能的品質.這就是說，這條技術路線同時解決了蓄能設施和直流變交流的逆變器問題，以及相應的調控問題.光伏發(fā)電和抽水蓄能都是相當成熟的技術，這里的組合方式是前后相繼，沒有交叉重組，同時由于相關的工程建設與管理也比較成熟，這就極大地縮短研發(fā)周期，降低前期投入，需要做的事是解決現(xiàn)行體制中的某些障礙.對于已經(jīng)建成的抽水蓄能電站，適當調整分配抽水蓄能電站的抽水和發(fā)電能力，或另外增加一些抽水能力，就可以在保持抽水蓄能電站原有功能同時，支持建設光伏發(fā)電站.對于新建設的抽水蓄能電站，將光伏電站與抽水蓄能電站統(tǒng)一規(guī)劃、設計、建設和運行、管理，將更為有利.

我們在實地調查中發(fā)現(xiàn)，由于體制上的問題抽水蓄能電站與光伏發(fā)電站的建設相互隔離，抽水蓄能電站的上下水庫大面積水面，庫區(qū)可以利用的山坡空地，建設過程中造成的堆渣灘地，往往未能用于建設光伏發(fā)電站，建成的電能并網(wǎng)設施并不是滿負荷運行，也不能用于光伏發(fā)電并網(wǎng)，抽水蓄能電站的土地資源和設備潛力沒有充分發(fā)揮出來，而建設光伏電站又要另外用地和建設并網(wǎng)設施，這些都是非常不合理的.就安徽省而言，如果將已經(jīng)建成和正在建設的抽水蓄能電站適當改造，就能夠迅速擴大光伏發(fā)電能力.

3.3介于以上兩種方式之間的混合方式

將中小型水庫或因水量來流不足不能常年足額發(fā)電的水電站，改造成具有部分抽水蓄能功能的電站，依托這樣的水電站建設光伏發(fā)電站，光伏發(fā)電或是與原來水電站組成“光水互補”發(fā)電系統(tǒng)，或是用來抽水補充到水庫中，使水電站能夠連續(xù)運行以擴大發(fā)電能力.這種光伏水力組合電站使得部分水資源能夠循環(huán)利用來發(fā)電，可以提高自然資源的使用效益，而且當前這種混合電站的建設可以結合老的水利水電工程的增效擴容改造來進行.幾十年來，安徽省山區(qū)和丘陵地區(qū)建成的中小型水電站，就為發(fā)展農村地區(qū)集中式光伏發(fā)電站提供了基本條件，如果依托這些水利工程發(fā)展光伏電站，更多受益的是農村，更多惠及廣大的鄉(xiāng)村居民.此外，依靠這種“接地氣”的光伏發(fā)電還能夠建設新的提水工程，以擴大灌溉面積，提升抗旱能力，或是發(fā)展新型農業(yè)養(yǎng)殖業(yè).

4結束語

“十三五”期間，我國的發(fā)展理念有重大的改變，本文根據(jù)綠色發(fā)展要求，以及幾年來進行的與光伏發(fā)電相關的實地調研情況，著重分析了由太陽能兩種局限性帶來的發(fā)展光伏發(fā)電站的兩個問題：用地緊缺和并網(wǎng)困難，提出為了加快發(fā)展新能源，應當創(chuàng)新思路來突破困境.對于安徽省所處的長江中下游地區(qū)，采取與水結合方式建設光伏發(fā)電站，利用江河湖庫灘涂濕地，特別是利用水面建設水上光伏電站，可以解決用地指標緊張問題；通過光水互補方式，利用光伏電站和水電站互補發(fā)電，特別是建設光伏發(fā)電和抽水蓄能組合電站，來改善光伏發(fā)電并網(wǎng)電力的品質，可以解決由于太陽能的不穩(wěn)定和間歇性而導致的光伏發(fā)電并網(wǎng)困難問題.

參考文獻：

[1]呂芳，江燕興，劉莉敏，曹志賢.太陽能發(fā)電[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009.

[2]孫向東，任碧瑩，張琦，安少亮.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[3]汪光裕.光伏發(fā)電與并網(wǎng)技術[M].北京:中國電力出版社,2010.

[4]趙平平.太陽能發(fā)電的最新發(fā)展趨勢[J].電工文摘，2011,(6):1-3.

[5]曹雪.中國太陽能光伏發(fā)電產業(yè)的現(xiàn)狀、問題與對策研究[J].中國高新技術企業(yè)，2009,(23):76-78.

[6]李芬，陳正洪，何明瓊，徐靜.太陽能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及前景[J].水電能源科學，2011,(12):188-192.

[7]劉菲.太陽能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及前景[J].現(xiàn)代經(jīng)濟信息，2015,(22):322.

[8]冀紫軒.大型并網(wǎng)光伏電站對電網(wǎng)影響的分析[J].中外企業(yè)家，2015,(35):229.

[9]王信茂.“水光互補”創(chuàng)新可再生能源發(fā)展模式[J].中國電力企業(yè)管理，2014,(23):81-83.

[10]程路,白建華.新時期中國抽蓄能電站發(fā)展定位及前景展望[J].中國電力,2013，(11)：155-160.

[11]丁光濤.關于發(fā)展光伏發(fā)電與抽水蓄能組合的太陽能電站的建議[J].科技導報，2014,(34):12.

[12]丁光濤.關于發(fā)展并網(wǎng)光伏發(fā)電的建議[J].安徽科技，2014,(9):34-35.

Two Suggestions for Development of Photovoltaic Power Station

DING Guang-tao

(College of Physics and Electronic Information, Anhui Normal University, Wuhu 241000, China)

Abstract:Based on the concept of green development, it is necessary to speed up the development of solar photovoltaic(PV)power generation. Because there are two limitations in PV power station construction, that are the shortage of land and the difficulty of PV grid-connected, two suggestions are presented. First, the PV power stations can be constructed on the wetland and the water of rivers and lakes. Second, PV power station and hydropower station are complementary, or building PV power and pumped storage combination power station.

Key words:green development; photovoltaic power generation; light water complementary; hydropower station; pumped storage

中圖分類號：TK514;TM615

文獻標志碼：A

文章編號：1001-2443(2016)02-0128-04

作者簡介：丁光濤(1941-)，男，安徽樅陽縣人，教授.

收稿日期：2016-01-20

DOI：10.14182/J.cnki.1001-2443.2016.02.006

引用格式：丁光濤.對發(fā)展光伏發(fā)電站的兩點建議[J].安徽師范大學學報：自然科學版，2016，39(2)：128-131.