丁光濤

(安徽師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖　241000)

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對(duì)發(fā)展光伏發(fā)電站的兩點(diǎn)建議

丁光濤

(安徽師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)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(yáng)能光伏發(fā)電，針對(duì)光伏發(fā)電站建設(shè)中存在的用地緊缺和并網(wǎng)困難兩大限制，提出兩點(diǎn)建議：一是依水而建，即在江河湖庫(kù)的灘涂濕地和水面上建設(shè)光伏發(fā)電站；二是光水互補(bǔ)，即光伏發(fā)電站與水電站互補(bǔ)發(fā)電，或建設(shè)光伏發(fā)電和抽水蓄能組合發(fā)電站.

關(guān)鍵詞：綠色發(fā)展；光伏發(fā)電；光水互補(bǔ)；水電站；抽水蓄能

引言

2014年6月13日習(xí)近平總書(shū)記主持召開(kāi)中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第六次會(huì)議，研究中國(guó)能源安全戰(zhàn)略，突出能源消費(fèi)、能源供給、能源技術(shù)和能源體制四方面的“革命”.2015年6月，中國(guó)向聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約秘書(shū)處提交了應(yīng)對(duì)氣候變化國(guó)家自主貢獻(xiàn)文件，提出到2030年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)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(fèi)比重達(dá)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(dá)到峰值并爭(zhēng)取盡早達(dá)峰.10月，黨的十八屆五中全會(huì)通過(guò)的關(guān)于“十三五”規(guī)劃建議中明確提出，堅(jiān)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(guó)氣候變化大會(huì)開(kāi)幕式上，國(guó)家主席習(xí)近平發(fā)表題為《攜手構(gòu)建合作共贏、公平合理的氣候變化治理機(jī)制》的重要講話，強(qiáng)調(diào)指出中國(guó)一直是全球應(yīng)對(duì)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(guó)；中國(guó)將落實(shí)創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)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(shè)新格局；中國(guó)在“國(guó)家自主貢獻(xiàn)”中提出的目標(biāo)雖然需要付出艱苦努力，但我們有信心和決心實(shí)現(xiàn)我們的承諾.12月12日晚，《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》近200個(gè)締約方一致同意通過(guò)《巴黎協(xié)議》.

一切表明，堅(jiān)持綠色發(fā)展，推動(dòng)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命勢(shì)在必行.面對(duì)日益突出的能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題，人們必須重視可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用，其中太陽(yáng)能每秒鐘到達(dá)地面的能量高達(dá)80萬(wàn)千瓦時(shí)，它無(wú)處不在、用之不竭、清潔安全，它可以直接利用、無(wú)需運(yùn)輸開(kāi)采、且不造成任何污染，因而,世界各國(guó)都將發(fā)展太陽(yáng)能光伏發(fā)電等新能源作為重要的戰(zhàn)略選擇.據(jù)預(yù)測(cè)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電在21世紀(jì)會(huì)占據(jù)世界能源消費(fèi)的重要席位，到2030年，可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將占到30%以上，而太陽(yáng)能光伏發(fā)電在世界總電力供應(yīng)中的占比也將達(dá)到10%以上；到2040年，可再生能源將占總能耗的50%以上，太陽(yáng)能光伏發(fā)電將占總電力的20%以上；到21世紀(jì)末，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中將占到80%以上，太陽(yáng)能發(fā)電將占到60%以上.這些數(shù)字足以顯示出太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領(lǐng)域重要的戰(zhàn)略地位.建造大型光伏電站是利用太陽(yáng)能的最好方法，與傳統(tǒng)火力發(fā)電相比，太陽(yáng)能光伏電站具有重大的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益.

近年來(lái)我國(guó)光伏發(fā)電也呈現(xiàn)加快發(fā)展趨勢(shì).2014年中國(guó)(不包含港澳臺(tái)地區(qū))光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量2805萬(wàn)千瓦，累計(jì)發(fā)電量250億千瓦時(shí)，其中光伏電站2338萬(wàn)千瓦，分布式467萬(wàn)千瓦，新增裝機(jī)容量1060萬(wàn)千瓦，約占全球新增裝機(jī)的五分之一，實(shí)現(xiàn)了《國(guó)務(wù)院關(guān)于促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見(jiàn)》中提出的平均年增1000萬(wàn)千瓦目標(biāo).安徽省在發(fā)展太陽(yáng)能發(fā)電方面也取得很大進(jìn)展，截至2015年11月底，全省光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)規(guī)模75萬(wàn)千瓦，新增裝機(jī)規(guī)模為25萬(wàn)千瓦，1月至11月光伏發(fā)電量約3.6億千瓦時(shí)，同比增加428%.“十三五”規(guī)劃建議中明確提出“加快發(fā)展風(fēng)能、太陽(yáng)能……”，顯然，這個(gè)期間我國(guó)的太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)和利用將迎來(lái)最好的機(jī)遇期.近幾年筆者對(duì)安徽省蕪湖市光伏發(fā)電站建設(shè)進(jìn)行了一些實(shí)地調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)在發(fā)展光伏發(fā)電站確實(shí)存在若干需要解決的實(shí)際問(wèn)題，本文將討論其中用地和并網(wǎng)兩大困難，并給出解決問(wèn)題的建議.

1發(fā)展光伏發(fā)電系統(tǒng)需要解決的兩大問(wèn)題

太陽(yáng)能有眾多的優(yōu)勢(shì)，光伏發(fā)電技術(shù)可以用于任何需要電源的場(chǎng)合，從航天器到家用電器；功率范圍極大，從兆瓦級(jí)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(guó)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(rèn)為要想實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用，還是應(yīng)當(dāng)以建設(shè)光伏發(fā)電站為主.然而，太陽(yáng)能也存在著兩個(gè)重大的局限性：1)分散性：到達(dá)地球表面的太陽(yáng)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(dāng)大的一套收集和轉(zhuǎn)換設(shè)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(jī)因素的影響，到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射是間斷的不穩(wěn)定的.不穩(wěn)定性意味著儲(chǔ)能成為太陽(yáng)能利用的重要環(huán)節(jié)，然而這恰是當(dāng)前太陽(yáng)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(chǔ)能技術(shù)更是未能很好解決的問(wèn)題.不帶儲(chǔ)能裝置的光伏發(fā)電系統(tǒng)直接并網(wǎng)將給電網(wǎng)帶來(lái)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(dǎo)致電網(wǎng)失穩(wěn)[2,3,8]；如果配置大容量的化學(xué)蓄電設(shè)備，不僅將會(huì)增加成本，而且存在安全隱患和后期處理蓄電設(shè)備的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn).在光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)實(shí)踐中，普遍遇到電網(wǎng)接入限制而產(chǎn)生的棄光問(wèn)題，以及由于用地指標(biāo)緊張而出現(xiàn)的無(wú)處建光伏電站問(wèn)題，這里面固然有體制和政策方面的障礙，也與上述太陽(yáng)能兩個(gè)內(nèi)在的局限性密切相關(guān).大規(guī)模建設(shè)集中式光伏發(fā)電站必須解決上述兩個(gè)問(wèn)題，而如何解決問(wèn)題需要?jiǎng)?chuàng)新思路，下面主要就此提出具體建議.

2通過(guò)與水結(jié)合建設(shè)光伏發(fā)電站解決用地困難問(wèn)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(zhǎng)江中下游地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，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(kuò)大和交通建設(shè)等，使用地需求大增，用地指標(biāo)一直緊張.中央“十三五”規(guī)劃建議中明確要求，堅(jiān)持節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國(guó)策，堅(jiān)持最嚴(yán)格的耕地保護(hù)制度，開(kāi)展大規(guī)模國(guó)土綠化行動(dòng)，加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)，推進(jìn)美麗中國(guó)建設(shè)，在此情況下，未來(lái)征用耕地和林地條件會(huì)更加嚴(yán)格，再加上光伏發(fā)電站本身對(duì)用地要求滿足一定的條件，將使用地困難問(wèn)題更難解決.

如何解脫建設(shè)光伏電站用地難的困境？需要轉(zhuǎn)變觀念，拓寬思路，我們提出采取與水結(jié)合方式建設(shè)光伏發(fā)電站.長(zhǎng)江中下游地區(qū)自然環(huán)境是江河縱橫交錯(cuò)，湖泊星羅棋布，而且還有多年來(lái)的水利興修留下的很多水庫(kù)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(kù)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(qiáng)生態(tài)保護(hù)而開(kāi)展退耕還濕、退養(yǎng)還灘的濕地資源來(lái)建設(shè)光伏電站，這些年來(lái)建成的“漁光互補(bǔ)”模式光伏電站基本上屬于這一種類(lèi)型.第二種方式是利用水位較深的湖泊和水庫(kù)的水面建設(shè)光伏電站，當(dāng)然，還有以上兩種方式的復(fù)合方式.國(guó)外已經(jīng)有了水面光伏電站的實(shí)例，與淺水中固定支架的“漁光互補(bǔ)”電站不同，水面光伏電站的平臺(tái)是浮在水面上的.

發(fā)展水上光伏電站具有多方面優(yōu)點(diǎn)，例如安徽省地處江淮，有眾多的江河湖庫(kù)，而地處內(nèi)陸風(fēng)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(duì)竹材進(jìn)行科學(xué)處理，可使其在水中具有更良好的耐腐蝕性，與國(guó)外使用化工產(chǎn)品相比，將使水面光伏電站造價(jià)降低，符合綠色發(fā)展的理念.只要占用水面比例適當(dāng)，建設(shè)水面光伏電站不會(huì)影響正常的漁業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖，也不會(huì)妨礙航行，還可以為水體養(yǎng)殖、風(fēng)景旅游、生態(tài)建設(shè)等提供電力支持.從技術(shù)角度看，由于水面光伏電站的浮體平臺(tái)便于整體調(diào)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(yùn)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(zhuān)家指出，浮于水面的光伏電站平臺(tái)能夠降低陽(yáng)光對(duì)水體的照射，可以抑制水中藻類(lèi)的生長(zhǎng)，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(shí)建設(shè)風(fēng)力電站.綜上所述，與水為鄰，以水為基，依水而建，不僅會(huì)解決安徽省建設(shè)光伏電站的用地問(wèn)題，而且能帶來(lái)多方面的綠色發(fā)展效益.

3通過(guò)光水互補(bǔ)解決光伏發(fā)電不穩(wěn)定性和并網(wǎng)困難問(wèn)題

3.1依托水電站直接光水互補(bǔ)方式

光伏發(fā)電具有出力不穩(wěn)定和間歇性的特點(diǎn)，長(zhǎng)距離輸送中電力潮流變化將會(huì)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(lái)調(diào)節(jié)，通常采用相應(yīng)的火電機(jī)組承擔(dān)旋轉(zhuǎn)備用，但是這樣處理會(huì)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(wèn)題，在青海研發(fā)了“水光互補(bǔ)”協(xié)調(diào)運(yùn)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(bǔ)充發(fā)電，在光伏電站能夠充分發(fā)電時(shí)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(shí)，水電站啟動(dòng)發(fā)電或增加發(fā)電能力，以補(bǔ)足發(fā)電量，兩種電站交替運(yùn)行互補(bǔ)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(jī)組的快速調(diào)節(jié)能力和水庫(kù)的調(diào)節(jié)能力，提高了光伏電站的電能質(zhì)量，依靠水力發(fā)電和光伏發(fā)電快速補(bǔ)償?shù)墓δ?，使光伏發(fā)電轉(zhuǎn)換為安全穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)電源并能夠安全并網(wǎng)[9].與利用火電機(jī)組承擔(dān)旋轉(zhuǎn)備用的方式相比，“水光互補(bǔ)”是清潔能源之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，不僅效率更高，而且減少化石燃料消費(fèi)，降低了碳排放，因而，應(yīng)用前景廣闊，具有較高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益.安徽省有相當(dāng)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(lái)發(fā)展“水光互補(bǔ)”的光伏電站，可以迅速而低成本地?cái)U(kuò)大發(fā)電能力.

3.2與抽水蓄能相結(jié)合解決光伏電站大容量蓄能問(wèn)題

理論上通過(guò)儲(chǔ)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(jí)的化學(xué)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(jì)、壽命周期最長(zhǎng)、容量最大的儲(chǔ)能裝置，我們建議將光伏發(fā)電技術(shù)與抽水蓄能技術(shù)組合起來(lái)，利用抽水蓄能技術(shù)來(lái)解決光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性問(wèn)題[10-12].這種組合電站的運(yùn)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(jī)性，但是，通過(guò)抽水蓄能，光伏發(fā)電得到的電能將以大量水體的勢(shì)能儲(chǔ)存起來(lái)；水力發(fā)電則是連續(xù)的穩(wěn)定的全天候的，龐大的水庫(kù)水體平抑了太陽(yáng)能的起伏，保持了輸出的電力是平穩(wěn)的、連續(xù)的，同時(shí)通過(guò)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(zhì).這就是說(shuō)，這條技術(shù)路線同時(shí)解決了蓄能設(shè)施和直流變交流的逆變器問(wèn)題，以及相應(yīng)的調(diào)控問(wèn)題.光伏發(fā)電和抽水蓄能都是相當(dāng)成熟的技術(shù)，這里的組合方式是前后相繼，沒(méi)有交叉重組，同時(shí)由于相關(guān)的工程建設(shè)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(duì)于已經(jīng)建成的抽水蓄能電站，適當(dāng)調(diào)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(shí)，支持建設(shè)光伏發(fā)電站.對(duì)于新建設(shè)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(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行、管理，將更為有利.

我們?cè)趯?shí)地調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，由于體制上的問(wèn)題抽水蓄能電站與光伏發(fā)電站的建設(shè)相互隔離，抽水蓄能電站的上下水庫(kù)大面積水面，庫(kù)區(qū)可以利用的山坡空地，建設(shè)過(guò)程中造成的堆渣灘地，往往未能用于建設(shè)光伏發(fā)電站，建成的電能并網(wǎng)設(shè)施并不是滿負(fù)荷運(yùn)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(shè)備潛力沒(méi)有充分發(fā)揮出來(lái)，而建設(shè)光伏電站又要另外用地和建設(shè)并網(wǎng)設(shè)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(shè)的抽水蓄能電站適當(dāng)改造，就能夠迅速擴(kuò)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(kù)或因水量來(lái)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(shè)光伏發(fā)電站，光伏發(fā)電或是與原來(lái)水電站組成“光水互補(bǔ)”發(fā)電系統(tǒng)，或是用來(lái)抽水補(bǔ)充到水庫(kù)中，使水電站能夠連續(xù)運(yùn)行以擴(kuò)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(lái)發(fā)電，可以提高自然資源的使用效益，而且當(dāng)前這種混合電站的建設(shè)可以結(jié)合老的水利水電工程的增效擴(kuò)容改造來(lái)進(jìn)行.幾十年來(lái)，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(nóng)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(nóng)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(shè)新的提水工程，以擴(kuò)大灌溉面積，提升抗旱能力，或是發(fā)展新型農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖業(yè).

4結(jié)束語(yǔ)

“十三五”期間，我國(guó)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(lái)進(jìn)行的與光伏發(fā)電相關(guān)的實(shí)地調(diào)研情況，著重分析了由太陽(yáng)能兩種局限性帶來(lái)的發(fā)展光伏發(fā)電站的兩個(gè)問(wèn)題：用地緊缺和并網(wǎng)困難，提出為了加快發(fā)展新能源，應(yīng)當(dāng)創(chuàng)新思路來(lái)突破困境.對(duì)于安徽省所處的長(zhǎng)江中下游地區(qū)，采取與水結(jié)合方式建設(shè)光伏發(fā)電站，利用江河湖庫(kù)灘涂濕地，特別是利用水面建設(shè)水上光伏電站，可以解決用地指標(biāo)緊張問(wèn)題；通過(guò)光水互補(bǔ)方式，利用光伏電站和水電站互補(bǔ)發(fā)電，特別是建設(shè)光伏發(fā)電和抽水蓄能組合電站，來(lái)改善光伏發(fā)電并網(wǎng)電力的品質(zhì)，可以解決由于太陽(yáng)能的不穩(wěn)定和間歇性而導(dǎo)致的光伏發(fā)電并網(wǎng)困難問(wèn)題.

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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(lèi)號(hào)：TK514;TM615

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-2443(2016)02-0128-04

作者簡(jiǎn)介：丁光濤(1941-)，男，安徽樅陽(yáng)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(duì)發(fā)展光伏發(fā)電站的兩點(diǎn)建議[J].安徽師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2016，39(2)：128-131.